Dimensionnement du Système d'entrainement d'un Mountainboard

Bonjour à toutes et tous,

Je suis nouveau sur ce forum et dans le monde du Mountainboard en général.

Etudiant en électromécanique en dernière année, il m’est demandé de dimensionner tout le système de motorisation d’une application originale. J’ai donc choisi comme application le Mountainboard.

Ayant une liberté total quant à l’application originale, je peux définir moi-même mon cahier de charge. Voici donc les fonctions que je désire avoir sur mon mountainboard et les hypothèses :

  • Vmax = 18km/h = 5m/s (législation en Belgique pour équipements de déplacement motorisés)
  • Vitesse commandée par une télécommande (en connexion Wi-Fi, sans fil)
  • Côte de 10% à pouvoir monter à Vmax
  • Poids maximum sur le MB = 105kg (Personne de 100kg et Sac à dos de 5kg)
  • Freinage commandé par la télécommande & freinage récupératif pour recharger les batteries dans les descentes
  • Autonomie = 15km
  • Recharge Batterie : 3h max
  • Poids Mountainboard = 10kg max
  • Roue Tout-Terrain 8 pouces – Diamètre = 200mm
  • Taille Personne = 1m90
  • Largeur Epaule = 40cm
  • Surface frontale du Skateur S = 1,9 x 0,4 = 0,76 m2 (utile pour l’aérodynamique)
  • [Hypothèse] : Coefficient de roulement des roues sur chemin en terre = μ = 0,03 (A confirmer!)

Voici comment j’ai commencé mon dimensionnement :

  1. Puissance à fournir aux roues en régime permanent (V = cste) :

P(à fournir) = P(pente) + P(roulement) + P(aéro) où P = Puissance = Force x Vitesse
Donc F(à fournir) = F(pente) + F(roulement) + F(aéro)

Où F(pente) = M(tot) . g . sin(θ) = [100+5+10] . 9,81 . sin(5,7°) = 112,05 N

F(roulement) = μ . M(tot) .g . cos(θ) = 0,03 . [100+5+10] . 9,81 . cos(5,7°) = 33,7 N

F(aéro) = 0,5 . ρ . S . Cx . (V^2) = 0,5 . 1,225 . 0,76 . 1,86 . (5^2) = 21,65 N
où ρ = Viscosité cinématique de l’air
S = Surface frontale du Skateur
Cx = Coefficient de trainée (valeur trouvée sur internet)
V = Vitesse du Mountainboard

F(à fournir) = F(pente) + F(roulement) + F(aéro) = 112,05 + 33,7 + 21,65 = 167,4 N

⇨ P(à fournir) = F(à fournir) . V =167,4 . 5 = 837 W
⇨ C(roues) = F(à fournir) . R(roue) = 167,4 . 0,1 = 16,74 Nm
⇨ N(roues) = (60/2π) . (V/R(roue)) = (60/2π) . (5/0,1) = 478 tr/min

Voici les grandeurs « à fournir » aux roues (ce sont pour les 4 roues, bien entendu) en régime permanent (on oublie le démarrage pour l’instant).

Les roues sont reliées aux moteurs par un système de transmission quelconque (courroie, chaine, engrenage, …) de rendement 95% et présentant un rapport de transmission k au choix.

J’ai choisi : k = 10/50 = 0,2

Voici la suite de mon raisonnement :

Roues <= Système de transmission <= Moteur

P = 837 W η=95% Pméca = 881 W

C = 16,75 Nm k =0,2 Cmoteur = 3,35 Nm

Nroues = 480 tr/min k=0,2 Narbre = 2400tr/min

En prenant compte que le moteur n’est pas parfait (Perte Joules, …), la P(élec) nécessaire est liée à P(méca) par le rendement du moteur.

Le choix se porte sur un Moteur Brushless pour les raisons suivante :

  • rendement bon
  • Pas beaucoup de bruit
  • Petite taille
  • Très peu de frottement
  • Commande électronique aisée
  • Freinage avec récupération possible
  • Mode 4 Quadrant si bonne commande

On fixe le rendement du moteur Brushless à 85% (valeur trouvée sur internet=> A confirmer!)

P(élec) = P(méca)/ η(mot) = 881 / 0,85 = 1036 W

La puissance du moteur est donc de plus ou moins 1036 W.

Voici mon schéma avec les divers composants :

UBEC = Alimenter la carte “récepteur” pour commande à distance
PowerSwitch + Antispark = Interrupteur + Fusible pour défaut
ESC = Controle de vitesse + Freinage récupératif


Voilà où j’en suis dans mon raisonnement. Semble-t-il correct à vos yeux ? Si non, qu’est ce qui cloche ?

J’ai une grosse interrogation pour le coefficient de roulement de 0,3 pour le Pneu sur un Chemin de Terre. Qu’est ce que vous en pensez ?

Enfin, quel moteur conseillez-vous ? J’ai regardé pas mal de moteurs, mais aucun ne peut me fournir le couple du moteur. Je suis également perdu au niveau des batterie (ayant eu cours sur les batteries l’année dernière en Allemand en Erasmus, j’ai pas compris grand chose ^^)

De ce que j’ai compris, les grosses caractéristiques du moteur Brushless, c’est :

  • son Kv en RPM/Volt : donne le voltage en entrée de moteur pour atteindre les RPM voulues
  • son Voltage maximum : définit combien de volt en sortie de batterie si je ne m’abuse
  • son courant maximum : définit également la batterie à choisir.

Après cela, je suis un peu perdu et je ne suis pas sûr de mon raisonnement. Pouvez-vous m’aiguiller ?

Merci d’avance pour vos réponses.

Hadri

Salut, chacun apportera sa pierre à l’édifice.

Si tu veux une Vmax de 18 km/h, à mon avis tu peux rester en 6S du et coup pas besoin d’antispark ou de fusible. Un connecteur XT90-S fera l’affaire.

Tu peux prendre :

  • Les ESC Turnigy Trackstar Gen II sur Hobbyking (pas chers et éprouvés par OVERION)
  • Les moteurs brushless 6374 130kv sensored de chez OVERION (plus chers que des sk3 mais il te vérifie bien le cablage des sensors, tu ne seras pas emmerdé)
  • Un mount E-TOXX (en 6S les chaines sont OK et c’est le plus léger) ou OVERION
  • Un rapport de transmission de 5 (Vmax th 21.8 km/h) ou de 4 (Vmax th 27.2 km/h)

Je ne crois pas qu’il te soit possible de brider ta Vmax électroniquement avec un ESC. 18 km/h c’est rigolo en tout terrain mais sur du plat c’est trop lent. 30 km/h en tout terrain c’est déjà pas évident…

Au niveau du poids, même si tu prends tout le plus léger t’en aura quand-même pour 12-13 kg.

Tu veux du léger? Prends un plateau Xshape (http://www.x-shape.fr/shop/freeride/x-l … o-edition/) et des trucks MBS Matrix II Pro. Chez Xshape tu peux prendre le plateau et le Pack Race Pro (http://www.x-shape.fr/shop/packs-dequip … ment-race/) : total 674 EUR. Prix d’un mtb complet équivalent chez Trampa (mais avec trucks et plateau moins légers) : 604 EUR.

Le kv est une constante du moteur qui definit effectivement la vitesse de rotation en fonction de la tension. Il est directement lié au couple (inversement).

Tu devrais si ce n’est deja fait lire les topics de skirk et d’autres jeunes qui sont en train de développer un simulateur pour e-sk8.

Salut Hadrien,
Super projet, pour le coeff de frottement, il depend du terrain, de l empreinte des pneus et du gonflage donc là dessus la theorie est en perdition devant les tests empiriques.
Rien ne t empeche de tester celà an conditions reelles avec un dynamometre de fortune à realiser avec un gros ressort et etalonnage…tu fais ta courbe et zou.
Pour ce qui est du couple des moteurs …et oui personne ne donne cette caracteristique et tu peux imaginer pourquoi…le commerce et son blabla prennent fin quand on attaque dans le factuel!
Je vais completer mon site, les overion (maytech) 130kv sensored developpent un “max pull” de près de 15kg, donnee constructeur.
Je ne sais pourquoi on a pas un couple en N.m, mais on peut comprendre ce que cela signifie meme si le rpm pour obtenir ce couple n est pas mentionné.
Plus ton kv est bas plus le couple max augmente mais cela tu le sais déjà, et plus ton couple est fort plus ta transmission devra être robuste[emoji6]

Super début de projet Hadri !
Juste au niveau du Cx, vous l’avez choppé où ?
Et au début tu calcules la surface d’un rider, mais tu as oublié le facteur de forme car on ride pas face au vent mais de biais. La surface projetée est donc beaucoup plus faible ! :wink:
Mais l’approche est super, ça donne des valeurs pas si déconnantes je trouve.
Mais comme le souligne Yann, il va falloir confronter ça à ce qui se fait déjà pour comprendre ou ça peut diverger.

Je vais completer mon site, les overion (maytech) 130kv sensored developpent un “max pull” de près de 15kg, donnee constructeur.
15 kg ? Tu veux dire 15 mkg ???
A titre d’exemple le bicylindre 1000 cc de ma Ducati fait 9,5 mkg !
Ca doit pas être ça… du moins j’espère sinon je vais me tuer au premier coup de gaz de la PirCac, surtout si j’en ai 2 ! :lol:

[emoji1]non non pas mkg heureusement , j ai dit max pull (en kg), ceci doit correspondre à la force de traction maximale du moteur sur l axe , je ne vois que çà de compréhensible. Je sais c est pas exprimé en Newtons et c est curieux ainsi, je vais contacter le constructeur pour voir s il est plus loquace sur le sujet[emoji106]

Salut les gars/filles

Tout d’abord un grand merci pour vos réponse rapides! C’est cool de voir une communauté qui s’entraide.

Sinon pour répondre à vos question :

  • La surface frontale du Skateur : J’ai pris 40 centimètres de largeur d’épaule pour la stature du skateur. Puis c’est vrai, je me suis dit qu’on faisait du skate de profil. Mais ayant fait beaucoup de skate étant jeune, on est jamais vraiment totalement de profil et en plus on a souvent les genoux pliés. Je me suis donc dit que 40cm de largeur pour la surface frontal, c’est pas trop exagérer, et puis je me met niveau sécurité pour la puissance du moteur :wink:

  • Le coefficient pour le pneu : j’ai pris 0,3, mais je vous avoue que c’est la seule valeur que je n’ai pas trouvée sur internet. Je me suis donc dit, que comme le coefficient pour un pneu de voiture sur du bitume était de 0,1, bah sur des chemins de terre c’est 3x plus dur mais si quelqu’un a une meilleur valeur, je suis preneur!

Sinon pour le dimensionnement du moteur, je procède comment? Je prend ma puissance moteur, que je divise par le Kv du moteur Brushless pour trouver mon nombre de Volt en sortie de batterie? Comment savoir si mon couple sera suffisamment bon? Puis au niveau des batteries, comment cela se passe-t-il?

Aussi, je vois déjà bien mon prof me demander ce qu’il y a dans l’ESC, dans le Power Switch, dans le UBEC et dans le Chargeur de Batterie. D’après moi, il y aurait :

  • Power Switch : Simple interrupteur avec un Fusible qui déclenche en cas de défaut
    -UBEC : Convertisseur BUCK (Transforme une tension DC en une autre tension DC de plus faible valeur)
    -ESC (Batterie vers Moteur) : Convertisseur BOOST (Transforme une tension DC en une autre tension DC de plus haute valeur) suivi d’une ONDULEUR à MOSFET/Thyristors commandé avec une commande PWM (Pulse Width Modulation)
    -ESC (Moteur vers Batterie - Freinage Récupératif) : REDRESSEUR (grâce aux diodes anti-parallèles de l’onduleur) suivi d’un BOOST qui relève la tension à la tension de la batterie
  • Chargeur batterie (du Secteur 230V vers la Batterie) : FILTRE PROTECTION (capas et self) - REDRESSEUR - BUCK - ONDULEUR (commandé en PWM pour une recharge à courant I constant) - ISOLATION GALVANIQUE (avec un transfo dont le rôle est de protéger la batterie) - REDRESSEUR (raméne à la tension de la batterie)

Qu’est ce que vous en pensez pour ceux qui savent de quoi je parle (haha un peu du chinois cet électrotechnique!) ?

Merci d’avance les gars!

Niveau composants :

Pour bien faire avec ton histoire de surface et pour faire dans les règles de l’art, prendre la surface "pleine face"du skateur et applique un facteur de forme (cos(angle du rider), soit 0,5 si tu te mets à 45° par rapport à l’axe de déplacement ). Tes profs kifferont :mrgreen:

Dimensionnement moteur : à ton stade, on ne parle pas encore de puissance mais de force appliquées sur le rider.
De là, tu obtiendras le couple appliqué au roue.
Enfin, connaissant la vitesse de la planche, le rapport de transmi et diamètre de roue, tu obtiens la vitesse de rotation de la roue.
Rpm x couple = puissance ! CQFD :smiley:

Je reviens ici avec une réponse qui pour moi n en est pas une mais bon…
Le constructeur (maytech) repond au sujet du “max pull”: cela correspond à la force (motor output thrust) max de traction du moteur qui est atteinte ( on s en serait douté) à tension max et intensité max (donc à puissance max) .
Il ajoute " il est donc judicieux de considerer la puissance comme reference " … cà c est de l info!![emoji854]
Enfin, sur comment est mesuree cette force de traction…reponse : avec une helice …
Quand au couple max au demarrage avant decrochage , il est d autant plus fort que le kv est faible et que le power max in Watt est elevé… encore de la super info!
A celui qui cree un banc test avec un dynamometre ou dans le genre, je prete un moteur [emoji41]
Çà nous fait une belle jambe , le prof de physique va kiffer[emoji33]

J’ai fait un DUT en génie énergétique, c’est exactement le genre de sujet et de banc de test qu’on utilisait.
A voir si y’en a pas un partenariat à faire :wink: