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Dossier Véhicule
A. détails de conception
Grâce à son architecture radicalement novatrice, ce deux-roues électrique offre une nouvelle approche de la mobilité bas carbone. En évacuant la conception usuelle centrée sur les carénage plastique et en concevant une structure autour d’une fonction innovante, le Cargo Electric Bike est non seulement une contribution aux nouvelles formes de la mobilité, mais aussi le manifeste d’un design au service d’une sobriété désirable.
Une construction simplifiée grâce à la nouvelle génération de moteurs électriques intégrés au moyeux arrière
La nouvelle génération de moteurs hub permet une intégration sans chaine de transmission, limitant le nombre de pièces et donc facilitant grandement la construction et evacuant autant de pannes materielles.
B.détails sur le prototypage
1. Début du projet - Sourcing
Après plusieurs études comparatives et un sourcing préliminaire, il nous est apparu qu'une bonne façon de réunir les pièces nécessaires au proto serait de partir d'un scooter déjà monté pour en extraire les composants. Plus économe que d'acheter chaque pièce sur étagère, cette solution offre également l'avantage de présenter un train de motorisation complet déjà prêt à rouler et nous dispense d'une étape laborieuse de conception.
Le choix s'est donc porté sur un modèle Niu équivalent 125cc pouvant atteindre 80 km/h avec une autonomie théorique de 110 km. Avant l'achat du véhicule, l'équipe a procédé à la construction de racks pour pouvoir classer et cataloguer les pièces tout au long du projet.
S'ensuit le démontage minutieux du modèle, accompagné d'une documentation très précise du montage original pour réagencer chaque élément correctement sur le plan de notre véhicule.
Plusieurs phases de tests sont réalisées à différents points du démontage pour vérifier l'intégrité du système électrique et la présence d'éventuelles mesures de sécurité propres au scooter commercial que nous aurions à contourner.
Lors de cette phase, une étude complémentaire est menée pour enrichir le plan de notre modèle avec de nombreux détails techniques laissés en suspens jusqu'alors, comme l'arrimage des étriers de frein, la position des feux, les solutions d'accroche des carénages, etc.
S'ensuit une longue phase de prise de mesures pour support à la modélisation de chaque élément transposé à notre véhicule.
2. CAO et itération du design
Toutes les pièces ainsi récupérées ont été modélisées à l’échelle pour servir de base au modèle précis qui constituera le plan de notre prototype. À l’issue de cette phase, nous disposons de 19 pièces spécifiques à intégrer.
Il est à noter que parmi ces pièces, toutes ne sont pas nécessaires par conception, mais certaines sont imposées par le circuit original du scooter qui nous a servi à sourcer les composants. Ainsi, pour la phase d'industrialisation, les modules d'antenne GPS, de béquille latérale et autres nous semblent superflus, mais sont nécessaires ici au bon fonctionnement du circuit électrique.
De nombreux éléments sont à intégrer, et en plus de la modélisation "support" (reproduction d’éléments déjà existants), un gros travail de design est nécessaire pour optimiser l’architecture du scooter, la place de chaque élément, leur séquence de montage, etc. Des allers-retours constants sont réalisés entre le designer et l’équipe atelier pour planifier au mieux le montage de chaque élément et valider les solutions techniques. Ont également été définis au cours de cette phase les scénarios d’utilisation, avec la position des batteries, des coffres, des accès maintenance, etc.
Nous disposons alors d’un plan provisoire mais assez bien défini pour entamer la phase suivante.
3. FAE (Finite Element Analysis) et itération du design
Nous avons commissionné un ingénieur partenaire de l'association Meta pour effectuer des simulations sur le cadre actuel. Grâce à son expertise et aux techniques d’analyse d’éléments finis, nous avons pu identifier des corrections à apporter à la structure du châssis pour assurer une robustesse et une résistance à l’usure optimales. Cette étape est cruciale pour garantir une sécurité totale lors des phases de test, et il ne subsiste aucun doute quant à la résistance du cadre à l’issue des simulations. Le scooter CEB sera solide ; le seul point qu’il reste à tester en conditions réelles, car impossible à simuler, sera sa rigidité et son confort de conduite.
Les modifications réalisées auront été l’augmentation de la section de la barre transversale sur laquelle repose le bloc de selle, un nouveau parcours plus rectiligne pour le profilé enserrant la batterie sous la selle, et l’ajout d’équerres dans les coins arrière du cadre pour renforcer la zone de stress identifiée à cet endroit.
4. Fabrication
Nous avons fabriqué des gabarits précis pour caler chaque élément du cadre et rester fidèle à la géométrie précedement conçue. C’était une étape longue et cruciale pour garantir que tous les éléments s’ajustent correctement et que le modèle reste juste par rapport aux dessins CAO pour les étapes suivantes. Nous sommes très satisfaits de la précision obtenue, avec très peu d’écarts par rapport aux plans, dans des tolérances d’environ un demi-millimètre.
S'en suit la fabrication d'éléments en acier usinés sur mesure pour connecter le moteur-moyeu au bras oscillant du vélo. Cette pièce est également très critique, car elle doit absorber tout le couple transmis par la roue ainsi que celui des freins.
Nous avons ensuite pu souder toute la structure. Les tubes, reçus plus tôt de notre fournisseur Nord Laser Tube, étaient livrés en éléments séparés qu’il a fallu souder avec beaucoup de soin afin de garantir une parfaite intégrité du cadre, même dans des conditions difficiles. Nous avons utilisé une combinaison de soudure MIG et TIG afin d’assurer une résistance optimale là où c’était nécessaire.Nous avons effectués un va-et-vient constant entre les mesures, les alignements et les ajustements des gabarits afin de garantir une précision parfaite.
Une fois le cadre complété avec la soudure de tôles de support pour les différents composants à intégrer, nous avons pu opérer un premier montage pour tester le bon positionnement de chaque élémént et le fonctionnement du circuit éléctrique.
5. Retour au design, modifications d’après le premier roulage et conception des éléments de carénage et de finition.
Une fois le premier montage réalisé et confiant dans notre ergonomie, la tache suivante est de réaliser le design précis de tous les éléments extérieurs, représentés en orange dans l’image ci-dessous.
Beaucoup de petits ajustements et de travail sur les détails ont été nécessaires pour prendre en compte la protection contre l’eau, l’assemblage, la manipulation, etc.
Par exemple, nous avons développé une charnière spéciale en tôle découpée au laser afin que la selle puisse s’ouvrir vers l’avant, permettant ainsi d’obtenir une ligne de séparation nette et continue tout autour de la selle, sans charnière visible.
Tous ces assemblages devaient être définis afin de pouvoir concevoir le bloc de selle et les éléments de plancher.
Notre objectif est de mouler toutes ces pièces à partir d’un composite de chanvre stratifié avec une bio-résine. Cette technique éprouvée permet de produire des coques légères et d’épaisseur homogène, ce qui la rend particulièrement adaptée à notre application. Cela dit, nous en connaissons les limites : la « bio-résine » n’est qu’à environ 30 % d’origine végétale, et même si la fibre de chanvre présente une faible empreinte carbone, le composite obtenu reste un plastique non recyclable. Malgré cela, nous avons souhaité pousser la démarche de durabilité aussi loin que possible à ce stade.
Pour la production, ces composants sont destinés à être fabriqués selon des procédés plus économiques et plus respectueux de l’environnement, tels que le thermoformage de biopolymères, ou en explorant des alternatives comme PaperShell. À l’étape du prototypage, cependant, les stratifiés de chanvre représentent un choix plus pratique compte tenu du coût des outillages. Nous préférons utiliser quelques kilos de résine plutôt que d’investir dans l’usinage d’un moule complet en aluminium, qui nécessiterait un budget et une dépense énergétique bien plus importants. Par ailleurs, ces pièces prototypes ne sont pas destinées à être jetées à la fin de la vie du produit, mais conservées comme trace de notre développement — nous espérons donc que leur non-recyclabilité ne posera pas de problème majeur dans ce cas.
Pour avancer, nous devons fabriquer des moules en mousse dans lesquels stratifier et mettre les pièces sous vide.
Les volumes des moules ont été soigneusement conçus afin de permettre un usinage rapide et efficace, ainsi qu’un démoulage aisé, en prêtant une attention particulière à chaque angle de dépouille et direction de tirage. Les fichiers ont ensuite été envoyés à notre partenaire Formes et Volumes, une entreprise spécialisée dans la fabrication de pièces composites, pour l’usinage CNC des moules.
6. Fabrication des pièces composites
Nous avons reçu les blocs de mousse polyuréthane usinés par CNC de notre partenaire Formes et Volumes.
À partir de là, nous avons dû tout poncer afin d’éliminer les traces d’usinage, puis sceller la mousse, car sa surface poreuse aurait autrement adhéré à toute résine en contact. Cette opération a été réalisée par l’application de plusieurs couches de résine et de nombreux ponçages, jusqu’à obtenir une surface propre et mate. Cette étape de finition est cruciale, car la surface des moules devient celle visible sur les pièces finales.
Cinq couches de cire de démoulage sont ensuite appliquées sur chaque moule avant un séchage complet, le tout étant alors prêt pour la stratification. Notre stratification est composée de cinq couches de fibres de chanvre non tissées de 150 g/m², imprégnées d’une résine époxy biosourcée à 35 %.
On obtient ainsi des pièces d’environ 3 mm d’épaisseur, suffisamment robustes pour notre application, tout en restant relativement légères, plus durables et plus agréables à manipuler que le carbone ou la fibre de verre.
Nous avons testé différentes techniques et, bien que nous soyons préparés et équipés pour une polymérisation sous vide, la méthode la plus simple et la plus propre que nous ayons expérimentée a finalement consisté à appliquer chaque couche manuellement au pinceau.
Une fois les pièces démoulées, nous avons pu opérer la taille précise de chaque élément. Pour chaque carénage, nous avons élaboré un ensemble de patrons de découpes très précis dessiné grâce aux fichiers CAO de chaque élément. Cela inclus à la fois des repères dimensionnels mais surtout des surfaces développées que nous avons ensuite pu appliquer aux pièces brutes sorties de moule pour tracer des lignes de découpes fidèles aux plans et dimensions attendus de chaque élément fini.
7. Assemblage complet avant finition
Avec tous les éléments du montage définitif à notre disposition, nous avons procédé à un premier montage complet, incluant châssis, chaine de motorisation, électronique et carénages.
Cette étape à été l’occasion de modifier le circuit électrique pour l’adapter au mieux à la nouvelle géométrie. Certains câbles doivent êtres allongés, d’autres raccourcis, certains circuits de mise à la masse sont simplifiés. La tâche est minutieuse et il s’agit de garder la trace de chaque fonction, de chaque câble pour ne pas compromettre l’intégrité du circuit.
nous avons pu commencer l’assemblage proprement dit, en définissant l’ordre de vissage de chaque panneau, le cheminement de chaque câble à travers les habillages, etc.
Les principales questions portaient sur l’intégration du circuit dans le panneau avant, ainsi que sur le bon fonctionnement de l’ouverture de la selle et de la trappe de plancher, conformément à la conception.
Une autre étape notable a été l’impression 3D des petits éléments de couverture.
Cela comprend un boîtier sur mesure pour le compteur de vitesse ainsi qu’un assemblage original pour le feu arrière.
Dernière étape avant l’assemblage final, nous avons gansé la selle et la jupe dans un textile de type mesh déstiné a faire ruisseler l’eau en cas de pluie.
8. Assemblage final
Forts de nos nombreux assemblages à blanc, nous avons pu élaborer une methode de montage la plus pratique possible en respectant un ordre précis. L’élément le plus difficile d’accès est le module de controle du moteur ou FOC sur lequel il faut venir fixer les cables de phases du moteur une fois le bras oscillant monté. Ce composant etant orienté vers le sol, cette étape nécessite de lever le scooter ce qui permet également de réaliser plusieurs ajustements mineurs à hauteur (passage e cable, pose des clignotants, etc...)
L’espace de convoyage étant crucial pour ce produit, tout place gagnée est bonne à prendre. Nous avons optimisé le passage de chaque gaine, de chaque câble dans le tablier avant ainsi que sous le bloc de selle pour tirer parti de tout l’espace disponible.
Les assemblages sont tous réversibles et néanmoins pensés pour être à la fois à l’épreuve de l’eau et en même temps d’un degré de finition et avec un aspect ésthétique qui permettent de se projeter avec ce prototype comme si il s’agissait d’un produit fini, sorti d’une chaine de montage. Nous somme très fier du degré de finition que nous avons réussi à atteindre.
Dernière étape : le montage des filets, préparés en amont avec des sangles 25mm cousues et rivetées entre elles pour une résistance maximale. L’assemblage au chassis se fait à l’aide d’un sandow élastique qui vient tendre le filet à la façon d’une toile d’affichage ou d’un trampoline.
Vehicle File: Fichier Véhicule (AAP Proto) : Véhicule+CEB+Rapport+Final.pdf Fichier Véhicule (AAP Indus) : Fichier associé au guide de montage : Vehicule CEB Guide de Montege : mode d'emploi.pdf Lien vers un espace de stockage des fichiers 3D : https://drive.google.com/file/d/1w49Xws-hUszYS9vsw6erIPxVFgVeZJYv/view?usp=sharing Partenaire impliqué (industriel, fablab, labo...) : ADC, MetaLien vers un espace de stockage de la vidéo du véhicule : https://drive.google.com/file/d/14d7IzZeSFr-egxx3tDG1diIvdM6wAmeD/view?usp=sharing
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