La capsule de l'UrbanLoop

auteurs : GERVAISE Tristan et OBIN Bastien

tuteurs : FONTAINE Pascal et LAURENT Cédric

 

 

 

         Dans le pôle mécanique du projet UrbanLoop, nous avons dû créer un prototype de capsule afin de valider et de montrer la faisabilité du projet ainsi que les solutions techniques choisies.Pour cela, le prototype conçu mesure 2,20 m de long par 80 cm de large et 1 m de haut.Pour ce faire, nous avons déterminé la longueur optimale en se basant sur la taille d’une personne standard de 1 m 80 en calculant la dimension de chaque partie de son corps le décomposant de la façon suivante : pieds, mollets, cuisses, buste ainsi que le cou et la tête. Puis nous avons pris en compte la somme des parties basses du corps en les additionnant à la longueur que formait toute la partie haute quand celle-ci fait un angle de 30 ° en partant du plancher de la capsule. De ce fait, nous avons trouvé que la position la plus confortable pour l’utilisateur, n’est ni une position allongée, ni une position totalement assise mais un compromis entre les deux. Tout cela dans le but de diminuer la hauteur de la capsule qui par conséquent impactera sur la hauteur du tube tout en permettant de diminuer les effets de la poussée subit par celui-ci.

 

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Figure n°1 :image CATIA de 3 capsules en séries

 

 

 

 

 

Caractéristiques de la capsule

 

          La hauteur de la capsule a été étudiée dans l’objectif de réduire la taille du tube mais aussi afin d’offrir un confort au passage en évitant les risques de claustrophobie. Nous avons décidé de fixer celle-ci à 1 m car nous avons pris en considération le fait que des personnes de grande taille utiliseraient ce nouveau moyen de transport. De même, le fauteuil sur lequel s’assieront les usagers ajouterait de la hauteur au passager donc nous nous sommes laissé une marge de manœuvre d’une vingtaine de centimètre afin de ne pas être trop juste au niveau de l’espace entre la tête et le plafond de la capsule.

De même, cela permettra d’avoir une surface de contact avec le vent de 63 cm² calculée à partir de la relation suivante :                                                                                                                                                                                                                                                                             

                                                                                                                                    A= 0.25 × largeur × hauteur × π

 

Cependant, d’après le pôle énergétique, la force du vent n’étant pas suffisante, un moteur asynchrone de 6kW sera installé sous le fauteuil afin de permettre d’atteindre la vitesse de pointe de la capsule, ce qui aura pour conséquence d’augmenter la hauteur du fauteuil tout en restant dans les normes prévues.

 

Pour ce qui est de la largeur de la capsule nous avons décidé de nous baser sur la largeur d’épaule d’un homme standard en ajoutant de chaque côté une dizaine de centimètres afin de permettre une aisance de mouvement au niveau des bras et d’avoir un accès plus facile aux poignées latérales de la portière. De plus les 80 cm de large permettront d’avoir un flux d’air constant entre la capsule et le tube afin d’éviter un manque d’air ainsi qu’un assainissement de l’air dans chacune des capsules du circuit c’est pour cela qu’elle a une forme d’œuf.

 

Aérodynamisme

 

          La forme de la capsule est justifiée par le calcul de coefficients aérodynamiques tel que le coefficient de traînée noté Cx correspondant à la résistance exercée par un objet en mouvement dans un fluide ce qui nous permet de valider la forme de celle-ci. D’après les tables, ce coefficient pour une telle forme est de l’ordre 0,04, de même, comme la capsule est aussi composée d’une partie dont la forme est celle d’un demi-cercle ayant un coefficient de traînée de 0,4, on en a déduit que le coefficient réel de la capsule se situe entre ces deux valeurs. Nous pouvons donner comme exemple celui d’une voiture qui est compris entre 0,2 et 0,3.

 

 

tableau coefficent force de trainee d'un SUV

 

 

Figure n°2 : tableau de comparaison de frottements aérodynamiques d’un SUV

 

 

Pour calculer un tel coefficient on utilise les formules suivantes :

 

Cx Fx / (0.5 × × ρ × V²)

 

Fx = 0.5  × ρ  × S  × Cx  × V²

 

  • Fx = force de traînée
  • S = surface de référence
  • ρ = masse volumique du fluide
  • V = vitesse de l'objet relativement au fluide

 

Confort et sécurité

 

          Pour ce qui est du confort au sein de la capsule, un emplacement au niveau de jambe sera prévu dans le but d’accueillir un sac de la taille d’un sac de courses. De même que des poignées au niveau de la portière sont prévue pour se tenir lors du voyage ou bien même lors de l’accès à la capsule.

Un panneau de commande permettant l’affichage en temps réel de la capsule ainsi qu’une molette reliée à un écran permettant la sélection de la station d’arrivée seront présent à l’avant de l’habitacle de la capsule. En plus une poignée supplémentaire sera incorporée dans le tableau de commande afin de permettre aux personnes à mobilité réduite de rentrer et sortir plus aisément de la capsule. De plus, actuellement 3 % des capsules totales sont prévues dans le but d'accueillir des adultes avec leurs enfant pas des capsules biplaces ou l'on peut aussi combiner deux capsules pour les personnes voyageant a deux.

 

ceinture sécurité

 

 

 

Figure n°3 : dessin de la ceinture de sécurité

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Roues et rails

 

          Une autre partie importante du projet est la partie sur le choix des roues qui s'est porté sur un modèle de roues à gorges triangulaire. Par conséquent, les rails sont également de forme triangulaire. Ce système permet un bon guidage sur rails, aussi bien en ligne droite que dans les virages. Le maintien effectué des deux côtés permet d'éviter tout déraillement, et offre une souplesse suffisante aux vitesses considérées pour la capsule (80 km/h).

La capacité de charge de ces roues est également bien adaptée au poids de la capsule estimé avec un passager, d'environ 200-250 kg. Les rails mesurent moins de 10 cm de hauteur, et seront espacés d'environ 36 cm afin de permettre l'intégration de la capsule (de hauteur 90 cm) avec les rails dans le tube de diamètre d'un 1 m. Ces rails seront équipés de roues de friction ayant pour optique d'aider la capsule à maintenir sa vitesse lors de possible baisse, comme par exemple en pente.

 

roues sur rails

 

 

Figure n°4 : conception numérique CATIA des rails et roues de la capsule

 

 

 

 

 

 

Conception du prototype

 

          Pour la conception du prototype, le matériau principal retenu pour la capsule est l'aluminium. Il sera utilisé pour la carrosserie. Ce matériau nécessitant un entretien minimal, et doté d'une durabilité importante en fait un choix très intéressant.

D'autre part, sa légèreté est un atout à ne pas négliger. En effet, sa masse volumique est 3 fois moins importante que celle de l'acier. Cela permet alors de réduire la consommation énergétique de l'UrbanLoop de manière importante, tout en maintenant une sécurité suffisante par la résistance naturelle de l'aluminium.

De plus, dans une optique de développement durable, l'aluminium est un matériau recyclable à 100%, réduisant alors l'impact énergétique du projet.

Le squelette sera constitué d'un acier au chrome-molybdène, principalement utilisé pour les châssis de véhicules. Sa résistance en fait un choix de qualité afin de garantir un maintien et une solidité à toute épreuve. Afin de vérifier ce critère, une étude des efforts a été réalisée à l'aide du logiciel ABAQUS afin de confirmer l'ergonomie ainsi que les contraintes qui s'exercent sur le squelette. Celui-ci est alors largement capable de supporter les poids mis en jeu. La capsule sera également équipée d'une verrière en plexiglas. Toujours dans une optique de minimisation du poids de la capsule, ce matériau est deux fois moins lourd que le verre. Il est également plus résistant que celui-ci, tout en possédant une durée de vie presque illimitée.

L'intérieur de la capsule, à l'image d'un véhicule automobile, possédera un tableau de bord en matériau plastique, et d'un siège en cuir offrant un confort optimal aux passagers. Ce dernier point est important étant donné les vitesses considérées.

Un des objectifs du choix des matériaux était le poids de la capsule. L'objectif est d'obtenir un poids à charge de 200 kg maximum. En considérant que le poids moyen d'un passager est d'environ 70 kg, mais devant également aller au-delà, cela revient à concevoir des capsules d'un poids d'environ 100 kg.

Les estimations afin de concevoir la capsule donnent les résultats suivants :

  • Environ 20 m de tubes en acier pesant 1,13 kg/m, soit un poids de 22,6 kg au total
  • 4 plaques d'aluminium de dimensions 2500×1250mm et d'épaisseur 1mm, en considérant la masse volumique de l'aluminium (2700kg/m3), cela donne un poids total de 25 kg.
  • Une plaque de plexiglas de dimensions 1800×800mm d'un poids de 13 kg.

Par conséquent, les composants de base de la capsule lui donnent alors un poids de 60,6 kg.

Nous disposons dès lors d'environs 40-70kg pour les autres équipements de la capsule, tels que les moteurs, les roues, la barre d'aiguillage, le tableau de bord …, ce qui est très largement suffisant.

 

Verrière

 

          L'idée retenue pour la montée/sortie des passagers est un système de coulissement de la verrière vers l'avant de la capsule. Ce système permet de minimiser l'espace occupée par la capsule lors son ouverture, tout en permettant un flux de passager important, par sa rapidité d'ouverture/fermeture. Pour cela, actuellement, on a imaginé poser la verrière sur un système de rails coulissant afin que celle-ci puisse avancer d’un seul bloc facilitant l’accès a l’espace habitable de la capsule. Mais, l’objectif pour cette partie du projet est dans un format du principe que les portières des voitures de sports. De ce fait, une barre métallique coupant la verrière en deux dans la longueur. Puis à l’aide d’un système motorisé permettant l’ouverture, le maintien ouvert et la fermeture de la portière permettra un accès beaucoup aisé à l’intérieur du cockpit tout en offrant une possibilité d’accélérer la vitesse de montée et de descente des passagers.

 

plans industriels capsuleplans industriels capsule2

 

 

 

 

 

 

 

 

                    

 

Figure n° 5 :  images CATIA de dessins industriels de la capsule de dos et de coté

 

 

 

 

Figure n °6 : Fiche technique de la capsule


 

Longueur 2200 mm
Largeur 800 mm
Hauteur 1000 mm
Surface au sol cockpit 1.44 m2
Volume cockpit 1.44 m3
Motorisation électrique moteur asynchrone
Puissance en kW / ch 6 kW / 9 ch
Vitesse maximale 80 km/ h 
Châssis tubulaire en aluminium
Pneumatiques 18/10-8 (pneus de 8 pouces)
Cx 0,2 < Cx< 0,3
Poids à vide 140 kg