CAPET sciences industrielles de l'ingénieur externe 2022, épreuve 2Sujet

INFORMATION AUX CANDIDATS

• -option : Ingénierie des constructions

• -option : Ingénierie électrique

• -option : Ingénierie informatique

• -Concours externe du CAFEP/CAPET de l'enseignement privé :
• -option : Ingénierie des constructions
  

  

• -option : Ingénierie électrique

• -option : Ingénierie informatique

• -option : Ingénierie mécanique

ÉTUDE ET EXPLOITATION PÉDAGOGIQUE D'UN BANC D'ESSAIS AUTOMOBILE

PARTIE 1. MISE EN SITUATION

1.1. Contexte général : professeur(e) en STI2D dans un lycée

• -la répartition horaire hebdomadaire d'I2D pour les élèves est de trois fois une heure en classe entière avec le professeur, ou la professeure, et deux fois trois heures en co-intervention avec un autre enseignant. En IT, les séances se déroulent toutes en co-intervention (deux enseignants) ;
• -le laboratoire se compose de trois zones : une zone projets (avec FabLab), une zone d'étude des systèmes pluri-technologiques et une zone d'expérimentation, toutes agencées en îlots informatisés et pouvant accueillir chacune 36 élèves simultanément.

• -des extraits du programme des enseignements technologiques en STI2D (bulletin officiel spécial nº1 du 22 janvier 2019) fournis en annexe A2 ;
• -une progression pédagogique en spécialité I2D, commune à toute l'équipe SII de l'établissement, donnée en annexe A3.

• -de limiter la transmission des sons à travers les parois du lycée ;
• -d'analyser et de vérifier le bon fonctionnement du système ;
• -d'étudier un cycle d'essai standardisé ;
• -de vérifier que le système garantit la sécurité des utilisateurs en fonctionnement normal ;
• -d'étudier les possibilités d'exploitation pédagogique du système dans le cadre de la spécialité I2D.

1.2. Le véhicule particulier aujourd'hui

1.3. Innovations et performances

1.4. Banc d'essais à rouleaux automobile

Figure 1 : vues d'un véhicule en test et schéma de principe de l'AutoScan Fi

1.5. Performances attendues

Figure 2 : diagramme partiel des exigences du banc Autoscan Fi (SysML)

1.6. Exploitation pédagogique du diagramme des exigences

PARTIE 2. ISOLATION ACOUSTIQUE DES PAROIS

• -la fréquence sonore : plus un son est grave et moins il est affaibli à travers une paroi ;
• -la masse surfacique de la paroi : plus elle est élevée et plus les sons sont affaiblis à travers la paroi.

Figure 4 : loi masse-fréquence

Figure 5 : solutions d'isolation acoustique par doublage contre une cloison existante

L'objectif de formation visé est : « O6 - Préparer une simulation et exploiter les résultats pour prédire un fonctionnement, valider une performance ou une solution ».

• -d'insérer les galettes de matériaux à tester au centre ;
• -d'émettre un son d'un côté du matériau ;
• -de mesurer au décibel-mètre le son avant et après le matériau ;
• -de déterminer l'affaiblissement acoustique.

PARTIE 3. VÉRIFICATION DU BON DÉROULEMENT D'UN ESSAI

Figure 7 : composition d'un axe du banc Autoscan Fi

Figure 8 : chaîne de transmission du véhicule

• -
  lorsque l'embrayage est en position embrayée, ω_e/ω_m = 1;

  Rapport engagé	1^(er)	2^e	3^e	4^e	5^e	6^e
  Rapport k_v = ω_s/ω_e	12/41	23/41	33/37	44/35	51/33	58/31

  Figure 9 : rapports de vitesse d'une boîte de vitesses ML6C/L

• -le rapport de réduction du pont différentiel avant est k_p = ω_(pneu)/ω_s = 16/69;
• -le rendement de la chaîne de transmission du moteur thermique, pour une fréquence de rotation N_m de l'arbre moteur comprise entre 2500tr ⋅ min^(− 1) et 3000tr ⋅ min^(− 1), est η = 80%;
• -les pneus équipés sur le véhicule sont de type 235/45 R18. Ils ont un diamètre d_p = 668, 7 mm, sans tenir compte de l'écrasement du pneu, et une largeur I_p = 235 mm. La pression dans les pneus est 2,2 bars ;
• -le véhicule utilisé a une masse de 1,4 tonnes ;
• -l'accélération de la pesanteur est g = 9, 81 m ⋅ s^(− 2).

Figure 10 : liaison pneu-rouleau et représentation des efforts sur le pneu isolé

• -le poids du véhicule supposé uniformément réparti sur les quatre appuis ;
• -le couple C_t transmis au niveau des roues motrices.

Figure 11 : couple moteur C_m en N ⋅ m en fonction de la fréquence de rotation N_m en tr ⋅ min^(− 1)

Figure 12 : descriptif du système didactique Tamiya

PARTIE 4. CYCLE D'ESSAIS STANDARDISÉ

4.1. Simulation d'un parcours

Figure 13 : exemple de tracé réalisé avec basecamp pour un circuit au Mans

• -A et B sont deux points du parcours (exemple donné figure 13) ;
• - R = 6379137 m est le rayon de la terre ;
• - φ_A et φ_B sont les latitudes en radians des points A et B ;
• - λ_A et λ_B sont les longitudes en radians des points A et B.

4.2. Création des conditions réelles de conduite

Figure 15 : modèle Matlab de la boucle d'asservissement du couple

Figure 16 : couple de freinage avec un correcteur proportionnel de gains 1 et 10

Figure 17 : couple de freinage pour un correcteur proportionnel intégral

Figure 18 : schéma électrique d'alimentation du frein

Figure 19 : schéma équivalent du frein

PARTIE 5. SÉCURITÉ DES UTILISATEURS

5.1. Maintien à l'arrêt du véhicule pendant l'essai

Figure 20 : arrimage du véhicule pendant un essai avec quatre sangles

• -le véhicule est à l'arrêt au début de l'essai ;
• -l'accélération maximale amax est supposée constante ;
• -le frein à courant de Foucault est désactivé ;
• -l'action mécanique d'une roue sur un rouleau est modélisée par contact ponctuel avec adhérence (aux points A, B, C et D) ;
• -le véhicule est de type quatre roues motrices. En phase d'accélération, chaque roue motrice transmet au rouleau, avec lequel elle est en contact, un effort tangentiel T→ (roue→rouleau) de module T(roue→rouleau) ;
• -l'ensemble { véhicule + conducteur } a une masse : m = 2300 kg ;
• -le véhicule demeure immobile pendant toute la durée de l'essai, seules les roues tournent ;
• -le constructeur annonce pour ce véhicule, de forte cylindrée, la performance suivante : 0 à 100 km ⋅ h^(− 1) en 2, 7 s.

5.2. Arrêt du système en urgence

Figure 21 : modèle retenu pour le frein à disque

• -dimensions des plaquettes : h = 45 mm; α = 10^∘;
• -diamètre du disque de frein : D_(disque) = 460 mm;
• -position de la plaquette : rayon R_i = 180 mm;
• -coefficient de frottement : f_3 = 0, 5.

Figure 22 : schéma cinématique du frein pneumatique à serrage par ressort

• -l'effet de la pesanteur sur les pièces composant le frein est négligé ;
• -l'étrier (2) est en rotation d'axe ( O, z→ ) par rapport au bâti (0), θ_(20) = (x→, x→_2) et OB^(→−) = x_B x→_2 − y_B y→_2, avec x_B = 87 mm et y_B = 54 mm;
• -le piston (1) est en translation de direction y⃗ par rapport au bâti (0), OA^(→−) = x_A x→ + (y_A − λ)y→, avec x_A = 40 mm, y_A = 15 mm et λ l'écrasement du ressort.
• -la raideur du ressort est notée k ;
• -le système est étudié en phase de serrage.

Annexe A1 : répartition des enseignements technologiques en STI2D

Connaissances associées des enseignements technologiques (extraits)

• 1.Principes de conception des produits et développement durable

Indicateur du niveau d'acquisition et de maîtrise des contenus

Annexe A4 : organigramme du programme python

Annexe A5 : documentation technique du frein à courant de Foucault

BRAKING TORQUE CURVES

OUTER AND ASSEMBLY DIMENSIONS

• -Tension Maximale d'Utilisation (TMU) ou Capacité d'amarrage (LC) = Force maximale utilisée en traction directe qu'un système d'amarrage est capable de supporter lors de l'utilisation.
• -Épreuve : Tous les éléments d'accrochage du dispositif d'amarrage complet ne doivent présenter aucune trace de déformation affectant leur fonctionnement à une capacité d'amarrage de 1,25 LC et ensuite doivent résister à une force ayant un coefficient d'utilisation d'au moins 2.
• -Allongement : La sangle textile ne doit pas s'allonger de plus de 7% lorsqu'elle est soumise à la capacité d'amarrage (LC).

Tension directe en daN RL 1951-	Largeur sangle en mm	LC système en daN	Tension double	Rupture de la sangle seule en daN	Longueur standard en m
LC 5000 daN	75	5000	10000	15000	9,10
LC 3500 daN	75	3500	7000	11000	9, 10
LC 2500 daN	50	2500	5000	7500	8, 9, 10
LC 2000 daN	50	2000	4000	6000	8, 9, 10
LC 800 daN	45	800	1600	3000	4, 5, 6
LC 1000 daN	35	1000	2000	3200	6, 7
LC 400 daN	25	400	800	1200	4, 5, 6

Document réponse DR1 (questions 20 à 22)

"""Ce programme est un reflet partiel de la programmation interne du banc, il a
largement été adapté pour ce sujet."""
from pylab import *
import xml.etree.ElementTree as ET
from math import *
def lecturegpx(nomdefichier:str)->list:
    """Récupère les coordonnées de latitude, longitude et altitude des points du
    parcours à partir d'un fichier GPX. Non détaillé ici"""
    return latitude,longitude,altitude
def calculdistele(latA,lonA,altA,latB,lonB,altB):
    """calcul la distance réelle entre 2 points et donne l'angle d'élévation en
    radian à partir des coordonnées de 2 points"""

    return dcorrigee,elevation
def distcumul(lat,lon,alt):
    """construit 2 listes, l'une contient la distance cumulée en mètre depuis le
    début du parcours, l'autre l'angle d'élévation entre chaque point"""
    distance = []
    elevation = []
    dc = 0
    for i in range(len(lat)-1):
        d,e = calculdistele (lat[i],lon[i],alt[i],lat[i+1],lon[i+1],alt[i+1])
        dc = dc+d
        distance.append(dc)
        elevation.append(e)
    return distance,elevation
"""[...]"""
"""récupération des coordonnées à partir du fichier"""
latitude,longitude,altitude = lecturegpx('Trace.gpx')
"""calcul des listes distance cumulée et élévation"""
distance,elevation = distcumul(latitude,longitude,altitude)
print(distance,elevation)
"""[...]"""

Document réponse DR2 (question 31)

Document réponse DR3 (question 39)
Remarques : Les dimensions sont indiquées en millimètres. Les proportions et échelles ne sont pas respectées sur le schéma.