Compte rendu fabrication 1er proto TCM

Ce document a pour but de retracer le cheminement, les différentes idées et pistes que nous avons eu avec Denis ADAM ainsi que les problèmes que nous avons rencontré lors de la fabrication d’un treuil à cheval pour du maraîchage.

Base :

Idée 1 :

L’idée d’origine était de sceller le treuil dans du béton. Il fallait décaisser puis couler un gros cube de béton armé et sceller dedans l’axe de l’essieu inférieur non freiné. Une possibilité évoquée était de couler le béton dans un bac et de sceller dedans l’essieu puis d’enterrer ensuite le bac. Cette alternative permettait de pouvoir rendre le treuil mobile mais extrêmement difficilement.

Cette idée et son alternative ont été abandonnée car le béton est une technique invasive (= quasi irréversible), et non démontable donc très difficile à déplacer ou à rendre mobile, et qui demandait beaucoup de temps de séchage donc difficile à mettre en place en un mois.

Idée 2 :

La deuxième idée était de réaliser une croix avec des poutres IPN de 100 mm par 100 mm puis de relier les quatre extrémités avec des plats en acier. La croix serait ensuite enterrée. Il a été évoqué plusieurs techniques pour relier les quatre poutres IPN au centre de la croix. La technique la plus plausible était de mettre dans les quatre coins des équerres et de les boulonner aux poutres IPN. Sinon, il y avait la possibilité de la soudure.

*Figure 1 : Vue du dessus de la base n°2*

Le problème des équerres était qu’elles allaient coûter chères puisqu’elles allaient être commandées à un ferronnier. Pour la soudure, l’inconvénient était l’impossibilité ensuite de pouvoir démonter la base pour la transporter. La base était alors peu mobile. Il fallait aussi réfléchir au moyen de démonter les plats métalliques si nous partions sur une croix démontable.

Idée 3 :

*Figure 2 : Vue du dessus de la base n°3.1*

L’idée suivante était de faire un T avec les poutres IPN et de mettre la base hors de terre. Elle serait alors arrimée avec des poteaux en robinier plantés dans le sol. L’avantage de ne pas enterrer la base est de réduire la quantité de travail lors de l’installation du manège et de faciliter la mobilité de la machine. Nous avons conservé cette idée de base posée sur le sol pour toute la suite de la réflexion.

Pour tenir les deux poutres IPN ensemble, la soudure a été évoquée. Cependant, il y avait le même problème que pour l’idée n°2 dans ce cas. Ensuite, il a été proposé de fixer les deux poutres IPN en les boulonnant entre deux plaques d’acier de 15 mm d’épais. La première idée était de faire deux plaques en forme de T. Elle n’a pas été retenue car finalement cette forme n’apporte rien par rapport à une simple bande d’acier, et coûte plus chère en temps et en matériaux.

*Figure 3 : Vue du dessus de la base n°3.2*

La version évoluée de cette base était de former un T avec deux poutres IPN puis de rajouter une petite section d’IPN en face de la barre verticale du T. Cette section devait être assemblée à la barre horizontale du T grâce à la soudure. Les deux poutres IPN devaient ensuite être tenues ensemble en étant boulonnés à des plats métalliques de 15 mm d’épais et de 500 mm de long par 150 mm de large. L’ensemble devait être arrimé au sol grâce à trois piquets en acacia boulonnés au T. De plus, afin d’augmenter la surface au sol de la base et donc d’éviter son enfoncement, nous avons pensé à souder ou boulonner des plats aux extrémités du T.

L’avantage de cette technique était que nous n’avions pas à creuser. La base était aussi plus facilement déplaçable car les deux poutres étaient démontables. Elle nécessitait moins d’acier que l’idée 2 donc elle était moins chère, et les poutres IPN provenaient de récupération et étaient déjà sur la ferme. Cette deuxième alternative de l’idée n°3 était même moins chère que la première car la plaque avec les boulons avait une dimension plus standard.

Figure 4 : Vue du dessus de l’accroche du poteau P

Pour attacher les poteaux, nous avions pensé à les boulonner à la base. Pour ne pas éclater le bois, l’idée était d’utiliser une accroche qui encercle le bois avec des brides.

Figure 5 : Vue du dessus de la base n°4

Idée 4 :

Nous avons commencé la fabrication de la base en partant sur une alternative de l’idée n°3. Nous avons réalisé un T avec des poutres IPN. Un tronçon de 500 mm d’IPN a été soudé sur la barre horizontale au niveau de l’insertion de la barre verticale. Et puis les plats qui lient les deux poutres étaient boulonnés sur la barre verticale et soudés sur la barre horizontale. L’idée des poteaux en acacia a été gardée. Finalement la piste de rajouter des plats aux extrémités n’a pas été retenue car le T nous semblait assez stable, et nous ne pensions pas que la base s’enfoncerait beaucoup. Pour construire la base, nous avons calé les poutres IPN de niveau. Cela nous a donné un plan de référence pour construire le reste du manège.

Idée 5 :

Figure 6 : Vue du dessus de la base n°5 (réalisée) A

Après avoir soudé l’essieu non-freiné sur la base puis monté les deux jantes assemblées dessus, nous avons constaté que l’IPN était extrêmement sensible à la torsion. Nous avons donc repris nos réflexions. Nous avons calculé la longueur maximale qui pouvait entrer en diagonale dans la remorque. Une croix avec des branches qui faisaient 3,50 m de long chacune était possiblement transportable dans la remorque de 2,50 m par 2,50 m. Nous avons donc repris l’idée n°2 en enlevant les plats métalliques qui renforçaient et les équerres. Les branches sont simplement soudées. Nous avons gardé trois poteaux pour arrimer la base. Nous n’allons pas ajouter de quatrième poteau car celui est mal situé : il se trouve dans le passage des branches de la bobine. Il aurait donc fallu l’araser. Comme son utilité n’est pas fondamentale, nous ne le mettrons pas.

Lien entre l’axe de l’essieu et la base :

Idée 1 :

La première idée lorsque nous pensions faire une base en forme de croix, et au début de la réflexion sur le T, nous pensions mettre l’essieu qui fait 40 mm par 40 mm dans un coin. Le maintien de l’essieu se faisait grâce à une bride réalisée en plat en acier.

Figure 7 : Vue de dessus de la fixation n°1 de l’essieu

Le problème qui a fait abandonner cette idée était qu’avec la forme de T, l’essieu ne se trouvait plus au centre de gravité de la base. Il fallait aussi résoudre le problème de fixation de l’essieu et de la bride à la base. La soudure de l’essieu et de la bride aurait fait perdre tout l’intérêt d’avoir réfléchit à rendre la base démontable.

Idée 2 :

Figure 8 : Vue de dessus de la fixation n°2 de l’essieu

L’idée suivante était de serrer l’essieu dans une mâchoire en IPN. En plus de serrer dans la mâchoire en IPN, il était aussi question de souder l’essieu à l’IPN mobile de la mâchoire, c’est-à-dire celui qui ne fait pas partie de la base. La mâchoire était serrée grâce à des boulons. L’essieu, dans ce cas, aurait été installé au centre de gravité de la base. Cette idée a été abandonnée car trop complexe pour pas grand-chose.

Idée 3 :

Figure 9 : Vue de profil de la fixation n°3 de l’essieu

La troisième idée était de souder l’essieu à la base au niveau de son centre de gravité. Comme la base a la forme d’un triangle, le centre de gravité se trouve à un tier de la distance d’une hauteur du triangle en partant d’un côté. La bobine peut être démontée de la base car la jante peut se déboulonner de l’essieu. De ce fait, le transport reste possible. Comme il n’y avait que deux cordons de soudure pour tenir l’essieu, des renforts étaient nécessaires. De simples équerres devaient renforcer le maintien de l’essieu. Elles auraient été soudées à l’IPN et à l’essieu. Nous avons commencé cet assemblage puis la forme de la base a changé. Nous avons donc changé d’idée pour fixer l’essieu à la base.

Idée 4 :

Figure 10 : Vue de profil de la fixation n°4 de l’essieu (réalisée)

Finalement, la base ayant une forme en croix, l’essieu se trouve dans un coin de l’intersection des deux branches de la croix. Il est soudé sur deux branches. Pour renforcer, nous avons soudé quatre triangles en acier de 8 mm d’épais entre l’essieu et les poutres IPN. Nous avons rajouté des plats de 60 mm par 15 mm d’épais derrière les triangles pour relier les poutres IPN et bloquer le potentiel mouvement de l’essieu dans la direction où il n’était pas lié à la base. L’essieu dépasse d’environ 50 mm en dessous de la base. Ce petit excédent d’axe sera pris dans la terre.

Alignement des jantes :

Idée 1 :

Figure 11 : Vue en coupe longitudinale de l’idée d’assemblage des jantes n°1

La première idée était de souder les deux jantes l’une sur l’autre et d’utiliser la planéité de leur face pour être sûr que les deux jantes soient parallèles. Pour aligner les jantes, nous pensions utiliser quatre bouts de bois ou de métal que nous aurions soudé avec des serre-joints sur le pourtour des jantes. De cette façon, les jantes étaient parallèles et leurs centres alignés.

Figure 12 : Vue de profil de l’idée d’assemblage des jantes n°2

Idée 2 :

Figure 13 : Vue de côté de l’idée n°2 de montage pour l’assemblage des jantes

Ensuite, nous avons constaté que nous devions séparer les deux jantes pour pouvoir avoir accès aux boulons afin de pouvoir décrocher le moyeu freiné de la jante supérieure. Il fallait donc trouver une autre astuce pour pouvoir aligner les jantes. Nous avons pensé à mettre les jantes dans un U métallique et utiliser deux tubes carrés de 80 mm pour maintenir un écart régulier de 80 mm entre les deux jantes. Pour serrer les jantes l’une vers l’autre, nous avons coupé des tasseaux au diamètre approximatif de l’intérieur de la jante. Les tasseaux ont ensuite été percé avec un foret de 10 mm pour pouvoir insérer une tige filetée de 10. Les tasseaux étaient placés dans chaque jante du côté extérieur. Pour resserrer l’ensemble du montage, il suffisait de placer la tige filetée et de serrer des boulons aux deux extrémités.

Figure 14 : Vue de face de l’idée n°2 de montage pour l’assemblage des jantes

Idée 3 :

Figure 15 : Vue de face de l’idée n°3 de montage pour l’assemblage des jantes N

ous avons eu un problème lors du test de l’idée n°2 : le U métallique n’était pas parfait donc les jantes n’étaient pas bien alignées. Nous avons donc construit un autre montage pour l’assemblage. Nous avons glissé deux plaques d’aggloméré dans une cornière métallique. Nous les avons fixés à la cornière et nous avons relié les deux plaques en haut à l’aide d’un tasseau. Quatre pieds ont été ajoutés et le montage final forme alors un V. Nous avons glissé les deux jantes et utilisé le même système d’écarteur et de serrage que dans l’idée n°2. Nous avons soudé huit plaques de plat de 50 mm de large par 90 mm de long et de 5 mm d’épais pour faire le lien entre les deux jantes. Finalement, il n’y a que 2 mm de défaut de planéité. Ceci est négligeable par rapport aux autres sources d’erreur qui peuvent être très importante : le battement des branches de la bobine, le mouvement du cheval, l’élasticité du métal …

Bobine

Idée 1 :

L’idée première était de fixer des pattes métalliques aux jantes pour venir poser dessus puis boulonner deux bobines (une bobine pour une réduction de 4 et une autre pour une réduction de 8) : une dans la jante du bas et une dans la jante du haut. La hauteur de la bobine était faite avec des tronçons de tôle que nous allions arrondir grâce à une cintreuse de charron. Les disques supérieures et inférieures étaient aussi faits avec des portions de cercle soudées que nous allions couper dans de la tôle. Le gros problème de tout ceci étaient le prix et le temps passé à découper toutes les tôles.

Une alternative de cette idée était de couper en deux les bobines pour pouvoir venir les monter sur les jantes comme deux coques. Ceci permettait de ne faire qu’une accroche sur la jante du bas qui est la plus proche du sol pour les deux bobines. Nous aurions eu deux bobines et il fallait changer de bobine sur le manège pour changer de réduction. Le problème avec cette piste était le prix : les découpes des portions de cercle sont très couteuses en temps et en argent si nous les faisions faire à un métallier. Cette alternative ne faisait pas baisser les coûts.

Figure 17 : Vue du dessus de l’idée 1 pour la bobine

Figure 16 : Vue en coupe longitudinale de l’idée 1 pour la bobine

Idée 2 :

Pour réduire les coûts et le temps de travail, nous avons pensé à ne plus faire des bobines complètes mais plusieurs (6 ou 8) petits morceaux du cercle. La question était alors de savoir comment les fixer aux jantes. Nous pensions alors faire deux bobines fixes. Sur chaque jante, nous pensions souder des branches pour former une étoile à 6 ou 8 branches. A l’extrémité d’une branche se trouvait un tronçon de cercle en plat cintré sur lequel le câble devait s’enrouler. Pour solidifier l’étoile et pour soutenir le câble lorsqu’il serait entre deux branches, nous pensions souder des renforts avec du plat de 50 mm par 5 mm entre les extrémités des branches. Nous avons alors fait des calculs pour se rendre compte de la taille des bobines. Nous avons calculé le rayon de la bobine en fonction du rayon du cercle que le cheval fait (4 ou 5 m) pour une réduction de 4, 6, ou 8. Nous avons aussi calculé l’épaisseur de la bobine sachant que le câble fait 5 mm d’épais, la hauteur de la bobine est de 100 mm et que l’enroulement n’est pas parfait. Après tous ces calculs, nous avons pris la décision de fixer l’épaisseur de la bobine à 100 mm. Nous avons alors dessiné dans la cour un cercle à l’échelle 1:1 pour visualiser la taille de la bobine finie. Nous avons testé les différentes divisions possibles : 6 ou 8 branches. Nous avons opté pour 8 branches.

Idée 3 :

Figure 18 : Vue du dessus de l’idée 3 pour la bobine D

evant le dessin, nous avons eu l’idée de ne faire qu’une étoile, avec les renforts en plat de 50 mm par 5 mm entre les branches, et de percer les branches à différents endroits pour avoir toutes les réductions envisagées sur un seul jeu de branches. Les taquets sur lesquelles le câble s’enroule seraient mobiles. Nous avons eu deux idées de forme de taquets. La première était d’utiliser un tube rond de 50 mm de diamètre et de souder dessus et dessous une rondelle de tôle de 150 mm de diamètre. La rondelle du dessous devait être percée et un boulon soudé pour pouvoir fixer le taquet à la branche de l’étoile. La deuxième idée était d’utiliser aussi un tube rond de 50 mm de diamètre. Mais au-dessus et en dessous serait soudé des plats de 50 mm de large par 5 mm de 150 mm de long pour celui du dessus et de 100 mm de long pour celui du dessous. Le plat du dessous serait percé à deux endroit pour éviter la rotation du taquet sur la branche (le premier trou se trouve à 25 mm du bord et le suivant se trouve 60 mm plus loin soit à 85 mm du bord). Cette deuxième idée a été retenue. Lors du début du perçage, nous avons réalisé que nous pouvions avoir plus de réductions possibles si nous percions à intervalle régulier les branches plutôt que juste aux mesures données pour les réductions choisies. De ce fait, nous avons percé les branches tous les 60 mm et nous avons donc 15 réductions différentes possibles.

Figure 179 : Vue de profil d’un taquet

Il s’est ensuite posé la question de l’installation des branches sur la jante. Celles-ci seront soudées mais il faut arriver à bien les disposer de manière équitable (avec un angle de 45° au niveau du centre de la jante entre chaque branche), toutes dans le même plan et bien sûr alignées avec le centre de la jante. Pour assurer la planéité, nous avons réalisé deux cales de même hauteur (100 mm) et nous avons positionné les branches sur ces cales pour les souder à la jante. Ensuite, nous pensions faire un gabarit pour s’assurer de l’alignement avec le centre de la jante. Il s’agissait d’un V en bois où la branche de la bobine était une bissectrice de l’angle du V. Le grand côté ouvert du V se positionnait sur le côté de la jante. Pour répartir les branches, nous pensions aussi à première vue faire des gabarits en bois qui faisait un tronçon d’un huitième du périmètre pour séparer de manière régulière les branches. Finalement, nous avons centré avec l’axe de la jante la première branche à l’oeil. Quand nous avons considéré que la branche était alignée avec le centre de la jante, nous avons visé des cales sur les blocs en bois de 100 mm de haut pour pouvoir répéter cette position pour toutes les branches. Pour répartir les branches, nous avons au final calculé la longueur des cordes qui séparaient deux branches et nous avons mesuré la corde entre deux branches pour bien positionner les huit branches.

Fixation du timon :

Figure 2118 : Vue de dessus de l’accroche n°1

Figure 19 : Vue en coupe de l’accroche n°1

I

dée 1 :

L’idée était d’utiliser un tube carré dont la dimension intérieure est égale à la dimension de l’axe carré en bois au bout duquel le cheval est attaché. De cette manière, le timon peut coulisser dans le tube carré et sa dimension devient réglable. Nous pouvons alors régler la réduction en jouant sur le rayon du cercle sur lequel le cheval tourne et nous pouvons aussi jouer sur la hauteur où le cheval tire car le tube carré n’est pas perpendiculaire à l’essieu mais possède une légère inclinaison.

Idée 2 :

Figure 23 : Vue de dessus de l’accroche n°2

Figure 20 : Vue en coupe de l’accroche n°2

Figure 21 : Vue du dessus de l’accroche n°2 L

a deuxième idée était d’utiliser un tube carré que l’on soude à l’axe de l’essieu freiné. Le timon est rond et de diamètre inférieur à la dimension intérieure du tube carré. Le tube carré est percé deux fois dans un angle. A l’extérieur du tube, en face des deux trous, sont soudés deux écrous. De cette manière, le tube rond qui relie le cheval au treuil est serré dans un angle du tube carré en serrant deux boulons dans les écrous soudés. De cette manière, nous gardons la possibilité de réglages qu’il y a dans la première alternative. L’avantage de cette alternative est que tout le matériel est à disposition dans la ferme. Et l’acier est plus durable dehors que le bois.

Idée 3 :

Pour se simplifier la vie, nous avons soudé un plat de 60 mm par 15 mm d’épais à l’essieu freiné qui se trouve au-dessus du système de jantes soudées. Le plat est soudé avec un petit angle. Nous avons trouvé l’inclinaison en décidant que le bas de la plaque serait à 570 mm de haut par rapport à la surface supérieure des poutres IPN au niveau de l’essieu et à 650 mm au niveau du cheval. Avant la soudure, le plat a été percé à deux endroits avec un foret de 13 mm. De cette manière, nous avons utilisé une perche de sapin prise dans deux brides comme celles utilisées pour arrimer les poteaux à la base pour réaliser le timon. Nous avons décidé de mettre le cheval à 4,50 m de l’axe de l’essieu. Nous avons donc coupé la perche à la bonne distance. Le cheval sera lié à la perche et donc au système via une élingue.

Nous avons fait un premier test. Nous avons plié le plat avec la force de poussée d’un homme au bout de la perche et avec la résistance de trois hommes. Nous avons donc chauffé le plat pour lui rendre sa forme initiale. De plus, nous nous sommes rendu compte que la perche était du côté de la came de frein alors qu’elle aurait dû être de l’autre côté.

Idée 4 :

Figure 25 : Vue de dessus de l’accroche n°4 du timon à l’essieu freiné

Figure 24 : Vue de derrière de l’accroche n°4 du timon à l’essieu freiné N

ous avons repris l’idée n°3 et nous avons renforcé l’ensemble. Nous avons soudé un plat de 60 mm par 15 mm d’épais percé avec du 13 mm à deux endroits de chaque côté de l’axe carré (40 mm par 40 mm) de l’essieu. Entre les deux plats, nous avons rajouté un tube carré de 40 mm par 40 mm. Le tube est soudé aux deux plats et à l’essieu. Le tube est aussi percé pour laisser passer la tige filetée des brides.

Passage du câble :

Idée 1 :

L’idée première était de réaliser une structure complexe à stabiliser (voir le site internet de la ferme). Cette structure était nécessaire car le câble du treuil sortait en haut de la bobine.

Idée 2 :

La première modification a été de faire sortir le câble en bas de l’ensemble des deux essieux. De cette façon, la première structure, qui servait à faire descendre le câble n’était plus nécessaire. Il a donc été pensé de simplement faire passer le câble dans un tuyau et de l’enterrer en partie pour que le cheval ne trébuche pas dessus. Cette alternative fonctionnait parce que la base était enterrée.

Idée 3 :

Du fait que la base sélectionnée ne soit pas enterrée, il a fallu penser à un système pour faire descendre le câble. Le système était un jeu de deux poulies tout simplement. Le système devait se trouver sur une des poutres de la base.

Une fois le câble baisser, l’option envisagée était de souder un tube au bout de l’IPN et de faire passer le câble dedans. Le tube serait simplement recouvert de terre pour que la jument ne trébuche pas dessus.

Figure 227 : Vue en coupe de l’idée 3 du système d’abaissement du câble

Figure 236 : Vue de profil de l’idée 3 du système pour baisser le câble E

n réalité, la bobine n’est pas tangente à l’IPN. De ce fait le système de poulies ne pouvait pas être comme sur les dessins. Les poulies devaient être de biais pour ramener le câble de l’extérieur vers la gorge de l’IPN.

Figure 248 : Vue de dessus de l’idée 3 pour le système d’abaissement du câble

Idée 4 :

Figure 259 : Vue de dessus de l’idée 4 du système de poulies pour baisser le câble F

inalement, le système de poulies en biais était vraiment très compliqué à mettre en place : l’alignement était complexe. De plus, nous étions pris à parti par le temps. Nous avons donc soudé un tube carré de 80 mm par 80 mm sur la base à 100 mm du passage de la bobine. Sur ce tube, nous avons ajouté deux poulies. Les poulies sont tenues entre deux pattes faites avec du plat de 40 mm par 8 mm d’épais. Les pattes, tout comme la poulie, sont percés avec un foret de 20 mm. L’axe fait 20 mm de diamètre et il dépasse des pattes afin d’être retenu par des goupilles de 5 mm. La première poulie est horizontale. L’axe de la gorge de cette poulie est aligné avec la limite de la gorge de la poulie suivante qui est verticale. Ce système fait passer le câble à côté de l’IPN. La poulie d’après est plus loin. Elle est à l’extrémité de l’IPN. Elle est aussi verticale et elle est tenue de la même manière grâce à des pattes métalliques. Les deux poulies verticales permettent de descendre le câble dans la gorge de l’IPN.

Figure 3026 : Vue de profil du système de poulies 4

Système d’embrayage :

Idée 1 :

La première idée était de relier la came de frein de l’essieu supérieur à l’aide d’un ressort à un point fixe pour enclencher le frein à tambour. La friction permet de faire l’embrayage. L’avantage du ressort c’est qu’il permet de faire un limiteur de couple. Ensuite, un bout de plat en métal est rajouté dans le prolongement de la came mais de l’autre côté de l’axe de rotation. Ce plat est relié avec un câble à un levier de frein à main. Ce système permet, en tirant sur le frein à main de désenclencher la came et donc débrayer le système s’il y en a besoin. En réfléchissant, nous avons finalement trouvé une autre solution plus simple. L’illustration de cette idée se trouve sur le site internet de la ferme.

Figure 271 : Vue de profil du système 2 pour embrayer le treuil

I
dée 2 :

La solution que nous avons retenue est de lier directement la came de frein, avec un ressort et un tendeur de câble, au levier de frein à main. Le ressort fait un limiteur de couple comme dans la piste n°1. Le levier fonctionne avec un cliquet et possède plusieurs niveaux d’enclenchement donc nous pouvons contrôler le limiteur de couple. Le système de cliquet permet de simplement embrayer en tirant sur le levier et de débrayer en relâchant le levier. Il n’y a donc pas besoin de rallonger la came, ainsi que de trouver de point d’accroche pour le ressort et pour le levier de frein à main.

Améliorations à apporter :

Nous avons fini de construire le TCM et nous avons pu lui faire passer un petit test. Nous avons déjà remarqué des modifications à apporter.

La première concerne le jeu de poulies. Il faut rajouter pour chaque poulie un plat métallique qui empêche le câble de sortir des poulies lorsqu’il n’est plus sous tension.

La seconde est beaucoup plus importante. Il faut retoucher le frein qui sert d’embrayage à la machine. Le problème est que le freinage n’est pas assez fort et nous n’arrivons donc pas à entrainer d’outil pour l’instant. Nous avons donc deux idées pour remédier à cela. La première serait de refaire la garniture des freins. La seconde serait de changer le mécanisme dans le frein.