Conception du système du chariot élévateur MATRANS

Figure: Étude_conception d’un chariot élévateur MATRANS_LUCIOLE

Étude-mini projet de conception du système du chariot élévateur MATRANS « LUCIOLE »

Avant toute conception mécanique, il faut comprendre qui, quoi, où, quand, comment et pourquoi. Ici : le système est le chariot élévateur MATRANS « LUCIOLE », destiné à la transhumance apicole (déplacement de ruches, terrains escarpés). Cet article débute par l’analyse du besoin (), le diagramme pieuvre (interfaces), la caractérisation des fonctions (FP / FC), puis bascule sur la conception technique et calculs essentiels.

Contexte et description du système

Usage & spécificités fonctionnelles

Le chariot élévateur LUCIOLE de MATRANS est spécialement conçu pour la transhumance apicole : il déplace des ruches (≈ 40 kg chacune) sur des terrains escarpés, souvent non routiers.

Quelques caractéristiques techniques :

Masse à vide : 420 kg
Charge maximale sur fourche (terrain plat) : 330 kg
Largeur hors tout : 1 m
Hauteur mât replié : 1,35 m
Hauteur de levée : 1,60 m
Rayon de braquage mini : 1,8 m

chariot élévateur MATRANS « LUCIOLE », par matransconcept

Cette compacité et cette capacité à manœuvrer dans des espaces exigus constituent une vraie valeur ajoutée dans le domaine spécifique de l’apiculture mobile.

Valeur ajoutée / innovation du modèle

LUCIOLE se distingue par son empattement variable, son système de levage à bras multiples avec cinématique particulière, et sa visibilité optimisée pour l’opérateur. Cela en fait un engin spécialisé, plutôt qu’un chariot élévateur standard, ce qui lui donne une niche unique.

Diagramme pieuvre (interfaces externes)

Le diagramme « pieuvre » montre les interfaces du système vers l’extérieur. Chaque tentacule = interface physique / informationnelle.

Diagramme pieuvre: Analyse fonctionnelle externe du chariot

Analyse fonctionnelle externe du chariot : diagramme pieuvre

Caractérisation des fonctions (FP / FC)

On décrit les fonctions primaires (FP) et fonctions contraintes (FC) — format synthétique.

Tableau: Caractérisation des fonctions de services (FP FC)

Autres caractérisations des fonction de services

Fonctions principales (FP)

FP1 : Permettre le déplacement des ruches — déplacer, charger/décharger, transporter.
FP2 : Soulever la charge sur fourche — capacité 330 kg (plat), 250 kg (terrain accidenté).
FP3 : S’adapter au transport en fourgon — être repliable (hauteur/empattement).
FP4 : Offrir maniabilité en terrain étroit — rayon de braquage ≤ 1,8 m (±10%).
FP5 : Assurer sécurité opérateur — protection, capteur de présence, stabilité.

Fonctions contraintes (FC)

FC1 : Respecter pression hydraulique maxi (≤ 150 bars).
FC2 : Poids à vide ≤ 420 kg (limite pour transporter dans fourgon).
FC3 : Hauteur repliée ≤ 1,35 m.
FC4 : Débit hydraulique limite 50 l/min.
FC5 : Empattement variable pour compacité/ stabilité

Priorisation des besoins (Matrice MoSCoW simplifiée)

MUST : Levage 330 kg plat, stabilité en décélération (-1,4 m/s²), visibilité opérateur.
SHOULD : Empattement variable fiable, fourches interchangeables (0.5 m / 1 m).
COULD : Motorisation électrique/hybride (option futur).
WON’T (this release) : téléopération complète, suspension active.

Passage à la conception — principes et choix

À partir du besoin, on propose les grandes décisions de conception.

Architecture mécanique retenue (synthèse)

Châssis : mécano-soudé, renfort local au niveau mât/fourches (DT5).
Mât & fourches : système bras multiples + vérins (tilt, levage, empattement). Fourches longues 1 m : prévoir renforts (profilé plein 40×80 ou U plus grand).
Hydraulique : vérins double effet (ex. 700/30 pour tilt, série 25/40 pour empattement), pression de dimensionnement = 100 bars disponible (ou 150 bars maxi pour marge).
Direction & propulsion : roues avant motrices; joystick / guidon avec modification pour progressivité de l’accélération.
Sécurité : capteur de présence sur plateforme, limiteur de pression, logiciel de gestion vitesse/tilt si surcharge.

Exigences structurales (points clés)

Contraintes fourche : contrôler σmax < Re/s (Re ≈ 235 MPa pour S235). Si σmax > Re/s → renfort section (profilé plein) ou changement de section.
Stabilité : vérifier centre de gravité GT pour conditions charge+conducteur ; calculer efforts aux roues en freinage pour éviter basculement (voir code ci-dessous).

Cinématique et cinétique du levage

Un des points faibles des articles existants : peu d’entre eux présentent une modélisation ou une équation de statique / dynamique pour le mât ou la fourche. Ici, nous pouvons proposer une modélisation simplifiée.

Imaginons le chargement sur la fourche (charge Q = 330 kg) situé à un bras de levier $L$ (distance du centre de gravité de la charge à l’axe de rotation). On peut définir :

M_{\text{levage}} = Q \times g \times L

Où $g=9,81\;m/s^2$ . Supposons $L = 0, 5 m$ , alors :

M_{\text{levage}} = 330 \times 9{,}81 \times 0{,}5 \approx 1\,618\,N\cdot m

(On adaptera selon la configuration réelle).
En MATLAB, un code simple pour calculer l’effort sur un bras peut être :

Q = 330; % kg
g = 9.81; % m/s^2
L = 0.5; % m
M_levage = Q * g * L;
fprintf('Moment de levage = %.2f N·m\n', M_levage);

On peut aussi modéliser la contrainte sur une fourche équipée d’une section rectangulaire :

\sigma = \frac{M_{\text{levage}} \cdot c}{I}

où $c$ = distance au neutre, $I$ = moment d’inertie de la section.

H3 – Étude statique et diagrammes de charge

On pourrait ajouter un graphique indiquant la capacité de charge en fonction de la hauteur de levage.

Figure: capacité de charge en fonction de la hauteur de levage

Par exemple, si pour une hauteur de 1,60 m on accepte 330 kg, puis 250 kg terrain accidenté, on peut tracer une courbe linéaire ou quadratique comme estimation. En MATLAB :

h = linspace(0,1.6,100);
Qmax = 330 - (330-250)*(h/1.6); % simple interpolation
plot(h, Qmax);
xlabel('Hauteur de levage (m)');
ylabel('Charge maximale (kg)');
title('Charge admissible en fonction de la hauteur pour LUCIOLE');
grid on;

Matlab: Charge admissible en fonction de la hauteur pour LUCIOLE

Effort du vérin tilt (calcul simple)

% Effort vérin tilt (exemple simplifié)
Q = 330; % kg (charge)
g = 9.81; % m/s^2
F_charge = Q*g; % N
% Hypothèse levier : distance charge -> pivot (m)
L = 0.8; % m (à adapter selon géométrie DR1)
% Moment demandé au mât (N.m)
M_lev = F_charge * L;
% Géométrie briève du bras : distance de la ligne d'action vérin -> pivot
d = 0.25; % m (à mesurer sur DR1)
F_vérin = M_lev / d;
fprintf('Force vérin (estimation) = %.0f N\n', F_vérin);

Cet extrait produit une estimation rapide de l’effort demandé au vérin de tilt.

Courbes vitesse/accélération (cycle LUCIOLE)

% Phase 1 : accélération constante vers 10 km/h en 3s
vmax = 10/3.6; % m/s
t = [0 3 4 6]; % points clés
v = [0 vmax vmax 0];
plot(t, v,'-o');
xlabel('Temps (s)');
ylabel('Vitesse (m/s)');
title('');
grid on;

Courbe: Cycle de déplacement LUCIOLE - vitesse

H2 – Optimisation & recommandations de conception

H3 – Opportunités d’amélioration

Réduction de poids à vide : passer de 420 kg à une version allégée (par exemple 380 kg) via usage d’alliages légers ou structure optimisée.
Motorisation alternative : remplacement du moteur essence par un système hybride ou électrique pour réduire les émissions, améliorer la maniabilité dans zones apicoles sensibles.
Système de télémétrie / IoT : intégration de capteurs pour suivi de la maintenance, de la charge réelle, de la pente, afin de prévenir incidents. Cela répond à une tendance observée dans les engins de manutention modernes.
Amélioration de la cinématique de levage : analyse de l’articulation à bras multiples (spécifique à LUCIOLE) pour optimiser la distribution des efforts, réduire les contraintes de flexion, et augmenter la rigidité.

Conception finale: Chariot élévateur

Mise en œuvre d’un mini-projet étape par étape

Étape 1 : Analyse fonctionnelle du besoin (déplacement des ruches, terrains escarpés).
Étape 2 : Cahier des charges (capacités, dimensions, contraintes environnementales).
Étape 3 : Conception mécanique (sélection châssis, mât, moteur, hydraulique).
Étape 4 : Modélisation statique & cinématique (voir code MATLAB ci-dessus).
Étape 5 : Prototype ou simulation (éléments finis, validation).
Étape 6 : Mise en œuvre terrain, retour d’expérience, optimisation continue.

Maintenance, sécurité & durabilité

Points clés de sécurité

La conception d’un chariot élévateur implique également la conformité aux normes, la protection de l’opérateur, la visibilité, la stabilité. Pour LUCIOLE, en raison de son usage extérieur sur terrain irrégulier, il est essentiel d’assurer :

un centre de gravité bas
un contrepoids ou une conception compensatoire adaptée
une bonne visibilité pour l’opérateur
des vérifications quotidiennes (pression hydraulique, niveau huile, éléments de levage)

Durabilité & usage spécifique apicole

Étant donné l’usage en apiculture mobile, attention à :

la corrosion (terrain extérieur, humidité)
l’usure des composants hydrauliques et mécaniques
la maniabilité sur pentes, surfaces non régulières
la modularité (fourches interchangeables, accessoires pour ruches)

Documents téléchargeable:
* Pièces du système en format SolidWorks: Lien
* Codes Matlab utilisés dans l'article: Lien

Autres PFE utiles:

* Étude et conception d’un tendeur à rouleau pour transporteur
* PFE: Étude et Conception d'un Malaxeur à train valseur
* PFE: Conception d’un Système de Virage pour Tambour Granulateur

Conclusion

En conclusion, l’étude-mini projet du chariot élévateur MATRANS LUCIOLE permet de combiner un usage très spécifique (apiculture mobile) avec une approche de conception mécanique rigoureuse, incluant modélisation, optimisation et maintenance.

FAQ : Questions fréquentes sur le chariot élévateur MATRANS « LUCIOLE »

❓1. À quoi sert exactement le chariot élévateur MATRANS « LUCIOLE » ?

Le chariot LUCIOLE est conçu pour la transhumance apicole — il aide les apiculteurs à charger, transporter et décharger leurs ruches sur des terrains irréguliers. Sa particularité réside dans sa compacité, son empattement variable, et sa cinématique de levage à bras multiples, qui facilitent les manœuvres dans les zones étroites ou montagneuses.

❓2. Quelle est la charge maximale supportée par le chariot LUCIOLE ?

Selon le cahier des charges du constructeur MATRANS, la charge maximale est de 330 kg sur terrain plat et 250 kg sur terrain accidenté. Ces limites garantissent la stabilité et la sécurité du système pendant la levée et le déplacement des charges.

❓3. Pourquoi l’empattement variable est-il une innovation importante ?

L’empattement variable permet au chariot d’être déplié pour plus de stabilité lors du levage, et replié pour le transport dans un fourgon. Ce système, géré par un vérin hydraulique à course réglable, constitue l’un des principaux atouts de la LUCIOLE, réduisant les risques de basculement et optimisant la maniabilité.

❓4. Quels sont les risques de sécurité identifiés pendant l’étude ?

Le principal risque identifié est le basculement vers l’avant en cas de freinage brutal, surtout si le conducteur quitte la plateforme. Pour y remédier, un capteur de présence doit être installé, bloquant le fonctionnement du chariot si aucun opérateur n’est détecté. D’autres sécurités incluent les limiteurs de pression hydraulique et la protection du moteur contre la surchauffe.

❓5. Comment a-t-on modélisé le comportement dynamique du chariot ?

Une modélisation simplifiée du cycle d’évolution (accélération, vitesse, décélération) a été faite à l’aide de codes MATLAB. Les courbes montrent trois phases principales :

accélération (0 → 10 km/h en 3 s),
vitesse constante (1 s),
freinage uniforme (2 s).
Cette approche permet de vérifier la conformité avec le cahier des charges : décélération max = –1,4 m/s², valeur limite pour éviter tout soulèvement des roues arrière.

❓6. Quelle est la contrainte maximale observée sur les fourches longues ?

L’analyse par éléments finis (DT9) montre une contrainte maximale de 635 MPa dans la configuration initiale avec profilé mécano-soudé. Comme cette valeur dépasse la limite élastique de l’acier S235 (235 MPa), il a été proposé de remplacer les fourches creuses par des profilés pleins 40×80 mm, garantissant la résistance nécessaire.

❓7. Pourquoi un code MATLAB dans une étude de conception mécanique ?

L’intégration de MATLAB dans cette étude permet :

d’effectuer rapidement des calculs de forces et de moments (vérin, levage, freinage) ;
de tracer des courbes de performance (charges admissibles, vitesses, accélérations) ;
d’analyser la stabilité dynamique du chariot sans nécessiter de prototypes physiques.
Cela rend le projet plus scientifique, reproductible et aligné avec les standards d’ingénierie moderne.

❓8. Quelles améliorations futures sont envisagées pour la LUCIOLE ?

Plusieurs pistes :

motorisation électrique ou hybride,
allègement de la structure via alliages haute résistance,
capteurs IoT pour maintenance prédictive,
systèmes d’assistance active au freinage ou à la stabilité.
Ces évolutions permettraient d’élargir le marché du chariot à d’autres usages agricoles et industriels.

❓9. Comment se déroule la validation terrain du projet ?

Le cycle de validation comprend :

Vérification statique et cinématique sur modèle CAO ;
Simulation dynamique des phases d’accélération et de freinage ;
Essai terrain sur sol irrégulier avec charges nominales (330 kg) ;
Analyse de sécurité (basculement, stabilité, ergonomie) ;
Rapport d’industrialisation incluant recommandations (profilé renforcé, capteurs, ajustements empattement).

❓10. Où trouver la documentation technique complète du chariot LUCIOLE ?

Les documents techniques (DT1 à DT9, DR1 à DR7) sont issus de l’épreuve officielle du Baccalauréat technologique STI – Génie mécanique (session 2010), disponible sur Eduscol

Kamel Bousnina – Blog d’Ingénierie, CAO et Optimisation