Fabrication d'un moteur à Vapeur à Simple Effet Oscillant

 

Projet : Conception et Réalisation d'un Moteur à Vapeur à Simple Effet Oscillant – Un Exemple de PFE Innovant

Dans le cadre des projets de fin d'études (PFE) ou des initiatives académiques en mécanique et thermodynamique, la construction d'un moteur à vapeur à simple effet oscillant représente une opportunité fascinante pour explorer les principes de base de la machine thermique. Ce projet, que j'ai réalisé personnellement avec mes étudiants (Soiyssa et Telmoudi), allie simplicité technique et apprentissage pratique, idéal pour les étudiants en ingénierie. Dans cet article, je vous présente les étapes clés de sa conception, sa construction et son fonctionnement, en mettant l'accent sur les aspects éducatifs.

Introduction au Projet

Le moteur à vapeur oscillant à simple effet est l'une des formes les plus élémentaires de moteur thermique. Contrairement aux moteurs complexes à double effet, il utilise la vapeur pour pousser le piston dans un seul sens, avec un retour assuré par l'inertie du volant. Ce modèle, avec une cylindrée de 1 cm³, est parfait pour un projet académique car il nécessite peu de matériaux coûteux et peut être assemblé avec des outils basiques comme un tour et une perceuse. Notre objectif était de démontrer les lois de la thermodynamique en action, tout en créant un modèle réduit fonctionnel pour des démonstrations en classe.

Ce projet s'inscrit dans la lignée des PFE axés sur l'énergie renouvelable et l'histoire de la mécanique, rappelant les inventions du XIXe siècle. Ce moteur marque le début d'une série dédiée aux réalisations étudiantes.

 

Figure 1: Moteur à vapeur: conception 3d

Matériaux et Outils Nécessaires

Pour réaliser ce moteur à vapeur oscillant, on a utilisé des matériaux accessibles :

• Acier 1045 pour le support, le piston, la base et le vilebrequin.
• Le laiton pour la chaudière et les bagues.
• Vis , écrous, ressort pour le sabot.
• Volant (joue le rôle d'une poulie), le cylindre et le palier en aluminium.

Outils : Tour à métaux pour l'usinage, perceuse, lime, soudure et fraiseuse à CN. Budget total : environ 50-100 €, rendant ce projet abordable pour un PFE.

Étapes de Construction

La réalisation s'est déroulée en plusieurs phases, en commençant par la conception sur papier.

1. Le Bâti (Base): On a  découpé une tôle (brut) en acier de 15 mm d'épaisseur, de dimension 101 x 51 mm. La pièce, fraisée et percée puis taraudée à M4.

Figure 2:  La base

 

1. Le Cylindre et le Piston : Le cylindre est un tube en aluminium bouché à une extrémité. Le piston, de 14 mm diamètre.
2. Le Vilebrequin : Une pièce plate en acier, formant un maneton de 12 mm de course.
3. Chaudière : .Pour la construction de chaudière on utilisé des métaux lourds non-ferreux, parce qu’ils conduisent bien la chaleur et se travaillent facilement: Le laiton. 

 

 Figure 3: Chaudière en laiton

 

L'assemblage final nécessite un rodage pour une étanchéité parfaite, et des tests avec une chaudière à vapeur basse pression.

Fonctionnement et Tests

Une fois assemblé, le moteur oscille autour de son axe : la vapeur entre par le sabot, pousse le piston, puis s'échappe lors de la rotation. Les angles d'admission et d'échappement minimisent les pertes. Lors de nos tests, il a atteint une vitesse stable avec une chaudière simple, démontrant l'efficacité énergétique. Ce projet nos permis d'analyser les pertes thermiques et d'optimiser les dimensions pour un meilleur rendement.

 

Simulation théorique et numérique — Bielle-manivelle (SolidWorks Motion)

Hypothèses et paramètres

• Vitesse de rotation du moteur : $N = 20\ \text{RPM}$ → vitesse angulaire $\omega = 2\pi N/60 = 2{,}0944\ \text{rad/s}$.

• Rayon de manivelle : $r=12\text{ mm}=\mathrm{0,012}\text{ m}$.

• Longueur de la bielle (hypothèse) : $L = 60\ \text{mm} = 0{,}06\ \text{m}$.

 

Figure 4: Bielle-manivelle

 

Équations cinématiques (slider-crank standard)

On note $\theta(t)$ l’angle de la manivelle ($\theta = \omega t$, vitesse angulaire constante). La position du piston $x(\theta)$ (prise telle que $x=0$ au point milieu / ou décalée selon ton origine) s’exprime par la relation géométrique classique :

 

$$x(\theta) \;=\; r\cos\theta \;+\; \sqrt{L^{2}-r^{2}\sin^{2}\theta}\;-\;L$$

Résultats numériques (θ ∈ [0, 2π])

Calcul numérique pour $r=12$ mm, $L=66{,}5$ mm, $N=20$ RPM :

• Course (stroke) : $x_{\max }-x_{\min }=\mathrm{24,000}\text{ mm}$ (soit $2r$).

• Position piston : variation entre −12,000 mm et +12,000 mm (prise de l’origine au point moyen).

• Vitesse maximale du piston : $\displaystyle v_{\max}\approx 25{,}54\ \text{mm·s}^{-1}$.

• Accélération maximale : $\displaystyle a_{\max}\approx +43{,}14\ \text{mm·s}^{-2}$, ${\displaystyle a_{\min }\approx -\mathrm{62,14}{\text{mm }\text{s}}^{-2}}$.
  (Ces valeurs montrent des accélérations très faibles à 20 RPM — ~0,0063 g au pic négatif.)

Remarque : la course géométrique du piston reste égale à $2r$ (ici 24 mm) indépendamment de la longueur de la bielle ; en revanche la loi de mouvement instantané (profil $x(t)$, $v(t)$, $a(t)$) dépend de $L$.

 

Mise en place de la simulation SolidWorks Motion (procédure pas-à-pas)

1. Préparer l’assemblage

   • Modèle : manivelle (crank), bielle (rod) et coulisse/piston.

   • Mates :

     • Pivot entre manivelle et vilebrequin (axe de rotation).

     • Rotule / glissière entre piston et cylindre (translation unidirectionnelle).

     • Articulation revolute entre manivelle et bielle (ou rotule si conception 3D).

     • Articulation rotule/axe entre bielle et piston selon ta géométrie.

   • Vérifie l’origine et la direction positive du déplacement piston.

2. Activer SolidWorks Motion (Motion Analysis)

   • Add-in : SolidWorks Motion → créer une Motion Study de type Motion Analysis (pas Animation).

   • Temps de simulation : pour 3 révolutions → $t=3÷(20\mathrm{/}60)=9\text{ s}$. Tu peux simuler 1–3 révolutions pour analyses.

3. Définir le moteur (Rotary Motor)

   • Appliquer un rotary motor sur l’axe du vilebrequin.

   • Type : constant speed → 20 RPM (ou 2,0944 rad/s). Définir le sens (horaire/anti-horaire).

   • Optionnel : définir couple ou puissance si tu veux forcer/contrôler la dynamique (sinon le moteur impose la vitesse).

4. Définir matériaux et masses

   • Appliquer les matériaux réels (acier, aluminium...) pour obtenir les inerties correctes.

   • Si tu veux rigid bodies → cocher Rigid Body (par défaut SW traite les pièces comme rigides).

5. Contacts et frottements (optionnel)

   • Si aucun contact piston/cylindre n’est nécessaire (case de simulation cinématique simple), tu peux ignorer les contacts.

   • Pour simulation plus réaliste (frottement guidage, jeu), activer contacts et définir coefficients de frottement.

6. Options de calcul

   • Pas de temps (time step) : par défaut Motion choisit automatiquement ; pour courbes fines choisis un pas ≤ 0{,}001–0{,}01 s selon la vitesse. (Pour 20 RPM, pas gros suffira).

   • Résolution d’intégration : défaut OK. Active output pour stocker les courbes.

7. Sorties à extraire

   • Position du piston (Translation) vs temps.

   • Vitesse et accélération du piston (derivées ou sélection directes).

   • Angle $\theta(t)$ du vilebrequin.

   • Réactions aux joints : forces axiales dans la bielle (si tu veux dimensionner).

   • Couple moteur si moteur libre (pour voir charge) ou forces d’inertie si masses définies.

8. Exécution et post-processing

   • Lancer la simulation.

   • Tracer : piston displacement (mm) vs time, piston velocity (mm/s) vs time, piston acceleration (mm/s²) vs time.

   • Extraire les maxima/minima et comparer aux valeurs théoriques (voir §3).

      

      

     
      

      Vidéo 1: Simulation de la trajectoire des vitesses du point A et B

      

     
     
      

      Figure 5: graphique de la vitesse du point A

      

      

     
     
     

      Figure 6: graphique de la vitesse du point B

      

Comparaison théorie ↔ numérique

• À quoi t’attendre : pour une étude purement cinématique (pièces rigides, pas de jeu, moteur imposant la vitesse), la courbe numérique doit coller très précisément aux résultats théoriques (erreurs ≪ 1%).

• Sources d’écart : inertie des pièces, frottement, jeu dans les liaisons, pas de temps de simulation, condition d’application du moteur (vitesse imposée vs couple imposé).

• Conseil : pour valider la chaîne CAO → Motion, compare la courbe numérique $x(t)$ sur 1 tour avec la courbe théorique obtenue par la formule §2 ; calcule l’erreur relative maximale.

Exemple d’interprétation rapide (avec nos résultats numériques)

• Course attendue = 24 mm (vérifier géométrie manivelle).

• À 20 RPM la vitesse max piston ≈ 25,6 mm/s → très lente (pas de vibration significative).

• Accélérations faibles : maxi ≈ 63 mm/s² (≈ 0,0064 g).
  → Conclusion : à 20 RPM la bielle/manivelle ne subit pas de fortes sollicitations dynamiques ; dimensionnement statique et frottements seront probablement dominants.

Simulation du système bielle manivelle avec Matlab:

 Code Matlab:

 

%% ------------------------------------------------------------------------
% Simulation théorique de la bielle-manivelle
% Auteur : Dr. Kamel Bousnina
% Données : r = 12 mm, L = 66.5 mm, N = 20 RPM
% Sorties : position (x), vitesse (v), accélération (a) du piston
%% ------------------------------------------------------------------------

clc; clear; close all;

%% Paramètres géométriques et cinématiques
r = 12e-3; % rayon manivelle [m]
L = 66.5e-3; % longueur bielle [m]
N = 20; % vitesse en tours par minute [RPM]
omega = 2*pi*N/60; % vitesse angulaire [rad/s]

%% Discrétisation angulaire
nPoints = 360; % points par tour
theta = linspace(0, 2*pi, nPoints); % angle [rad]
t = theta / omega; % temps correspondant [s]

%% Calculs théoriques
% Position du piston par rapport à la position moyenne
x = r*cos(theta) + sqrt(L.^2 - (r*sin(theta)).^2) - L; % [m]

% Dérivation numérique pour vitesse et accélération
v = gradient(x, t); % vitesse [m/s]
a = gradient(v, t); % accélération [m/s²]

%% Résultats caractéristiques
stroke = max(x) - min(x); % course [m]
vmax = max(abs(v)); % vitesse max [m/s]
amax = max(a); amin = min(a); % accélération max/min [m/s²]

fprintf('--- Résultats numériques ---\n');
fprintf('Course = %.3f mm\n', stroke*1e3);
fprintf('Vitesse max = %.3f mm/s\n', vmax*1e3);
fprintf('Accélération + = %.3f mm/s²\n', amax*1e3);
fprintf('Accélération - = %.3f mm/s²\n', amin*1e3);

%% Graphiques
figure('Name','Bielle-Manivelle - Simulation Théorique','Color','w');

subplot(3,1,1)
plot(t, x*1e3, 'b', 'LineWidth', 1.5)
xlabel('Temps [s]'); ylabel('Position [mm]')
title('Déplacement du piston')
grid on

subplot(3,1,2)
plot(t, v*1e3, 'r', 'LineWidth', 1.5)
xlabel('Temps [s]'); ylabel('Vitesse [mm/s]')
title('Vitesse du piston')
grid on

subplot(3,1,3)
plot(t, a*1e3, 'm', 'LineWidth', 1.5)
xlabel('Temps [s]'); ylabel('Accélération [mm/s²]')
title('Accélération du piston')
grid on

sgtitle('Système Bielle-Manivelle — Simulation Théorique (20 RPM)')

 

--- Résultats numériques ---

Course = 24.000 mm
Vitesse max = 25.539 mm/s
Accélération + = 43.139 mm/s²
Accélération - = -62.136 mm/s²

 

Résultats graphique:

Figure 7: Système bielle manivelle: déplacement, vitesse et accélération

Conclusion

Ce moteur à vapeur à simple effet oscillant est un excellent PFE pour les étudiants en mécanique, combinant théorie et pratique. Il illustre parfaitement les principes de la vapeur comme source d'énergie. 

 

Si vous êtes intéressé par les plans détaillés, téléchargez les PDFs ici: Dossier technique du projet

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Mots-clés : projet PFE moteur vapeur, construction moteur oscillant simple effet, modèle réduit académique vapeur