Throttle

1 - Généralités :

Le throttle (bloc manettes) constitue un véritable challenge : les manettes elles mêmes, avec leur crantage, les poignées de réverse, le mécanisme de trim, avec les roues qui entrainent les cônes via une démultiplication, et la motorisation des roues, puisque le trim est pris automatiquement en charge par l’avion lorsque ce dernier est en vol … tout cela fait beaucoup !

Pour la première version, je me suis largement inspiré des travaux de Claude Keiffer (https://www.simucockpit.fr/) , en profitant toutefois de ma première petite cnc pour perfectionner le mécanisme de crantage, ainsi que celui des réverses. 
Le tout est principalement réalisé en mdf et PMMA.

Comme sur la plupart des simus A320, j’ai pris la liberté de ne pas motoriser le trim : c’est en effet une complication notable, alors que cela n’apporte fonctionnellement que très peu à la simulation, puisque le trim étant géré par l’avion, celui-ci n’est utilisé qu’au sol, pour afficher la position du centre de gravité … il n’empêche, le fait, en vol, de voir la roue de trim bouger toute seule apporte forcément un complément de réalisme significatif, d’où une seconde version plus ambitieuse !

Throttle version 1
Le premier throttle
Modélisation SW du throttle version 2
Modélisation du second throttle

C’est la disponibilité de la CNC et du tour qui me décide à me lancer sur ce projet.

Au cahier des charges de la version 2 :
1 – construction plus “mécanique” : utilisation d’alu chaque fois que possible, roulements pour tous les éléments tournants, facilité de montage/démontage,
2 – motorisation du trim,
3 – encombrement compact, similaire à celui de la v1, hors l’électronique de commande, qui sera déportée dans un bloc à part.
4 – reprise des principes du throttle réel (séparation mécanique des fonctions).

Fonctionnellement, le throttle est constitué de 4 sous-ensembles :
– Les manettes, avec le levier de reverse et le bouton de déconnection de l’autothrust,
– 2 secteurs pourvoyant aux 3 positions stop : iddle, max take-off et full reverse ; ils sont hébergés au sein du “chassis”.
– le mécanisme de trim, avec les roues et cônes, la démultiplication roue/cône, et la motorisation ; ces composants sont fixés sur le “chassis”.
– l’unité de capture de la position des manettes, avec le crantage (duretée réglable), le frein 
 manette (réglable), et le potentiomètre de capture ; le tout est rassemblé dans la “base”.

Alors que Turbocad avait suffi pour modéliser la première version, il a fallu passer à Solidworks pour la seconde : en effet, la concentration des composants dans un faible espace, ainsi que la nécessité de vérifier que toutes les pièces sont raisonnablement réalisables, sont plus faciles à garantir avec un outil de CA0 paramétrique.

2 - La base :

Modélisation SW de la base du throttle
Modélisation de la base

Ce sous-ensemble reprend fidèlement les principes de l’original, crantage et frein manette ; pour réduire l’encombrement global, j’y ai cependant rajouté les potentiomètres de recopie de la position des manettes (dans l’original, les unités dites “throttle control unit” sont séparées, et reliées aux “mechanical box” par des biellettes).

Principe :

Principe des freins et du crantage du throttle
Schéma de principe

Chaque manette actionne un levier de frein : un disque sur lequel frotte plus ou moins fermement une couronne en delrin ; un engrenage de 70 dents, solidaire du disque, engrène sur un pîgnon de 20 dents, solidaire du disque de crantage, sur lequel vient appuyer plus ou moins fermement le levier de crantage ; le pignon de 20 dents entraine le potentiomètre par le biais d’un second pignon de 20 dents.

Levier de frein :

Les composants du levier de frein de la base du throttle
Constituants levier de frein
Levier de frein de la base du throttle
Levier de frein

Le levier de frein (alu 2017) est usiné à la cnc, puis repris à la fraiseuse ; le disque de frein (alu) est usiné à la cnc, et présente un alésage sur les 2 faces pour y loger 2 roulements (6x12x4) ; l’engrenage de 70 dents (nylon chargé) est découpé et aminci à la fraiseuse ; il est placé en sandwich entre le levier et le disque.

Disque de crantage :

La couronne de crantage de la base du throttle
Disque de crantage
Compoants de la couronne de crantage de la base du throttle
Constituant disque de crantage

Le disque de crantage (POM, alias delrin) est usiné à la cnc – 4 crans, idle rev, climb, FLX T.O. MCT et T.O.G.A, le cran FLX est moins prononcé que les 3 autres ; il est fixé sur un moyeu en alu constitué de 2 pièces usinées à la cnc qui emprisonnent le moyeu de l’engrenage 20 dents, avec un possible ajustement angulaire de quelques degrés pour réglage de la symétrie des mécanismes manette droite et gauche ; le pignon (nylon) est également monté sur 2 roulements.

Levier de crantage :

Levier de crantage de la base du throttle
Mevier de crantage

Le levier de crantage est usiné à la cnc (alu), reprise à la fraiseuse pour y loger le petit roulement (4x10x4) qui viendra rouler contre le disque de crantage.
Le degré de pression du roulement sur le disque est ajusté par un ensemble poussoir/ressort/écrous de pression.

Support :

Montage de la base du throttle - première étape
Support

Le support est constitué d’une base en alu de 10, et d’une paroi verticale centrale sur laquelle sont montés les potentiomètres de recopie de position, ainsi que les divers axes, par vissage. Deux petites platines en alu de 5 sont fixées aux 2 extrémités de la base, et servent respectivement de support et de guide aux ressorts de réglage de la dureté des crantages et des freins.

Montage de la base du throttle - seconde étape
Assemblage intermédiaire
La base du throttle terminée
Assemblage final

Réglage de la dureté des crantages : 2 axes filetés sont vissés dans la petite platine de droite et sont munis d’un épaulement sur lequel un ressort vient en appui, son autre extrémité poussant le levier de crantage contre la roue de crantage.

Réglage de la dureté des freins : une vis, un ressort, un petit tube d’alu  et un écrou viennent serrer les 2 pattes de chaque couronne de frein ; chaque petit tube passe dans un orifice pratiqué dans la petite platine gauche de façon à le guider radialement (le tube coulisse librement dans l’orifice, ce montage est flottant).

2 flasques latérales complètent l’ensemble, elles sont ajourées pour donner accès aux réglages angulaires des disques de crantage (de façon à ce qu’au final les crans des 2 manettes correspondent parfaitement à une même position angulaire des manettes), ainsi qu’à la fixation des biellettes de liaison des leviers de frein.

D’une façon générale, sur un ensemble compact comme l’est ce throttle, il faut prendre garde à ce que le tout soit montable et démontable !

3 - Le trim :

Principe :

Principe du trim du throttle
Schéma de principe du trim

Attention, tour indispensable.

La roue de trim (en hachuré) est solidaire de la seconde roue par l’intermédiaire de l’axe roue “A” ; le pignon “1”, fixe sur cet axe, entraîne le double pignon “2”+”2′” qui lui même entraîne le pignon “3”, qui est solidaire du cône de trim et de l’axe cône “B”.  L’axe cône “B” entraîne le second cône.

La motorisation du trim est assuré par le moteur “PAP”, qui entraine l’axe roue “A” par l’intermédiaire du train d’engrenages “5”+”6″.

Pour la suite, l’ensemble des axes roue et trim, et tout ce qui lui est concentrique, est dit “axe primaire” ; le pignon double et son axe sont dit “axe secondaire”.

Axes primaires et secondaires :

Eclaté SW de l'axe principal du trim du throttle
Eclaté de l'axe primaire
Eclaté SW de l'axe secondaire du trim du throttlr
Eclaté de l'axe secondaire

L’axe primaire : l’axe roue, en stub de 10, tourne dans un tube en alu 2017 25×37 grâce à 2 roulements encastrés dans 2 bouchons qui ferment le tube. Les deux bouchons sont solidaires d’un coté du pignon “3” et d’une roue de cône, et de l’autre coté d’un moyeu qui entraîne la seconde roue de cône. 

Aux extrémités de l’axe roue, on trouve d’un coté le pignon “1” et un moyeu de roue, et de l’autre le pignon “4” et le second moyeu de roue.

Le tube d’alu est lié au châssis par 2 roulements 25x37x7 ; les 2 manettes tournent autour de ce tube via chacun 2 roulements 25x37x7.

L’axe secondaire : un simple pignon double doté de 2 roulements tourne sur un axe fixé au châssis.

2 engrenages pour un engrenage double
Usinage des 2 pignons
Le pignon double assemblé
Les 2 pignons assemblés
Constituants de l'axe secondaire du trim du throttle
L'engrenage double et son axe

Les engrenages : j’ai choisi des engrenages de module 1, le choix est assez restreint, acier ou nylon renforcé, la géométrie est la même, épaisseur 15, moyeu épaisseur 10 ; au regard des couples transmissibles, le nylon renforcé suffit très largement, et c’est tout de même plus facile à usiner : en effet, il va falloir amincir les moyeux, amincir l’engrenage lui même, aléser …

Pour exemple, le pignon double de l’axe secondaire : je pars d’un pignon 20 dents et d’un pignon 60 dents :
– 60 dts : suppression du moyeu,
– 60 dts : dés-épaississement à 10,
– 60 dts : alésage à 12 d’un coté, profondeur 4 (pour accueillir un roulement 6x12x4),
– 60 dts : alésage à 16 de l’autre coté,
– 20 dents : dés-épaississement du moyeu à 5,
– 20 dents : tournage du moyeu, diamètre 16,
– 20 dents : alésage à 12 à l’opposé du moyeu, profondeur 4, pour accueillir un second roulement.

Il ne reste plus qu’à assembler les 2 pignons, et y introduire les 2 roulements …

Constituants du moyeu droit du trim du throttle
Les constituants du moyeu droit
Moyeu droit du trim du throttle
Le moyeu droit

Le moyeu droit vient s’enfiler dans l’extrémité droite de l’axe cône (tube alu)  ; il est doté d’un roulement 10x26x8, et d’une flasque sur laquelle  la roue de cône droit est fixée.

Les constituants du moyeu gauche du trim du throttle
les constituants du moyeu gauche
Moyeu gauche du trim du throttle
Le moyeu gauche

Idem pour le moyeu gauche : la flasque est remplacée par le pignon “3” ; ce dernier est renforcé à l’aide d’une couronne en alu, encastrée, de façon à pouvoir y visser la roue de cône gauche.

Constituants du moyeu roue du trim du throttle
Les constituants d'un moyeu de roue
Moyeu de roue du trim du throttle
L'un des moyeux de roue

Les moyeux de roue comportent un moyeu à proprement parler doté d’un épaulement, et une couronne concentrique placée de l’autre coté de la roue, fixation par 3 vis qui traversent la roue.

Le pignon “1” est enchâssé à force dans le moyeu gauche.

Assemblage finale de l'axe primaire :

Le trim du throttle terminé
L'axe principal au complet

L’axe principal au grand complet, une belle pièce, tout tourne tout seul autour de tout …

4 - Le chassis :

Le châssis supporte l’axe primaire grâce à 2 paliers qui se glissent par le bas, le moteur pas à pas, à l’intérieur coté droit, ainsi que l’axe secondaire et le potentiomètre de trim, vissés sur le flan gauche. Il est réalisé en alu de 5 et de 10. La base vient se visser en dessous.

La partie supérieure comporte 2 glissières latérales en forme de baïonnette pour assurer les butées avant et arrière des manettes, ainsi que l’arrêt iddle.

Modélisation SW du châssis du throttle
Modélisation du chassis

La difficulté de ce sous ensemble réside dans la partie supérieure, demi-cylindrique, dont la face supérieure comporte 2 graduations latérales et une graduation centrale – pas de difficulté – rétro-éclairées – là, ça se corse sérieusement.

Les secteurs crantés du châssis du throttle
Les secteurs crantés
Arceau central du chassis du throttle
L'arceau central
La partie supérieure du châssis du throttle
Assemblage de la partie supérieure

Les glissières latérales en forme d’arceau comportent sur leur champ supérieur un évidement destiné à accueillir 1 bande de led pour le rétro-éclairage. Un troisième arceau central présente également un évidement pour les led ; pour des raisons de fabrication, cet arceau est constitué de 3 pièces coaxiales, la pièce centrale présentant un rayon inférieur à celui des pièces latérales. Ces trois arceaux sont assemblés sur champ par 2 pattes latérales qui serviront à la fixation du throttle sur le pedestal.

Ces 3 arceaux doivent être recouverts en partie supérieure, au dessus des rainures des led,  par 3 bandes de PMMA courbes, dont les 2 latérales avec un chanfrein ; et pour ne rien gâter, ce PMMA doit être peint et gravé ! A date je ne sais pas encore vraiment comment faire …

nb : une solution passable : découpe sur champ des 3 bandes courbes (soit 3 portions de couronne), chanfreinage, et collage d’une bande de papier imprimé plastifié en face supérieure.

Flan droit du châssis du throttle
Flan droit
Flan gauche du châssis du throttle
Flan gauche
Châssis du throttle terminé
Assemblage final

C’est sur ce se sous-ensemble constitué des 3 couronnes assemblées que les flancs du châssis sont vissés.

5 - Les manettes :

Ici aussi, reprise de la conception d’origine, manette en deux parties, liaison électrique par prise db9 (pour le poussoir disconnect) ; la poignée de reverse actionne le levier de reverse par l’intermédiaire d’un levier ; le levier porte le roulement qui navigue dans la glissière en forme de baïonnette du châssis, qui assure les butées extrêmes et iddle.
En partie basse, un alésage accueille 2 gros roulements 10x28x8, maintenus en place par 2 flasques.
La manette entraîne un cache lumière qui vient coulisser dans un fente en partie supérieure du châssis.

Modélisation SW des manettes du throttle
Modélisation d'une manette

Partie basse des manettes :

Constituants des manettes du throttle
Les composants de la partie basse
L'ensemble manette basse du throttle terminé
Les manettes basses avec le levier de reverse

La plupart des pièces sont réalisées à la CNC dans de l’alu de 15, 10 et 5 ; quelques pièces sont reprises à la fraiseuse : rainures sur champ pour les biellettes de liaison aux leviers de freins, alésages des flasques des gros roulements, lamages pour l’articulation des leviers qui portent les petits roulements 4x10x4 de reverse, encastrement des prises db9.

Les manettes sont montées sur l’axe cône “B”, espacées par des couronnes fraisées dans du POM.

Les 2 roulements d’extrémité sont également encastrés dans 2 flasques, qui seront fixées aux flans du châssis..

Partie haute des manettes :

Montage des manettes hautes du throttle
Début d'assemblage de la partie haute
levier reverse des manettes du throttle
La poignée de reverse

La partie haute des manettes est usinée à la CNC sur les 2 faces dans de l’alu de 15

Les poignées de reverse sont constituées de 3 pièces en alu empilées, et qui emprisonnent la biellette de liaison au levier de reverse et son axe de rotation en laiton de 4.

La poignée supérieure est constituée de 2 flasques épaulées, vissées sur le corps de la manette ; un cylindre usiné dans du tube pvc est emprisonné entre les 2 épaulements.

Le switch “disconnect” est vissé sur le corps de la poignée ; un petit capuchon épaulé rouge (à venir) est en appui sur le poussoir, retenu par la flasque de la poignée grâce à son épaulement.

2 flans complètent l’ensemble, en emprisonnant l’axe de la poignée.

Manette haute du throttle terminée
La partie haute au complet

6 - L'électronique de commande :

Le trim est motorisé par un moteur pas-à-pas Nema 17-48, couple de maintien 50N.cm ; son driver est un TB6600 alimenté par une alimentation à découpage 36V 5A (oui, c’est un peu luxueux !).

L’électronique de pilotage est confiée à un Arduino mega 2560, qui recopie la position de la manette grâce à un potentiomètre monté sur le flan gauche du châssis, entraîné par l’axe roue (pignon engrenant sur l’engrenage double de l’axe secondaire).

L’ordre de positionnement du trim est lu dans A320 FMGS par un programme LUA (offset $73AE), qui récupère également les valeurs “au sol”, offset $0366, et “phase de vol”, offset $73C0. Ce programme transfert ces données à l’Arduino, qui, si l’avion est bien en vol, convertit l’ordre de positionnement en ordres pour le moteur PAP : direction et nombre de pas ; la génération des steps est confiée au module développé pour mon tour (voir “Un petit tour”).

Le câblage interne est centralisé sur un petit pcb qui regroupe toutes les connections électriques (rétro-éclairage, moteur et les 3 potentiomètres d’une part, une db9 pour le trim et une db15 pour les manettes et le rétro-éclairage d’autre part).

Alimentation, driver et Arduino sont regroupés dans un boitier séparé.

7 - Assemblage final :

Equipage mobile et châssis du throttle
Chassis et manettes basses prêts pour assemblage
Equipage mobile en place dans le chassis du throttle
Manettes basses en place dans le chassis

Les manettes basses sont montées sur l’axe cône “B”, ainsi que les 2 roulements d’extrémité, dans leur flasque ; ce sous-ensemble est glissé entre les flans du châssis, dans 2 lamages prévus à cet effet, fixation grâce aux 2 flasques des roulements.

Mise en place de l'axe de trim dans le châssis du throttlr
Installation de la mécanique de trim
Fixation de la base sous le châssis du throttle
Intégration de la base

Le reste de l’axe primaire est ensuite inséré dans l’axe cône, les 2 moyeux sont immobilisés en rotation autour de cet axe par 2 clavettes. L’engrenage double est ensuite monté sur son axe.

La base est insérée et fixée sous le châssis par l’intermédiaire de 2 pattes en alu de 5 vissées sur le châssis et sur la base. 

Manettes et leviers de freins sont reliés par 2 biellettes réglables : une tige de laiton filetée m5 jusqu’à mi-longueur dans le sens horaire à une extrémité, et dans l’autre sens à l’autre extrémité, munie d’un écrou vissé à fond jusqu’au milieu de la tige et collé à la loctite (cet écrou sert à régler la biellette), est munie à chaque extrémité d’un embout à rotule , taraudage dans un sens pour l’une et dans l’autre sens pour l’autre (embout TSF 5C et TSFL 5C).

La fixation des manettes hautes peut intervenir, il faut dégager l’un des 2 flans de chaque manette de façon à pouvoir insérer la biellette  de reverse, dont l’axe est emprisonné entre les 2 flans.

Fin provisoire …

Il reste à usiner les bandes de PMMA courbes qui portent les graduations supérieures rétro-éclairables. Il faut également que je trouve comment peindre l’ensemble en ménageant la possibilité de démontage.

Je reprendrais les cônes du throttle v1, réalisés en résine moulée, réalisation délicate, et de plus je n’ai pas conservé les moules !

Idem pour les roues, elles sont constituées d’une empilement de disques en mdf découpés à la cnc (mais une simple scie sauteuse suffirait), soigneusement collés puis tournés sur une perceuse montée sur pied : la roue est montée sur une tige filetée de 12 et immobilisée par grosses rondelles et écrous : la tige est fixée dans le mandrin de la perceuse d’un coté, et enserrée de l’autre coté dans un roulement 12x24x6 monté dans un alésage pratiqué dans un tasseau de bois fixé solidement sur la base du pied.

Mécanique du throttle terminée
Fixation des 2 manettes hautes

A l’utilisation, les sensations sont incroyablement “mécaniques” ; les réglages de frein et de dureté de crantage sont aisés (directement accessibles à la base du throttle), et efficaces.

Et ces roues de trim qui tournent toute seules … Un autre monde !

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