Travaux Pratiques. :Direction assistée électrique Proposition d un modèle mécanique Temps alloué 2 heures

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1 PSI* 28/11/12 Lycée P.Corneille tp_modele_mecanique_dae.doc Page 1/1 Travaux Pratiques. :Direction assistée électrique Proposition d un modèle mécanique Temps alloué 2 heures Vous disposez : De la direction assistée instrumentée (des capteurs ont été ajoutés pour l acquisition) D un ordinateur raccordé au système Du logiciel d acquisition D un Dossier Technique à la fin de ce sujet Deux vidéos du principe de fonctionnement des capteurs de couple volant et vitesse véhicule Objectifs : On souhaite disposer d un modèle global sous forme de schéma bloc de la direction assistée électrique. On s intéressera ici uniquement à l établissement du modèle électromécanique. Analyser le modèle retenu Etablir à partir des théorèmes généraux le modèle dynamique de la chaîne d énergie de la direction assistée

2 PSI* 28/11/12 Lycée P.Corneille tp_modele_mecanique_dae.doc Page 2/2 A- IDENTIFICATION DES ELEMENTS DE LA DIRECTION Question 1 ; Identifier sur la station et grâce aux documents du dossier technique les différents éléments de la direction assistée : A. Biellette gauche B. Biellette droite C. Capteur de rotation roue gauche D. Capteur de rotation roue droite E. Capteur de couple roue gauche F. Capteur de couple roue droite G. Capteur de rotation volant H. Limiteur de couple roue gauche I. Limiteur de couple roue droite J. Moteur K. Réducteur L. Crémaillère M. Calculateur (RENAULT) N. Capteur de couple volant (RENAULT) O. Capteur de couple en sortie de colonne Il faudrait ajouter à la liste des capteurs, le capteur de vitesse du véhicule. De plus il est possible de mesurer l intensité consommée par le moteur. Seuls les capteurs surlignés en bleu sont utiles au fonctionnement de l assistance. Les capteurs supplémentaires permettent d instrumenter le système pour accéder aux autres grandeurs utiles aux manipulations.

3 Page 3 Mettre sous tension le support grâce au bouton poussoir sur le coté droit. Activer la direction assistée en tournant s il le faut la clé située au niveau de la colonne de direction. clé en position marche B- MISE EN EVIDENCE DES PARAMETRES D'ASSISTANCE Mesure N 1 : Le bouton de réglage de la vitesse du véhicule sera placé dans la position "V = 0 Km/h". ð Lancer le logiciel DAE qui permet d acquérir et de visualiser la mesure. ð Mettre le volant en butée de braquage à gauche (volant tourné dans le sens positif = sens trigo). ð Etablir la communication micro - station en validant successivement [Mesures], [Initialiser] Un message à l écran indique que la mesure est prête à démarrer. ð Appuyer sur le bouton Départ mesure du tableau de bord. Ceci a pour effet de lancer le chronomètre contrôlant la durée de mesure (10 s). Attention, le départ de la mesure n est effectif que lorsque le chronomètre se met à décompter. ð Pendant ces 10 s, tourner le volant jusqu'à la butée droite (appuyer légèrement sur la butée en augmentant le couple exercé) puis revenir à la butée gauche (appuyer légèrement sur la butée en augmentant le couple exercé). ð Lorsque l'importation des résultats est terminée fermer la fenêtre en cours. Sauvegarder la mesure. Mesure N 2 : Le bouton de réglage de la vitesse du véhicule sera placé dans la position "V = 80 Km/h". Reprendre la manipulation précédente et sauvegarder la mesure. Question 2 : Tracer la courbe donnant le couple volant en fonction de la rotation du volant pour les 2 mesures effectuées. Tracer la courbe donnant l intensité de commande du moteur en fonction du couple volant. Commenter ces courbes. Question 3 : L embrayage sert à déconnecter le moteur de la colonne lorsque l assistance devient inutile. La loi de commande de l embrayage est la suivante : Expliquer l intérêt d un tel hystérésis.

4 Page 4 Remarque: après plusieurs mesures le moteur chauffe, l intensité d alimentation risque d être inférieure à la valeur maximale de 25A (protection thermique). Dans ce cas, couper l assistance en installant la valeur maxi de la vitesse du véhicule (potentiomètre du tableau de bord) et attendre que la température du moteur revienne à la température ambiante. C- MODELE MECANIQUE On propose le modèle mécanique suivant. On va écrire les équations dynamiques linéarisées pour de petits déplacements autour de cette position neutre. Roue gauche I (D,Z) =I R Colonne I (A,X) =I C Crémaillère masse m c V B C P Biellette masse m b D C Roue droite I (D,Z) =I R A Barre de torsion. Raideur K T Rotor moteur I (A,X) =I M Z X Y Volant I (A,X) =I V Question 4 : Critiquer ce modèle. Hypothèses : liaisons parfaites pesanteur négligée géométrie simplifiée On note C V le couple exercé par le conducteur sur le volant C M le couple moteur sur le rotor C P le couple de résistance au pivotement de chaque roue a V l angle de rotation du volant a C l angle de rotation de la colonne W V la vitesse de rotation du volant W C la vitesse de rotation de la colonne W M la vitesse de rotation du moteur W R la vitesse de rotation du support de roue V la vitesse de translation de la crémaillère

5 Page 5 On a grâce : au système roue - vis sans fin : Ω C =R. Ω M où R est le rapport de réduction au système pignon crémaillère : V=r. Ω C où r est le rayon primitif du pignon au levier : Ω R = a. V où a est la distance CD Question 5 : A partir du théorème du moment dynamique, établir la relation entre a V ; ses dérivées ; C V ; la raideur K T ; l angle a C. En déduire les fonctions de transfert H 1 et H 7. Question 6 : A partir du théorème de l énergie cinétique, établir la relation entre a C et ses dérivées ; C M ; C P ; la raideur K T, l angle a V. On mettra en évidence une inertie équivalente dont on donnera l expression. En déduire les fonctions de transfert H 4 ; H 5 ; H 8 et H 9. Question 7 : A partir des équation du motreur à courant continu, retrouver les fonctions de transfert H 2 ; H 3 ; H 6. Question 8 : A-t-on à faire ici à un asservissement? Si oui, préciser la consigne, le signal d erreur, la boucle de rétroaction. Si non justifier pourquoi ce système n est pas asservi. Question 9 : Rechercher dans le dossier technique les valeurs de certains paramètres du modèle. Comment évaluer les paramètres manquants?

6 Page 6 Schéma Bloc à compléter C P H 9 (p) H 7 (p) H 8 (p) image du couple volant MOTEUR C V H 1 (p) α V H PC U I H 2 (p) H 3 C (p) M H 4 (p) H 5 (p) α C α C carte de commande H 6 (p)

7 Page 7 DOCUMENTATIONS ANNEXES 1-PRESENTATION DE LA DAE 2-DIRECTION ASSISTEE ET SYSTEME DE DIRECTION 3-CAHIER DES CHARGES 4-LOIS D ASSISTANCE 5-CARACTERISTIQUES MECANIQUES 6-CARACTERISTIQUES DU SYSTEME DE DIRECTION 7-DIAGRAMME FAST DU SYSTEME DAE 8- DOCUMENT 1 : Implantation des composants 9- DOCUMENT 2 : Chaîne d information TP n 4 7/7 tp_modele_mecanique_dae.doc

8 Page 8 1-Présentation de la DAE Le mécanisme de direction assistée électrique de TWINGO est décrit par le schéma document 1. Celui-ci représente l implantation sur le véhicule des différents constituants. La fonction globale est : "orienter les roues du véhicule". Le diagramme FAST présenté partiellement ci-dessous permet de préciser les fonctions de ce système. L ensemble de celui-ci se trouve en annexe en fin de TP. Fonctions ORIENTER LES ROUES Pourquoi? Comment? Solutions techniques DAEV Adapter l'énergie Transformer le mouvement Adapter l'effort Volant, Colonne + Pignon, Crémaillère, Biellettes, Pivots de roue Assister la manoeuvre Dans cette étude nous allons nous intéresser à la fonction «Assister la manoeuvre» Caractéristiques L assistance est réalisée par l intermédiaire du moto réducteur : ð en fonction du couple au volant: Le système doit assister le conducteur dès la mise en rotation du volant. Un capteur informe le calculateur de l intensité du couple exercé sur le volant. Le moto réducteur est alors commandé en fonction du couple exercé par l utilisateur. ð en fonction de la vitesse du vøhicule : Fonction étudiée Une assistance élevée offre un confort de manœuvre à l arrêt ou à faible vitesse. Elle n est plus nécessaire à haute vitesse car les braquages sont réduits et également pour des raisons de précision et de sécurité de conduite. A partir du seuil de vitesse (environ 74 km/h) où le confort de la direction traditionnelle est suffisant, le moteur électrique n est plus alimenté. Il est alors désaccouplé mécaniquement de la colonne grâce à l embrayage électromagnétique. Le calculateur, à partir des informations couple au volant et vitesse du véhicule, assurera une assistance variable en commandant le moto réducteur. Fonctionnement Le système doit assister le conducteur dès la mise en rotation du volant. Le couple d assistance, fourni par le moto réducteur, s ajoutera au couple exercé par le conducteur pour former le couple effectivement transmis par la colonne de direction à la crémaillère, puis aux roues. TP n 4 8/8 tp_modele_mecanique_dae.doc

9 Page 9 Volant C vol C col Colonne et pignon Crémaillère Système de direction Roues Moteur Réducteur C mot C = col C vol + C mot Figure 1 Lorsque un couple est exercé sur le volant, celui-ci est transmis mécaniquement à la crémaillère. L'information électrique correspondante est communiquée au calculateur par l intermédiaire d un capteur. Le calculateur détermine alors l'intensité du courant à fournir au moteur électrique en fonction du couple au volant et de la vitesse du véhicule. Système de direction Biellette Direction assistée Pivot de roue Roue Crémaillére Colonne Régime Moteur Moteur Calculateur Barre de torsion Capteur de couple Capteur de Vitesse Volant Figure 2 : Direction assistée et Système de direction Prise diagnostique La rotation de la colonne (et donc le pivotement des roues), due à l effet conjugué du conducteur et du moteur, est aussi prise en compte par le capteur de couple au volant (ou de déformation de la barre de torsion montée en série sur la colonne), assurant ainsi un retour de l information. Le système est bouclé et les schémas suivants permettent de préciser sa structure. Structure globale (figure 3) A un couple volant correspond un pivotement des roues en sortie de l'ensemble Direction Assistée Electrique et éléments de commande des roues (biellettes et pivots de roues) appelé ici : Système de direction. Une autre entrée correspond à la valeur de la vitesse du véhicule, l assistance étant fonction de ce paramètre. Un dernière entrée correspond aux actions résistantes au niveau des roue, ici : un couple de résistance au pivotement Cp. C volant V véhicule C p DAE et système de direction Figure 3 a roues TP n 4 9/9 tp_modele_mecanique_dae.doc

10 Page 10 2-Direction assistée et Système de direction La représentation de la figure 4 permet de distinguer le Système de direction de la Direction Assistée Electrique. La grandeur de sortie de cette dernière correspond au déplacement de la crémaillère de direction. C p C volant V véhicule DAE l crémaillère Système de direction a roues Figure 4 Direction Assistée Electrique : mise en évidence du bouclage Le schéma bloc simplifié de la figure 5 permet de mettre en évidence la structure bouclée de la direction : comparateur, chaîne d action et chaîne de retour. Une rotation du volant provoque la déformation de la barre de torsion, il y a donc un décalage angulaire α entre volant et colonne. Ce décalage angulaire est une fonction linéaire du couple exercé sur le volant. Le calculateur dispose de cette valeur ainsi que la vitesse du véhicule pour commander le moteur électrique. Celuici agit sur la colonne par l intermédiaire du réducteur et ce en fonction de l écart entre angle au volant et angle de colonne et de la vitesse du véhicule. avolant + - α = image du couple au volant Capteur Vitesse du véhicule U capteur U moteur Calculateur Moteur amoteur Réducteur et colonne acolonne Crémaillère lcrémaillère acolonne Figure 5 TP n 4 10/10 tp_modele_mecanique_dae.doc

11 3-CAHIER DES CHARGES Caractéristiques électriques Tension nominale moteur courant continu 12 V Tension d utilisation V Courant nominal moteur 25 A Couple nominal moteur 0.81 Nm à 1450 t/mn Coefficient de couple Nm/A Coefficient de vitesse V/rad/s Résistance moteur Ω à 20 Inductance moteur Fréquence de commande moteur Fréquence de commande embrayage 0.7 mh à 120 Hz 18.5 ± 1.5 KHz 1 KHz Résistance de la bobine d embrayage 14.7 ± 1 Ω à 20 Couple embrayage 1.08 Nm mini Capteur de couple Sans contact; 0 à 7 Nm ; 8 V; -30 à 80 Température de fonctionnement -30 à 80 Protection thermique moteur -1,5 A par 20 s 4-LOIS D ASSISTANCE Intensité Moteur (A) 25 0 km/h 5 km/h Vitesse du Véhicule 70 km/h 6.86 Couple au volant (Nm) Courbes donnant l intensité du courant moteur en fonction du couple au volant pour différentes vitesses du véhicule (voir Document 5 du Dossier Technique). TP n 4 11/11 tp_modele_mecanique_dae.doc

12 5-Caractéristiques mécaniques Rotation volant ± 707 Angle maxi pivotement roue gauche -39 à +30 Angle maxi pivotement roue droite -30 à +39 Déplacement maxi crémaillère 130 mm Diamètre de braquage entre trottoir/mur 9.65/10 m Couple maxi au volant 9 Nm Réducteur roue et vis R=1/23, m=1.5, α=14 30, Z=2, β=20 Rendement réducteur 0,80 mini Embrayage électromagnétique Monodisque - Couple 1,08 Nm mini Seuils déclenchement assistance 74 km/h et 68 Km/h Rotation barre de torsion 8 maxi Raideur barre de torsion 2.9 Nm / degré 6-Caractéristiques du système de direction D C B B' C' D' BB' = 604 mm BC = B'C' = 356 mm DD' = 1344 mm CD = C'D' = 120 mm Distance de la droite (D,D') à l'axe de crémaillère: 152 mm Empattement : 2347 mm TP n 4 12/12 tp_modele_mecanique_dae.doc

13 7-DIAGRAMME FAST DU SYSTEME DAE Fonctions ORIENTER LES ROUES Pourquoi? Comment? Solutions techniques Retenues F1 - Adapter l'énergie F11 - Transformer le mouvement Volant, Colonne + Pignon, F12 - Adapter l'effort Crémaillère, Biellettes, Pivots de roue F2 - Assister la manœuvre F21 Donner une image (Da) du couple exercé par le conducteur Barre de torsion F22 - Mesurer (Da) ou couple associé C = kda Capteur de rotation / couple F23 - Mesurer vitesse véhicule V Capteur de vitesse F24 - Traiter Da et V F25 - Gérer énergie électrique Calculateur F26 - Commander moteur F27 - Transformer énergie Moteur électrique F28 - Adapter énergie Réducteur F29 - Assurer sécurité F291 - Désaccoupler moto-réducteur Embrayage F292 - Limiter échauffement du moteur Calculateur F3 - Autoriser le fonctionnement F31 - Mesurer régime moteur véhicule Calculateur d injection F4 - Alimenter en énergie électrique Batterie TP n 4 13/13 tp_modele_mecanique_dae.doc

14 8- DOCUMENT 1 : Implantation des composants I III V VI VII Moto-réducteur Calculateur d injection Capteur de vitesse Calculateur DAE Capteur de couple TP n 4 14/14 tp_modele_mecanique_dae.doc

15 9- DOCUMENT 2 : Chaîne d information TP n 4 15/15 tp_modele_mecanique_dae.doc

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