Dossier de cadrage Formulille VI /2016

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1 Dossier de cadrage Formulille VI /2016 Equipe élèves :! Ghislain Gervasoni! Florent Bedouret! Juan Vicente Fernandez! Manil Djouadi! Luis Henrique Mazzochi! Charles De Lavenne! Baptiste Jeannin Directeur Scientifique : Bouaziz Tolba Pilote : Cathy Sion 14/

2 L équipe atteste que ce travail est original et indique en bas de chaque page chaque source utilisée. Signatures des membres de l équipe projet : 14/

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4 Table des matières : Introduction Gestion de Projet Constitution de l équipe projet Organisation du groupe Outils de gestion de projet Communication Valorisation Budget Prévisionnel Planning Prévisionnel Fiche personnalisée Avancement Technique Transmission Liaison au sol Châssis Carrosserie Electrique Direction Motorisation Freinage Conclusion Annexes Bibliographie /

5 Introduction Le projet Formulille est un projet ayant pour objectif de concevoir une monoplace de type kart dans le but de concourir à la compétition annuelle Formula Student. Il implique une équipe de 7 élèves, et s inscrit dans la continuité du travail réalisé par 5 autres équipes. La conception de la monoplace a été faite à environ 70% et la réalisation de celle- ci a déjà bien avancée. Dans ce dossier, nous aborderons plusieurs points. Nous détaillerons notre gestion de projet depuis son commencement en novembre Cette présentation sera déclinée sous plusieurs aspects : la constitution et l organisation de l équipe, la présentation des outils de gestion de projet, la communication et la valorisation du projet. On terminera cette partie par la présentation d un budget et d un planning prévisionnel. Ensuite, nous aborderons l avancement technique. Cette partie détaillera l avancement de chaque sous- pôles de la monoplace (transmission, châssis, liaison au sol, etc.) sous plusieurs aspects. Un premier sera porté sur une étude d antériorité de la monoplace, d un point de vue de la modélisation, mais aussi de la fabrication. Puis, nous regarderons quelles perspectives sont à envisager pour chacun de ces sous- ensembles. 14/

6 1. Gestion de Projet 1.1. Constitution de l équipe projet Formation de l équipe L équipe s est entièrement formée lors de la bourse aux projets. Nous nous sommes rencontrés sur le stand dédié au projet Formulille, et, animés d un même intérêt pour cette activité, nous avons constitué une équipe. Cet évènement a également été l occasion pour nous d établir un premier contact avec le Directeur Scientifique, M.Tolba, qui nous a expliqué qu une autre équipe souhaitait aussi reprendre le projet. Nous avons alors présenté les raisons qui nous poussaient à vouloir aboutir ce projet, ainsi que les atouts et compétences spécifiques dont nous disposions pour obtenir ce projet enthousiasmant Motivations des membres du groupe Luis Henrique Mazzochi o Élève en double diplôme, étudiant en génie mécanique au Brésil. o Connaissances en fabrication mécanique et en équipements de sécurité essentiels. Expérience sur SolidWorks. o En contact avec l équipe de son université de Formule SAE, il pourrait obtenir divers conseils et informations pour résoudre les problèmes que nous rencontrerons. Manil Djouadi o Elève de première année, provenant de classes préparatoires scientifiques (filière PSI) o Ayant suivi la filière SSI (Scientifique Sciences de l Ingénieur) au lycée o Réel intérêt pour les sports mécaniques o Motivé pour optimiser les performances d un véhicule dans l optique d une compétition o Volonté réelle de découvrir et de participer aux étapes de la conception d un véhicule, et d acquérir des connaissances mécaniques et technologiques non enseignées dans le cadre de ses précédentes études. Perspective d une éventuelle carrière d ingénieur dans le domaine. Baptiste Jeannin o Ayant suivi la filière PTSI/PT* au lycée Gustave Eiffel de Bordeaux. o Intérêt tout particulier porté à la mécanique aussi bien dans les sports mécaniques que dans l aéronautique. 14/

7 o Réelle volonté d approfondir mes connaissances en mécanique sur un système réel et tout particulièrement en sport mécanique. Grande motivation pour apprendre dans le domaine de la mécanique, car voulant s orienter dans des études dans ce domaine plus tard. Juan Vicente Fernandez o Elève de 1 ère année (double diplôme) venant de Escuela Técnica Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla (École Technique Supérieur d'ingénieurs de l Université de Séville), Espagne. o A Séville, suivi d une formation en Génie Aérospatial. Intérêt tout particulier porté à la mécanique et l aérodynamique qui sont des grandes motivations pour s impliquer dans ce projet. o Contacts avec des personnes ayant participé à la Formula Student (possibilité d obtenir des conseils, informations, etc.) o Motivation pleine dans ce domaine mais aussi pour travailler en équipe pour réussir dans ce projet Ghislain Gervasoni o Elève en 1 ère année, étudiant à la faculté des Sciences et Techniques de Besançon, intégration de Centrale Lille suite à l obtention d une licence Sciences pour l Ingénieur. o Passionné de sport mécaniques depuis mon enfance et pratiquant le karting en compétition, a toujours travaillé sur des projets liés à la mécanique (Scooter, Moto, 4L trophy, Eco Marathon Shell, etc ) o La conception, la fabrication ainsi que le développement sont ses matières fortes. o Ayant soif de connaissances, et cherchant à partager mes passions avec d autres étudiants, ce projet est une réelle opportunité pour mettre en place ces actions. De plus, il connait personnellement les membres de l équipe ce qui peut être un plus pour la suite. Charles de Lavenne o a suivi le cursus PTSI/PT* au lycée Chaptal à Paris o envie de découvrir la mécanique développée dans le sport automobile. o volonté de développer ses connaissances en mécanique et d appliquer les notions théoriques sur la conception apprises en classe préparatoire à un système réel et complet. Florent Bédouret o Vient de la PTSI/PT du lycée Gustave Eiffel de Bordeaux. o Très intéressé par la mécanique, notamment dans l automobile et l aéronautique. o Forte motivation pour mener un projet à long terme tout en appliquant les connaissances théoriques acquises durant son cursus. 14/

8 Trombinoscope Manil Florent Luis Juan Ghislain Charles 1.2. Baptiste Organisation du groupe D un point de vue Gestion de projet La répartition des postes s est faite de manière naturelle. Le seul «problème» que nous avons rencontré a été pour Manil et Florent, les deux souhaitant s investir dans le poste «communication externe et partenariat» ainsi que «sponsor». Nous avons décidé qu ils s en occuperaient ensemble. Ainsi, chacun des membres est à la place qu il souhaite occuper dans le projet. Postes Membres de l équipe Communication externe et Partenariat Florent/Manil Sponsor Florent/Manil Sponsor Luis Communication interne et organisation Baptiste Financement Charles Financement Juan Secrétaire Ghislain 14/ F ORMULILLE 8

9 D un point de vue Technique La répartition technique s est faite en fonction des affinités de chacun avec les sous- parties de la monoplace. Nous nous sommes donc entendus sur la répartition que nous avons effectuées ensemble lors d une réunion. Sous- parties de la monoplace Transmission Freinage Direction Liaison au sol Châssis, Carrosserie Electrique Motorisation Membre de l équipe Ghislain Juan Florent Luis Charles Baptiste Manil 1.3. Outils de gestion de projet Afin de mener à bien notre projet, une bonne communication interne est nécessaire. C est sans doute l élément qu il ne faut pas négliger si l on veut donner la possibilité à chacun de s y impliquer. Elle est déclinée en plusieurs parties, lesquelles correspondant aux différents outils de communication interne Google Drive Afin de travailler en groupe sur des dossiers en cours, comme par exemple ce dossier de cadrage, nous avons créé un google drive. Seuls les élèves membres de l équipe y ont accès. Chacun est alors libre de créer des documents ou d importer des documents annexes (règlement de la compétition par exemple). Cet outil nous permet de travailler à plusieurs sur un même fichier. Tous les élèves du projet ont donc la possibilité de lire les parties réalisées par les autres membres de l équipe et d ajouter des commentaires pour d éventuelles corrections Dropbox Ensuite, pour pouvoir partager tous les fichiers que nous élaborons, et afin que chacun puisse y avoir accès comme il le souhaite, une dropbox a été mise en place. Elle permet à tous les élèves du groupe projet Formulille VI ainsi qu au Directeur scientifique et au Pilote d avoir libre accès aux comptes rendus des réunions, au dossier de cadrage, de multi- dimensionnalité, etc. Aussi, le Directeur Scientifique tout comme le pilote peuvent partager des documents (exemple avec les Dossiers de Post Evaluation des projets Formulille III et IV). 14/

10 1.4. Communication Groupe Facebook C est sans doute l intermédiaire de communication interne le plus utilisé au sein de ce groupe projet. La discussion instantanée de Facebook permet de mettre directement en contact les élèves du projet Formulille VI aussi bien entre eux qu avec les élèves de l équipe précédente. Grâce à la création d une discussion de groupe, nous pouvons discuter par exemple des problèmes relatifs à un livrable, à l organisation, ou d un élément extérieur au projet. Aussi, un groupe Facebook a été créé. Il permet de faire passer un message moins éphémère que ceux transitant via la messagerie instantanée. Il est un support permettant de valider les comptes rendus, les livrables, de manière plus informelle que la dropbox ou que la mailing Mailing : formulille6- [email protected] Pour communiquer à chacun les rendez- vous organisés, les réunions, des fichiers importants ou même des informations utiles à l avancement du projet, une mailing regroupant les 7 élèves, le DS et le pilote a été créée. Cette liste de diffusion facilite le travail de celui en charge de la communication interne au projet. Elle permettra ultérieurement aux intervenants externes de communiquer avec l ensemble des membres de l équipe Valorisation La valorisation du projet est un élément clé de sa réussite. C est grâce à elle que les entreprises seront au courant de nos activités, que la publicité se fera pour les sponsors soutenant le projet et que les personnes extérieures à celui- ci pourront connaître son avancement. Une bonne communication extérieure augmentera le nombre de personnes voulant s impliquer dans le projet et voulant contribuer à l aboutissement de celui- ci. De plus, les différents rapports de fin de projet nous ont averti que le manque de financement avait été un frein important à la réalisation de la monoplace (DPE Formulille III). La communication extérieure aidant à la recherche de financement (dons, aides, etc.), il faut s assurer qu elle soit bien faite. Pour cela nous avons défini une charte graphique, avec notre logo, notre code projet, permettant de donner du sérieux à notre projet et une unique image aux personnes extérieures Page Facebook projet Pour cela, une page Facebook a été mise en place. Elle a pour but d étendre la visibilité de notre projet à des cercles d amis et d individus plus importants. Annexe n Page Centrale Wiki Une page Centrale Wiki a été créée permettant aux Centraliens de pouvoir suivre l avancée du projet de plus près (lien vers site internet, page Facebook, avancement, équipes, etc.). Annexe n 2 14/

11 Site internet Nous sommes en train de créer un site internet afin que les entreprises ou partenaires du projet puissent se tenir au courant des nouveautés relatives à celui- ci. Il sera un atout pour attirer les aides et dons des entreprises. Il sera disponible à l adresse monsite.com/ Annexe n Budget Prévisionnel Ce budget a été établi à partir des pièces sélectionnées par les anciennes équipes de Formulille. Les prix ont été mis à jour, étant donné que certains avaient évolué. Carrosserie 1000 Sélecteur de vitesse 100 Différentiel 408 Pédales 200 Joints de cardan+ Demi- arbres 640 Echappement 300 Baquet 380 Signalisation +Tableau de bord Amortisseur 550 Attache de carrosserie Volant avec Quick system Total Maîtres Cylindres+ Réservoirs Dans le budget prévisionnel que nous établissons, nous ne tenons pas compte des coûts heures machines ainsi que celui des professeurs nous aidant. Ces données étant difficilement quantifiables, il faudrait faire une étude plus complète, mais aussi avoir plus d expérience sur le projet, pour les évaluer. Annexe n 4 : Diagramme récapitulatif du budget prévisionnel 14/

12 1.7. Planning Prévisionnel Nous nous plaçons dans la période du 2 mars 2015 au 26 juin Pour celle - ci, nous avons plusieurs objectifs. Premièrement, nous prévoyons d avancer sur la modélisation de la monoplace sur CATIA. Etant donné que nous avons peu l habitude de nous en servir, nous pourrions y consacrer un temps non négligeable. Nous prévoyons de revoir le système de transmission, celui de freinage ainsi que celui de direction. Ensuite, nous avons pour objectif de débuter les démarches dans la perspective de construire la barre antiroulis. De mars 2015 à juin 2015, nous prévoyons de valider le modèle utilisé pour celle- ci, puis de monter un dossier de fabrication. On y regrouperait les besoins nécessaires à la fabrication de la barre, un budget serait établi, etc. Enfin, il nous faudra fabriquer la pièce intermédiaire que Formulille V a modélisé afin de pouvoir assembler le système de transmission dès la fin de l année. Il faudra aussi reprendre le travail de budgétisation réalisé par cette équipe en vue de l achat des pièces. Il sera important de communiquer régulièrement avec l équipe de Formulille V pour nous informer sur leur avancement. Nous nous assurerons alors de ne pas travailler sur quelque chose qui a déjà été fait, et de reprendre le travail qu ils ne pourront achever avant la fin de l année. En parallèle, nous devrons songer à travailler sur les livrables attendus lors du semestre S6, à savoir la présentation du montage de projet (PMP) (jusqu à début Avril), puis le rapport d avancement (jusqu à la fin du semestre). Annexe n 5 : Gantt prévisionnel synthétique 1.8. Fiche personnalisée Elle regroupe des objectifs définis au début de l année par le groupe projet. Cette fiche nous permet de nous rappeler les objectifs que nous avions établis en début d année, et de les respecter plus facilement. Annexe n 6 : Fiche personnalisée complétée 14/

13 2. Avancement Technique Cette partie du dossier se découpe en 6 sous- parties. Chaque sous- partie correspond à un sous- système de la monoplace. Tous ne sont pas regroupés mais la globalité de ceux- ci sont énumérés ci- après. Chaque sous- partie a été réalisée grâce à une étude d antériorité, c est à dire qu elle résume le travail qui a été accompli par les équipes Formulille précédentes. Elle se finit à chaque fois par les perspectives liées à la sous- partie Transmission La transmission est un organe mécanique permettant de transmettre la puissance du moteur aux roues motrices. C est un point clé de la performance d une monoplace. En effet, la transmission va être la base de l efficacité «moteur» d un véhicule puisqu elle doit transmettre une puissance fournie par le moteur en minimisant les pertes. Plus le moteur est puissant et plus le travail de la transmission est complexe. Par exemple, il est bien plus difficile de fournir efficacement la puissance que développe un bloc moteur de Formule 1 de 750 chevaux que celui d une citadine délivrant 110 chevaux. Le système de transmission se décompose en 4 parties : La chaîne, la couronne et le pignon moteur Le différentiel Les demi- arbres Le bâti du différentiel La modélisation de ce système, réalisée par Formulille 3, impose une transmission de la puissance du moteur aux roues arrière. L ensemble chaîne couronne pignon moteur permet de faire passer la puissance vers l arrière de la monoplace tout en jouant sur la démultiplication du couple. En effet, il sera important d adapter la couronne et/ou le pignon moteur en fonction du besoin. Par exemple, pour favoriser l allonge (circuit rapide) on pourra installer une couronne plus petite et, inversement, pour favoriser la reprise (circuit sinueux) une couronne plus grande. Figure n 1 : Système Chaîne- Couronne modélisé 14/

14 Le différentiel assure une rotation équilibrée de chacune des roues motrices. Il équilibre les différences de couples d adhérence sur les roues. Par exemple, dans un virage, la roue extérieure décrit un arc de cercle plus grand que celui de la roue intérieure. Cette dernière va donc tourner moins vite. Le différentiel va donc permettre au deux roues de tourner à des vitesses différentes, sans endommager le système d arbre Figure n 2 : Différentiel à glissement limité modélisé Les demi- arbres ont pour but de transmettre la puissance entre le différentiel et les roues. Ils seront reliés à ces éléments par le biais de joints de cardans. Figure n 3 : Modélisation sur CATIA d un joint de cardan L équipe de Formulille IV a apporté quelques modifications à la modélisation réalisée par l équipe précédente afin de proposer une solution finie et correctement modélisée. Les pièces constituant la transmission sont complexes et difficilement réalisables. De ce fait, les équipes précédentes ont fait le choix d acquérir celles- ci chez un fournisseur plutôt que d opter pour une fabrication maison. Dans l optique de la compétition Formula Student, l efficacité est le maître mot. De ce fait, il était nécessaire de rechercher des systèmes qui optimiseront les performances de la monoplace. Différentes études ont donc été menées par les équipes précédentes, notamment concernant le différentiel. Il en ressort que l achat d un différentiel à glissement limité répondrait parfaitement à notre besoin. L équipe Formulille V a travaillé plus particulièrement sur le choix des pièces à acheter. Pour chaque composant du système de transmission, ils ont recherché la solution la plus adaptée, la plus efficace et la moins coûteuse possible. Pour ce faire, ils ont défini une liste de contraintes auxquels doivent répondre les composants. Les joints de cardan et les demi- arbres seraient achetés chez Trident Racing Supplies pour la somme de 640 euros. Le différentiel pourrait être acheté chez Quaife pour 408 euros, au lieu de 816 euros en raison de la réduction de 50% accordée aux étudiants. 14/

15 Un dernier problème se posait quant à l adaptation du système de transmission à la monoplace. En effet, le moteur n est pas centré, il est décalé de quelques centimètres par rapport au milieu de la monoplace. Le pignon moteur n est donc pas coaxial au différentiel. Pour finaliser le système, l équipe précédente a modélisé une pièce intermédiaire qui relie la couronne au différentiel. Ils ont également effectué le dimensionnement en contrainte et en déplacement de celle- ci. Pièce intermédiaire Différentiel Figure n 4 : Pièce intermédiaire modélisée Concernant les perspectives liées à la transmission, nous devrons acheter les pièces soigneusement sélectionnées par l équipe Formulille V et les installer sur le châssis une fois le moteur mis en place. Nous devrons également fabriquer la pièce intermédiaire qui a été modélisée Liaison au sol En automobile, la liaison au sol d une voiture est l'ensemble des éléments, généralement liés entre eux, qui effectue la liaison entre le châssis et le sol. Son étude est importante pour garantir non seulement la sécurité mais également le confort du pilote. Aussi, pour une monoplace de compétition comme celle de Formulille, une bonne liaison au sol est déterminante afin d obtenir une bonne performance : une voiture sans un bon contact avec la piste, c est- à- dire sans adhérence et stabilité suffisante ne peut pas correctement rivaliser sur un circuit. On décomposera cette analyse en expliquant chaque composant de la liaison au sol : les suspensions ainsi que la barre antiroulis Suspensions Les suspensions peuvent être décrites comme un mécanisme d atténuation des mouvements entre la masse suspendue (l automobile composée du châssis, carrosserie, etc.) et la masse non- suspendue (les roues et les freins). Son importance est relative au fait que le véhicule se déplace sur une surface n étant pas parfaite. Alors, sans suspensions, les éléments suspendus recevraient des chocs répétés, ce qui entraînerait la fatigue, puis éventuellement la rupture de différentes pièces ainsi qu un inconfort pour le conducteur. Deuxièmement, la suspension du véhicule évite la perte de contact entre les pneus et la route. Elle garantit la sécurité de l usager puisque lors du décollement d un des pneus, le pilote peut perdre le contrôle de la voiture. Plus la force exercée par la suspension sur le sol 14/

16 est importante, plus il y a de frottement. Il faut donc doser cette force pour ne pas créer un frottement trop important. Une suspension automobile est constituée de deux éléments technologiques principaux: les bras et les amortisseurs. Les bras (triangle de suspensions) sont des barres en acier souvent de forme triangulaire qui réalisent la liaison châssis/roues. Figure n 5 : Détail des deux bras de suspension en triangle intégrés à la monoplace Les amortisseurs sont composés d un vérin et d un ressort qui travaillent de manière complémentaire. Le ressort, hélicoïdal pour une monoplace, fournit l effort qui s oppose au poids de la voiture tout en dissipant l énergie des chocs dû à l irrégularité de la route. Le vérin empêche à la voiture d entrer en oscillation à cause du ressort en ramenant la voiture à une position d équilibre. Application à la monoplace (Formulille) : Le choix pour la géométrie triangulaire des bras de suspension (barres), décidé au début du projet, a été maintenu par les différentes équipes. La partie importante du travail, concernant les bras de suspension, était le dimensionnement des rotules de fixation de ceux- ci avec le châssis et les supports de roues. Ceci a été effectué grâce à un calcul par élément finis. Ces bras ont été déjà usinés. Il serait tout de même intéressant de revoir l étude concernant ces bras en vue d en optimiser les performances. Le choix du type d amortisseur a été fait à partir d une analyse de différentes solutions établies par des concurrents. Le système choisi par l équipe Formulille 3, puis validé par Formulille 4 est un modèle pour vélo. Le modèle est un CAN CREEK DB. Il est disponible chez la société Ohlins. L intérêt de ce modèle est sa légèreté et ses quatre ajustements (compression ou détente à vitesse élevée ou faible) qui permettent de s adapter aux différents fonctionnements de la voiture. Les biellettes de suspension, reliant les amortisseurs au triangle de suspension, ont été dimensionnées et usinées. 14/

17 Figure n 6 : Amortisseur (ressort + vérin) de vélo choisi Barre antiroulis La barre antiroulis a pour rôle de stabiliser la voiture en réduisant les effets ressentis dans les virages (roulis=rotation de la voiture selon son plus grand axe). Elle est généralement constituée d un seul tube en U placé au dessus ou en dessous du châssis du véhicule. Lorsque la voiture tourne, les efforts dans les roues sont inclinés vers l extérieur du virage, c est- à- dire qu ils ont une composante horizontale non désirée. Ces efforts, liés à l accélération dirigée vers l extérieur du virage, créent un moment appliqué à la voiture. La barre antiroulis s opposera à ces effets en transmettant au châssis les réactions inverses. Application à la monoplace (Formulille) : Elle fut d abord modélisée comme un tube en forme de U pour la simplicité de sa fabrication. L équipe Formulille IV a réalisé une étude et a plutôt opté pour une barre antiroulis en forme de T. Ce modèle est souvent utilisé dans les voitures de Formule 1 et fonctionne de manière analogue à la barre en U. Figure n 7 : Exemple de Barre Antiroulis en géométrie T L étude de la barre a été divisée en deux parties. Ceci est dû au fait que les barres latérales souffrent de contraintes de flexion tandis que la barre centrale subit des contraintes de torsion. Le dimensionnement a été fait grâce au logiciel CATIA et les résultats obtenus sont les suivants : Partie centrale : Diamètre externe = 25mm, e = 14,1mm Partie latérale : Diamètre externe = 30mm, e = 5mm 14/

18 Perspectives : Il faudrait revoir la modélisation de la barre en prenant des matériaux plus performants que ceux utilisés par Formulille IV 2.3. Châssis Le châssis est le support de tous les sous- ensembles de la monoplace. Il protège aussi le pilote contre tous chocs. La réalisation du châssis a été faite en plusieurs étapes. Une première étape a été la modélisation sous CATIA durant laquelle la forme principale a été définie. Celui- ci est donc composé de deux longerons inférieurs traversant intégralement la monoplace. A ces deux longerons, on relie les 6 couples de la monoplace (arcs en acier). Couples avant Couples arrières Longerons Figure n 7 : Châssis sans renforts Il existe trois couples à l avant: Le plus avancé permet de fixer la crash- box et le maître- cylindre. Le deuxième couple est le point de fixation des triangles de suspension. Le troisième est un couple pour le tableau de bord. Ensuite, il y a trois couples à l arrière de la monoplace. Le premier est le couple principal. Sa hauteur, plus importante que les autres, assure la sécurité du pilote. Il se situe au niveau du siège du pilote, du réservoir et du moteur. Les deux derniers couples servent de support aux suspensions arrière de la monoplace, au moteur ainsi qu au différentiel. Une fois les formes définies, une maquette en bois du châssis a été réalisée. Elle a permis de fabriquer une première fois le châssis avec des outils simples et manipulables par les élèves. Cette maquette fut l occasion pour les élèves d apporter quelques modifications à la forme du châssis (le couple de direction était notamment trop haut dans un premier temps). Elle a aussi facilité le travail de soudure des enseignants. 14/

19 Une fois la maquette réalisée, il a fallu dimensionner les tubes du châssis. Deux dimensionnements ont été réalisés : un premier en statique et un second en dynamique. Le dimensionnement statique a été fait grâce au logiciel RDM Le Mans. Il a permis de déceler des faiblesses au niveau de la rigidité du premier châssis modélisé et donc de l améliorer en introduisant des renforts (principalement des diagonales au niveau des couples et des longerons). Le châssis amélioré a une rigidité de 2500 N.m (supérieur à 2000 N.m comme l impose le règlement de la compétition) pour un poids de 65 kg. Figure n 8 : Modélisation du châssis, avec les renforts (en vert) Le dimensionnement dynamique a permis de dimensionner le châssis au niveau des triangles de suspensions. Grâce à un logiciel de simulation dynamique Motion CATIA, les contraintes imposées par les suspensions au châssis ont été déterminées dans un cas défavorable. Cette étude a permis de valider les dimensions établies dans le dimensionnement statique ainsi que le type de matériaux utilisé. Enfin, l usinage des tubes a été fait grâce aux machines de l école. Les tubes ont été soudés en commençant par la partie inférieure, les arceaux, l avant puis l arrière. Afin d éviter une déformation trop importante du châssis, il a fallu assembler le châssis de l extérieur vers l intérieur, les renforts ont donc été ajoutés en dernier. Figure n 9 : Châssis de la monoplace 14/

20 La fabrication du châssis ayant été réalisée par l équipe Formulille I, ce sous- ensemble de la monoplace est prêt à être utilisé. Il faudra cependant veiller à bien le conserver pour pouvoir l utiliser lors de l assemblage de la monoplace. On pourra enfin mentionner que la crash- box, dont les caractéristiques sont imposées par le règlement Formula Student, a été dimensionnée et achetée. Son support, une plaque métallique située à l avant du châssis, a aussi été dimensionné (en flèche) Carrosserie Modélisation : Plusieurs modèles de carrosserie ont été modélisés de manière à ce qu elle enveloppe le châssis. La forme du nez, partie non imposée par le châssis, a été optimisée. Elle a pris une forme allongée et rabaissée. La détermination d une forme de la carrosserie optimale pour le bon fonctionnement de la voiture a été rendue possible grâce à une étude aérodynamique. Figure n 10 : Explication Forces Carrosserie Pour optimiser la forme de la carrosserie d une voiture de course, deux forces sont à prendre en compte en plus du refroidissement du moteur : la force de portance Fp et la force de traînée Ft. Etant données les performances attendues, la force de trainée doit être diminuée, la force de portance augmentée (en valeur absolue, en fait il faut qu elle aille vers le bas). Celle- ci donne plus d appui à la voiture. D après la mécanique des fluides Fp=f(Cz) et Ft=g(Cx). Cz et Cx sont des coefficients intrinsèques à la monoplace. Les autres dimensions intervenant ne sont pas modifiables, la forme de la voiture étant prédéfinie. L amélioration de ces coefficients ne peut pas être réalisée théoriquement. Il faut donc faire appel à des logiciels de simulation, ou alors à des essais expérimentaux. Cependant l approche expérimentale est impossible puisqu il faut une soufflerie beaucoup trop sophistiquée pour pouvoir déterminer Cx. L équipe de Formulille 3 a donc réalisé une étude exclusivement numérique en utilisant le logiciel STAR CCM+, après avoir importé la modélisation CATIA de la monoplace. 14/

21 La forme du nez a aussi été optimisée à partir d une simulation sous STAR CCM+. Trois profils ont été choisis. La simulation a permis de donner les différentes valeurs de force de trainée et de Cx et donc de choisir la forme la plus adaptée pour la monoplace, celle ayant le nez plat Figure n 11 : Carrosserie avec nez plat Ensuite, le dessous de caisse a fait l objet d une étude particulière. Son optimisation n est pas indispensable car ses performances n influent pas énormément sur celle de la monoplace, étant donné qu elle roule à faible vitesse. L inclinaison du dessous de caisse ainsi que sa longueur font varier la valeur de la force de trainée et de la force de portance. L étude réalisée montre qu il faut opter pour une solution avec un dessous de caisse plein. Figure n 12 : Ecoulement sans dessous de caisse / avec dessous de caisse Enfin, les parties latérales de la carrosserie (sidepod) ont été optimisées afin de diriger le flux d air latéral vers le moteur. Figure n 13 : Flux d air vers le moteur avec deux types de sidepod Une simulation a permis d obtenir un bon profil d arrivée d air (le profil de droite sur la figure n 13), optimisant le refroidissement du moteur. L équipe de Formulille 3 a choisi de 14/

22 ne pas réaliser de carrosserie sur la partie arrière du moteur, par soucis de simplification, et pour un meilleur refroidissement de celui- ci. Fabrication : La carrosserie est un élément de protection du pilote, il doit cependant être très léger pour ne pas trop diminuer les performances de la voiture. Le choix des matériaux, de l épaisseur et de l installation de la carrosserie sur la monoplace sont des facteurs très important à prendre en compte. L équipe de Formulille II a donc opté pour des matériaux composites. Ces matériaux sont légers et résistants aux actions mécaniques. Une étude des différents types de matériaux en fonction de leur prix a permis de choisir une matrice (support globale de la carrosserie) en époxy et un renfort (matériaux complémentaires du support) en fibre de carbone. La méthode retenue par les élèves de Formulille II a été le moulage au contact. Ce procédé utilise un moule (matrice) sur lequel on dépose la résine et les additifs. Il se fait à moule ouvert, c est- à- dire qu il n y a pas de protection entre la résine et les opérateurs. Cependant, cette méthode est assez nocive pour la santé, il faudra donc utiliser de bons moyens de protection. Figure n 14 : Schéma explicatif du moulage au contact De plus, le règlement de l épreuve Formula Student requiert que la carrosserie soit démontable facilement. Les élèves de Formulille II ont donc prévu de la concevoir en 3 parties. Une partie avant qui s'arrêterait avant le volant du pilote, une seconde partie couvrant les parties latérales de la voiture au niveau du pilote et une troisième partie recouvrirait le moteur. Pour fixer la carrosserie au châssis, 16 attaches ont été prévues pour un coût de 180. Perspectives : Les études de Formulille II et III ont permis d optimiser la forme de la carrosserie, les moyens de fabrication ainsi que les matériaux. Cependant, selon Formulille IV, il reste quelques parties sur lesquelles il faudrait encore travailler et que le projet Formulille V n a pas abordé. Il faudra donc : Etudier l intégration d un aileron avant et arrière. Etudier l intégration de bargeboards (permettent d évacuer la pression de l air sur la carrosserie) 14/

23 Figure n 15 : Bargeboard Etudier l intégration de déflecteurs (objets capables de dévier les flux d airs) afin d améliorer la force d appui et de diminuer la force de traînée. Il faudra aussi décider s il est nécessaire de faire une partie latérale ou si seule la partie avant est suffisante. Ensuite, il faudra passer à la fabrication de celle- ci Electrique L électricité n est pas un thème majeur du projet Formulille. Cependant, il est nécessaire de faire une étude car plusieurs sous- systèmes de la monoplace le requièrent. Le système d allumage, le circuit de charge, la pompe à essence, les capteurs, le tableau de bord ont été câblés à la batterie. Elle a été achetée par Formulille IV. Il faudra donc vérifier que ce câblage soit correct et qu il n ait pas été modifié. Il sera nécessaire d optimiser son intégration dans la monoplace afin de ne pas endommager les circuits ou composants électriques dans les différentes phases de vie de la monoplace. Il faudra aussi prendre en compte les coupe- circuits qui sont nécessaires en cas de problème électrique. Deux coupe- circuits seront apposés sur les parties externes du cockpit (à l intérieur trop peu d espace). Le premier sera accessible par le pilote. Le second devant pouvoir être déclenché par toute personne venant de l extérieur, il sera sous forme d un bouton poussoir Direction Comme on aurait pu le deviner, cette partie de l automobile permet de modifier la direction du véhicule en faisant varier l angle que fait la trajectoire de la roue avec son plan de rotation, appelé angle de dérive. Figure n 16 : Schéma explicatif angle de dérive Le but est d avoir une direction : maniable : le conducteur ne doit pas avoir besoin de fournir un gros effort pour tourner. irréversible : les chocs et les efforts sur le système ne doivent pas interférer dans la rotation. stable : la position ligne droite doit être une position d équilibre. précis : une rotation, même faible du volant doit entraîner une rotation des roues. 14/

24 fiable : le système de direction doit être entièrement mécanique. L une des principales difficultés de la direction était d avoir toutes les roues concentriques afin que le véhicule n ait bien qu un seul et unique centre instantané de rotation. Dans le cas contraire, des efforts sont exercés sur les roues tendant à dérégler leur parallélisme. On a, alors, une usure rapide des pneus ainsi qu une instabilité du véhicule. Ce problème et sa solution sont illustrés sur le schéma ci- dessous. Comme on peut le voir, on va utiliser, pour se placer dans les conditions géométriques nécessaires appelées épure de Jeantaud, une barre de direction reliant les biellettes de direction. α : angle de dérive de la roue droite β : angle de dérive de la rouge gauche δ : angle de Langensperger Figure n 17 : Schéma explicatif angle de dérive Maintenant que ce problème de concentricité des roues est réglé, la problématique est : comment commander, mécaniquement, les roues en rotation à partir du volant. Dans le cas classique des voitures à deux roues directrices, on va transformer le mouvement de rotation de la colonne de direction liée au volant en mouvement de translation par l intermédiaire d une liaison pignon crémaillère, la liaison entre les parties suspendues et non suspendues de la voiture étant réalisée par les biellettes. Enfin, les portes fusées permettent la rotation autour d un axe quasi vertical des roues. Figure n 18 : Système de direction classique 14/

25 Application à la monoplace (Formulille) : Formulille I a décidé de garder ce modèle mais Formulille III a apporté quelques améliorations pour modifier l angle d attaque des biellettes sur les portes fusées car celui engendrait une instabilité de la voiture sur un terrain irrégulier. Ils ont donc rajouté des barres rigides entre la crémaillère et les portes biellettes (ici verticales) permettant de corriger ce problème. La liaison entre la crémaillère et les barres rigides sera renforcée par une pièce conçue par Formulille III. Figure n 19 : Système de direction modélisé Figure n 20 : Crémaillère (noir), renfort (jaune) et barre rigide(gris) modélisés Finalement, les équipes précédentes ont réalisé une partie de la modélisation sur Catia du système de direction ainsi que quelques dessins de définition. La modélisation du bâti du système de direction n a pas été faite. Le système de direction a été entièrement conçu par Formulille I, excepté le bâti (reliant le système au châssis), dont Formulille V étudie la modélisation et la fabrication actuellement. Etant donné les modifications apportées par Formulille III, il reste aussi à fabriquer les barres rigides ainsi que les renforts. La fabrication de ces deux pièces ne devrait pas prendre trop de temps et d argent, elle sera réalisable dans les laboratoires de l école. Formulille V étant censé s en charger, il nous restera à reprendre le travail effectué sur le bâti du système de direction Motorisation Le moteur est un des éléments majeurs d un véhicule. Il assure la conversion d une énergie d entrée (énergie thermique fossile, électrique, nucléaire) en énergie mécanique de sortie, permettant de faire avancer la voiture. La motorisation est donc l élément de base qui permet à la monoplace de rouler. Dans le cadre de la Formula Student, le moteur exigé par le règlement est un moteur à quatre temps dont la cylindrée (le volume balayé par l ensemble de ses pistons lors d un aller- retour) ne peut excéder 610cc. La conversion effectuée est celle d une énergie thermique issue de la combustion d un carburant fossile (essence sans plomb) en énergie mécanique de rotation, énergie récupérée par le biais d un arbre moteur exploitable par le système de transmission. 14/

26 Les élèves ayant avancé le projet lors des années précédentes ont fait le choix d un moteur Yamaha YZF- R6. Ils ont dû néanmoins (faute de trouver un moteur de ce type disponible à un prix abordable) acheter le modèle Yamaha XJS 600. Modélisation : Figure n 21 : Moteur Yamaha XJS 600 Un scan 3D du moteur a été effectué à l aide du Handy Scan 3D disponible à l école Figure n 22 : Scan 3D du moteur En ce qui concerne le système d échappement, son étude et sa modélisation ont été commencées. Une étude de dimensionnement a été menée, en attendant de la compléter avec le moteur à disposition. Fabrication : Le moteur a été acheté d occasion. Il a été confié à un garagiste afin de le remettre en état de marche. Le moteur a été réparé et les élèves du projet Formulille 5 devraient le récupérer sous peu. Le berceau moteur a été fabriqué par le groupe du projet Formulille 4. Après avoir repris la modélisation CATIA et vérifié que sa forme épousait bien la forme du moteur, il a été dimensionné en contrainte par un calcul par éléments finis. Un premier dimensionnement a été réalisé en statique, ce qui a permis de le renforcer sur certains points. Un second dimensionnement statique a été réalisé moteur en marche pour s assurer que le berceau résiste bien au couple généré par le moteur. Aussi, son intégration dans la monoplace a été légèrement décalée sur la gauche afin de pouvoir assurer un centrage correct du différentiel 14/

27 (sinon la répartition de la rotation des roues est incorrecte). Ceci a aussi permis, afin d équilibrer la monoplace, de décaler le baquet du pilote, laissant place au levier de vitesse. Perspectives : Figure n 23 : Berceau moteur Les élèves du projet Formulille 5 travaillent en ce moment sur le système d échappement. Ils attendent que le moteur soit de retour du garage afin de mieux pouvoir avancer. Une des contraintes de fabrication est de lier le moteur au reste de la monoplace. D une part, il faut le lier au châssis par le biais du berceau moteur. D autre part, nous devrons le relier mécaniquement au système de transmission et au réservoir de carburant (en introduisant la pompe à essence). Néanmoins, l équipe de Formulille V s est rendue compte que le baquet du pilote ne pouvait pas s insérer dans la monoplace car il se superposait au berceau moteur. Il faudra donc revoir la forme de ce dernier, et le commander. Une fois le moteur acquis, nous n aurons pas à le soumettre à un banc d essai en vue de le rendre réglementaire pour la compétition (le règlement imposant la cylindré uniquement). En effet, le concessionnaire chez qui le moteur est déposé vérifie actuellement ces performances. Le système d échappement pourra également être optimisé à l aide du moteur fonctionnel. On pourra notamment adapter son dimensionnement pour qu il obéisse aux contraintes de pollution sonore imposées par le règlement de la Formula Student (inférieure à 100 db pour le moteur fonctionnant au ralenti, 110 db pour le moteur fonctionnant à toutes vitesses - valeurs mesurées avec une sonde à réponse rapide, c.à.d. un appareil ayant une constante de temps de 125ms). Une fois le système d échappement monté sur le moteur, nous pourrons valider ou non ce critère. Nous pourrons également contrôler l étanchéité de l échappement. Si nous en avons le temps, nous pourrions tenter de proposer une solution plus complexe de refroidissement du moteur, notamment pour améliorer l aérodynamisme du véhicule (cf. f Carrosserie). 14/

28 2.8. Freinage Les freins sont un sous- système permettant de ralentir la voiture. Dans les voitures commerciales (sauf les camions) le système de freinage le plus utilisé à l avant du véhicule est le frein à disque. À l arrière du véhicule, on privilégie un système de freinage à tambour. Cependant, dans la monoplace Formulille, les équipes précédentes ont opté pour un système à 4 freins à disques, beaucoup plus performant qu un système à 2 freins a disques et 2 freins à tambour. Le système de frein à disque est un système hydraulique qui va transmettre la force appliquée à la pédale de frein au disque de frein via des pastilles. Ce type de freinage est à friction, il dissipe donc beaucoup de chaleur par effet Joule. On peut voir un schéma issu du DPE de Formulille IV. Figure n 24 : Système de freinage Application à la monoplace (Formulille) Le dimensionnement du système de freinage a essentiellement été fait par l équipe Formulille 3. Au premier moment ils ont étudié le positionnement de la pédale de frein pour que celle- ci soit bien placée par rapport au pied du pilote. Ils ont trouvé des relations entre l angle de la pédale et la force que le pilote doit appliquer, pour arriver a un compromis confort- sensibilité avec une bonne efficacité. Après ils ont analysé des catalogues de distributeurs ( Wildwood a été trouvé comme constructeur de ce genre de pièces) et le système hydraulique a été choisi. Toutes les modélisations sous CATIA des maîtres- cylindres (assemblage piston- cylindre simple) ont été réalisées comme on peut le voir sur les images suivantes (DPE Formulille 3) Figure n 25 : Système complet pédales + maîtres cylindres + réservoir 14/

29 Figure n 26 : Maitre cylindre modélisé En prenant pour modèle les pédales de frein des karts, les pédales de frein pourraient être réalisé à l école, diminuant ainsi le coût. Formulille 3 a aussi réalisé le dimensionnement du système de freinage au niveau de la roue. Le calcul des forces et des contraintes était nécessaire pour vérifier l effort auquel ce système sera soumis. L étrier (pièce où les pastilles sont liées) et les disques de frein ont été choisis. Cependant, l équipe de l année suivante a eu pour travail de bien positionner ce système au sein de la roue. En réalisant la modélisation sous CATIA, Formulille 3 a pu observer que l'étrier était plus grand que la jante (problème d encastrement), comme on peut le voir dans l image ci- dessous, issu du DPE de Formulille 3. Finalement, Formulille 4 a opté pour une jante plus grande (15 pour 13 initialement), ne pouvant pas réduire la dimension de l étrier, pour des raisons de sécurité, et de conformité au réglement de la compétition Formula Student. Figure n 27 : Jantes 15' + étrier modélisés Perspectives : Les pédales étant dimensionnées, plusieurs choix sont possibles. On pourrait acheter le système de pédales/maîtres cylindres/réservoirs. Ceci nous coûterait environ 300 euros. Cependant, afin de diminuer les coûts, on peut aussi concevoir ces pédales dans les laboratoires de l école. Il faudrait alors étudier leur faisabilité, et commencer à concevoir ces pédales. Dans ce cas là, les maîtres- cylindres ainsi que les réservoirs seront à acheter (environ 100 euros). Il faudra aussi nous procurer les jantes adaptées aux portes roues déjà achetés. 14/

30 Conclusion Ce dossier de cadrage est l aboutissement du travail de la première partie de première année. Il synthétise ce que nous avons réalisé et appris durant les 4 premiers mois depuis le lancement du projet. Les outils de gestion de projet, google drive et dropbox, sont utilisés très fréquemment par le groupe projet. Ils sont nécessaires au travail de groupe. La communication, déclinée sous le groupe facebook et la mailing, est correctement utilisée. Le groupe élève tout comme le directeur scientifique et le pilote est régulièrement informé de toute les modifications, échéances et informations susceptibles de les intéresser pour le projet. C est aussi le rôle du groupe facebook, très utilisé par les élèves pour communiquer entre eux. La mailing officialise les rendez- vous entre les élèves mais aussi avec le DS et le pilote. Les outils de valorisation ne sont pas encore trop mis en valeur. Ils serviront dans la seconde partie de l année, afin de pouvoir cibler des entreprises et des potentiels partenaires. Le planning prévisionnel nous permet de fixer des objectifs afin de faire avancer le groupe et de toujours travailler avec un objectif précis. Enfin, le budget prévisionnel nous donne un aperçu des montants nécessaires à l aboutissement de notre projet. Il nous prévient des sommes que nous devrons débloquer via les partenariats, sponsors, dons,etc. La partie avancement technique regroupe l ensemble des pôles de la monoplace : Transmission, Liaison au sol, Châssis, Carrosserie, Electrique, Direction, Motorisation, Freinage. Elle résume ce qui a été fait par les anciennes équipes Formulille. Pour chaque partie, on y retrouve l avancement d un point de vue de la modélisation et de la fabrication. Enfin, elle expose les perspectives à venir pour chaque partie. Ceci nous permet donc de savoir le travail qu il reste à faire, et de nous donner des objectifs concrets. En résumé, il nous faudra avancer sur la carrosserie, élément encore jamais abordé d un point de vue fabrication. Aussi, il sera important d acheter et de fabriquer le système de transmission (différentiel, demi- arbres, etc.). La barre antiroulis devra être dimensionnée afin de pouvoir la fabriquer (en deuxième année). La conception par ordinateur devra être revue afin que toutes les pièces soient correctement liées entre elles. Il faudra que nous reprenions le système d échappement afin de terminer sa fabrication (achat de l échappement et fabrication des coudes d échappement manquants). Le baquet sera aussi à acheter, tout comme les amortisseurs, le tableau de bord, le volant, l ensemble de la signalisation et les portes- roues. Comme pour les équipes précédentes, le financement ou l aide de la part des entreprises sera déterminant dans l avancement du projet. Il faudra donc que l on porte un point d honneur à cela dans la seconde partie de notre première année, afin de pouvoir nous permettre de nous procurer les pièces en seconde année. 14/

31 Annexes Annexe n 1 : Page Facebook projet Annexe n 2 : Page Centrale Wiki 14/

32 Annexe n 3 : Site internet Annexe n 4 : Budget prévisionnel 14/

33 Budget prévisionnel professeurs, CAO, FAO Annexe n 5 : Gantt prévisionnel de la première année 14/

34 Annexe n 6 : Fiche prévisionnelle 14/

35 Bibliographie Equipe Formulille I (2009), Dossier Post Evaluation Formulille I Equipe Formulille II (2011), Dossier Post Evaluation Formulille II Equipe Formulille III (2013), Dossier Post Evaluation Formulille III Equipe Formulille IV (2014), Dossier Post Evaluation Formulille IV Règlement Compétition Formula Student : student/teams/rules weighting.asp 14/