Travaux Pratiques. :Direction Assistée Electrique (DAE) Etude du braquage des roues Temps alloué 2 heures

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1 PSI* Lycée P.Corneille tp_braquage_dae.doc Page 1/1 Travaux Pratiques. :Direction Assistée Electrique (DAE) Etude du braquage des roues 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 Objectifs : Afin de limiter l usure des pneumatiques et avoir une bonne tenue de route, il faut assurer le non glissement des quatre roues par rapport au sol en virage. On se propose dans ce TP de déterminer la variation théorique idéale des angles de rotation des roues pour assurer cette condition. On comparera ensuite ce résultat avec les rotations réelles enregistrées sur la maquette de la DAE. Puis on étudiera la chaîne de mesure de ces angles. A- Conditions théorique de non glissement Z Pour que la voiture ne dérape pas en virage, les pneumatiques doivent rouler sans glisser sur le sol. Ceci implique que la vitesse du point C de l axe de rotation à la verticale du point de contact I soit perpendiculaire à l axe de la roue. Voir figure ci-contre. Voiture Roue Support de roue X1 X2 Y2 Détermination analytique des angles de rotation des roues Question 1 ; Sur l épure du document 1, utiliser (sans la démontrer) la propriété précédente pour situer la position du CIR(voiture / sol). En déduire la position de la roue gauche et l angle de rotation θg. C V(C,voiture/sol) X2 I Sol Cinématique très simplifiée de la liaison au sol

2 Page 2 Question 2 : Caractéristiques dimensionnelles de la Renault Twingo Voie avant: C 1 C 2 = b avant = 1416 mm Voie arrière: C 3 C 4 = b arrière = 1374 mm Empattement: C 1 C 3 = C 2 C 4 = a = 2347 mm Rayon du virage : IH = R, avec HC 3 = HC 4 - En considérant le triangle (CIR,C 2,C 4 ), exprimer R en fonction de a, b et g. - En considérant le triangle (CIR,C 1,C 3 ), exprimer d en fonction de a, b et R. - Ouvrir le tableau Excel TP2_DAE.xls et reporter les relations précédentes dans les cellules B3 et C3 (attention les angles doivent être exprimés en radians). - Tracer, toujours sur Excel, θ d en fonction de θ g B Vérification expérimentale de non glissement Mesure sur la station 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 Lorsque l acquisition tourner le volant vers la butée opposée. ð Lorsque l'importation des résultats est terminée fermer la fenêtre en cours. Question 3 : Tracer la courbe donnant θ d en fonction de θ g. Question 4 : Analyse des résultats ð Dans quelle situation la condition de non glissement est-elle respectée bien respéctée? ð Dans quelle situation de conduite le glissement est-il le plus important?

3 Page 3 ð Conclure quant à l influence de la solution adoptée sur l usure des pneumatiques. C Etude de la chaîne d acquisition des angles de rotation. Synoptique de la chaîne de mesure : Rotation roue θ r (deg) Adapter Km Rotation du potentiomètre θ p (deg) Capter Kp Image électrique U (Volt) Le logiciel doit connaître le gain global Km x Kp de la chaîne d acquisition afin de convertir l information de tension en information angulaire. Question 5 : Etablir un schéma cinématique du bloc mécanique adapter. Déterminer le gain Km en fonction des nombres de dents des roues du train d engrenage. Question 6 : A partir de marque et de la référence du capteur potentiomètrique, chercher sur internet le gain Kp du capteur.

4 Page 4 Document 1 : épure de tracé du CIR de la voiture par rapport au sol C 3 C 1 I 3 I 1 y 0 a C 4 C 2 θ g b arrière H x 0 b avant C 3 C 1 θ d rayon R

5 Page 5 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 5/5 tp_braquage_dae.doc

6 Page 6 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 manoeuvre 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 6/6 tp_braquage_dae.doc

7 Page 7 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 Lorsqu 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 un système bouclé et les schémas suivants permettent de préciser sa structure. Structure globale (figure 3) A une rotation du 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. a volant V véhicule DAE et système de direction a roues Figure 3 TP n 4 7/7 tp_braquage_dae.doc

8 Page 8 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. a volant V véhicule DAE l crémaillère Système de direction a roues Figure 4 Direction Assistée Electrique : mise en évidence de la rétroaction Le schéma bloc 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. Le calculateur utilise cette valeur ainsi que la vitesse du véhicule pour commander le moteur électrique. Celui-ci agit sur la colonne par l intermédiaire du réducteur et ce en fonction de l écart entre angle au volant et angle de colonne. En effet, le capteur compare ces deux angles et le moteur n est plus alimenté lorsque cet écart est nul. Vitesse du véhicule a volant e Capteur U capteur Calculateur U moteur Moteur a moteur Réducteur et colonne a colonne Crémaillère l crémaillère a colonne Figure 5 TP n 4 8/8 tp_braquage_dae.doc

9 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 9/9 tp_braquage_dae.doc

10 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 / 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 10/10 tp_braquage_dae.doc

11 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 11/11 tp_braquage_dae.doc

12 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 12/12 tp_braquage_dae.doc

13 9- DOCUMENT 2 : Chaîne d information TP n 4 13/13 tp_braquage_dae.doc