Notice de Calcul : Étude d un Triangle de suspension avant

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1 Notice de Calcul : Étude d un avant 1/12

2 Table des matières 1. Introduction Modélisation du problème Nature du problème Démarche de l étude Calcul analytique et Caractérisation du chargement Caractérisation du modèle Voiture à l'arrêt Voiture dans un virage Voiture + nid de poule Étude de résistance sous Abaqus Voiture à l'arrêt Voiture dans un virage Voiture en situation Route pavé Nid de poule Analyse des résultats Optimisation Conclusion /12

3 1. Introduction Dans le cadre de nos études, nous avions à réaliser un projet de calcul mécanique nous permettant de mettre en ouvre les diverses compétences que nous avons acquéri ces dernières années. Le but de ce projet est d analyser le comportement d une structure ou d un ensemble de pièces (mécanisme), en terme des actions exercées par l environnement mécanique, de réaliser un modèle CAO, de dimensionner certains des éléments constitutifs. L'objectif de ce projet est d'appliquer deux des compétences suivantes : Modélisation de pièces dans un logiciel de CAO (Catia, Solidworks) Calcul analytique en statique ou en dynamique Étude de déformation à l'aide d'un logiciel de calcul (abaqus, Herezh++) Pour cela, nous avons décidé d'étudier le comportement d'un triangle de suspension avant de voiture dans les cas rencontrés lors d un usage standard. La modélisation 3D provient d un modèle CAO importé du site grabcad. Plusieurs types de suspension existent, dans notre étude nous étudierons une suspension simple de type MacPherson. La suspension est la partie mécanique de la voiture que supporte la carlingue du véhicule et donc indirectement dépend des fluctuations de hauteur de la roue. Normalement, la conception de cette pièce est telle qu elle ne doit pas casser lors des chocs violents ou répétés comme un trottoir ou un route bosselée. Elle est censé assurée la liaison du moyen par rapport au bâti. Nous verrons au cours de nos cas d étude si cette pièce est résistante et comment elle encaisse les efforts. 3/12

4 1.1. Modélisation du problème Il est important d avoir une représentation globale du système mais aussi de pouvoir située dans le mécanisme, la pièce principalement étudiée, le triangle de suspension ici Nature du problème Dans un premier temps, il a été nécessaire de modéliser la nature de notre problème, de décider quels seront les différents cas d'études dans lesquels nous allions travailler. Nous avons pu ainsi définir les cas suivant : Cas sans dénivelé : o calcul des efforts appliqués à l'arrêt o calcul des efforts appliqués à vitesse constante dans un virage Cas avec dénivelé : o Dénivelé brusque ( trottoir, nid de poule,...) o Dénivelé répétitif 4/12

5 1.3. Démarche de l étude L objectif ici est de déterminer si la pièce est résistance dans les différents cas cités précédemment. Il est nécessaire avant de commencer l étude de fixer des hypothèses de calcul, nous avons choisi d appliquer les hypothèses suivantes : - Véhicule de masse moyenne 1300Kg équi-répartie sur les 4 suspensions - Rotule de suspension encastrée dans le triangle - Amortisseur de constante d amortissement I=4, U.S.I. - Châssis rigide et non déformable Dans un premier temps, il est nécessaire de déterminer, dans chaque cas, quels sont les efforts appliqués sur la pièce. Pour cela, nous avons réalisé un calcul analytique en statique à l aide de méca 3D. Nous avons obtenu les efforts transmis par le moyeu au triangle ainsi que les efforts appliqués aux liaisons. En parallèle, nous avons modifié la pièce sous SolidWorks afin qu elle soit plus facilement maillable pour facilité les calculs et pour favoriser la convergence de notre calcul. En effet, nous avons supprimer tout les congés présents sur la pièce de départ et simplifier les formes non maillables. Une fois la pièce modifiée, nous avons pu la mailler sous abaqus, et ainsi simuler les différents cas et trouver les conditions critiques d utilisation. Nous avons ensuite analysé les résultats obtenus. Figure 1 : Exemple de triangle et mécanisme réel 5/12

6 2. Calcul analytique et Caractérisation du chargement 2.1. Caractérisation du modèle Voir annexe Voiture à l'arrêt Dans ce cas nous étudierons donc l effort dans la liaison rotule soumis juste au poids de la voiture. Nous activons donc l effort constant lié à la pièce qui est donc un effort suivant l axe Z de valeur ¼ du poids de la voiture (c est à dire 2550N) On regarde donc l effort présent dans la rotule selon l axe Z Figure 11 : courbe d effort dans la liaison rotule selon l axe Z (Valeur max de 57N) 2.3. Voiture dans un virage Afin de simuler un virage on applique donc une force tangentielle sur la fixation de la roue. Pour cela il me faut donc définir une composante en X et une composante en Z toutes les deux négatives afin d obtenir une force vers l extérieur Figure 12 : sens de l effort lors d un virage 6/12

7 Il ne nous reste plus qu à simuler et calculer l ensemble afin d en sortir la courbe de l effort toujours dans la rotule selon l axe Z Figure 13 : courbe d effort dans la liaison rotule selon l axe Z (valeur max 10N) 2.4. Voiture + nid de poule Afin de simuler un trottoir il faut donc réaliser un effort de type variable et lié à la pièce. pour cela il nous faut donc définir une courbe de charge. Pour la création de courbe sous Meca3D, pour cela il faut cliquer sur l onglet Meca3D, courbe, définition une fois dans l éditeur de courbe il nous faut donc définir des points. On décide ici de réaliser un choc de type trottoir avec donc un poids sur la suspension qui sera doublé sur un instant court. Nous réalisons donc la courbe suivante : (la valeur max est décider au double du poids normal ) Figure 13 : courbe de l effort de type variable simulant un impact Il ne nous reste plus qu à lancer le calcul sous Méca 3D et regarder le résultat de l effort dans la rotule toujours selon l axe Z : Figure 14 : courbe d effort dans la liaison rotule selon l axe Z 7/12

8 (Valeur max de 98N) 3. Étude de résistance sous Abaqus Afin de simplifier le maillage et le calcul de la structure sous abaqus nous avons été obligé de supprimer tous les congés du modèle solidworks. Le type d acier utilisé est un acier spécial automobile à haute limite d élasticité. Nous avons choisi d utiliser l acier de gamme moyenne, la nuance S500MC dans la famile des aciers HLE. Ses caractéristiques sont les suivants : - Limite d élasticité min : 500MPa - Résistance à la rupture (min-max) : MPa - Rayon de pliage min : 1 x epaisseur 3.1. Voiture à l'arrêt Tout d abord, nous avons simulé le chargement dans le cas du voiture à l arrêt. La photo ci dessous représente le modèle étudié. On applique un chargement surfacique sur la rotule et on encastre les deux charnières afin de pouvoir effectuer le calcul sans jacobien négatif et problème de degrés de liberté. Blocage Chargement Figure 15: Chargement pour une voiture à l arrêt Lorsque nous avons mailler la pièce, nous avons dû découper la pièce afin de découper la pièce en formes simples maillables. Les deux charnières ont été séparées du corps et redécouper suivant leur axe de symétrie. Pour le cylindre de la rotule, nous avons adopté la même méthodologie que pour les charnières (séparation et redécoupage suivant les symétries). La force totale appliquée a pour magnitude 7.8N/mm² sur toute la section d appui de la rotule. On voit sur la capture ci-dessous que les contraintes sont majoritairement localisées sur la partie du corps située avant les charnières. Avec le maximum atteint sur l intérieur de la structure. La contrainte atteint ici la limite élastique. 8/12

9 Figure 16 : Contraintes de Von-Mises pour une force de magnitude 7.8 Les parties encaissant les efforts et donc principales de la pièce sont donc les parties qui font les liaisons avec les charnières. Il faut faire attention au dimensionnement de ces parties Voiture dans un virage Dans cette partie, nous simulerons le cas d un véhicule dans un virage. On cherchera à savoir quelle est la force maximale admissible pour une force sur le plan X,Z. Les conditions limites sont identiques à celles du cas précédent. Nous avons choisi d appliquer une force comportant la même intensité en Z que en X. Le calcul donne des résultats cohérents par rapport à la partie 1. On ajoute cependant des contraintes sur la partie intérieure de la rotule orientée vers la roue. Ces contraintes sont relativement importantes mais une partie du travail de la force en X est encaissée par la partie avant les charnières. 9/12

10 Figure 17: Contraintes et déformée dans le cas d un virage La force appliquée ici a pour module 120N.C est la force maximale applicable si l on souhaite rester dans le domaine élastique. On peut également remarquer que le triangle se déforme plus dans le cas d un chargement bidirectionnel, il plie suivant l axe Y Voiture en situation Lorsque la voiture roule, il est courant de rencontrer des aspérités sur la route, ce qui a pour conséquence de créer soit une simulation vibratoire soit un déplacement imposé brusque du moyeu. On effectuera donc une analyse vibratoire de la structure, et on appliquera un échelon de déplacement Route pavé Dans un premier, nous chercherons à étudier les modes propres du système afin de savoir quelles fréquences sont critiques pour le système. Les fréquences propres sont en Hz: 73.20, 229, 454, 1009, 1330, 1345, En annexe 2 nous pouvons voir les résultats des différents modes Les modes ne doivent pas se trouver dans le domaine d utilisation de la pièce sinon il y a risque de rupture de la structure. Dans les modes propres, les déplacements critiques localement, on peut voir sur les captures les zones de déplacements en rouge et bleu. Dans notre cas, seul le mode 1 se trouve dans les limites supérieures de nos conditions d utilisation. Afin de faire monter ce mode dans des fréquences plus hautes, on peut jouer sur trois paramètres : la raideur, la masse et l amortissement de la structure. Il est plus facile ici de modifier la masse de la structure, par exemple en alourdissant la structure qui aura pour effet d augmenter aussi la résistance au chargement de la pièce. 10/12

11 Nid de poule Dans cette partie nous simulerons le cas d un choc brusque entraînant un pic de force exercé sur le triangle. Cela permet de représenter le cas d un trottoir ou d un nid de poule. Pour modéliser ce cas, nous avons donc repris le chargement dans le cas d un véhicule à l arrêt auquel nous avons appliqué un déplacement imposé de 10mm sur la rotule. Figure 18 : Chargement dans le cas d un nid de poule Dans la figure ci-dessous nous pouvons voir la concentration de contraintes. On remarque que les contraintes sont majoritairement dans les zones liants les charnières comme précédemment mais on voit également apparaître des contraintes dans la zone liant la rotule au triangle. Ce qui est du au changement brutal de hauteur. La contrainte atteint ici MPa, on voit qu il a rupture du triangle en cas de chargement statique limite. Figure 19 : Contraintes dans le cas d un nid de poule Figure 20 : Déplacement dans le cas d un nid de poule La pointe du triangle se déplace beaucoup par rapport au reste. Elle se courbe légèrement comme sur la capture ci dessous la zone verte est la zone la plus rigide de la pièce ce qui limite le déplacement des autres parties. 4. Analyse des résultats Lors de l analyse par éléments finis, nous avons vu que le triangle supporte amplement les conditions opérationnelles lors des cas généraux (virage, arrêt) avec un coefficient de sécurité de l ordre de 3 environ. Cependant lors de l analyse des cas spéciaux, on remarque qu un mode propre de vibration est proche des conditions opérationnelles. Mais aussi que un nid de poule imposant un déplacement de 10mm du triangle provoque la rupture si le chargement est maximale. Les forces exercées sur le triangle ne sont pas équivalentes aux forces appliquées sur le moyeu car la majeure partie des forces est absorbée par le vérin de la suspension. En chargement oblique, on peut appliquer une force équivalente à un poids de 12 Kg maximum avant de dépasser le domaine élastique. Afin de fixer les problèmes rencontrés, on peut effectuer une légère modification de la pièce. 11/12

12 5. Optimisation Pour optimiser le triangle de suspension afin d obtenir un coefficient de sécurité plus élevée une des solution serait donc d augmenter l épaisseur du triangle, sela augmenterait donc la masse possible que peut supporter le triangle, ainsi qu augmenter la résistance mécanique de celui-ci. 6. Conclusion Pour conclure quand à ce projet calcul, nous avons donc remarqué que le triangle de suspension que nous avons étudié est déjà dimensionné correctement, là seule optimisation possible est celle vu au paragraphe précédent mais qui n est pas nécessaire dans les différents cas que nous avons étudiés. De plus, nous avons pu mettre en corrélation un logiciel de calcul comme solidworks, avec un logiciel éléments finis tel que Abaqus. Cela est donc intéressant de voir les 2 approches sur un même sujet, avec une étude statique et une étude vibratoire. Ce projet nous a donc permis d approfondir nos connaissances dans ces deux logiciels en apprenant de nouvelle chose qui pourront nous être utile par la suite. En effet réaliser une étude mécanique sous solidworks est plus rapide et permet déjà d avoir un résultat satisfaisant plus rapidement que en utilisant un logiciel tel que abaqus. 12/12