Cycle 6 : Etude du comportement statique des systèmes mécaniques. Cinématique

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1 TP S.I.I. Cinématique Cycle 6 : Etude du comportement statique des systèmes mécaniques Lycée Ferdinand Buisson PTSI Cycle 6 : Etude du comportement statique des systèmes Résolution d un problème de statique graphique Compétences : B2, C Ilot: 02 DAE Activités Contenu Compétences 1 Modélisation cinématique B2 2 Etude du modèle de connaissance C 3 Etude du modèle de comportement C 4 Etude du modèle simulé C 5 Analyse des écarts et conclusion C Page 1/16

2 Etude statique des systèmes mécaniques Objectifs à atteindre Volume horaire du module en présentiel Résolution d un problème de statique avec frottement 2h30 Etre capable : de comprendre modéliser un système mécanique de mesurer sur le système des efforts et moments d étudier le modèle de connaissance (avec frottements) analyser les écarts Compétences professionnelles visées Bases théoriques Activités pédagogiques Systèmes mis en œuvre Logiciels utilisés Cours statique des systèmes mécaniques TP DAE Solidworks Le thème de ce module repose sur le système DAE Page 2/16

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4 MISE EN SITUATION Le mécanisme de direction assistée électrique de TWINGO est décrit par le schéma suivant. Celui-ci représente l implantation sur le véhicule des différents constituants Colonne de direction 7 Triangle de suspension 2 Moteur électrique 8 Biellette de direction 3 Réducteur 9 Fusée 4 Voyant D.A.E. 10 Amortisseur 5 Prise diagnostic 11 Calculateur D.A.E. 6 Capteur de vitesse La fonction de la DAE est d assister le conducteur pour orienter les roues du véhicule, à faible vitesse. Page 4/16

5 Les exigences principales sont : Id1 Id2 Id3 Assister le conducteur pour orienter les roues, à faible vitesse. S adapter à la voiture. S adapter à l énergie. On donne ci dessous le Bdd et l Ibd : Page 5/16

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8 02 - DAE Activité Contenu 1 Modélisation cinématique du système Acteur Groupe ANALYSE DU COMPORTEMENT DES PIVOTS DE ROUE L objectif de cette partie est d analyser l action mécanique transmise par les pivots de roue, et de vérifier que les résultats sont en accord avec le comportement réel des roues sur le sol pour une voiture. L action de la route sur le pneu est simulée par un mécanisme de pivot de roue. Ce mécanisme est constitué d un levier de pivot et d un limiteur de pivot déformable. Mécanisme de pivot de roue permettant de simuler l action de la route sur le pneu. Biellette de direction Limiteur de pivot déformable Levier de pivot Schéma bloc de la transmission de puissance : Page 8/16

9 Les limiteurs de couple mis en place sur la DAE simulent le frottement roue/sol. Plus on les serre plus il sera difficile au conducteur de tourner son volant, simulant ainsi un frottement important roue/sol. Ces limiteurs sont décrits par le schéma technologique suivant. Il s agit d un empilage de rondelle belleville, créant, sous l action d un effort presseur issu du serrage de l écrou, une compression des rondelles et un freinage de la pivot de roue. Question 1 : - Analyser l architecture des pivots de roue en démontant le limiteur de couple GAUCHE avec la clé à ergot. Observer les pièces et leur montage. (Attention, les rondelles de frottement bellevilles noires sont très fragiles) - Préciser succintement le rôle et le fonctionnement du limiteur. - Serrer avec la clé le pivot de roue gauche. - Tourner lentement le volant dans tous les sens et observer le comportement des pivots de roues au niveau de la zone de frottement. Vérifier la présence de 2 phases durant cette rotation que vous expliquerez. Décrire le comportement des pivots de roues. Préciser notamment les pièces qui bougent, les pièces qui se déforment, les pièces qui frottent entre elles et les pièces fixes. Utiliser un croquis du mécanisme si besoin. Question 2 : Question 3 : Préciser ou se trouve le capteur qui mesure le couple au niveau des roues, son type et donner succinctement le principe physique correspondant. Situer sur la station le capteur permettant de mesurer l angle de rotation du pivot de roue, préciser son type et succinctement le principe physique correspondant. Page 9/16

10 Modélisation du système de direction Question 4 : Compléter le graphe des liaisons ci-après et analyser la modélisation du système de direction en vue d une étude qui permettra de relier le couple au volant aux actions résistantes exercées par les pivots de roue. Hypothèses préalables à une étude de statique : solides indéformables solides géométriquement parfaits liaisons sans jeux contacts maintenus problème statiquement plan Liaison rotule C, z Liaison rotule C z 5 6, Liaison rotule B ', z 4 Liaison pigon crémaillère F, x 1 Liaison pivot E, z Liaison pivot D, z Liaison rotule B z 7 Liaison glissière A, x ', Liaison pivot D ', z Page 10/16

11 5 71 y F D y1 z x 6 G D' D C 34 B E F A 20 x1 2 A 1 B' C 43 C' E 02 - DAE Activité Contenu 2 Etude du modèle comportemental statique des pivots de roues Acteur Expérimentateur Question 5 : L objectif du protocole de mesure est de vérifier le comportement annoncé d un pivot de roue en Q3. Serrer le limiteur que légèrement et à l aide du logiciel DAE, faire une acquisition dans la zone ou la direction force le plus (proche de la butée). Noter la valeur du couple à la roue gauche. Refaire une acquisition en serrant cette fois ci au maximum le limiteur de couple. Commenter l écart obtenu avec l essai quasi sans serrage. Pourquoi l écart est si faible? d où peut venir le problème? Ps : normalement avec un serrage moyen du limiteur comme vous l avez fait, le couple est de 25N.m (la plage de serrage du limiteur est comprise entre 15 et 75N.m) Manipulation : - Allumer l ordinateur - Mettre la station DAE (bouton vert à droite de la console) sous tension et lancer le logiciel DAE sur l ordinateur. - Tourner la clef de contact pour avoir l assistance. - Mettre à zéro le bouton d assistance sur la console de mesure. - Cliquer sur «Mesures» et «Initialiser». - Sur la station, tourner le volant tout doucement et régulièrement sur la gauche jusqu'en butée pour atteindre les 10s, et après relâcher le pour le laisser revenir tout seul à l équilibre. La mesure se lance après appui sur le bouton «Départ» de la console de mesure, et dure 10 s. - Une fois le message «importation des résultats terminée», fermer la fenêtre de mesure et cliquer sur «Courbes». - Tracer en abscisse la rotation de la roue gauche et en ordonnée celle le couple sur la roue gauche. Page 11/16

12 Comportement global de la station Données du constructeur La courbe du constructeur donnée en annexe 1, relative à la Twingo, représente le couple au volant en fonction de son angle de rotation pour un véhicule à l arrêt sur sol sec très adhérent. Question 6 : Etablir le protocole de mesure permettant de vérifier les données ci-dessus (couples roues : DAEV et Direction manuelle). Réaliser les mesures correspondantes. Observer la différence de couple ressentie au volant avec et sans assistance (dans la zone proche butée). On va démontrer qu il y a un rapport d environ 2. Situer sur la station les 2 capteurs permettant de mesurer les grandeurs utilisées, préciser leur type et succinctement le principe physique correspondant (cf annexe fin TP). Sur le logiciel de mesure DAE, mettre en ordonnée le couple au volant et en abscisse la rotation de la roue, Conclure. Retrouve-t-on une courbe similaire à celle du constructeur? En utilisant les lois du frottement de Coulomb et la déformation du limiteur de pivot, commenter et expliquer les courbes expérimentales obtenues (2 zones). Couple résistant Allure du couple résistant en fonction de l angle de rotation du pivot de roue Angle du pivot de roue Question 7 : Refaire un essai pour afficher (sur le même graphique) le couple au volant en fonction de la rotation des roues : Avec assistance (<70km/h) Sans assistance (>70 km/h) Commenter le tracé obtenu. Quel est le rapport des couples mesurés. Comparer le avec le rapport préconisé du constructeur (r=2.6) Page 12/16

13 02 - DAE Activité Contenu 3 Etude du modèle de connaissance frottement roue/sol Acteur Pilote de projet SIMULATION ANALYTIQUE DES PERFORMANCES STATIQUES Le travail sera effectué sur le document joint en annexe (modèle géométrique du mécanisme). Connaissant le couple résistant au niveau des pivots de roues (25N.m valeur constructeur prise en compte pour cette étude correspondant à un contact roue/sol à frottement moyen), le but de cette étude est de déterminer graphiquement l effort au volant pour la position donnée du mécanisme. La résistance au pivotement des roues simulée sur la station DAE par les deux pivots freinés sera modélisée par les couples : 0 C sol roue D 0 avec C C D = 25 Nm C sol roue 'D avec C D C D = 25 Nm 'D L'effort à appliquer sur le pignon 7 pour maintenir l'ensemble de la crémaillère en équilibre sera modélisé 0 par le couple inconnu :C vol avec C vol? Nm Cvol On suppose le mécanisme de direction en position centrée (angle de rotation du volant à 0 ), l axe du volant étant considéré comme normal au plan d étude. L ensemble pignon - crémaillère est alors considéré comme étant à denture droite (angle de pression de 20 ). Question 8 : A l aide d une étude de statique graphique, déterminer l intensité du couple exercé sur le volant. Pour cela vous ferez les isolements successifs suivants : {3}, {4}, {5}, {6}, {3}, {4}, {2}, {1} Page 13/16

14 02 - DAE Activité Contenu 4 Etude du modèle simulé solidworks Acteur Modélisateur Ouvrir le modèle «DAE étude géométrique» dans le fichier «DAE modele méca 3d» Question 9 : Vérifier dans méca 3D que les liaisons modélisées sont bien celles déterminées dans la partie modélisation cinématique. Vérifier que les 2 couples résistants (onglet «efforts») constants de 25N.m ont bien été paramétrés sur les 2 roues. Lancer la simulation et analyser donnant la courbe montrant l évolution de la valeur du couple au volant. Noter la valeur obtenue par simulation. Page 14/16

15 02 - DAE Activité Contenu 5 Analyse des écarts et conclusion Acteur Groupe SYNTHESE Question 10 : Comparer les valeurs mesurées du couple au volant (avec 25N.M de résistance sur les roues) : Par expérimentation, Théorique Simulé Expliquer l origine de leurs éventuelles différences. Page 15/16

16 ANNEXE Constituants de la DAE Fonctions Pourquoi? Comment? Solutions techniques ASSISTER LE CONDUCTEUR POUR ORIENTER LES ROUES DAEV Adapter l'énergie Transformer le mouvement Adapter l'effort Volant, Colonne + Pignon, Crémaillère, Biellettes, Pivots de roue Assister la manoeuvre Comparer consigne rotation volant avec rotation roues () Mesurer () ou couple associé C = k Mesurer vitesse véhicule V Barre de torsion Capteur de rotation ou de couple Capteur de vitesse Traiter et V Gérer énergie électrique Commander moteur Transformer énergie Adapter énergie Calculateur Moteur électrique Réducteur Assurer sécurité Désaccoupler moto-réducteur Limiter échauffement du moteur Embrayage Calculateur Page 16/16

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18 Modèle géométrique du mécanisme Couple de la route sur la roue gauche Couple de la route sur la roue droite F B 3 C 4 D A 2 E G Direction de F 12 y x Page 18/18