Système d éclairage directionnel d Espace IV

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1 Système d éclairage directionnel d Espace IV 1. PRESENTATION DE L EPREUVE 1.1. Objectifs de l épreuve L objectif de l épreuve est d analyser les performances du système d éclairage directionnel d Espace IV, en étudiant notamment les performances du système proposé, en élaborant et validant un ou plusieurs modèles à l aide du support fourni afin de prévoir, à l aide des modèles établis, les évolutions de performances du système conformément au cahier des charges. Il s agit pour le candidat, de mesurer les écarts entre : - les performances attendues du système présentées dans le cahier des charges et les performances mesurées sur le système fourni, - les performances obtenues par simulation et les performances mesurées sur le système fourni, - les performances attendues du système présentées dans le cahier des charges et celles obtenues par simulation. Domaine client Ecart maquette / CDCF Ecart modèle / CDCF - + Performances + - attendues Domaine du laboratoire Domaine de simulation Ecart modèle/ essais Performances mesurées - + Performances simulées 1.2. Organisation de l épreuve Cette épreuve d une durée de 4 heures n est pas une épreuve écrite. Il n est pas demandé de rédiger un compte-rendu. Elle s articule en deux parties. A la fin de la première partie, d une durée d environ 45 minutes, un exposé (durée maximale de 5 min) est demandé au candidat. Cet exposé doit lui permettre de présenter le support et la problématique et mettre en évidence l écart existant entre les performances attendues du support et Page 1 sur 14

2 les performances mesurées lors de cette première partie. Un échange avec l examinateur suivra l exposé. Dès qu il est prêt, le candidat doit le signaler à l examinateur et poursuivre, sans attendre, son travail. Pendant la deuxième partie, les activités proposées permettront au candidat de : - vérifier les performances attendues d'un système complexe ; - construire et valider, à partir d essais, des modélisations d un système complexe ; - prévoir des performances d un système complexe en vue d imaginer et choisir des solutions d évolution répondant à un besoin exprimé. Au cours de l interrogation, des éléments seront fournis au candidat pour lui permettre de construire une synthèse finale, et ce quel que soit le nombre d'activités abordées par le candidat. Cette synthèse (3 minutes maximum), présentée pendant le dernier quart d heure de l épreuve, doit permettre au candidat de : - conclure quant à la problématique abordée dans le TP ; - préciser la ou les démarche(s) qu il a été amené à conduire pour répondre au problème posé ; - montrer sa capacité à utiliser les résultats obtenus (simulés ou mesurés) pour décider et choisir une évolution technique en rapport avec un cahier des charges. Lors de cette épreuve, la qualité de la prestation orale est évaluée. Pour illustrer ses présentations, les dessins, schémas et graphes utilisés seront élaborés avec soin. LA QUALITÉ DE LA PRESTATION ORALE SERA ÉVALUÉE 1.3. Le poste de travail Le poste de travail comprend : - une maquette instrumentée, - un oscilloscope numérique équipé d une sonde différentielle de tension et d une pince ampèremétrique - un ordinateur qui permet, grâce à un logiciel dédié, d effectuer des simulations numériques. - un classeur comprenant le dossier d étude regroupant les questions et les remarques sur l épreuve et des annexes de données techniques. La maquette instrumentée est constituée de trois modules principaux. Le module d étude du mouvement vertical qui comprend : - le moteur à courant continu seul - le capteur de position avec la partie du motoréducteur associée - le motoréducteur complet à vide - le banc de charge du motoréducteur - différents points de mesure Le module d étude du mouvement horizontal qui ne fait pas l objet de l étude. Le phare complet qui est équipé de son motoréducteur. Page 2 sur 14

3 2. LE SYSTEME D ECLAIRAGE DIRECTIONNEL Le système d éclairage sur lequel vous allez travailler est un phare directionnel de Renault Espace IV (voir Figure 1). Ce système d éclairage assure au faisceau lumineux une orientation verticale (correction de l assiette du véhicule) et horizontale (suivi en virage). Seule l orientation verticale du faisceau lumineux fait l objet de l étude. Figure 1 : Renault Espace IV site renault.fr 2.1. L influence de l assiette du véhicule L assiette d un véhicule (voir Figure 2) est modifiée par la charge du véhicule, le profil de la route ou les conditions de conduite (phase de freinage ou d accélération). Cette modification entraîne une variation d inclinaison de l axe du faisceau lumineux produit par les phares du véhicule. Ceux-ci peuvent alors éblouir d autres conducteurs ou mal éclairer la chaussée. Un correcteur de phare est alors utilisé pour gérer l orientation des phares d une voiture automobile depuis l habitacle. Le système étudié est un correcteur de portée statique, qui corrige l inclinaison du faisceau lorsque le véhicule est à l arrêt et conserve cette correction lorsque le véhicule roule (le correcteur ne tient compte que de la variation d assiette due à la charge). Axe du faisceau lumineux Axe du faisceau lumineux Voiture en position : assiette initiale Voiture en position : assiette modifiée Angle de correction de portée Figure 2 : Correction d'assiette Page 3 sur 14

4 2.2. Le suivi en virage Par ailleurs, et afin d améliorer la sécurité et le confort du conducteur, le faisceau lumineux peut également être orienté horizontalement (voir Figure 3) ce qui permet d améliorer la distance de visibilité dans les courbes, d apprécier plus tôt le tracé des virages et d anticiper la façon de les aborder. L éclairage directionnel optimise donc l éclairage nocturne dans les virages, par un contrôle dynamique du faisceau des projecteurs. Il utilise un module d éclairage au Xénon, intégré dans chaque projecteur, accompagné d un actionneur et d une unité de contrôle électronique. Cette conception facilite la rotation horizontale du module d éclairage au Xénon, pouvant aller jusqu à 15 par rapport à la position ligne droite. Le pilotage du système est assuré par un microcontrôleur qui prend en compte les informations transmises en temps réel par les capteurs d angle au volant et de vitesse. Figure 3 : Eclairage directionnel (suivi en virage) Page 4 sur 14

5 2.3. Problématique technique Dans l étude proposée, seule la correction de l inclinaison verticale du phare sera étudiée. L objectif du travail proposé est de vérifier si le correcteur de phare présent sur la maquette pourrait être utilisé pour réaliser une correction dynamique du phare en fonction de l assiette du véhicule. Le dossier d étude est composé de deux parties à aborder, sauf indication des interrogateurs, dans l ordre proposé. - La première partie permet de valider les performances globales du système d orientation verticale (correction de variation d assiette) au regard du cahier des charges et de comprendre l architecture du phare. - La seconde partie permet d analyser et modéliser les solutions techniques des chaînes d énergie et d informations retenues en accord avec le cahier des charges. Le candidat devra proposer un mode de commande du moteur qui permettrait de réaliser une correction dynamique du phare en fonction de l assiette du véhicule. Page 5 sur 14

6 Première partie 3. PERFORMANCES GLOBALES DU SYSTEME D ORIENTATION VERTICALE L objectif de cette première partie, d une durée approximative d une heure, est de découvrir le système d orientation verticale du faisceau lumineux, le cahier des charges et de vérifier les performances du système pour la fonction principale. Les manipulations proposées ainsi que les questions posées ont pour objectif de faciliter la compréhension du fonctionnement global La chaine fonctionnelle du système d orientation verticale Le système d orientation verticale est constitué du boîtier, d un bloc d orientation et d un correcteur de phare. Le bloc d orientation supporte les différentes lampes du phare (optique, codes, clignotants ). Il peut pivoter par rapport au boîtier lié à la carrosserie autour d un axe horizontal (voir Figure 4 et Figure 5 et annexe 1). Le bloc est protégé par une vitre liée à la carrosserie. Le mouvement d orientation du bloc est obtenu par le déplacement de la biellette de poussée 303 implantée à l extrémité de l axe de sortie 206 du correcteur composé d un moteur (référence NF123G B fournie en annexe 4) et d un réducteur entrainant un système vis-écrou. Il existe aussi une possibilité de réglage manuel de la position axiale de l axe 206 du correcteur en sortie d usine ou en cas de défaillance du système électrique. Une électronique de commande permet d envoyer un ordre à l interface de puissance qui alimente électriquement le moteur en fonction de la consigne donnée par l utilisateur et de l information issue d un capteur de position. Bloc d orientation Correcteur : Moto-réducteur + Système vis écrou Axe du faisceau lumineux Biellette de poussée 303 Axe 206 Support lié à la carrosserie Axe de rotation Figure 4 : Implantation du correcteur Page 6 sur 14

7 Vue avec boîtier gauche (un quart enlevé) et boîtier droit translucide Vue sans boîtier Figure 5 : Architecture du correcteur Le correcteur réalise deux fonctions principales grâce à deux chaînes cinématiques imbriquées : - La première permet le réglage du phare par un opérateur qualifié (FP2). - La seconde est motorisée par un moteur à courant continu, et pilotée par une carte électronique. Celle-ci permet au conducteur de la voiture de régler l orientation des phares de la voiture (FP1). Dans le tableau ci-dessous, sont énoncées les fonctions principales et de contrainte du système de réglage de l éclairage. Phares Environnement FC7 FC6 FC5 Pesanteur FP1 Correcteur de phares FC4 Coût Conducteur FP2 FC3 FC1 FC2 Voiture Garagiste Vibrations FP1 Permettre au conducteur de régler les phares depuis FP2 Permettre un réglage «initial» l habitacle FC1 Etre accessible et interchangeable facilement FC5 Avoir un poids < 0,2 kg FC2 Supporter les vibrations FC6 Résister à l environnement FC3 S adapter à la voiture : alimentation, encombrement FC7 S adapter aux phares FC4 Avoir un coût minimal Page 7 sur 14

8 Fonctions de service Critères Niveau FP1 Plage de variation du rabattement ±0.025 rad Nombre de positions 5 Linéarité du débattement angulaire en ±5% fonction des positions Temps de débattement total maxi 4 s FP2 Précision Orientation initiale A plat non chargé : -1,2% FC1 Position Fixation FC2 Fréquence FC3 Alimentation 12V Fixation Encombrement FC4 Coût 30 euros FC5 Masse <0.2kg FC6 Matériau Plastique FC7 Liaisons La Figure 6 extraite de documents constructeur vient illustrer ce cahier des charges (FP1) et présente l impact du réglage vertical du phare sur la qualité de l éclairement pour un véhicule de type Twingo avec des caractéristiques différentes. Elle renseigne sur les angles d inclinaison ainsi que sur les portées limites. Page 8 sur 14

9 Figure 6 : Rabattement et portée pour un véhicule Twingo Activité 1 : Repérer sur le poste de travail les éléments constituant le système d orientation verticale. En s aidant du correcteur démonté et des explications précédentes, réaliser un diagramme des chaînes d énergie et d information présentant la structure du système Vérification des critères de la fonction FP1 La manipulation suivante permet de positionner verticalement le phare. Manipulation : positionnement vertical du phare Dans le module CONNEXION PC, mettre le commutateur PC/manuel sur MANUEL et dans le module MISE SOUS TENSION, tourner la clé de contact sur MARCHE pour mettre la manipulation sous tension. Pour régler l inclinaison du phare, il faut envoyer une commande électrique continue entre 0 et 12V à partir d une molette située sur le tableau de bord ici simulée par un bouton tournant positionné sur le module CONSIGNE ORIENTATION VERTICALE. Mettre le laser en route (module ECLAIRAGE PHARE) puis dans le module SELECTEUR MANIPULATION, sélectionner le module motoréducteur sur phare. La distance du phare à l écran est L=340 mm environ. Vous disposez d un chronomètre. Activité 2 : Proposez et réalisez un protocole expérimental permettant de vérifier toutes les performances définies dans le cahier des charges relatif à la fonction FP Adaptabilité du correcteur Le bloc optique est spécifique à chaque véhicule. Le correcteur est fabriqué en série et peut être adapté sur tous les véhicules. La seconde partie de l étude s intéressera à la modélisation de ce correcteur. Il est cependant nécessaire de connaître la relation entre le déplacement de la tige de sortie du correcteur et l inclinaison du faisceau lumineux. Une modélisation puis simulation du bloc optique seront réalisées pour vérifier la possibilité d utiliser le correcteur sur d autres véhicules. Page 9 sur 14

10 Manipulation logicielle : lancement de la maquette numérique Cliquer sur le fichier «bloc d orientation» présent sur le bureau. La maquette numérique du bloc d orientation assemblé a été définie. En cliquant sur l onglet Meca3D, vous pouvez observer les modèles de liaisons adoptés. Cliquez sur les différentes pièces ou liaisons pour les repérer sur la maquette. Onglet Meca3D Liaisons mises en place Manipulation logicielle : simulation Déplacer le bloc optique de manière à ce que la tige 206 soit totalement rentrée (mais ne dépasse pas du boitier du correcteur) et mettre à jour l assemblage en cliquant sur. Cliquer droit sur Analyse et sur Calcul mécanique puis sur Suivant. Vérifier que le «type d étude» est une «Etude géométrique», que le nombre de positions est de 100. Il est nécessaire d imposer le mouvement de plusieurs paramètres (cf. activité 4). Activité 3 : Justifier les liaisons mises en place. Identifier et justifier les deux mobilités ainsi que le paramétrage du logiciel. Activité 4 : Lancer une simulation en cliquant sur Calcul puis sur Fin. Visualiser le résultat en cliquant sur Résultats / Simulation. On note α l angle d inclinaison du bloc mobile par rapport à la verticale et x le déplacement de la tige 206 par rapport à la position médiane. Faire afficher la courbe α en fonction de x sous Solidworks (clic droit sur la courbe puis Afficher). Proposer une relation entre α et x. Manipulation : mesure de la course expérimentalement Réaliser la manipulation suivante sur le système didactique : Dans le module SELECTEUR MANIPULATION, sélectionner le module MOTOREDUCTEUR A VIDE. Mesurer la course totale de la tige 206 au pied à coulisse sur le motoréducteur à vide. Activité 3 : Comparer les résultats expérimentaux et de simulation. Quels sont les apports de la modélisation et de la simulation? Comment pouvez-vous extrapoler l utilisation du correcteur sur différents véhicules (cf. figure 6)? Une synthèse orale d une durée de 5 minutes sera présentée selon un plan personnel, en se limitant aux explications données, aux manipulations proposées et aux questions posées. Préparer l exposé, faire signe à l examinateur, et passer à la suite sans attendre. Fin de la première partie Page 10 sur 14

11 Deuxième partie La première partie a permis d analyser la structure et les performances du correcteur de phare et son utilisation possible pour différents véhicules. L objectif de cette deuxième partie est de vérifier si le correcteur de phare «statique» pourrait être utilisé pour réaliser une correction dynamique du phare. Le cahier des charges pour la correction d assiette dynamique correspond au passage du véhicule sur le ralentisseur suivant : L empattement (distance entre les roues avant et arrière) du Renault Espace est de 2,8 m. Activité 4 : Rédiger le nouveau cahier des charges de la fonction principale FP1 pour le correcteur dynamique en utilisant les mêmes critères que pour le correcteur statique. 4. Analyse de la chaîne d énergie du correcteur L objectif des différentes sous-parties est de modéliser les différents éléments du correcteur et de vérifier l utilisation possible de ces éléments pour une correction dynamique selon les critères du cahier des charges en régime dynamique. Le schéma cinématique du réducteur est disponible en annexe 3 ainsi que la documentation du moteur référence NF123G B en annexe Critère de vitesse Activité 5 : A partir de l observation du correcteur démonté et du schéma cinématique du réducteur donné en annexe 3, expliquer le fonctionnement du système motorisé de transformation de mouvement et déterminer le rapport de réduction entre la vitesse de translation de la tige 206 et celle de rotation du moteur. En déduire la vitesse moyenne du moteur pour obtenir le mouvement de la tige 206 observée expérimentalement. Activité 6 : En conservant ce régime moteur, déterminer le rapport de réduction du réducteur pour respecter le cahier des charges du correcteur dynamique défini à la question 6. Proposer une architecture possible de réducteur. Page 11 sur 14

12 4.2. Critère de couple Manipulation logicielle : simulation dynamique Sous Solidworks, cliquer sur ouvrir et sélectionner «esquisse numérique». Cette esquisse correspond à une représentation plane du modèle du phare. Analyser les deux figures de l esquisse numérique. Zoomer au niveau de l extrémité gauche de la tige 206 et la positionner successivement sur les repères correspondant aux plages de fonctionnement du correcteur. Utiliser l outil «mesurer» et déterminer la valeur maximale de l effort de poussée. Activité 7 : Justifier le protocole de détermination de l effort et relever la valeur de l effort. Activité 8 : En déduire le couple du moteur nécessaire pour obtenir cet effort de poussée pour le correcteur statique d origine. Activité 9 : A partir du réducteur proposé pour le correcteur dynamique, calculer le couple moteur en régime établi. Le dimensionnement du moteur est-il compatible avec ce réducteur? 4.3. Critère de temps de réponse On utilise le modèle suivant pour le moteur à courant continu à aimants permanents : C=K.i C : couple moteur et i : Intensité moteur ; e=k.ω e : f.e.m et ω : vitesse angulaire de rotation du rotor ; u= e+r.i u : tension d alimentation du moteur, R : résistance de l induit du moteur. Activité 10 : Déterminer l équation mécanique permettant de prendre en compte la dynamique du phare. Définir une constante de temps mécanique. Combien de paramètres doit-on identifier pour pouvoir simuler la réponse du moteur? Manipulation : identification des paramètres R et K Pour déterminer quelques caractéristiques du moteur, il est possible de réaliser un essai moteur seul (dans le module SELECTEUR MANIPULATION mettre le sélecteur sur MOTEUR SEUL). Pour mesurer la résistance R du moteur, sélectionner dans le module MOTEUR SEUL «Mesure R» et bloquer le rotor à la main. Pour déterminer K, sélectionner dans le même module «Marche», le moteur tourne à une vitesse de tr/min (ne pas bloquer le moteur dans ce mode). Relever les valeurs des tensions et intensités à l aide des ampèremètre et voltmètre encastrés sur la maquette. Activité 11 : En justifiant les manipulations, proposer une valeur pour R et K. Manipulation : Identification des autres paramètres Pour déterminer les paramètres restants, on s intéresse au motoréducteur monté dans le phare. Dans le module SELECTEUR MANIPULATION, mettre le sélecteur sur MOTOREDUCTEUR PHARE. A l aide de l oscilloscope numérique (déjà réglé), relever la réponse du courant moteur i(t) ainsi que la tension U sur le voltmètre aux bornes du moteur. La consigne correspondra au passage de la position 0 à -2. Pour utiliser l oscilloscope numérique : visualiser le signal sur la voie 1, appuyer sur «single seq» pour armer l oscilloscope et mettre le moteur sous tension. Vous capturez l image du courant moteur en fonction du temps. Activité 12 : Analyser la courbe i(t). En déduire les valeurs du moment d inertie J et du couple résistant Cr à partir des relevés. Manipulation logicielle : simulation du moteur Lancer le logiciel Scilab puis cliquer sur l icône Xcos. Dans la fenêtre «sans titre» qui s ouvre, ouvrir le fichier «modèle_moteur» du répertoire «fichiers scilab phare 1» situé sur le bureau. Pour entrer des paramètres, il suffit de double-cliquer sur un bloc et de valider. Pour lancer une simulation, Page 12 sur 14

13 on utilise le bouton Lecture. La fenêtre graphique se lance automatiquement et contient l évolution temporelle de l intensité et la vitesse angulaire du moteur. Pour relever la valeur numérique d un point, vous pouvez cliquer sur Edition / Démarrer le gestionnaire de datatips ou sur (si disponible) puis cliquer sur une courbe. Un point mobile (à déplacer avec la souris) apparait et indique la valeur du temps (abscisse) et de l ordonnée. Activité 13 : Rentrer les paramètres du modèle identifiés expérimentalement en doublecliquant sur le bloc moteur ainsi que la valeur de la consigne d échelon. Lancer une simulation. Comparer l allure de l intensité simulée à l intensité relevée expérimentalement. Commenter la pertinence du modèle. Manipulation : Identification sur le moteur seul Refaire une mesure d intensité en sélectionnant le module MOTEUR SEUL. Activité 14 : Comparer les courbes d intensité pour le moteur seul à celle du moto-réducteur sur phare. Déterminer l inertie du moteur et conclure sur l inertie équivalente de la charge (réducteur+phare) ramenée sur l arbre moteur. La masse équivalente du bloc optique ramenée sur la tige 206 est estimée à 1kg. Activité 15 : Pour le réducteur proposé dans le cadre d une correction dynamique, calculer la nouvelle inertie de la charge ramenée sur l arbre moteur et conclure. Proposer une nouvelle inertie moteur pour obtenir une constante de temps compatible avec le cahier des charges du correcteur dynamique. Activité 16 : Définir les spécifications d un moto-réducteur utilisable pour respecter la correction dynamique. Proposer une solution de motorisation. 5. Analyse de la chaîne d information 5.1. Modélisation du capteur Activité 17 : A partir du motoréducteur démonté dans le module CAPTEUR DE POSITION et de la Figure 7, identifier les différents éléments constituant le capteur de position en donnant leur fonction. Figure 7 : Capteur de position Page 13 sur 14

14 Manipulation : analyse du capteur Réaliser la manipulation suivante : Pour les différentes positions de la molette de réglage, relever les valeurs de tension de consigne sur le voltmètre du module CONSIGNE ORIENTATION VERTICALE. Dans le module CAPTEUR DE POSITION, relever sur la manipulation les seuils de tension permettant d obtenir les différentes positions angulaires. Utiliser pour cela le voltmètre «externalisé» du module CAPTEUR DE POSITION et sélectionner MOTOREDUCTEUR SUR PHARE. Activité 18 : Comparer les seuils et les tensions de consigne, conclure. Proposer un schéma bloc mettant en évidence le contrôle de position réalisé par le motoréducteur. Activité 19 : Justifier le comportement du correcteur en fonctionnement à l aide de ce schémabloc (notamment le passage de la consigne -2 à +2 ou inversement). 6. Synthèse Manipulation logicielle : simulation du correcteur statique Ouvrir le schéma-bloc «modèle_correcteur_statique» sous Xcos. Le schéma proposé représente le modèle complet du correcteur existant (vous pouvez agrandir la fenêtre si nécessaire). Lancer une simulation. On observe le déplacement linéaire de la tige 206, la vitesse angulaire de la roue du capteur de position et la tension d alimentation du moteur. Activité 20 : Réaliser l expérience permettant de mettre en évidence le scénario mis en œuvre dans la simulation. Commenter les courbes de simulation et comparer les performances par rapport au cahier des charges du correcteur statique. Manipulation logicielle : simulation du correcteur dynamique avec le moto-réducteur existant Ouvrir le schéma-bloc «modele_correcteur_dynamique_existant» sous Xcos. On cherche à l aide de ce modèle à mettre en évidence le contrôle dynamique du phare (à partir des informations des capteurs d assiette du véhicule) en utilisant le moto-réducteur existant. La consigne correspond à une succession d échelons de position. Un correcteur proportionnel de gain K est utilisé. On observe le déplacement linéaire de la tige 206, sa vitesse linéaire et la tension d alimentation du moteur. Lancer la simulation. Activité 21 : Justifier le schéma-bloc retenu pour le contrôle dynamique. Commenter les courbes simulées. On réalise la même structure en changeant le moto-réducteur (dont les caractéristiques ont été déterminées aux questions précédentes). Manipulation logicielle : simulation du correcteur dynamique proposé Ouvrir le schéma-bloc «modele_correcteur_dynamique_propose» sous Xcos. Lancer à nouveau la simulation. Activité 22 : Commenter les résultats obtenus et vérifier que les performances du cahier des charges pour le correcteur dynamique sont bien respectées. Définir les avantages et inconvénients des composants utilisés dans les correcteurs «statique» et «dynamique». Etablir une synthèse rapide (3 minutes maximum) du travail réalisé pendant l épreuve en s appuyant sur le schéma proposé en page 1. Page 14 sur 14