Sciences Industrielles pour l Ingénieur Centre d intérêt 2: ACQUERIR l information DIRECTION ASSISTEE ELECTRIQUE : Essais de validation pour la mesure des couples COURS TP TD Comportement des systèmes S32 La chaîne d'information S31 La chaîne d'énergie Fonctions du produit S24 Acquérir et traiter l information S241 Les capteurs S321 Le conditionnement du signal S315 Détermination des actions mécaniques S243 Le traitement de l'information captée OBJECTIF DE LA SEANCE Compétences attendues Au terme de la séance, vous devez savoir : Identifier les capteurs utilisés et leurs informations d'e/s ; Justifier leur choix au regard du cahier des charges et de leur doc. ; Analyser et mettre en œuvre des fonctions de conditionnement et un dispositif de mesure ; Appliquer la méthodologie de résolution statique pour déterminer une A.M. transmissible ; Comparer et exploiter les résultats obtenus par modélisation/calcul par rapport au comportement réel. Problème technique Le service qualité de votre entreprise a signalé l'inconfort ressenti par certains clients utilisant la direction assistée électrique (DAE) : effort différent à fournir sur le volant selon l'angle des roues, à-coups dans la direction... Vous envisagez plusieurs causes possibles, parmi lesquelles : 1/ un problème mécanique entre la colonne de direction et les roues ; 2/ un problème au niveau du moteur d'assistance ; 3/ un problème dans la chaîne d'acquisition du couple au volant. Le bureau d'études vous demande d'examiner en détail les 1 ère et 3 ème possibilités en mettant en œuvre des procédures expérimentales permettant de valider les mesures du couple au volant et du couple sur la colonne. Démarche : on se propose de : identifier les entrées et sorties de la fonction "Acquérir" ; mettre en œuvre des procédures d'essais réels ou simulés sur le système ; valider les chaînes d'acquisition liées aux grandeurs à mesurer ; Communiquer une partie de ses résultats au reste de la classe. PREPARATION MAISON : PARTIES 1 + 3.1 1 ère PARTIE : IDENTIFICATION MATERIELLE ET ANALYSE FONCTIONNELLE CE TRAVAIL EST A REALISER AVANT LA SEANCE DE TP EN PREPARATION MAISON 1/ Principe de fonctionnement La DAE assiste les efforts de direction dès la sollicitation du volant. Un couple d assistance C mot, fourni à l aide d un motoréducteur, s additionne au couple au volant C vol appliqué par le conducteur. Quand un effort apparaît sur le volant, celuici est transmis électriquement au calculateur par l intermédiaire d'un capteur. Le calculateur fournit ensuite au moteur électrique un courant d alimentation en fonction : du couple au volant ; de la vitesse du véhicule. Les lois d'assistance sont donc les suivantes : CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 1 -
L assistance apportée par la DAE permet particulièrement de réduire l effort du conducteur, en manœuvre de parking (vitesse véhicule nulle) et à basse vitesse. Elle n est plus nécessaire à haute vitesse car les braquages sont réduits et 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 donc plus alimenté (et l'embrayage est désalimenté). (Couple au volant C vol) L'embrayage et un réducteur à roue et vis sans fin transmettent le couple d assistance C mot du motoréducteur à la colonne de direction. Le principe de l'assistance est donc le suivant : Une signalisation visuelle (voyant orange) informe le conducteur du mode de fonctionnement de la DAE : assistance opérationnelle de 0 Km/h jusqu'à environ 74 Km/h : voyant orange allumé ; assistance inhibée au-delà de 74 Km/h : voyant orange éteint. A partir des éléments présentés ci-dessus, préciser les deux paramètres importants qui conditionnent la commande du moteur, donc l assistance. 2/ Instrumentation supplémentaire d'étude Plusieurs capteurs ont été rajoutés pour l'étude de l'ensemble (voir "Schéma de la station instrumentée" en annexe). Ils permettent d acquérir : l angle de rotation du volant, le couple résultant sur la colonne de direction, le couple et l angle sur les pivots de roue. 3/ Instrumentation complète de la station En examinant les capteurs sur la station et son pupitre, compléter le tableau suivant : Capteur et désignation de la grandeur physique mesurée Capteur de couple C col Capteurs de couples Cr et Cr* Capteur de courant moteur I mot Grandeur physique mesurée Angle de rotation du volant Couple au volant Couple résultant sur la colonne de direction Angles de pivotement des roues gauche et droite Couples résistants simulés sur les roues droite et gauche (non visibles) (pas le courant moteur) Principe de fonctionnement Potentiomètre rotatif Barre de torsion + mesure magnétique de l'écart angulaire volant/colonne de direction Potentiomètres rotatifs Jauges extensométriques Capteur de courant à effet Hall Capteur de vitesse V Vitesse (simulée) du véhicule Capteur inductif + encoches sur différentiel Griser les seuls capteurs implantés sur le système réel (servez-vous éventuellement du FAST en annexe). CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 2 -
4/ Grandeurs d'e/s de la fonction "Acquérir les différents couples" Compléter finalement la chaîne d'information ci-dessous pour les 3 couples qui nous intéressent dans ce TP. 2 ième PARTIE : MESURE ET CONDITIONNEMENT DU COUPLE AU VOLANT C vol L'objectif de cette partie est de vérifier le bon fonctionnement : - de l'assistance variable selon la vitesse ; - du capteur de couple au volant et de sa chaîne d'acquisition. Le CdC (norme) impose que le couple au volant ne dépasse pas 9 N.m pour une conduite confortable. 1/ Mise en marche de la station Interrupteur vert sur le côté droit : mettre sous tension ; tourner la petite clé métallique dans le sens horaire ; mettre le moteur du véhicule "en marche" (côté rouge visible). 2/ Le logiciel d'acquisition de mesures Lancer le logiciel DAE qui permet de visualiser les résultats des mesures. Toute acquisition de mesures se fait selon la procédure suivante : Faire [Mesures], puis [Initialiser]. Un message à l écran indique que la mesure est prête à démarrer. 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). Au bout des 10 s, les mesures sont envoyées au PC. Fermer la fenêtre à la fin du transfert. Les résultats sont disponibles pour une exploitation par le logiciel. Pour afficher les courbes : Sélectionner le bouton [Courbes]. Choisir le bouton [Abscisses], puis cliquer sur l icône correspondant à ce que vous voulez en abscisses. Choisir le bouton [Ordonnées], puis désigner successivement la ou les icônes représentant les grandeurs voulues. Sélectionner le numéro de la ou des mesures à afficher (elles seront alors superposées). Faire [Tracer]. On détermine la grandeur affichée par une courbe en cliquant sur la courbe elle-même. 3/ Vérification de la variabilité de l'assistance selon la vitesse : protocole expérimental Définir un protocole expérimental permettant de vérifier sur un même graphique : l'impact de l'assistance sur le couple exercé sur le volant, sur toute sa course ; la variabilité de cette assistance selon la vitesse. Vous devez définir les essais à réaliser, ainsi que les abscisses et ordonnées du graphique permettant de conclure au bon (ou au mauvais) fonctionnement du système. Faire les mesures et conclure sur la variabilité de l'assistance. Donner la valeur maxi du couple au volant et comparer avec la valeur du cahier des charges. CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 3 - APPELER LE PROFESSEUR POUR FAIRE VALIDER VOTRE DEMARCHE
Faire une copie d'écran de votre graphique et sauver dans un fichier LibreOffice pour préparer votre présentation lors de la synthèse. 4/ Identification de la chaîne d'acquisition de C vol Principe de la mesure de couple : Lire en annexe le principe de fonctionnement du "capteur magnétique de couple de torsion par mesure d'écart angulaire", en localisant sur la barre de torsion démontée disponible : le côté volant et le côté crémaillère ; les couronnes de fer doux (= bagues de détection) ; les bobines de mesure et de référence. Essayer de déplacer les couronnes de fer doux l'une par rapport à l'autre. Quel est l'écart angulaire mesuré comme image du couple au volant (écart entre quoi et quoi)? Le choix de ce capteur est-il justifié (voir doc. en annexe)? Chaîne d'acquisition (à faire s'il reste du temps) : Couple appliqué Capteur de couple? Conditionneur Tension image U vol mesurable entre bornes 5 et 6 CAN, liaison série et CNA pour affichage C vol -8 N.m C vol réel 8 N.m?...?...?...?... U vol?... -8 N.m C vol 8 N.m Compléter seulement cette chaîne avec la plage du signal de sortie du capteur. Définir un protocole expérimental permettant de tracer la caractéristique U vol = f(c vol ). (indication : 3 points suffisent ; il faut donc envisager 3 situations : 1 sans appliquer de couple et 2 où l'on applique un couple constant non nul sur le volant). Vous devez définir les essais à réaliser, ainsi que les abscisses et ordonnées du graphique permettant de répondre au problème. APPELER LE PROFESSEUR POUR FAIRE VALIDER VOTRE DEMARCHE Faire les mesures (ne pas faire descendre U vol sous 2 V ou dépasser 3 V). Tracer U vol = f(c vol ) et compléter la chaîne d'acquisition. En déduire la fonction de transfert du conditionneur et imaginer une solution technique pour le réaliser (solution la plus détaillée possible, vous avez les connaissances pour proposer un modèle électronique). Conclusion : La chaîne d'acquisition fait-elle apparaître un dysfonctionnement du système (étalonnage défectueux du capteur, non-linéarité dans les fonctions de conditionnement, )? 3 ième PARTIE : LIEN ENTRE LE COUPLE AU VOLANT ET LE COUPLE AUX ROUES Objectif : Cette partie 2 vise à étudier si la cause 1 : problème mécanique entre la colonne et les roues, est responsable de l inconfort constaté par certains clients (si besoin, relire le problème technique page 1). Votre compte rendu de cette partie, réalisé sur LibreOffice, est à rendre par courriel avant vendredi prochain en respectant bien le formalisme du nom du fichier. Amener si possible, une clef USB. CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 4 -
Couple résistant suite contact sol/roue L étude se limite donc à la partie du système DAE modélisée ci-dessous : 0 = carter D 4 = levier g 20 C B 3 = biellette g 1 = pignon rayon = 5 mm C col1 FIGURE 1 E F 0 = carter Pour l étude statique analytique, vous pouvez prendre des mesures sur ce dessin à l échelle (sauf FE) On donne : DD =1350, BC=B C =356, CD=C D =120, BB =606 et rayon pignon 1 : FE = 5 en mm. Pour répondre à l objectif, la démarche représentée FIGURE 2 permettra d établir (puis de comparer) les relations : couple colonne = f(couple résistant à chaque roue, position angulaire de volant) obtenues analytiquement, par expérimentation et par simulation numérique. A 2 = crémaillère B y x 4 = levier d 3 = biellette d Direction de l effort pignon/crémaillère (contact ponctuel) C D Existe-t-il un problème mécanique dans la direction? 1- Calcul analytique statique du couple dans la colonne selon une configuration donnée, connaissant la résistance au pivotement des roues par rapport au sol. 2- Mesure expérimentale du couple dans la colonne. La résistance au pivotement de chaque roue par rapport au sol étant simulée par un limiteur de couple. 3- Etude logicielle statique visant à déterminer le couple au pignon 4, la résistance au pivotement des roues/sol étant obtenue par expérimentation. FIGURE 2 Démarche 4- Analyse et comparaison des résultats puis conclusion/objectif Ce travail sera réalisé sur LibreOffice puis transmis par courriel. 1/ ETUDE STATIQUE ANALYTIQUE réalisée en travail préparatoire maison prévoir 2h. On vous donne : - la modélisation en FIGURE 1 de la partie du système DAE dans la configuration : angle de rotation du volant nul. L axe de la colonne de direction est supposé normal au plan (X,Y). L ensemble pignon/crémaillère est à denture droite avec un angle de pression de 20 qui donne la direction de l effort en ce contact ponctuel. - le couple de résistance au pivotement sol/roue, simulé sur la maquette par un limiteur de couple, sera nommé : C sol/roue et sa norme sera égale à 25 N.m. (Donnée constructeur) On vous demande (1 rédaction par binôme les 2 membres rédigeront équitablement) : - par une application rigoureuse et détaillée de la méthodologie mise en place en cours, de calculer la composante selon l axe Z du couple exercé par la colonne sur le pignon 1 nommée C col1. CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 5 -
Remarque : la compétence à atteindre en CPGE (niveau attendu au concours) implique votre autonomie pour répondre à cette question. Toutefois, en cas de difficulté, un document d aide à différents niveaux est disponible sur le site tsi-ppr.wifeo.com. 2/ ETUDE EXPERIMENTALE (à réaliser en tout début de la séance de TP) temps 15 Etablir un protocole d acquisition de mesures (si besoin lire le 2 de la partie 1), sur l intégralité de la plage de rotation du volant, permettant de répondre au point 2 de la démarche. Quelles sont les précautions à prendre pour pouvoir comparer en final ces résultats expérimentaux avec les études numérique et analytique statiques? 2.1 Enregistrer votre résultat (courbe(s)) pour votre analyse et rédaction sur LibreOffice. 2.2 Enregistrer sur clef USB, les couples expérimentaux résistants aux roues (limiteur de couple) en procédant : Dans la fenêtre : choix des paramètres, sélectionner en abscisse le temps et en ordonnée seulement le couple résistant sur la roue droite, puis cliquer sur le bouton d importation vers Méca3D. Choisir N = 5 et valider. Enregistrer sur la clef USB sous le nom : couple-d-n binôme.crb. Procéder de la même manière pour le couple résistant de la roue gauche, nommé : couple-g-n binome.crb. 3/ ETUDE LOGICIEL sous MECA3D temps : 30 On cherche à obtenir, par simulation, l évolution du couple en sortie de colonne en fonction de son angle de rotation. Les moments résistants sol/roue correspondront à ceux enregistré lors de l expérimentation précédente. 3.1 Lancer SolidWorks et charger le fichier ensemble_dae.sldasm qui contient les données nécessaires à l'étude. Prendre connaissance/analyser ce modèle proposé : pièces, liaisons, effort. Existe-t-il des différences avec le modèle analytique figure 1 ou avec le système réel DAE? 3.2 Sous MECA3D, introduire les 2 courbes de couples résistants : Effort/ajouter/moteur variable. Sélectionner la liaison adéquate puis le fichier couple.crb correspondant. Procéder de même pour l autre liaison levier/carter. 3.3 Lancer une analyse : étude cinématique et statique sur 500 positons pendant 10 secondes sans modifier les vitesses et nom des 3 liaisons pilotées. Vérifier le bon fonctionnement du mécanisme puis relever la courbe (norme) du couple au pignon recherché. 4/ CONCLUSION Après une analyse comparative de ces 3 études, utiliser le logiciel LibreOffice pour intégrer vos résultats afin de répondre à l objectif (point 4 de la démarche). Les différences, si elles existent, seront justifiées. Compte rendu à transmettre par courriel sous le nom : n binôme-dae-tp4statique avant la séance de TP suivante. CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 6 -
ANNEXE : ELEMENTS UTILES DU DOSSIER TECHNIQUE SCHEMA DE LA STATION INSTRUMENTEE DIAGRAMME FAST DU SYSTEME REEL CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 7 -
CAPTEUR MAGNETIQUE DE COUPLE DE TORSION PAR MESURE D'ECART ANGULAIRE Document constructeur (KOYO) : Veut dire ± 7 N.m car mesure possible dans les 2 sens de torsion. D'après la caractéristique ci-contre, on voit qu'on peut en fait aller d'environ -8 à 8 N.m sans saturation : 85 kgf.cm = 85 x 9,8 N.cm = 8,33 N.m CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 8 -