Course en Cours - 78410 AUBERGENVILLE · Ce cours fournit le savoir-faire et les quelques notions...

BALTIC Jusuf ETTIGHOFFER Loïc ROUZIER Ghislain

Course en Cours L’optimisation des performances des voitures

Prérequis

Objectifs du cours

Public concerné

Ce cours fournit le savoir-faire et les quelques notions théoriques nécessaires à la conception

d’une voiture ayant des performances élevées, en vue de la compétition « Course en Cours ».

La manière de concevoir une voiture diffère en fonction du type voulu : pour usage domestique

(à gauche) ou spécifiquement conçue pour la course (à droite).

Pas de prérequis, ce tutoriel a été conçu de manière à pouvoir répondre aux questions de

manière clair, permettant à chacun de comprendre et réaliser ces solutions.

Elèves participant au projet de Course en Cours et éducateurs de l’enseignement supérieur.

Introduction

2h00

Avant-propos

Cette formation est basée sur un projet

d’enseignement secondaire, initié par l’ESSTIN

(Ecole Supérieure des Sciences et Technologies

de Nancy), pour l’apprentissage de notions de

bases d’aérodynamisme et de mécanique.

L’objectif est de concevoir un modèle possédant

de bonnes performances techniques

(accélération, vitesse, pénétration dans l’air). A

la fin de cette formation, vous pourrez

commencer à imaginer votre voiture en gardant

bien en tête les différents aspects techniques.

De plus, vous serez capable de :

comprendre pourquoi la masse de la

voiture est importante,

savoir comment limiter les frottements,

définir la forme d’un aileron en fonction des

différents cas,

comparer les différents matériaux possibles

pour les pneus.

Comment utiliser cette formation

Cette formation utilise la convention graphique ci-dessous :

Ce tutoriel fait référence à

des notions du programme

scolaire

Introduction de la leçon Explications et choix

des optimisations

Conseils et conclusions

de la leçon

Table des matières

Présentation

Poids : Equation fondamental de la dynamique

Importance du poids sur l’accélération et la vitesse

Centre de gravité : Définition du centre de gravité

Emplacement optimale du centre de gravité

Formes de la voiture : Définition de l’aérodynamisme

Choix de la forme de la voiture

Forme et orientation de l’aileron arrière

Forme et orientation de l’aileron avant

Forme et orientation du ponton

Les frottements : Définition et conséquences des différents types de frottements

Emplacement des frottements sur la voiture

Solution du coussinet

Solution du roulement

Adhérence des pneus : Conséquence du manque d’adhérence

Choix des pneumatiques arrières

Choix des pneumatiques avant

Réglages moteur : Description du moteur

Description/utilisation du logiciel de contrôle de la carte moteur

Modélisation d’exemple

Conclusion

Voici les différentes leçons sur

l’optimisation:

1. Introduction

1. Présentation.

2. Poids.

3. Centre de gravité.

4. Formes de la voiture.

5. Les frottements.

6. Adhérence des pneus.

7. Réglages moteur.

8. Conclusion.

Dans cette leçon vous en apprendrez plus sur

les objectifs du projet.

1. Introduction

Objectif : Concevoir la voiture ayant les meilleures performances techniques tout en

respectant les contraintes de conception du cahier des charges.

Nous allons définir les caractéristiques d’une course du projet Course en Cours :

Le départ est réalisé à l’arrêt

La piste est une longue ligne droite

Piste Course en Cours Départ d’une course

1. Introduction

Parmi les différents circuits/pistes, c’est la piste de dragster qui correspond le plus à celle du

projet Course en Cours. Nous essayerons donc d’imiter les caractéristiques techniques du

dragster.

Départ

Arrivée

Circuit d’Hockenheim Circuit de Monaco Piste de dragster

1. Introduction

Modèle de référence : Les dragsters sont des voitures de courses extrêmement rapides. La

course se déroule en ligne droite comme pour les dragster. Dans cette formation, nous allons

donc essayer de reproduire les qualités techniques d’un dragster.

Maximum de

poids à l’arrière Forme profilée de

la voiture

Roues arrières les

plus large et

grande possible

Roues avant la

plus fine et petite

possible

Grand aileron arrière

Petit aileron avant


l’optimisation:

2. Poids

1. Présentation.

2. Poids.



5. Les frottements.



8. Conclusion.

Dans cette leçon vous en apprendrez plus sur

les effets du poids sur les performances de la

voiture.

2. Poids

Accélération de

la voiture

Masse totale de

la voiture

Somme des forces

extérieures exercées

sur la voiture (forces de

frottements, poids,…)

2. Poids

La masse joue un rôle extrêmement important dans les performances de la voiture. D’après

l’équation fondamental de la dynamique, il faudra donc minimiser au maximum le poids de la

voiture, pour avoir la meilleure accélération.

Sur ce type de course en ligne droite très rapide, 3 secondes en moyenne, l’accélération est

le facteur principal.

Les dragster sont construits pour évoluer en ligne droite et avoir la meilleur accélération

possible, la piste étant très courte (400 mètres) c’est sur ce facteur que les équipes

d’ingénieurs travaillent.

La perte de poids permet également d’augmenter la vitesse maximale du véhicule. Nous

pouvons faire la comparaison entre un char d’assaut et un dragster. A puissance équivalente

P = 940 kW, soit 1500 cheval vapeur, mais avec une masse bien différente.

Le dragster est bien plus rapide que le char à puissance équivalente. Le poids est donc un

facteur important pour la vitesse maximale. Le dragster est tellement allégé, que le seul

système de freinage possible est le parachute.

2. Poids

Masse du char: 50 tonnes Vitesse: 70 km/h

Masse du dragster: 700 kilos Vitesse: 500 km/h

2. Poids

Conclusions et conseils

D’après le règlement 2011/2012, le poids minimum de la voiture est de

650 grammes, nous essayerons donc de nous approcher au maximum

de cette valeur, pour avoir une vitesse et une accélération maximale.

Voiture lourde, mauvaise accélération et vitesse

faible au final

Voiture légère, bonne accélération et vitesse

importante au final

Arr

ivée

Départ

accélération accélération


l’optimisation:

3. Centre de gravité

1. Présentation.

2. Poids.



5. Les frottements.



8. Conclusion.

Dans cette partie, nous parlerons du centre

de gravité de la voiture et de l’intérêt que

nous pouvons avoir à choisir son

emplacement.


Le centre de gravité représente le point d’équilibre de la voiture. Lors d’étude mécanique,

toutes les forces (actions) s’appliquant à la voiture sont référées par rapport au centre de

gravité.

La position du centre de gravité est liée à la répartition de la masse.

Sur le dragster, la masse est essentiellement à l’arrière.

Pourquoi ?

La masse du dragster est essentiellement à l’arrière pour augmenter l’adhérence des roues

motrices. En effet, le poids étant très important sur ces dernières, le contact avec le sol est

plus important et l’adhérence est donc meilleure.

Avant du dragster

extrêmement léger

Tout le poids se

trouve à l’arrière du

dragster.


Sur notre bolide nous essayerons d’imiter cette caractéristique du dragster en déplaçant le centre de gravité

vers l’arrière.

Le moteur devra fournir une puissance assez importante au démarrage pour mettre en mouvement la

voiture (il faut vaincre les forces de frottements statiques cf chapitre 5). Lors de l’accélération de départ, il

va se produire un important déplacement de masse et donc du centre de gravité vers l’arrière de la voiture.

Astuce: pour avoir un centre de gravité à l’arrière de la voiture, vous pouvez faire une voiture plus

légère que les 650 grammes du règlement et rajouter du poids sous l’aileron arrière pour atteindre le

poids minimum et avoir le centre de gravité au maximum à l’arrière.

Sur ce dragster, nous pouvons voir que les constructeur ont rajouté de la masse derrière l’axe des roues,

pour déplacer le centre de gravité vers l’arrière.

Centre de

gravité G

G

Masse à l’arrière

pour déplacer le

centre de gravité

sur la roue

arrière


Conseils et conclusions :

Pour avoir la meilleure accélération, il faudra donc essayer d’avoir le centre de

gravité sur l’arrière de la voiture. De cette manière, nous augmentons le poids

sur les roues motrices et donc l’adhérence des pneus sur le sol.

Sol

Déplacement de la masse vers

l’arrière lors de l’accélération

Masse essentiellement répartie sur les roues arrières.

Mise en route du moteur, accélération

de la voiture.

Le centre de gravité se déplace vers l’arrière. L’appui sur la roue arrière

augmente, la roue adhère mieux au sol et limite le patinage.


l’optimisation:

4. Forme de la voiture

1. Présentation.

2. Poids.



5. Les frottements.



8. Conclusion.

Dans ce chapitre, nous aborderons les bases

de l’aérodynamisme et nous verrons

pourquoi la forme de la voiture et des

ailerons est très importante.


Différents type de frottements interviennent sur la voiture pendant la course : frottement

fluide et solide. Dans cette partie, nous allons parler des forces de frottements fluides qui

ralentissent le bolide.

Tout d’abords, nous allons définir ce qu’est l’aérodynamique : c’est une branche de la

mécanique des fluides, elle étudie la compréhension, l’analyse et les effets de l’air sur les

corps solides en mouvement.

Dans cette section, nous aborderons donc quelques notions d’aérodynamique. Nous

étudierons les différents types d’écoulement, la forme la plus aérodynamique et les différentes

parties de la voiture sur lesquels nous pourrons agir pour optimiser les performances.


L’air qui nous entoure est un fluide comme n’importe quel gaz, et cet air s’écoule différemment selon les surfaces

qu’il rencontre. Nous pouvons symboliser l’écoulement de l’air par des lignes de courant.

Il existe trois types d’écoulement :

L’air a la propriété de ralentir à l’approche d’une surface solide, plus elle s’en approche plus elle va ralentir.

Cette zone où l’air est ralenti se nomme la couche limite.

Ecoulement laminaire Ecoulement turbulent Ecoulement

tourbillonnaire

Les lignes de courants sont

toutes parfaitement rectilignes,

parallèles et vont dans la

même direction.

Les lignes de courants vont

toutes dans la même direction

et sont parallèles.

Les lignes de courants vont

dans toutes les directions,

elles sont désordonnées

Selon la forme du solide en

mouvement, nous pouvons voir

que le type d’écoulement peut

changer radicalement (apparition

de perturbations).

Forme 1 : L’écoulement est

laminaire en chemin puis turbulent

à l’arrivée sur la plaque et enfin

tourbillonnaire derrière la plaque.

Forme 2 : Dans le cas d’une

sphère l’air s’écoule beaucoup plus

facilement mais il reste encore une

légère dépression à l’arrière.

Forme 3 : La forme biseauté offre

une résistance à l’air beaucoup

plus faible.

D’après ces exemples, la forme

biseauté offre la meilleure

pénétration dans l’air.


1

2

3


Nous chercherons à reproduire une forme biseauté sur nos voitures, car dans le cas d’un écoulement

tourbillonnaire, celui-ci va créer une dépression à l’arrière de la surface (dans le cas d’une surface plane par

exemple) et il aura tendance à aspirer la plaque vers l’arrière. Nous souhaitons donc créer le minimum

d’écoulement tourbillonnaire.

La résistance de l’air est assimilée à l’aspiration créée par cette dépression, c’est elle qui crée la force qui

pèse sur la surface.

Sol

Air

Sur cette exemple de voiture, nous pouvons observer que le mouvement

du bolide dans l’air, créé une dépression à l’arrière de la voiture qui la

ralentit. Nous chercherons à créer la voiture la plus aérodynamique

possible, c’est-à-dire une voiture ayant une forme profilée.


Nous essayerons d’optimiser l’aérodynamisme de chaque partie de la voiture :

De cette manière, nous pourrons avoir les meilleures performances techniques. En jouant sur la forme des

différentes parties de la voiture, nous pourrons augmenter l’adhérence au sol et minimiser les pertes par

frottement.

Cockpit

Aileron avant Pontons

Aileron arrière


Lorsque la voiture est en mouvement , différentes forces s’exerçant sur elle :

Le poids, représentant l’action de la pesanteur

La portance qui tend à faire décoller la voiture

La traînée qui s’oppose au mouvement d’un corps dans un liquide ou un gaz : symbolise les forces de

frottements

La poussée est la force exercée par le déplacement de l’air

L’appui aérodynamique qui évolue en fonction de la vitesse et tend à coller la voiture à la piste

Sur la voiture, nous allons :

Minimiser la force de trainée qui ralentit le bolide

Minimiser la force de portance qui à tendance à faire décoller l’objet, dans notre cas nous souhaitons le

contraire, nous voulons que la voiture colle à la piste. Nous étudierons donc les formes de la voiture pour

supprimer cette portance.

Minimiser le poids de la voiture pour avoir la plus faible inertie.

Maximiser la poussée du moteur pour avoir la meilleure accélération

Maximiser l’appui aérodynamique qui permet à la voiture d’avoir une meilleure adhérence

Trainée

Appui Poussée

Portance

Poids


Aileron arrière :

Nous allons tout d’abords étudier l’aileron arrière. Son but est d’appliquer une charge aérodynamique, qui

permettra de maintenir de le bolide au sol, de cette manière nous obtiendrons une meilleure adhérence des

pneumatiques.

L’appui aérodynamique varie en fonction du carré de la vitesse, ainsi si on augmente un tout petit peu la

vitesse on augmente grandement l’appui. Ce qu’il faut comprendre c’est que l’appui aérodynamique

représente une charge fictive appliquée sur la voiture. Elle n’influence en aucune façon son inertie. Ainsi

nous aurons une accélération et une adhérence maximum de la voiture.

Pour créer un appui aérodynamique nous devons choisir la forme de l’aileron approprié. Nous utiliserons le

même principe que les ailes d’avions, mais nous ne chercherons pas à faire décoller la voiture mais à la

plaquer au sol. Pour cela nous choisirons la forme d’une aile d’avion retournée.

Intrados : partie plate

de l’aileron

Extrados : partie

bombée de l’aileron

Lorsque l’aileron va se déplacer dans

l’air, une partie des particules d’air va

passer sous l’aileron (en suivant

l’extrados) et une autre partie va

passer au dessus (en suivant

l’intrados).

Or l’extrados est bombé et la distance

à parcourir est donc plus importante.

Le filet d’air suivant l’extrados va donc

se déplacer plus vite. Un courant d’air

se déplaçant plus vite entraîne une

chute de pression au niveau de

l’extrados. La pression est supérieure

au niveau de l’intrados.

Le résultat est une résultante

aérodynamique vers le bas. La voiture

est donc plaquée au sol par l’aileron.


Chemin prit par les particules d’air

Pression supérieure + + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - - - - - Pression inférieure

1

2

Le chemin 1 est plus court que le chemin 2.

Pour que les particules d’air arrivent en

même temps au bord de fuite, celles

passant par le chemin 2 doivent aller plus

vite.


Pour augmenter encore l’appuis sur l’aileron, nous pourrons légèrement l’incliner.

De cette manière le flux d’air exercera une force appuyant sur l’aileron, nous

pourrons alors augmenter l’appuis sur les roues motrices.

Attention à ne pas trop incliner l’aileron pour ne pas créer une trop grande

résistance à l’avancement.

Flux d’air

Forces poussant

l’aileron vers le

bas

Forces de

résistance à

l’avancement

Nous allons maintenant parler des pontons sur le

côté de la voiture.

Les pontons permettent de guider les flux d’air le long

de la voiture, de cette façon nous minimiserons les

frottements. Si on observe le pneu de côté, on

remarque qu’il offre une grande surface de résistance

à l’avancement.

Sur ces deux exemples, nous allons vous montrer les

erreurs à ne pas commettre lors de la conception du

bolide.

Le ponton numéro 1 ne protège pas le pneu du flux

d’air. Les particules d’air s’engouffre sous le pneu, la

voiture risque de perdre de l’adhérence. De plus le

flux d’air va s’opposer au sens de rotation de la roue

et la ralentir.

Le ponton numéro 2 ne couvre que la moitié du pneu,

mais le flux d’air va dans le sens de rotation de la

roue, il ne ralentira pas.


1

2

Flux d’air

Flux d’air

Erreurs à ne pas commettre

Le pneu vue de côté

offre une surface de

résistance à l’air

rectangulaire


Nous préférerons des pontons faisant passer le flux d’air au-dessus des roues arrières.

Un autre aspect important de l’aérodynamisme de la voiture est son revêtement. Pour avoir la meilleure pénétration

de l’air, il faudra faire attention aux défauts de la carrosserie. Un soin tout particulier doit être apporté au finitions

(ponçage et peintures) pour avoir la voiture la plus rapide possible.

Le ponton dirige le flux d’air au

dessus du pneu, de cette

manière les pneus n’offriront

plus de résistance à l’air.

Pontons avec flux d’air au dessus des roues

Flux d’air

Ponçage Peinture Enduit



Nous avons donc vu l’importance de l’aérodynamisme et son fonctionnement.

Les points à retenir sont :

Avoir une forme de voiture profilée pour la pénétration dans l’air et

minimiser les turbulences

Un aileron arrière bien orienté pour plaquer la voiture au sol

Des pontons faisant passer les flux d’air au-dessus des roues arrières

Un revêtement sur la voiture lisse


l’optimisation:

5. Les frottements

1. Présentation.

2. Poids.



5. Les frottements.



8. Conclusion.

Dans cette section, nous parlerons des

différents type de frottements qui ralentissent

la voiture et nous verrons comment les

limiter.

Frottement solide

Frottement fluide

5. Les frottements

Avant de regarder l’emplacement ou nous avons des

frottements sur la voiture, nous allons dans un premier

temps définir ce phénomène physique.

Le frottement est une force qui s’oppose à la création

d’un mouvement entre deux systèmes en contact. Ils

interviennent dans la majorité des phénomènes

physique de la vie courante (freinage, ski, avion, etc…).

Les frottements ont pour conséquence des pertes

d’énergies et dans notre cas de ralentir la voiture.

Dans une approche simplificatrice, nous étudierons les

deux types de frottement qui interviennent sur la

voiture:

Frottement solide : intervient dans le cas ou

deux solides sont en contact (frein, crayon,

etc…). Dans notre cas, des frottements solide

interviennent sur notre voiture. (voir chapitre 5).

Frottement fluide : intervient dans le cas ou un

solide se déplace dans un fluide (nageur, bateau,

coureur, sous-marin etc…). Dans notre cas, la

voiture se déplace dans le fluide qu’ai l’air. Pour

réduire ces frottements, nous essayerons d’avoir

la voiture la plus aérodynamique possible (voir

chapitre 4).

Zoom

Solide 2

Solide 1

Solide

Air

Air

Turbulence

5. Les frottements

Nous pouvons à présent chercher sur la voiture, l’emplacement des frottements de type solide.

Nous pouvons constater des frottements solides entre:

Chacun de ces frottements entraine des pertes d’énergies par friction qui ralentissent la voiture. Dans cette

partie, nous étudierons les différentes solutions techniques qui nous permettront de réduire les pertes par

frottement.

Frottement de l’air

sur le corps de la

voiture

Frottements entre

les pneus et le sol

Frottement entre

l’axe avant et le

corps de la voiture

Frottement entre le

fil d'Ariane et les

guides de sécurité

5. Les frottements

Petites explications sur les différents type

de frottements solide:

Frottement statique:

Lorsque les surfaces sont immobiles

l'une par rapport à l'autre c'est la force de

frottement statique fs qui intervient. Cette

force dépend du coefficient de frottement

statique.

Frottement cinétique:

Lorsque les surfaces glissent l'une sur

l'autre c'est la force de frottement cinétique

fc qui intervient. Cette force a une valeur

constante. Cette force dépend du

coefficient de frottement cinétique.

Le seul moyen de mettre

en mouvement l'objet est de fournir

une force plus grande que la force

de frottement statique. Dès que

l'objet est en mouvement, nous

devons combattre la force de

frottement cinétique de plus petite

valeur.

Frottement statique > Frottement cinétique

5. Les frottements

Tout d’abords, nous allons parler des frottements existant entre l’axe avant de la voiture et

le corps de cette dernière. Les frottements résultent des contacts entre la surface de l’arbre

(cylindre) et l’alésage dans la voiture en balsa (cylindre). Ces frottements créent une force qui

s’oppose au déplacement de la voiture et la ralentit.

Pour obtenir des performances optimales, ils est nécessaire d’utiliser des systèmes qui

pourront limiter ces frottements. Dans cette quête de performances, nous pourrons utiliser:

Des coussinets

ou

Des roulements

Chacune de ces applications présentent des avantages et des inconvénients différents, qui

permettent de limiter les frottements.

5. Les frottements

Le premier système que nous allons observer est le coussinet.

Son principe est simplement d’associer deux matériaux

présentant de bonnes caractéristiques de glissement entre eux,

et par conséquent de limiter les frottements.

Nous pourrons donc ajouter une pièce (le coussinet) entre

l’arbre en rotation et l’alésage, pour diminuer les frottements. Il

faudra donc choisir un matériau pour le coussinet et un pour

l’axe avant de la voiture, dans le but de maximiser le glissement

entre les deux pièces( faible coefficient de frottement entre les

deux pièces).

La mise en place du coussinet est très simple, il sera monté

serré dans son logement (face extérieure collé dans l’alésage)

et l’axe avant sera laissé libre.

Le fonctionnement se fait parfois à sec si l’environnement

l’exige, ou avec un graissage (de type « onctueux »). Il existe

également, des coussinets auto-lubrifiés, qui une fois installés

libère l’huile qu’il contiennent lors de la rotation de l’arbre et la

réabsorbent une fois à l’arrêt.

On contracte le

coussinet pour le

rentrer dans son

logement et une fois

relâché, le coussinet

se détend et vient se

bloquer dans le

logement.

Coussinet fabriqué par frittage, en

bronze ou alliages ferreux et qui ont la

particularité d’être poreux et de contenir

de l’huile qui permet la lubrification

pendant la rotation.

Critères de choix d’un coussinet:

Coefficient de frottement entre le matériaux de

l’axe et du coussinet

Taille du logement

Diamètre de l’axe

Lubrification

Exemple de solution: L’axe des roues est souvent

en acier, on lui associera un coussinet par exemple

en matière plastique (nylon ou polyéthylène), qui

dans notre cas sera préféré à un coussinet en

bronze plus lourd. Pour diminuer encore les

frottements, nous pourrons effectuer une

lubrification des composants, en créant une fine

couche de lubrifiant entre les deux surfaces en

contact, nous pourrons encore diminuer les forces

de frottements.

Avantages: solution économique et facile à mettre

en œuvre.

Inconvénients: lubrification pas toujours bien

maîtrisée et performances limitées (vitesse et

efforts).

5. Les frottements

Phénomène hydromécanique

5. Les frottements

Il existe un autre système qui permet de supprimer les frottements en les

remplaçant par un roulement.

Par un petit essai, nous pouvons observer les avantages du roulement sur le simple

frottement. Lorsqu’on tire un solide sur des rouleaux (2), sa mise en mouvement

nécessite beaucoup moins de force, par rapport à un solide directement en contact

avec le sol (1). Les frottements sont presque inexistant, la perte d’énergie est donc

limité.

Solide

Sol Sol

Solide

1 Présence de

frottements entre le sol et le solide

Pas de frottements

2

5. Les frottements

Le roulement mécanique permet d’assurer le guidage en

rotation d’un arbre dans un alésage, en remplaçant les

frottements par un roulement. Il existe différents type de

roulement : à billes, à rouleaux cylindriques, à rouleaux

coniques, à aiguilles et à double rangée de billes.

Chaque type de roulement offre des avantages et des

inconvénients différents.

Exemple: roulement à cylindre > supporte de forte

charge radiale.

Le roulement est constitué de quatre éléments: les éléments

roulants (billes, cylindres, aiguilles, cônes, etc…) la cage

(maintien et répartis les éléments roulants à égale distance), la

bague intérieure et la bague extérieure. Nous allons voir

maintenant comment choisir son roulement.

1. Eléments roulants: ici des billes ; 2. Cage: métallique ou plastique ; 3. Bague intérieure ; 4. Bague extérieure ;

4

3

2

1

5. Les frottements

Critères de choix d’un roulement :

Connaître la direction de charge : radiale et/ou axiale. Pour notre

voiture, la direction de charge est purement radiale (poids de la voiture)

et assez faible. Le roulement doit donc pouvoir supporte des charges

radiales.

Vitesse de rotation : La vitesse de rotation est très élevée…. Faire le

calcul ou regarder la plaque à borne du moteur. Le roulement doit donc

pouvoir supporter une rotation élevée.

Diamètre intérieur : doit correspondre au diamètre de l’axe que vous

avez choisit.

Diamètre extérieur : doit correspondre au diamètre du logement du

roulement que vous aurez usiné dans la voiture.

D’après ces critères, les roulements à billes apparaissent comme le

meilleure choix pour notre voiture. Ils permettent une rotation élevée et

supporte les charges combinés.

Roulement

à billes

Avant d’usiner le logement,

regarder les dimensions

standard des roulements.

5. Les frottements

Nous allons voir maintenant comment s’effectue le montage d’un roulement.

Montage des roulements : Les roulements doivent être montés serrés sur l’élément en rotation, dans

notre cas ce sera donc l’axe avant de la voiture. La bague intérieure, devra donc être serrée sur l’axe

avant du bolide et la bague extérieure sera montée glissante dans son logement.

Astuce pour monter les roulements dans leurs logements: mettre le roulement au

congélateur pour rétracter le métal, une fois refroidis l’insérer dans son logement et laisser le

roulement à température ambiante pour que le métal se dilate de nouveau.

Corps de la

voiture

Axe avant de

la voiture en

rotation

Montage arbre tournant

Bagues intérieurs

montés serrés

Bagues extérieurs montées glissantes

5. Les frottements

Exemple de solution: Nous voulons mettre en place un roulement à billes pour limiter les

frottements. D’après le règlement, le diamètre intérieure de la jante officiel est de 3mm, nous

choisirons donc un axe de 3mm de diamètre pour qu’il puisse être encastrée dans la jante. Le

diamètre de la bague intérieure du roulement sera donc de 3mm, pour pouvoir serré le

roulement sur l’axe. Pour le diamètre extérieur, il suffit de regarder les roulements standards,

nous pourrons choisir un diamètre de bague extérieure de 10mm et de largeur 4mm. Sur le

logiciel CATIA, vous pourrez donc créer un emplacement de diamètre 10mm et de profondeur

4mm pour loger le roulement.

Avantages: très économique, remplace le frottement par un roulement et permet une

fréquence de rotation plus élevée ;

Inconvénient: nécessite d’usiner un emplacement pour le roulement dans la voiture ;

5. Les frottements


Dans cette section nous avons observé le système du coussinet et du roulement,

qui permettent de limiter les frottements entre l’axe avant et le corps de la

voiture. Les roulements remplacent le frottement par un roulement, dans notre

cas ils seront donc préférables.


l’optimisation:

6. Adhérence des pneus

1. Présentation.

2. Poids.



5. Les frottements.



8. Conclusion.

Cette partie traitera des effets mécaniques

entre le sol et le pneu. Nous verrons

également comment maximiser l’adhérence

au sol.


Nous allons maintenant parler de l’adhérence des pneus sur la piste. En effet il est

important de prendre en compte ce facteur, lors de l’accélération nous ne

souhaitons pas que les roues arrières patinent sur la piste, nous allons donc choisir

la matière de pneu ayant le coefficient d’adhérence le plus élevé.

Nous verrons également comment choisir la taille et la largeur de ses pneus, à

l’avant et à l’arrière de la voiture pour optimiser au mieux l’adhérence et la vitesse.

Sol

La roue patine

sur place lors

de l’accélération

du démarrage.

La voiture reste

sur place.


Les roues avant

sont plus petites que

les roues arrières et

sont très fines.

Les roues arrières

sont très larges, ont

les pneus lisses et

sont plus grande que

les roues avant.


Avant toute chose, il est très important de respecter les dimensions du règlement Course en

Cours. Les voitures ayant des pneus ou des jantes ne respectant pas les critères se verront

attribuer des points de pénalités.

D’après le règlement 2011/2012 les dimensions minimum et maximum des diamètres et

largeurs des roues sont :

Le règlement impose également un diamètre de jante minimum de 40mm, le pneu avant

pourra donc être épais de 2.5mm maximum et le pneu arrière pourra être épais de 4mm au

minimum et 8mm au maximum.

Dans ce tutoriel nous ferons donc en sorte de rester dans les dimensions permises.

Diamètre (mm) Largeur (mm)

Minimum Maximum Minimum Maximum

Avant 40 50 22 27

Arrière 48 56 26,5 29

Dans un premier temps, nous verrons comment choisir ses

roues arrières.

Les roues arrières sont les roues motrices, c’est elles qui

font avancer la voiture. Nous souhaitons donc avoir la

meilleure adhérence au sol pour éviter le patinage lors de

l’accélération de départ.

Pour augmenter l’adhérence du pneu il faut augmenter sa

surface de contact avec le sol. La zone de contact entre le

pneu et le sol est une ligne, pour augmenter la taille de

cette ligne, il faudra donc augmenter la largeur des roues.

Attention : un pneu lisse offre une plus grande

surface de contact avec le sol, les rainures sur les

pneus des voitures ont pour seul but l’évacuation de

l’eau pour éviter l’aquaplaning et n’ont aucun rôle

dans l’adhérence du pneu.

Pour avoir la plus grande surface de contact pneu/sol, il

faut donc avoir le pneu le plus large possible. Nous

essayerons donc d’avoir un pneu s’approchant au

maximum des 29mm de largeur maximum autorisé par le

règlement 2011/2012.


Surface de contact pneu/sol

Sol

La zone de contact entre le

pneu et le sol est une ligne

Pneu lisse


29 mm

conseillé

56 mm

conseillé

Dimensions conseillées

Les dimensions du pneu choisit, nous pouvons à

présent nous intéresser aux différents matériaux qui

pourront le composer.

Nous souhaitons avoir le coefficient d’adhérence

sol/pneu le plus élevé, pour cela nous pouvons

effectuer des tests entre plusieurs matériaux.

Pour déterminer entre deux matériaux lequel

possède le meilleur coefficient d’adhérence, il

vous suffit de prendre deux solides de forme

identique mais de matière différente. Puis placer

sur une planche les deux matériaux, pencher

progressivement la planche. Le solide qui glisse

le premier possède le moins bon des coefficient

d’adhérence avec la planche.

Dans notre cas, il faudra choisir une planche

avec un revêtement ressemblant à la matière de

la piste officielle, pour déterminer le meilleur

coefficient d’adhérence.


Test permettant de déterminer

le coefficient d’adhérence

Sol

Sol Le solide 2 glisse après le solide 1.

Le solide 2 possède donc un

meilleur coefficient

d’adhérence avec le support

αngle1

αngle2

αngle1 < αngle2


Parmi les différentes matières de pneus existantes, nous pourrons retenir les pneus en gomme, en mousse

compact et en silicone. Les pneumatiques en silicone offre le meilleur coefficient d’adhérence sur la piste

officiel.

Vous pourrez trouver des pneus en gomme et en mousse dans des magasins de modélisme. Les pneus en

gomme sont plus résistant, ils seront préféré pour des utilisations à l’extérieur, les pneus en mousse sont

plus fragiles, ils sont adaptés pour les pistes et offrent un meilleur coefficient d’adhérence. Entre la gomme

et la mousse, nous préférerons cette dernière offrant des caractéristiques adaptées à notre projet.

Parmi ces trois matériaux, le silicone offre le meilleur coefficient d’adhérence à la piste. Ces pneus

nécessite d’être créé par moulage. Pour cela vous pourrez utilisez du silicone et un catalyseur qui permettra

de faire durcir le silicone.

Pneu mousse Pneu gomme Pneu silicone

Maintenant que nous avons vu comment choisir le diamètre, la largeur et la matière des pneus arrières, nous allons voir comment choisir ses roues avants.

Rappel: Nous avons vu dans la répartition du poids de la voiture, que la charge à l’avant doit être minimum.

Nous souhaitons donc avoir les roues les plus légères possible à l’avant. De plus, ces dernières ne sont pas motrice, leurs adhérence n’est donc pas importante, nous souhaitons même minimiser le contact de la roue avec le sol.

Pour cela nous choisirons de préférence la largeur et le diamètre minimum pour la roue avant.

Remarque: Les pneus de forme arrondis offre une surface de contact plus petite et semble donc plus adaptées, mais attention les pneus arrondis on un plus grand diamètre.


Forme du pneu avant

Surface de contact :

une ligne

Surface de contact :

Assimilable à un point

Largeur conseillé :

22mm

Diamètre conseillé :

41mm

Diamètre conseillé :

41mm


Conclusions et conseils :

Pour augmenter l’adhérence des roues motrices, il faut maximiser le contact

sol/pneu : largeur maximum. Il faut également augmenter le rayon de la roue au

maximum, car la vitesse dépend de celui-ci : diamètre maximum. Nous choisirons

la matière du pneu ayant le coefficient d’adhérence le plus élevé sur la piste : pneu

en mousse ou silicone.

Pour les roues avant, on souhaite minimiser le contact avec le sol et avoir les

roues les plus légère possible, pour cela il sera préférable de choisir la largeur

minimum autorisé par le règlement et le diamètre minimum.


l’optimisation:

7. Réglages moteur

1. Présentation.

2. Poids.



5. Les frottements.



8. Conclusion.

Cette section nous expliquera comment

fonctionne le logiciel d’utilisation du moteur

et quelques astuces de programmation pour

maximiser les performances.

Le projet Course en Cours prend un nouveau départ

en 2010, en remplaçant les cartouches à gaz, qui

permettaient la propulsion des voitures. La propulsion

des bolides se fait désormais par l’intermédiaire d’un

moteur électrique qui sera fourni par Renault.

La brochure technique du moteur (dimensions

et caractéristiques techniques) sera fournit.

Le bloc moteur est fourni par Renault dans une

petite mallette contenant: la batterie, le moteur,

le chargeur, le câble de connexion à l’ordinateur

et la notice d’utilisation.

Une mallette sera distribuée pour trois équipes.

Le logiciel permettant de modifier les

paramètres est à télécharger sur le site internet

de Course en Cours.

7. Réglages moteur

Jante officielle

Bloc moteur

Batterie

7. Réglages moteur

Nous allons aborder la partie configuration du logiciel. Le réglage du moteur est très

important, il nous permettra d’avoir les meilleurs performances et d’éviter le

patinage au démarrage.

Attention: Les réglages du moteur dépendent de chaque voiture (poids, matériaux des

roues, forme etc…) et cette partie n’a pas pour but de donner une solution toute faite.

Pour optimiser au maximum les performances de votre voiture, il vous est conseillé de

faire des tests.

Les performances du moteur sont sensiblement équivalentes aux performances

des voitures à cartouche à gaz: temps moyen d’une course 3 secondes. Il faudra

donc trouver un moyen permettant d’accélérer très fort sans que les roues ne

patinent.

7. Réglages moteur

Description du logiciel

5 paliers de réglages de la

puissance du moteur. Ces paliers

permettent de faire varier l’intensité

envoyé dans le moteur (de 0% à

100% de I). Vous pouvez

également faire varier la durée

d’action de chaque palier

Réglage de la distance

de la piste

Diamètre des roues

arrières

Le temps d’alimentation

du moteur (entre 1 et 4

secondes)

Cocher pour

récupérer les réglages

sur le moteur

Envoyer ou récupérer

les réglages sur la

carte du moteur

Niveau de

charge de la

batterie

Sortir du

logiciel

Résultats des

réglages

7. Réglages moteur

Nous allons donc voir comment régler les différentes plages de puissance du moteur, pour

avoir la plus forte accélération au démarrage et limiter le patinage des roues.

Le logiciel nous permet de faire varier cinq paliers contrôlant la puissance délivré au moteur.

En jouant sur ces paliers nous pourront éviter le patinage au démarrage et obtenir des

performances optimales.

Sur cet exemple, nous pouvons voir que mettre la puissance au maximum au démarrage

fait patiner les roues sur le sol. L’accélération de la voiture est quasiment nulle.

Vitesse

(m/s)

Temps (secondes)

Vmax

0

7. Réglages moteur

Pour avoir une accélération optimale, il faut empêcher les roues motrices de patiner. Pour cela

on limite l’intensité du moteur au démarrage, puis par palier progressive on augmente

l’intensité délivrée au moteur. De cette manière, la rotation des roues est contrôlée et le

patinage limité au maximum.

Sur cet exemple nous pouvons voir que la voiture atteint sa vitesse maximale très

rapidement. L’adhérence des roues sur le sol est préservée.

Vitesse (m/s)

Temps (secondes)

Vmax

0

1 sec

7. Réglages moteur


Pour avoir les meilleures performances, il faut donc procéder par palier

progressifs, en augmentant la vitesse à chacun d’eux. La seule manière d’avoir

une configuration optimale est d’effectuer des tests chronométrés sur une piste

semblable à la piste officielle (revêtement plastique très lisse). De cette manière

vous pourrez optimiser aux mieux les différents paliers de vitesse.

• Attention: Les courses sont extrêmement rapides, en moyenne trois

secondes. Il faut donc atteindre la vitesse maximale rapidement.


l’optimisation:

8. Conclusion

1. Présentation.

2. Poids.



5. Les frottements.



8. Conclusion.

Dans cette partie nous résumerons tous les

points à prendre en compte pour avoir les

meilleures performances.

8. Conclusion

Pour conclure, pour avoir la voiture la plus rapide il faut:

Une masse minimale

Un maximum de poids à l’arrière

Une forme profilée

Un aileron arrière bien orienté

Pas de frottements au niveau du train avants

La meilleure adhérence

au sol Un réglage adéquat du moteur

Course en Cours - 78410 AUBERGENVILLE · Ce cours fournit le savoir-faire et les quelques notions...

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