Course en Cours L’optimisation des performances des voitures

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

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

1-Présentation

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

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.

2-Poids

Conclusions et conseils D’après le règlement 2012/2013, le poids de la voiture est de

Centre de gravité 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.

3-centre de gravité

Conseils et conclusions : Pour avoir la meilleure accélération, il faudra

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.

4-formes de la voiture

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.

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

Selon la forme du solide en mouvement, nous pouvons voir que le type d’écoulement peut changer radicalement (apparition de

perturbations).

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.

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

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

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.

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.

Conclusions et conseils Nous avons donc vu l’importance de l’aérodynamisme et son fonctionnement. Les points à retenir sont :

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

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.

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.

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.

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

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.

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.

6-l’adhérence des pneus

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 2012/2013 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.

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

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.

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.

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

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.

7-réglages moteurs

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.