Etude du comportement statique des systèmes … 2/16 Etude statique des systèmes mécaniques...

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TP S.I.I. Cycle 6 : Etude du comportement

statique des systèmes mécaniques

Lycée Ferdinand

Buisson

Cinématique PTSI

Cycle 6 :

Etude du comportement statique des systèmes

Résolution d’un problème de statique graphique

Compétences : B2, C

Ilot: 02 – DAE

Activités Contenu Compétences

1 Modélisation cinématique B2

2 Etude du modèle de connaissance C

3 Etude du modèle de comportement C

4 Etude du modèle simulé C

5 Analyse des écarts et conclusion C

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Etude statique des systèmes mécaniques

Objectifs à atteindre Résolution d’un problème de statique avec frottement

Volume horaire du module en

présentiel 2h30

Compétences professionnelles

visées

Etre capable :

de comprendre modéliser un système mécanique

de mesurer sur le système des efforts et moments

d’étudier le modèle de connaissance (avec frottements)

analyser les écarts

Bases théoriques Cours statique des systèmes mécaniques

Activités pédagogiques TP

Systèmes mis en œuvre DAE

Logiciels utilisés Solidworks

Le thème de ce module repose sur le système DAE

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MISE EN SITUATION

Le mécanisme de direction assistée électrique de TWINGO est décrit par le schéma suivant. Celui-ci

représente l’implantation sur le véhicule des différents constituants.

1 Colonne de direction 7 Triangle de suspension

2 Moteur électrique 8 Biellette de direction

3 Réducteur 9 Fusée

4 Voyant D.A.E. 10 Amortisseur

5 Prise diagnostic 11 Calculateur D.A.E.

6 Capteur de vitesse

La fonction de la DAE est d’assister le conducteur pour orienter les roues du véhicule, à faible vitesse.

1

2 3 4

5

6

7 8

9

1

1

1

0

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Les exigences principales sont :

Id1 Assister le conducteur pour orienter les roues, à faible vitesse.

Id2 S’adapter à la voiture.

Id3 S’adapter à l’énergie.

On donne ci dessous le Bdd et l’Ibd :

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02 - DAE Activité Contenu

1 Modélisation cinématique du système

Acteur Groupe

ANALYSE DU COMPORTEMENT DES PIVOTS DE ROUE

L’objectif de cette partie est d’analyser l’action mécanique transmise par les pivots de roue, et de vérifier

que les résultats sont en accord avec le comportement réel des roues sur le sol pour une voiture.

L’action de la route sur le pneu est simulée par un mécanisme de pivot de roue. Ce mécanisme est constitué

d’un levier de pivot et d’un limiteur de pivot déformable.

Mécanisme de pivot de roue permettant

de simuler l’action de la route sur le pneu.

Schéma bloc de la transmission de puissance :

Levier de pivot

Biellette de direction

Limiteur de pivot déformable

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Les limiteurs de couple mis en place sur la DAE simulent le frottement roue/sol. Plus on les serre plus il sera

difficile au conducteur de tourner son volant, simulant ainsi un frottement important roue/sol.

Ces limiteurs sont décrits par le schéma technologique suivant. Il s’agit d’un empilage de rondelle belleville,

créant, sous l’action d’un effort presseur issu du serrage de l’écrou, une compression des rondelles et un

freinage de la pivot de roue.

Question 1 :

- Analyser l’architecture des pivots de roue en démontant le limiteur de couple GAUCHE avec la

clé à ergot. Observer les pièces et leur montage. (Attention, les rondelles de frottement bellevilles noires sont très fragiles)

- Préciser succintement le rôle et le fonctionnement du limiteur.

- Serrer avec la clé le pivot de roue gauche.

- Tourner lentement le volant dans tous les sens et observer le comportement des pivots de roues

au niveau de la zone de frottement. Vérifier la présence de 2 phases durant cette rotation que vous

expliquerez.

Décrire le comportement des pivots de roues. Préciser notamment les pièces qui bougent, les

pièces qui se déforment, les pièces qui frottent entre elles et les pièces fixes. Utiliser un croquis

du mécanisme si besoin.

Question 2 : Préciser ou se trouve le capteur qui mesure le couple au niveau des roues, son type et

donner succinctement le principe physique correspondant.

Question 3 : Situer sur la station le capteur permettant de mesurer l’angle de

rotation du pivot de roue, préciser son type et succinctement le

principe physique correspondant.

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Modélisation du système de direction

Question 4 :

Compléter le graphe des liaisons ci-après et analyser la modélisation du système de direction en vue d’une

étude qui permettra de relier le couple au volant aux actions résistantes exercées par les pivots de roue.

Hypothèses préalables à une étude de statique :

solides indéformables

solides géométriquement parfaits

liaisons sans jeux

contacts maintenus

problème statiquement plan

Liaison pivot D z ' ,

Liaison pigon

crémaillère

F x ,

1

Liaison pivot E z ,

Liaison pivot D z ,

Liaison glissière A x ,

Liaison rotule B z ,

Liaison rotule B z ' ,

Liaison rotule C z ,

Liaison rotule C z ' ,

2 3 4

5 6

1

7

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A B

C

D

B'

C'

D'

E

F 20°

1 2

3 4

5

6

7

x1

y1 z x

y


2 Etude du modèle comportemental – statique des pivots de roues

Acteur Expérimentateur

Question 5 :

L’objectif du protocole de mesure est de vérifier le comportement annoncé d’un pivot de roue en Q3. Serrer

le limiteur que légèrement et à l’aide du logiciel DAE, faire une acquisition dans la zone ou la direction

force le plus (proche de la butée).

Noter la valeur du couple à la roue gauche.

Refaire une acquisition en serrant cette fois ci au maximum le limiteur de couple. Commenter l’écart obtenu

avec l’essai quasi sans serrage. Pourquoi l’écart est si faible ? d’où peut venir le problème ?

Ps : normalement avec un serrage moyen du limiteur comme vous l’avez fait, le couple est de 25N.m (la plage de serrage du

limiteur est comprise entre 15 et 75N.m)

Manipulation :

- Allumer l’ordinateur

- Mettre la station DAE (bouton vert à droite de la console) sous tension et lancer le logiciel DAE sur l’ordinateur.

- Tourner la clef de contact pour avoir l’assistance.

- Mettre à zéro le bouton d’assistance sur la console de mesure.

- Cliquer sur « Mesures » et « Initialiser » .

- Sur la station, tourner le volant tout doucement et régulièrement sur la gauche jusqu'en butée pour atteindre les

10s, et après relâcher le pour le laisser revenir tout seul à l’équilibre.

La mesure se lance après appui sur le bouton « Départ » de la console de mesure, et dure 10 s.

- Une fois le message « importation des résultats terminée », fermer la fenêtre de mesure et cliquer sur « Courbes »

.

- Tracer en abscisse la rotation de la roue gauche et en ordonnée celle le couple sur la roue

gauche .

4 3

G

E

C A D

F

1

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Comportement global de la station

Données du constructeur

La courbe du constructeur donnée en annexe 1, relative à la Twingo, représente le couple au volant en

fonction de son angle de rotation pour un véhicule à l’arrêt sur sol sec très adhérent.

Question 6 :

Etablir le protocole de mesure permettant de vérifier les données ci-dessus (couples roues : DAEV et

Direction manuelle). Réaliser les mesures correspondantes. Observer la différence de couple ressentie au

volant avec et sans assistance (dans la zone proche butée). On va démontrer qu’il y a un rapport d’environ 2.

Situer sur la station les 2 capteurs permettant de mesurer les grandeurs utilisées, préciser leur type et

succinctement le principe physique correspondant (cf annexe fin TP).

Sur le logiciel de mesure DAE, mettre en ordonnée le couple au volant et en abscisse la rotation de la roue,

Conclure.

Retrouve-t-on une courbe similaire à celle du constructeur ?

En utilisant les lois du frottement de Coulomb et la déformation du limiteur de pivot, commenter et

expliquer les courbes expérimentales obtenues (2 zones).

Allure du couple résistant en fonction de

l’angle de rotation du pivot de roue

Question 7 :

Refaire un essai pour afficher (sur le même graphique) le couple au volant en fonction de la rotation des

roues :

Avec assistance (<70km/h)

Sans assistance (>70 km/h)

Commenter le tracé obtenu.

Quel est le rapport des couples mesurés.

Comparer le avec le rapport préconisé du constructeur (r=2.6)

Couple résistant

Angle du pivot de roue

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3 Etude du modèle de connaissance – frottement roue/sol

Acteur Pilote de projet

SIMULATION ANALYTIQUE DES PERFORMANCES STATIQUES

Le travail sera effectué sur le document joint en annexe (modèle géométrique du mécanisme).

Connaissant le couple résistant au niveau des pivots de roues (25N.m valeur constructeur prise en compte

pour cette étude correspondant à un contact roue/sol à frottement moyen), le but de cette étude est de

déterminer graphiquement l’effort au volant pour la position donnée du mécanisme.

La résistance au pivotement des roues simulée sur la station DAE par les deux pivots freinés sera modélisée

par les couples :

D

Drouesol C

0C

avec CD = 25 Nm

'D'Drouesol C

0C

avec CD’ = 25 Nm

L'effort à appliquer sur le pignon 7 pour maintenir l'ensemble de la crémaillère en équilibre sera modélisé

par le couple inconnu :

volvol C

0C

avec Nm?Cvol

On suppose le mécanisme de direction en position centrée (angle de rotation du volant à ‘0’), l’axe du volant

étant considéré comme normal au plan d’étude. L’ensemble pignon - crémaillère est alors considéré comme

étant à denture droite (angle de pression de 20°).

Question 8 :

A l’aide d’une étude de statique graphique, déterminer l’intensité du couple exercé sur le volant.

Pour cela vous ferez les isolements successifs suivants : {3}, {4}, {5}, {6}, {3}, {4}, {2}, {1}

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4 Etude du modèle simulé – solidworks

Acteur Modélisateur

Ouvrir le modèle « DAE étude géométrique » dans le fichier « DAE modele méca 3d »

Question 9 :

Vérifier dans méca 3D que les liaisons modélisées sont bien celles déterminées dans la partie modélisation

cinématique.

Vérifier que les 2 couples résistants (onglet « efforts ») constants de 25N.m ont bien été paramétrés sur les 2

roues.

Lancer la simulation et analyser donnant la courbe montrant l’évolution de la valeur du couple au volant.

Noter la valeur obtenue par simulation.

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5 Analyse des écarts et conclusion

Acteur Groupe

SYNTHESE

Question 10 :

Comparer les valeurs mesurées du couple au volant (avec 25N.M de résistance sur les roues) :

Par expérimentation,

Théorique

Simulé

Expliquer l’origine de leurs éventuelles différences.

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ANNEXE

Constituants de la DAE

Adapter l'énergie

Assister la manoeuvre

Transformer le mouvement

Adapter l'effort

Comparer consigne rotation volant avec

rotation roues ()

Mesurer () ou couple associé C = k

Mesurer vitesse véhicule V

Traiter et V

Gérer énergie électrique

Commander moteur

Transformer énergie

Adapter énergie

Assurer sécurité

Désaccoupler moto-réducteur

Limiter échauffement du moteur

Crémaillère, Biellettes, Pivots de roue

Volant, Colonne + Pignon,

DAEV

Barre de torsion

Capteur de rotation ou

de couple

Capteur de vitesse

Calculateur

Moteur électrique

Réducteur

Embrayage

Calculateur

Fonctions Solutions techniques Pourquoi ? Comment ?

ASSISTER LE CONDUCTEUR

POUR ORIENTER LES ROUES

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Modèle géométrique du mécanisme

Couple de la route sur la roue gauche

Couple de la route sur la roue droite

A

B C

D E

F G

1

2

3 4 5 6

x

y

Direction de 12F

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