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
Voici les différentes leçons sur
l’optimisation:
2. Poids
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 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
Voici les différentes leçons sur
l’optimisation:
3. Centre de gravité
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 partie, nous parlerons du centre
de gravité de la voiture et de l’intérêt que
nous pouvons avoir à choisir son
emplacement.
3. 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.
Avant du dragster
extrêmement léger
Tout le poids se
trouve à l’arrière du
dragster.
3. Centre de gravité
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
3. Centre de gravité
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.
Voici les différentes leçons sur
l’optimisation:
4. Forme de la voiture
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 ce chapitre, nous aborderons les bases
de l’aérodynamisme et nous verrons
pourquoi la forme de la voiture et des
ailerons est très importante.
4. Forme de la voiture
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. Forme 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.
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.
4. Forme de la voiture
1
2
3
4. Forme de la voiture
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.
4. Forme de la voiture
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
4. Forme de la voiture
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
4. Forme de la voiture
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.
4. Forme de la voiture
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.
4. Forme de la voiture
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.
4. Forme de la voiture
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
4. Forme de la voiture
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
4. Forme de la voiture
Conclusions et conseils
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
Voici les différentes leçons sur
l’optimisation:
5. Les frottements
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 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
Conclusions et conseils
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.
Voici les différentes leçons sur
l’optimisation:
6. Adhérence des pneus
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.
Cette partie traitera des effets mécaniques
entre le sol et le pneu. Nous verrons
également comment maximiser l’adhérence
au sol.
6. Adhérence des pneus
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.
6. Adhérence des pneus
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.
6. 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 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.
6. Adhérence des pneus
Surface de contact pneu/sol
Sol
La zone de contact entre le
pneu et le sol est une ligne
Pneu lisse
6. Adhérence des pneus
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.
6. Adhérence des pneus
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
6. Adhérence des pneus
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.
6. Adhérence des pneus
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
6. Adhérence des pneus
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.
Voici les différentes leçons sur
l’optimisation:
7. Réglages moteur
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.
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
Conclusions et conseils
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.
Voici les différentes leçons sur
l’optimisation:
8. Conclusion
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 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
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