Course en Cours L’optimisation des performances des voitures

1. Course en Cours L’optimisation des performances des voitures

2. Introduction : • Objectifs : • 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). • 2h00

3. 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.

4. 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

5. 1-Présentation • 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

6. 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.

7. 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

8. 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.

9. 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.

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

11. 3-centre de gravité 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.

12. 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.

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

14. 4-formes 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

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

26. 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). 5-Les frottements

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. 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).

32. 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.

33. 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.

34. 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.

35. 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

36. 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 ;

37. 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. 

38. 6-l’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.

40. 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.

41. 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 2012/2013

43. 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.

44. 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.

45. 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.

46. Conclusions et conseils : 

47. 7-réglages moteurs 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.

48. 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.

50. 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