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
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9
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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
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A B
C
D
B'
C'
D'
E
F 20°
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3 4
5
6
7
x1
y1 z x
y
02 - DAE Activité Contenu
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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02 - DAE Activité Contenu
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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02 - DAE Activité Contenu
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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02 - DAE Activité Contenu
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