Soutenance mémoire
La suspension sur un véhicule est le terme donné au système composé de ressorts, des amortisseurs et des liaisons mécaniques qui connectent le châssis du véhicule aux roues. Dans l’automobile, les suspensions poursuivent deux objectifs contraires : le confort du passager et la tenue de route du véhicule. Le sol n’étant jamais parfaitement plan, les imperfections font rebondir les roues de façon d’autant plus dangereuse que la vitesse est élevée. En même temps qu’elle assure le confort des passagers, la suspension a donc pour fonction de maintenir aussi constant que possible le contact des roues avec le sol.
L’amortisseur joue le rôle central dans une suspension en répondant à un double objectif : il contraint l’élasticité du ressort de suspension et, par conséquent, limite les mouvements oscillatoires du véhicule (confort) ; d’autre part, il freine le rebond des roues sur les obstacles et maintient celles-ci en contact avec le sol (sécurité).
Les systèmes de suspension classiques, dits passifs, sont jusqu’à nos jours les plus répandus de part leur bas coût et leur conception mécanique relativement simple. Leur fonctionnement consiste à dissiper l’énergie ou à filtrer la transmission des efforts et vibrations de la route vers le véhicule. Cependant, ces systèmes passifs ont atteint leurs limites en termes de performance. En effet, ils nécessitent un compromis entre confort et tenue de route, l’un ne pouvant être optimisé sans dégrader l’autre. De plus, ils répondent favorablement à des sollicitations de la chaussée sur une plage de fréquence restreinte.
Les suspensions dans le monde de l’automobile
Sur un véhicule, la suspension est le système reliant les masses non suspendues (typiquement la roue, les systèmes de freinage, d’entraînement de roue, etc) aux masses suspendues (à savoir le châssis, les passagers et tous les composants du véhicule fixés au châssis). La suspension est un élément essentiel des véhicules de transport terrestre, elle a pour but d’assurer une liaison des roues au sol en toutes circonstances. En absorbant les chocs dus à l’état de la route, elle permet d’augmenter la longévité du moteur et du châssis, en plus d’assurer un confort au conducteur et aux passagers. De plus, elle doit assurer au véhicule une bonne dynamique à la conduite, ceci signifie que son comportement doit être sain en ce qui concerne la liaison au sol et que celui-ci doit réagir conformément aux attentes de son conducteur, notamment dans les phases de virage, freinage et accélération. D’une manière générale, les principaux rôles de la suspension sont définis à travers deux critères : le confort et la tenue de route.
Le confort
Le but premier des suspensions automobiles est d’atténuer les perturbations causées par les imperfections de la route et idéalement d’éliminer les vibrations néfastes pour le véhicule et pour les passagers afin d’assurer un meilleur confort et bien-être des passagers dans le véhicule. Selon l’accélération à laquelle est soumis le passager, ce dernier peut ressentir des malaises. Par exemple, à certaines fréquences, une sensation de malaise due aux vibrations de certains organes du corps humain peut être ressentie. De plus, l’allongement de la durée d’exposition aux vibrations augmente la sensibilité du corps humain [Sammier 01]. Dans ce contexte, afin de quantifier le confort, des normes définissent les seuils de tolérance du corps humain aux vibrations en fonction de l’amplitude, de la fréquence et de la durée des perturbations.
Dans le but de connaître précisément les sollicitations auxquelles sont soumis les véhicules, il convient de connaître les profils des routes qu’ils empruntent. Dans la plupart des études, les simulations et campagnes d’essais sur les suspensions utilisent comme excitation des profils de types sinusoïdaux, triangulaires ou en échelon. Or, un profil de route typique est un signal aléatoire de coordonnée verticale a(x) et s’exprime en fonction de la variable d’espace x en mètres suivant l’axe de déplacement du véhicule . Plusieurs études ont été menées afin de caractériser les différents profils de route empruntée par les véhicules [Wong 93,Tamboli 99,Kropac 05,Türkay 05]. Celles-ci démontrent que l’on peut caractériser la chaussée par l’allure de la densité spectrale de puissance de son profil en coordonnée spatiale, S(Ω) (en m2/(cycle.m−1)) où Ω étant la fréquence spatiale du profil de la route. Si nous considérons a(x) le profil de la route et A(Ω) sa transformée de Fourier, alors on obtient :
S(Ω) = ∣A(Ω)∣² (1.1)
On peut également exprimer cette densité spectrale dans le domaine temporel en introduisant la valeur de la vitesse de déplacement V (en m.s−1) du véhicule le long de ce profil de route. A titre d’exemple, considérons un profil de route sinusoïdal de période spatiale L (m). Sa pulsation spatiale est alors :
Ω(cycle.m⁻¹) = 1/L (1.2)
Pour basculer dans le domaine temporel, il convient alors de prendre en compte la vitesse V de parcours du véhicule sur ce profil. Par conséquent, le véhicule est donc soumis à une sollicitation sinusoïdale de fréquence f telle que :
f(cycle.s⁻¹) = Ω × V (1.3)
Ce type d’étude permet de déterminer les caractéristiques critiques des profils de route telle que la fréquence de vibration. Ensuite, une fois les sollicitations des véhicules connues, on peut s’intéresser à la réponse du corps humain. Dans ce but, de nombreuses études dans le domaine de la biomécanique ont démontré que les fréquences désagréables auxquelles est soumis le corps humain dans un véhicule sont les suivantes [Smith 00] :
● entre 0,1 Hz et 0,65 Hz dans l’axe vertical du buste, on risque un sentiment proche du « mal de mer »
● entre 1 Hz et 2 Hz dans les directions perpendiculaires à l’axe du buste, les sollicitations sont néfastes au niveau du cou, de la nuque et de la tête
● entre 4 Hz et 8 Hz dans l’axe vertical du buste, les sollicitations peuvent provoquer des douleurs au niveau de l’abdomen et du thorax.
Cette dernière plage de fréquence est celle où le corps humain est le plus sensible à des variations d’accélération verticale importantes. Ainsi, de manière générale dans l’industrie automobile, un des objectifs de confort est de réduire l’accélération verticale de la caisse du véhicule dans la bande de fréquence comprise entre 1 Hz et 8 Hz.
Notons que dans certains travaux la dérivée de l’accélération (jerk) est aussi mentionnée comme représentative du confort des passagers [Hrovat 81]. De plus, des études en deux ou trois dimensions ont montré que l’accélération angulaire (tangage et roulis) doit aussi être minimisée. Les fréquences supérieures à 10 Hz sont plus enclines à provoquer les vibrations des pièces de l’habitacle, ce qui a pour effet la génération de bruits. Une partie de ces fréquences est atténuée par des éléments de bushing (ex : blocs silencieux sur le moteur et en tête de la fixation des amortisseurs). Ces caractéristiques des profils de chaussée définissent la plage d’excitation des suspensions et seront utiles en phase de dimensionnement et caractérisation expérimentale de la suspension à concevoir .
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Table des matières
Introduction générale
1 Etat de l’art et problématique
1 Les suspensions dans le monde de l’automobile
1.1 Le confort
1.2 La tenue de route
1.3 Les composants d’une suspension
1.4 Architecture des suspensions courantes
1.5 Les différents modèles de véhicule
1.5.1 Modèle quart de véhicule ou monoroue
1.5.2 Modèle demi-véhicule
1.5.3 Modèle véhicule complet ou 3D
1.6 Les trois types de suspension
1.6.1 Les suspensions passives
1.6.2 Les suspensions actives
1.6.3 Les suspensions semi-actives
2 Les suspensions semi-actives à base de fluides magnétorhéologiques
2.1 Définition et généralités sur les fluides magnétorhéologiques
2.2 Comportement rhéologique
2.3 Modes d’écoulements
2.4 Les amortisseurs magnétorhéologiques
2.4.1 Principe de fonctionnement
2.4.2 Géométrie des amortisseurs magnétorhéologiques
2.5 Modélisations des amortisseurs magnétorhéologiques
2.5.1 Modèle linéaire de Bingham
2.5.2 Modèle de Bingham couplé à un modèle viscoélastique [Gamota 91]
2.5.3 Modèle de Bouc-Wen
2.5.4 Modèle de Bouc-Wen modifié
3 Conclusion partielle et présentation de la problématique
2 Conception et dimensionnement d’un amortisseur MR
1 Objectifs expérimentaux
1.1 Performances requises pour le banc expérimental
1.2 Facteur d’échelle
2 Conception et dimensionnement de l’amortisseur
2.1 Structure de l’amortisseur et mode de fonctionnement
2.2 Génération du champ magnétique
2.3 Optimisation et dimensionnement de l’amortisseur MR
2.3.1 Hypothèses et modélisation
2.3.2 Calcul de la force de l’amortisseur MR
2.3.3 Simplification de l’expression de la force
2.3.4 Équations électromagnétiques de l’amortisseur
2.3.5 Détermination du rapport d’efficacité de l’amortisseur
2.4 Fabrication de l’amortisseur MR
2.4.1 Circuit magnétique
2.4.2 Étanchéité et guidage linéaire du mouvement du piston
2.4.3 Géométrie de compensation du volume
2.4.4 Nombre de Reynolds de l’écoulement
3 Banc de test
3.1 L’actionneur linéaire
3.2 Instrument de mesure de la positon et calcul de la vitesse
3.3 Alimentation électrique de l’amortisseur
3.4 Le bâti
3.5 Implantation d’une suspension automobile à échelle réduite
4 Conclusion partielle
3 Caractérisation et modélisation de l’amortisseur MR
1 Caractérisation en régime statique
1.1 Définition des étapes de caractérisation de l’amortisseur
1.2 Modèle cinématique du banc de test
1.3 Equations du mouvement
1.4 Représentation énergétique macroscopique (REM) du banc de test
1.5 Identification des propriétés électriques
1.6 Identification des frottements des joints
1.7 Caractérisations des forces d’amortissement
1.7.1 Résultats
1.7.2 Description de l’écoulement du fluide MR par rapport au modèle « Plug Flow»
1.7.3 Comparaison avec les résultats de dimensionnement : influence du paramètre empirique
1.7.4 Comparaison par rapport à la modélisation du circuit magnétique
1.7.5 Caractérisation de l’hystérésis magnétique de l’amortisseur
2 Caractérisation dynamique de l’amortisseur
2.1 Résultats et interprétations
2.2 Modélisation en régime dynamique de l’amortisseur
2.2.1 Sensibilité des paramètres du modèle
2.2.2 Adaptation du modèle par rapport aux résultats expérimentaux
2.2.3 Optimisation des paramètres du modèle : cas d’un courant fixé
2.2.4 Optimisation des paramètres du modèle : cas d’un courant non nul
3 Conclusion partielle
4 Commande d’une suspension MR à échelle réduite
1 Etude du mouvement d’une suspension à un degré de liberté
1.1 Rappel théorique sur les systèmes oscillants
1.2 Suspension soumise à une force périodique permanente
2 Caractérisation et modélisation de la suspension MR
2.1 Choix des paramètres de la suspension MR à échelle réduite
2.2 Caractérisation expérimentale de la suspension MR
2.3 Représentation énergétique macroscopique (REM) de la suspension MR
2.4 Identification du modèle de simulation
3 Commande d’une suspension semi-active MR
3.1 Objectifs du contrôle des suspensions en automobile
3.2 Etat de l’art sur le contrôle semi-actif
3.2.1 Contrôle à boucle ouverte
3.2.2 Contrôle Sky-hook
3.2.3 Contrôle Groud-hook
3.2.4 Contrôle par logique floue
3.3 Matériels et moyens utilisés
3.4 Schéma du contrôle automatisé
3.5 Application d’un contrôle Sky-hook
3.6 Application d’un contrôle Sky-hook modifié
3.7 Contrôle par inversion du modèle REM
3.7.1 Structure maximale de commande (SMC)
3.7.2 Chaîne de réglage et inversion
3.7.3 Détermination du correcteur proportionnel
3.7.4 Résultat du contrôle par inversion de la REM
3.8 Etudes comparatives
3.8.1 Comparaisons entre les différentes lois de contrôles
3.8.2 Comparaison simulations/expériences
4 Conclusion partielle
Conclusion
