Véhicule du futur et son environnement

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Description du véhicule et de son environnement

Un véhicule est un ensemble de corps reliés entre eux par plusieurs liaisons visant d’une part à assurer le mouvement du châssis mais aussi le confort des passagers qu’il transporte. Il est composé d’un châssis, et d’un système de liaison au sol comprenant : les pneumatiques, les roues, les trains et les suspensions. La dynamique du système de direction n’est pas pris en compte et l’angle au volant est directement appliqué aux roues. (Baffet 2007), (Glaser 2004), (Raharijona 2004), (Venture 2003), (Sentouh 2007) et (Nehaoua 2008).

La caisse ou châssis

C’est la structure métallique externe qui supporte et rigidifie tous les éléments constituant un véhicule terrestre. Elle contient l’habitacle, le groupe moteur, le système de commande pilote : pédales, volant, levier de vitesse… Cet ensemble constitue la masse suspendue. Dans cette étude, le châssis est modélisé par un corps rigide, ce qui permet de limiter l’étude de flexibilités aux suspensions et aux pneus (Deutcsh 1970).
Dans la suite, les définitions d’angle et de position correspondent à un véhicule à l’arrêt ou en mouvement sur un sol plan horizontal.
Soit Rf un repère lié au sol d’axes (xf, yf, zf) dont l’axe zf est vertical et orienté vers le haut. Les axes xf et yf constituent avec zf un trièdre direct.
Soit RG un repère d’origine G, le centre de gravité du véhicule. L’axe xG est orienté positif longitudinalement dans le sens de l’avance, l’axe yG est orienté positif vers la gauche et l’axe zG est orienté positif verticalement pour former une base directe.
Les mouvements de la caisse RG par rapport au sol Rf, dans les trois directions, se caractérisent par la situation d’un repère lié à la caisse par rapport à un repère lié au sol avec les six degrés de liberté : l’avance suivant l’axe longitudinal, le ballant suivant l’axe transversal et le pompage suivant l’axe vertical et trois rotations : le roulis autour de l’axe longitudinal, le tangage autour de l’axe transversal et le lacet autour de l’axe vertical.
Les efforts principaux qui agissent sur la caisse sont :
Les efforts d’interaction roues/sol, transmis à la caisse par le système de liaison au sol
Les efforts aérodynamiques d’interaction du véhicule avec l’air qui sont principalement appliqués dans la direction longitudinale sauf en cas de vent latéral.

Les trains

Le train avant est l’ensemble des organes mécaniques d’un véhicule assurant la suspension et la direction des roues avant et le train arrière est l’ensemble des organes qui assurent la suspension et le guidage des roues arrière. Les trains sont caractérisés par leur cinématique et par leur élastocinématique. La cinématique détermine la position et l’orientation de la roue par rapport au sol, ce qui conditionne l’effort d’interaction roue/sol. L’élastocinématique détermine la position et l’orientation du châssis par rapport au train, et elle est assurée par des cales élastiques de liaisons (Brossard 2006).

L’essieu

C’est l’ensemble des organes qui relient la roue au train à l’exception des éléments de directions et de suspensions. L’essieu assure la compatibilité avec l’environnement physique, les performances attendues et la sécurité d’utilisation.

Les suspensions

La suspension est l’ensemble qui assure la liaison entre la roue et la caisse (Figure 1.21). Elle porte le véhicule, assure le contact entre les pneus et le sol, et isole le châssis des perturbations générées à l’interface roue-sol. Son rôle est d’assurer la bonne tenue de route et le confort des passagers en éliminant les fréquences de vibrations indésirables.
On appelle débattement, les déplacements des centres de roue par rapport à la caisse suivant l’axe vertical.
On représente la partie « élastique et amortisseur » de la suspension par un système composé d’un ressort de raideur ki et d’un amortisseur de coefficient d’amortissement (ou coefficient de frottement visqueux) Fvi et d’un frottement sec Fsi . Le schéma d’une suspension est donné par la figure 1.20 .
La barre anti-roulis est un dispositif de couplage élastique des débattements des roues d’un même train qui augmente la rigidité en roulis de la suspension du véhicule (Figure 1.22). Ce dispositif permet de générer des couples qui s’opposent au roulis du véhicule.

Direction, angle de braquage, pince, voie et empattement

La direction se compose du volant, de la colonne de direction et de la crémaillère qui transforme la rotation du volant en une translation afin de faire tourner les roues directrices.
Le braquage δi, est l’angle de rotation des roues avant autour de leurs axes verticaux. Il est dû principalement à l’action du conducteur sur le volant (Figure 1.24).
La pince est l’angle de rotation des roues arrière autour de leurs axes verticaux. Cet angle est dû uniquement à la cinématique et à l’élastocinématique des trains (Figure 1.24).
La voie est la distance entre les deux roues d’un même essieu (Figure 1.23).
L’empattement est la distance entre les deux roues d’un même coté (Figure 1.25).

Carrossage et angle de chasse

Lorsque la voiture est soulevée ou enfoncée, les plans de la roue ne restent pas perpendiculaires à celui de la route : le véhicule prend du carrossage. C’est l’angle ρi (Figure 1.26 & Figure 1.27) formé par l’axe d’inclinaison de la roue (donnée par la fusée ou le porte moyeu) par rapport à l’horizontale. Cette inclinaison a plusieurs rôles :
Permettre au poids du véhicule de reposer aussi près que possible de la base de la fusée pour diminuer le porte à faux (déport)
Permettre de garder les roues perpendiculaires au sol sur route bombée
Aider l’inclinaison des pivots à faire coïncider l’axe des pivots et le point de contact du pneumatique au sol (diminution du déport qui provoque un couple nuisible)
Un carrossage est négatif (Figure 1.27) lorsque le hauts des roues s’écartent et il est positif lorsqu’ils se rapprochent (Figure 1.26).
Une roue directrice s’oriente suivant un axe de pivotement incliné par rapport à la verticale vers l’arrière ou l’avant du véhicule et forme l’angle de chasse chai. La chasse donne la stabilité aux roues directrices et améliore les sensations au volant (Figure 1.28).

Le pneumatique et torseur d’effort

Le pneumatique est l’élément physique du véhicule en interaction avec le sol. Il doit assurer la sécurité d’utilisation et l’agrément de conduite.
La surface de contact du pneu avec le sol est appelée aire de contact. Elle peut être représentée sous forme rectangulaire et caractérisée par le coefficient d’adhérence noté μ qui varie entre 0 et 1. Une adhérence totale ou proche de 1 correspond à l’absence de glissement entre le pneu et le sol. C’est le cas d’une chaussée sèche avec de bon pneumatique. Une adhérence entre 0.5 et 0.6 peut être due à une chaussée humide ou légèrement mouillée. Une chaussée verglacée correspond à une adhérence < 0.3.

Description du véhicule et de son environnement

La contribution du pneumatique dans l’agrément de conduite est fondamentale. Il doit être capable de filtrer les perturbations extérieures, absorber les irrégularités de la route pour assurer le confort des passagers. Leurs caractéristiques sont fournies généralement par le constructeur, et peuvent être déterminées à l’aide d’un banc de caractérisation de pneumatique « MTS flattrac » (MTS 1999).
Il existe plusieurs types de pneus qui répondent à des conditions d’utilisation et des caractéristiques désirées (Figure 1.29).
La répartition du torseur dynamique sur les roues se traduit par un « transfert de charge » par rapport à la répartition à l’arrêt. En conditions dynamiques, la charge peut être transférée aux roues avant pendant le freinage, vers les roues arrière pendant l’accélération, et d’un coté à l’autre pendant la prise d’un virage. La connaissance de la répartition non homogène de l’effet de la masse totale du véhicule sur chaque pneumatique est une étape importante pour analyser le comportement dynamique du véhicule.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 Véhicule du futur et son environnement
1. Véhicules étroits
2. Description du véhicule et de son environnement
2.1. La caisse ou châssis
2.2. Les trains
2.3. L’essieu
2.4. Les suspensions
2.5. Direction, angle de braquage, pince, voie et empattement
2.6. Carrossage et angle de chasse
2.7. Le pneumatique et torseur d’effort
2.7.1. Transfert de charge et force normale
2.7.2. Le frottement de Coulomb
2.7.3. Glissement entre le pneumatique et la chaussée
2.7.4. Modèle d’efforts de Coulomb/Burckhardt/Kiencke de type exponentiel
2.7.5. Modèle de Pacejka
2.7.6. Moment de renversement
2.7.7. Moment de résistance au roulement
2.8. Forces aérodynamiques
3. Simulateur
3.1. Drive (Sate-italy)
3.2. TruckSim, CarSim & BikeSim
3.3. Carmaker
3.4. ASM Vehicle Dynamics Simulation Package
3.5. Ve-DYNA
3.6. VDL (Dymola)
3.7. Civitec
3.8. RaceSim (DATAS)
3.9. SCANeR-OKTAL
4. Discussion et Conclusion
Chapitre 2 Modélisation robotique
1. Système multi-corps et DHM
2. Système à base fixe
2.1. Système mécanique à structure arborescente
2.2. Système mécanique à structure fermée
2.3. Modèle géométrique direct (MGD) des structures arborescentes
2.4. Modèle géométrique direct (MGD) des structures fermées
2.5. Modèle cinématique des robots à structure arborescentes et fermées
2.6. Modèle dynamique d’une structure arborescente
2.6.1. Le formalisme de Lagrange
2.6.2. Paramètres inertiels
2.6.3. Newton d’Euler
2.7. Modèle dynamique direct (MDD) d’une structure arborescente
2.8. Modèle dynamique inverse (MDI) d’une structure fermée
2.9. Modèle dynamique direct (MDD) des structures fermées
3. Structure à base mobile
3.1. Repère route
3.2. Matrice de transformation entre la base et le repère galiléen
3.3. Représentation de la base
3.3.1. Méthode 1 : Porteur spatial
3.3.2. Méthode 2 : Modèle Eulérien
3.4. Modèle dynamique
3.5. Modèle mixte de variables Euler -Lagrange
3.6. Calcul des Matrices A et H à partir de Newton-Euler
3.7. Récapitulatif de la méthodologie
4. Application : Modèle bicyclette 3ddl
4.1. Modélisation
4.2. Simulation
4.2.1. Essai en virage
5. Conclusion
Chapitre 3 Modèle 2 roues avec suspension et modèle 4 roues avec suspensions
1. Modèle 2 roues avec suspensions
1.1. Hypothèses simplificatrices
1.2. Modélisation globale du véhicule
1.3. Efforts Extérieurs
1.4. Paramètres dynamiques
1.5. Contraintes cinématiques verticales
1.6. Modèle dynamique
2. Simulateur
2.1. Architecture globale du simulateur
2.2. Architecture du scénario pour les essais en simulation
2.3. Essais en simulation du modèle 2 roues à 11ddl
2.3.1. Accélération en ligne droite
2.3.2. Essai en virage
3. Modèle 4 roues 16 ddl
3.1. Modélisation globale du véhicule
3.2. Efforts Extérieurs
3.3. Paramètres dynamiques
3.4. Contraintes cinématiques verticales
3.5. Modèle dynamique
4. Essais en simulation du modèle 4 roues à 16ddl
4.1. Essai en virage
4.2. Prise en compte de la barre anti-roulis
4.3. Cohérence des modèles 11 ddl et 16 ddl
5. Conclusion
Chapitre 4 Véhicule étroit inclinable : SMERA
1. Description Générale et Caractéristiques de la SMERA
1.1. Principe d’inclinaison
2. Modèle géométrique de la Smera
2.1. Train arrière
2.2. Train avant
2.2.1. Demi-train gauche
2.2.2. Demi-train droit
2.2.3. Modèle articulaire du train avant
3. Modèle cinématique de la Smera
3.1. Train arrière
3.1.1. Demi -train arrière gauche
3.1.2. Demi -train arrière droit
3.1.3. Relations entre les vitesses et les accélérations du train arrière
3.1.4. Relations entre les vitesses et les accélérations du train avant
3.1.5. Demi-train avant gauche
3.1.6. Demi-train avant droit
3.1.7. Train avant
3.2. Relation matricielles cinématique entre les variable dépendantes et indépendantes
3.3. Paramètres dynamiques
3.4. Efforts Extérieurs
3.5. Contraintes cinématiques verticales
3.6. Modèle dynamique
4. Essai de simulation
4.1. Essai en freinage rectiligne
4.2. Essai en virage
4.3. Comparaison des modèles 11ddl et Smera
5. Conclusion
Conclusion et perspectives
Références bibliographiques
A. Annexe : Paramètres de base
Calcul des paramètres de base en utilisant le modèle dynamique
Calcul des paramètres de base en utilisant l’énergie
B. Annexe : Algorithme de calcul numérique du modèle géométrique inverse
C. Annexe : Paramètres Symoro+ modèles 11 ddl, 16 ddl et Smera

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