1. État de l'art
1.4. Besoin industriel
En raison de la complexité des phénomènes qui entrent en jeux dans le fonctionnement d’une liaison au sol et des différents critères d’appréciation de sa qualité, les outils de simulation numériques sont devenus indispensables pour toute étude de conception. Depuis l’apparition des outils de simulation multicorps, l’industrie automobile en a été le principal utilisateur [Blu99].
Des logiciels spécialisés ont fait leur apparition pour traiter les problèmes spécifiques liés à la conception des liaisons au sol. Afin de pouvoir simuler de manière la plus réaliste possible la dynamique du véhicule, les modèles sont devenus très complexes. Il est ainsi possible de prendre en compte (entre autres) le comportement élastique des pièces métalliques et le comportement non linéaire des liaisons élastiques.
Avant de pouvoir utiliser les modèles élastocinématiques pour le développement de nouvelles solutions techniques ou l’amélioration de solutions existantes, il est nécessaire de vérifier la qualité de ces modèles. C’est pourquoi les modèles d’étude sont définis à partir de véhicules existants. Il est alors nécessaire d’établir les paramètres géométriques (dimensions des pièces) et les paramètres de rigidités nécessaires à la définition du modèle. Lorsque l’on ne connaît pas à priori les paramètres de conception de l’essieu, il est nécessaire de le démonter et de caractériser chaque élément indépendamment.
Les dimensions fonctionnelles des pièces sont mesurées à l’aide de machines à mesurer tridimensionnelles (MMT). Les MMT employés pour ces mesures sont généralement des machines portables de type bras de mesure. Une photographie de ce type de machine est reproduite dans la figure 1.21. D’une précision inférieure aux MMT classiques de type portique, les bras de mesure sont appréciées pour leur souplesse d’emploi et leur volume de travail important. Ils peuvent facilement être déplacés et servir à réaliser des mesures directement sur les véhicules. Ces bras de mesures peuvent aussi être dotés de scanner laser 3D afin de numériser complètement la géométrie de pièces pour des travaux de rétro ingénierie. Il apparaît cependant que ces scanners sont insuffisamment précis et peu adapté à la mesure de cotes fonctionnelles [JMO06].
Chapitre 1. État de l'art Pour caractériser la précision d’une machine à mesurer tridimensionnelle portable du type bras de mesure, plusieurs protocoles sont utilisés. Les trois protocoles principaux les plus souvent utilisés dans les documentations techniques des constructeurs sont :
(1) Points sur sphère : avec le palpeur du bras de mesure, des centaines de points sont mesurés sur une sphère. Les points sont pris en utilisant des postures variées du bras de mesure. Le centre de la sphère est calculé à partir de cet ensemble de points. La précision est analysée comme l’intervalle à 2 σ des longueurs entre le centre calculé de la sphère et les points de mesure. σ représente ici l’écart type des distances entre les points de mesure et le centre de la sphère. Cette méthode d'essai est typiquement employée pour la comparaison entre machines de mesure et n'est pas recommandée pour déterminer la répétabilité du bras de mesure.
(2) Points dans cône : le palpeur du bras de mesure est placé dans un logement conique et différents points sont mesurés à partir des directions d'approche variées. La précision est interprétée comme l’intervalle à 2 σ des distances entre chaque point de mesure et le point moyen sur l’ensemble de mesures. Cet essai est la méthode la plus reconnue pour déterminer la répétabilité articulaire de la machine de mesure.
(3) Précision de longueur volumétrique : est déterminée en employant des accessoires de longueur calibrée, qui sont mesurés à divers endroits et pour différentes orientations dans tout le volume de travail du bras de mesure. Cet essai est le plus représentatif de la précision utile d’un bras de mesure pour des applications pratiques.
figure 1.21. Machine a mesurer tridimensionnelle portable [Rom06].
Pour déterminer les rigidités des liaisons élastiques, il faut réaliser des tests de traction et de torsion sur des bancs de mesure spécifiques [KWH03]. De la même manière, les ressorts et amortisseurs doivent être testés afin d’établir précisément leur comportement.
Le démontage et la mesure des ces paramètres ainsi que la définition du modèle élastocinématique correspondant est un travail long [Blu99]. Nous avons vu précédemment que le comportement d’un essieu est caractérisé par ses épures. La qualité d’un modèle élastocinématique est donc jugée sur la comparaison des épures de l’essieu réel avec celles obtenues par simulation.
Chapitre 1. État de l'art Afin d’établir ces épures pour un essieu réel, un banc de caractérisation spécifique, appelé banc Kinematic & Compliance (K&C) est employé. La figure 1.22 reproduit une photo du banc K&C [MTS01]. Le châssis du véhicule est solidarisé au bâti du banc a l’aide de brides et de tirants croisés. Sous les deux roues de l’essieu sont disposés des plaques qui reproduisent le contact roue-sol. Ces plaques sont asservies selon six degrés de liberté en position et en effort grâce à un ensemble d’actionneurs. Il est ainsi possible de reproduire tout type de cas de chargement. Le banc est équipé d’un système de mesure en continu des déplacements de la roue. Les épures sont alors obtenues en imposant un déplacement vertical à la roue et en observant les translations et les rotations induites. Il est aussi possible d’observer le comportement de la roue lorsque des efforts latéraux ou longitudinaux sont imposés, ou lorsqu’un mouvement de roulis pur est imposé (débattement opposé entre roue droite et roue gauche).
figure 1.22. Banc de caractérisation "Kinematic & Compliance" [MTS01] Malgré la connaissance par mesure des paramètres géométriques et des paramètres de rigidité, il apparaît dans la plupart des cas un manque de corrélation entre le modèle élastocinématique et l’essieu réel [OBP98] [TEW02]. A l’origine de ces différences, il y a les incertitudes liées aux jeux nécessaires à l’assemblage du mécanisme et le comportement complexe des liaisons élastiques qui ne peut être totalement modélisé par les logiciels de simulation multicorps, notamment pour des cas de charge combinés [Gan02]. Un travail d’identification est alors nécessaire pour obtenir un modèle satisfaisant.
Cependant, la mise en œuvre d’une méthode d’identification basée sur les seules données expérimentales du banc K&C est un travail long et complexe. Il faut tout d’abord définir un critère basé sur les différentes épures élastocinématiques. Ensuite il faut déterminer quels sont les paramètres du système les plus influents sur le comportement de la roue, afin de réduire le nombre de paramètres que l’on cherche à identifier. En effet les modèles élastocinématique multicorps comportent un nombre trop important de paramètres pour pouvoir tous les intégrer dans le processus d’optimisation. Ainsi, le comportement des liaisons élastiques est souvent approximé en utilisant un seul paramètre de rigidité [KnM06] [RoR02].
Chapitre 1. État de l'art Aucune de ces étapes n’est insurmontable, mais elles requièrent chacune une analyse fine du mécanisme à modéliser et l’utilisation d’outils de calcul très performants.
Actuellement, l’amélioration de la corrélation modèle-réalité fait appel essentiellement à l’expertise de l’ingénieur d’étude chargé de la modélisation. Il s’aide en cela de la méthodologie des plans d’expérience qui permet de déterminer l’influence des différents paramètres de conception [SPE97] [RRC02].
A l’issue de cette analyse, il apparaît un fort besoin d’amélioration des méthodes de caractérisation et de modélisation des essieux. Étant donné la grande variété des essieux existants et des innovations proposées par les constructeurs, ces méthodes doivent être applicables à différentes structures cinématiques.