Notion de contrainte d’assistance

Le système de direction dans un véhicule constitue un point stratégique en conception automobile. Il est au carrefour d’exigences portant à la fois sur le confort, la sécurité et la consommation des véhicules. L’introduction de l’électronique a conduit à repenser la conception des directions assistées et de nouvelles prestations sont même apparues telles que le retour actif du volant en marche arrière par exemple. Concernant les travaux de recherche menés durant cette thèse, son caractère mécatronique en a fait une application de choix pour la mise en œuvre de la méthodologie.

Trois situations de vie données par la démarche constructeur sont considérées pour alimenter la mé-thodologie. Ces situations sont le parking, le braquage progressif jusqu’à saturation des pneumatiques et l’évitement.

Les situations de parking et d’évitement visent à vérifier si le niveau d’assistance reste dans une plage de valeurs données [C1,C2] lors de manœuvres à différentes vitesses volant (Fig. 3.60). Le premier essai pour la situation parking consiste à effectuer un cycle prédéterminé de tours au volant à vitesse lente et de butée à butée puis, revenir en position neutre (Fig. 3.61). Cette évolution de l’angle volant correspond à une entrée à fournir pour le modèle de dimensionnement utilisé. Les deuxième et troisième essais consistent, de manière analogue à l’essai précédent, à tourner le volant de butée à butée un certain nombre de fois, ceci à deux vitesses. Enfin, le quatrième essai pour la situation parking consiste à augmenter progressivement la vitesse entrée au volant pour une amplitude donnée (Fig. 3.62). Cette courbe constitue également pour l’essai correspondant, une entrée du modèle de dimensionnement.

Pour chacun de ces essais, les critères sont établis en traçant les courbes du couple au volant en fonction soit de l’angle volant (Fig. 3.63), soit de la vitesse volant (Fig. 3.64). Bien que l’information temporelle soit contenue dans la définition de l’essai, les courbes relevées la font disparaître et il s’avère difficile de reconstruire les sorties comme des fonctions du temps sachant qu’en plus, il s’agit de données mesurées. Enfin, les différents critères définis pour chacun des essais portent sur des paramètres de ces courbes d’une part, et sont complètement dissociés de l’aspect temporel d’autre part. Les objectifs de dimensionnement sont soit de minimiser, soit de maintenir en-deçà d’une limite imposée les paramètres de ces différentes courbes.

Concernant la situation de braquage progressif, les essais consistent à faire virer un véhicule à dif-férentes vitesses sur un rayon de plus en plus serré jusqu’à saturation des pneumatiques. Ces essais

Temps (s)

Fig.3.61 – Essai surplace lent pour la situation parking. Vitesse volant (˚/s)

t (s)

Fig.3.62 – Essai vitesse volant.

.

Couple volant (Nm)

Angle volant (˚)

Fig.3.63 – Courbe définissant les critères pour les trois premiers essais parking. Couple volant (Nm)

Vitesse volant (˚/s)

Couple volant (Nm) Accélération trans-versale véhicule (g) Courbe de compor-tement souhaité Pente Cmax γCmax γmax

Fig. 3.65 – Courbe définissant les critères de l’essai braquage progressif.

Sens de parcours

Fig. 3.66 – Essai associé à la situation d’évitement.

conduisent à tracer le couple volant en fonction de l’accélération transversale (Fig. 3.65). Encore une fois, les critères dans ces essais portent sur des paramètres atemporels et la validation consiste à vérifier que ces paramètres soient sous certaines limites ou les plus proches de valeurs données.

La situation d’évitement concerne la sécurité active. Elle consiste à faire suivre une trajectoire d’évi-tement d’obstacle au véhicule à différentes vitesses (Fig. 3.66). Cette courbe définit une entrée pour le modèle de dimensionnement. Les essais associés visent à tester le niveau d’assistance et son retard éven-tuel par rapport à la manœuvre. Les critères portent sur des paramètres de la courbe fournissant le couple volant en fonction de l’angle volant (Fig. 3.67). Ces paramètres ne doivent pas dépasser des seuils donnés.

Extension et application de la méthodologie Extension.

L’analyse des critères de dimensionnement de la démarche constructeur a montré les difficultés à ex-primer les sorties spécifiées comme des fonctions temporelles. En effet, ces critères portent essentiellement sur les valeurs ou les limites de paramètres caractérisant les courbes du couple volant en fonction de diffé-rentes grandeurs du modèle de véhicule comme par exemple l’angle volant, la vitesse volant, l’accélération transversale du véhicule. Les spécifications sont alors énoncées de manière indépendante du temps. Par ailleurs, les courbes des essais dans les situations de vie dimensionnantes sont principalement issues de mesure et elles sont exploitées dans un contexte de validation donc après dimensionnement et non en

Couple volant (Nm)

Angle volant (˚) Max1

Max2

Max3

1 0

Base passive de la direction

Effort crémaillère Modèle de véhicule Source d’énergie Modulateur de puissance ^Actionneur Assistance

Fig. 3.68 – Spécification du couple volant en terme d’une contrainte d’assistance.

Couple volant (Nm)

Effort crémaillère (%N) A

Cvmax

-Cvmax

Fig.3.69 – Notion de contrainte d’assistance pour la Direction Assistée Electrique.

amont chronologiquement parlant dans la conception. Ceci explique en partie les difficultés qu’il y a eues à exploiter ces courbes pour alimenter la méthodologie.

En fait, l’analyse de la fonction d’une assistance de direction montre de manière quasi évidente que l’objectif de celle-ci n’est pas de mettre en mouvement la charge (ici le véhicule dans son environnment et dans une certaine situation de vie) mais, comme le nom l’indique, d’assister le conducteur dans sa manœuvre. Autrement dit, l’assistance décharge l’action du conducteur et dans ce contexte, les spécifica-tions s’expriment alors sur la part restant à la charge du conducteur et acceptable pour lui par rapport à la manœuvre considérée. Ce type de spécification a été traduit finalement par l’expression de la sortie à spécifier, ici le couple volant, comme une fonction d’une autre variable dans le système.

Ainsi, concernant les situations de vie parking et évitement, le couple volant a été exprimé en fonction de l’effort crémaillère de manière à pouvoir définir une valeur maximale et la répartition de cet effort crémaillère entre l’action du conducteur et l’assistance (Fig. 3.68). Cette relation traduit finalement le degré d’assistance de la ligne de puissance issue de l’assistance par rapport à la ligne de puissance principale venant du conducteur. Ici, une relation en arctangente paramétrée par Cvmax et la pente à l’origine caractérisée par A a été définie (Fig. 3.69). Dans le cas de la situation de vie du braquage progressif jusqu’à saturation des pneumatiques, la relation considérée exprime le couple volant en fonction de l’accélération transversale.

L’introduction de ces relations définissant le couple volant a permis d’une part de mener un dimen-sionnement réaliste, et d’autre part, de s’affranchir de la nécessité de définir la sortie spécifiée comme une fonction du temps, chose difficile à obtenir à partir des spécifications constructeur. Cette solution ouvre par ailleurs de nouvelles possibilités de spécification et donc de dimensionnement comme par exemple de définir la loi d’assistance lors de certaines manœuvres.

Cette extension de la méthodologie constitue une étape importante et une contribution essentielle de ces travaux de thèse. Elle a donné lieu à une communication en congrès international [Méc03].

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 -10 -5 0 5 10 C ou pl e vo la nt (N m ) Effort Crémaillère (%N) Evitement à 50km/h

Fig.3.70 – Exemple numérique de fonction de contrainte d’assistance.

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -2000 -1000 0 1000 2000 V it es se m ot eu r (t r/ m n) Couple moteur (Nm) Evitement à 50km/h

Fig. 3.71 – Spécification mécanique du moteur d’assistance pour l’essai évitement.

Application.

Les modéles parking et véhicule complet décrits dans la section 3.1.2 ont été utilisés pour l’application de la méthodologie au dimensionnement de la Direction Assistée Electrique. L’analyse de la démarche constructeur et la phase de modélisation ont permis de déterminer les modèles inverses nécessaires à l’application de la méthodologie. Auparavant, les hypothèses de modélisation ont fourni, à travers la représentation bond graph, les conditions structurelles d’inversibilité portant sur la spécification en sortie des modèles. S’agissant de la direction assistée, la sortie en question est le couple volant. La fonction spécifiant ce couple volant doit être de classe C2 dans le contexte des modéles de dimensionnement établis. L’affectation de la bicausalité à la représentation bond graph a permis de spécifier le moteur d’assistance en fonction de la spécification sur le couple volant et des autres entrées dont celle sur la vitesse volant.

L’extension de la méthodologie a donc fourni ces spécifications sur le couple volant. Un exemple numé-rique pour trois assistances est donné sur la figure 3.70. L’exploitation du modèle inverse en simulation a ensuite fourni les spécifications sur la chaîne d’actionnement de l’assistance. Les spécifications mécaniques sur l’exemple numérique sont tracées sur la figure 3.71 et comparées à deux gabarits de moteur électrique. Le plus petit est éliminé car en deçà des performances attendues. Le second est finalement validé pour les trois lois d’assistance par rapport aux spécifications électriques (Fig. 3.72).

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -60 -40 -20 0 20 40 60 In te ns it é m ot eu r (A ) Tension moteur (V)

Fig.3.72 – Spécification électrique du moteur d’assistance pour l’essai évitement.

3.2.2.4 Notion de contrainte de comportement