Présentation de la problématique
1.4 Objectifs de l'étude
La mission conée consistait à appréhender et comprendre les diérents phénomènes électro-mécaniques intervenant dans un démarreur. Nous devions ensuite chercher à optimiser le
dimen-sionnement de la partie électrique en respectant les diérentes contraintes du cahier des charges que nous allons détailler maintenant en distinguant les contraintes rattachées au diagramme ISO de celles relevant du régime transitoire.
1.4.1 Cahier des charges en statique du diagramme ISO
Les performances des diérentes solutions proposées seront au nal appréciées sur le diagramme de la norme ISO 8856 (Couple/Courant, Vitesse/Courant, Puissance/Courant). L'objectif sera donc d'augmenter les niveaux de couple et de vitesse an de maximiser la puissance utile. La vitesse à vide du démarreur doit être maximale. Le couple de blocage doit être supérieur au couple nécessaire pour vaincre les compressions et les frottements du moteur thermique notamment à basse température.
Par ailleurs, le cahier des charges impose un certain nombre de contraintes. Le courant de court-circuit ne peut pas être augmenté. En eet, les constructeurs automobiles imposent une limitation de la pointe de courant d'appel an que la tension batterie ne descende pas en dessous d'un seuil en deçà duquel le calculateur du véhicule peut se réinitialiser.
Ces critères du diagramme ISO sont incontournables mais ne susent pas. D'autres aspects plus dynamiques interviennent. Ils rendent compte de la manière avec laquelle le démarreur "ac-compagne" le moteur thermique jusqu'à la vitesse limite de démarrage.
1.4.2 Critères dynamiques de démarrabilité avec acyclisme
Dans cette section, nous exposerons trois exemples d'entraînement d'un moteur thermique.
Pour démarrer ce type de moteur, il faut vaincre les frottements auxquels s'ajoute le couple résistant variant en fonction des cycles de compression/détente du gaz dans les cylindres. La gure 1.7 présente l'évolution du couple de charge du démarreur pour un moteur thermique donné.
Figure 1.7 Evolution du couple de charge du démarreur évalué sur l'axe du vilebrequin
Figure 1.8 Evolution des vitesses du vi-lebrequin et de l'arbre du démarreur (ra-menée sur le vilebrequin)
Durant les phases de détente, le moteur thermique va avoir tendance à entraîner le démarreur.
Dans ces conditions, la roue libre du pignon du démarreur désaccouple la machine électrique de
la couronne du vilebrequin et libère l'arbre d'induit de toute charge mécanique. L'énergie fournie au moteur thermique est donc transmise de façon discontinue.
La Figure 1.8 montre l'évolution des vitesses du volant moteur (en vert) et de l'arbre d'induit (rapportée à celle du volant moteur en bleu) lors d'un entraînement correct. Dans cet exemple, un entraînement réussi consiste à amener le moteur thermique dans une phase de compression à plus de 225 tr/min en moins de 0.6 s.
On constate que durant les phases de roue libre le moteur du démarreur accélère. Il se trouve à ces moments là sous charge nulle. Le raccrochage de la roue libre s'eectue à une vitesse supé-rieure et la compression suivante peut avoir lieu. Cette augmentation de la vitesse de passage des compressions est une condition importante de démarrabilité d'un moteur thermique.
Les gures 1.9 présentent des entraînements échoués. Dans le premier cas, l'inertie des parties tournantes est trop importante. Le démarreur a du mal à accélérer et, lors des phases de roue libre, la vitesse du moteur n'augmente pas susamment. Dans le second cas, l'inertie du démarreur est trop faible. Lors du raccrochage de la roue libre, le démarreur n'arrive pas à faire face à la compression. Le moteur thermique fait décélérer le démarreur.
Figure 1.9 Cas d'un démarrage échoué par excès d'inertie à gauche et par manque d'inertie à droite
Tous ces phénomènes font qu'il est très dicile de dimensionner un démarreur. De plus les paramètres de charges dépendent beaucoup des conditions extérieures (température, type d'huile utilisée, frottements. . .).
En résumé, le démarreur est un dispositif complexe qui doit être capable de fournir des perfor-mances acceptables dans une plage de température très étendue. Quatre critères de performance sont à retenir : la puissance, le couple, la vitesse à faible charge, l'inertie vue du pignon. La gure 1.10 résume ces contraintes sur le diagramme de la norme ISO.
Figure 1.10 Caractéristique type d'un démarreur
1.4.3 Le risque de fraisage de la couronne
Le phénomène du fraisage de la couronne du vilebrequin intervient si le pignon est mis en rotation trop tôt alors que le contacteur n'a pas encore fait pénétrer le pignon dans la couronne.
Dans le cadre d'une redénition du moteur électrique, comme c'est le cas dans ce travail, il impor-tait de s'assurer que le nouveau comportement de mise en vitesse du pignon soit compatible avec les capacités dynamiques du contacteur. Cette compatibilité est évaluée au moyen d'un critère de fraisage qui a été mis en place il y a quelques années ([Labb]). Des simulations magnétiques et mécaniques ont abouti à cet indice qui est, à ce jour, le meilleur critère auquel Valeo fait référence auprès de ses clients. Le calcul de cet indice est basé sur celui d'un régime transitoire de moteur électrique et un calcul de mécanisme. Il s'agit essentiellement d'un ratio entre le couple crête du moteur électrique et la pénétration axiale du pignon du démarreur dans la couronne moteur en N.m/mm. Pour atténuer ce problème, il faudrait que le couple moteur s'établisse moins rapide-ment. Le rapport de réduction interne, l'inertie du démarreur par rapport au moteur thermique, les caractéristiques électriques (inductance et résistance) du démarreur sont autant de paramètres qui inuent sur le risque de fraisage.