VÉHICULES TERRESTRES

INTRODUCTION

A LA TECHNOLOGIE

ET AUX PERFORMANCES DES VÉHICULES TERRESTRES

Pierre Duysinx Université de Liège

Année académique 2017-2018

1

Références bibliographiques

 T. Gillespie. « Fundamentals of vehicle Dynamics », 1992, Society of Automotive Engineers (SAE)

 R. Bosch. « Automotive Handbook ». 5th edition. 2002. Society of Automotive Engineers (SAE)

 J.Y. Wong. « Theory of Ground Vehicles ». John Wiley & sons.

1993 (2nd edition) 2001 (3rd edition).

 W.H. Hucho. « Aerodynamics of Road Vehicles ». 4th edition.

SAE International. 1998.

 G. Genta. « Meccanica dell ’autoveicolo ». Levrotto & Bella di Gualini. Torino 2000.

2

Plan de l’exposé

 LOI DU MOUVEMENT

 Mouvement longitudinal

 LES FORCES DE RESISTANCES

 Les forces de résistance aérodynamique

 La résistance au roulement

 La résistance due à la pente

 Forme générale des forces résistantes

Plan de l’exposé

 ELEMENTS DE TECHNOLOGIE DES SYSTEMES DE TRANSMISSION

 Embrayage à friction sèche

 Embrayage hydraulique

 Boîte de vitesses manuelle

 Boîte de vitesses automatique

 CVT

 Différentiel

 Arbres de transmission

4

Plan de l’exposé

 PUISSANCE ET EFFORT DE TRACTION AUX ROUES

 Le rendement

 Le rapport de réduction

 Expression de la puissance et de la force aux roues

 CRITERES DE PERFORMANCE

 La pente maximale

 Pente maximale que l’on peut gravir

 Accélérations et reprises

Plan de l’exposé

 CONSOMMATION DE CARBURANT

 Définition de la consommation du moteur

 Consommation des véhicules

 Calcul de la consommation

 Consommation à vitesse constante

 Consommation sur un cycle à vitesse variable

 Mesures normalisées de la consommation

 A vitesse constante

 Cycles normalisés de consommation

 Cycles américains

 Cycles européens

 Mesure sur bancs à rouleaux

6

Loi du mouvement

7

Loi du mouvement





F_r0 = 0.0062 to 0.015; V (km/h)

F_grade = m . g . sin

F_aero = ½  S Cx V²

F

= F

+ F

+ F

+ F

; P

= F

. V

F_inertie = m . dv/dt

8

Loi du mouvement

 La loi du mouvement longitudinal s’écrit

 La puissance du moteur F_T sert à vaincre les forces de résistance et à accélérer le véhicule

 On distingue 3 forces de résistances principales:

 Les forces aérodynamiques

 Les forces de résistance au roulement

 Les forces de pente

Forces de résistance à l’avancement

10

Forces aérodynamiques

 Le véhicule est un corps peu fuselé, avec des décollements importants en haut de la lunette arrière, la formation de tourbillons

 L’effet de sol modifie fortement l’écoulement

 La rotation des roues crée un écoulement local qui interfère fortement avec l’aérodynamique générale du véhicule

 L’aérodynamique interne pour le refroidissement du moteur et du système de conditionnement d’air augmente également la

résistance

basse pression haute pression

traînée

Estimation de la résistance aérodynamique

 Force de traînée:

 V : la vitesse du véhicule

  : la densité de l’air

 C_x : le coefficient de trainée du véhicule

 S : la surface frontale du véhicule

 Peut être estimée par la formule dite de Paul Frère

85 . 0 avec 

 k h l k S

12

h

l

Coefficient de traînée (Cx) des automobiles

(Wong Table 3.1)

Gillespie: Fig 4.20 Cx pour différents véhicules

Forces de résistance au roulement

 Pour un pneu qui roule librement, il est nécessaire d’appliquer un couple moteur pour contrebalancer le

moment résistant qui provient du déplacement du centre de pression dans l’emprunte vers la partie avant

 Les forces de résistance au

roulement recouvrent des effets provenant de différentes sources:

 le travail de déformation des pneumatiques

 le frottement des roulements

 le travail de la suspension

 les défauts d’alignements

14

Forces de résistance au roulement du pneu

 1^ère cause: hystérésis des matériaux viscoélastiques

(caoutchouc) du pneumatique lors de la déformation de la carcasse au cours du roulement

 Autres causes:

 Frictions lors des glissements

 Circulation de l’air

 Effet de ventilateur du pneu qui roule

 Exemple: à 130 km/h

 90-95 % = hystérésis

 2-10 % friction

 1.5 – 3.5 % résistance de l’air

Forces de résistance au roulement

 De manière générale, les forces de résistance qui sont rassemblées sous le terme de forces de résistance au roulement peuvent s’exprimer

 m: la masse appliquée sur le pneu

 g=9,81 m/s²

 f : coefficient de résistance au roulement

16

Forces de résistance au roulement du pneu

La résistance au roulement dépend de:

 La structure du pneu: Plus faible avec des pneus à carcasses radiales qu’avec des carcasses diagonales

 La résistance au roulement diminue avec la pression de gonflage

 La vitesse: la résistance augmente fortement à haute vitesse à cause de l’apparition de vibrations

 La résistance au roulement est beaucoup plus basse sur des surfaces dures et lisses

 Résistance supérieure à la résistance sur sol mouillé et sur neige

Forces de résistance au roulement du pneu

Wong Fig. 1.8

Influence de la nature du sol

Influence de la pression de gonflage

Gillespie Fig. 4.31 : influence de la vitesse

18

Forces de résistance due à la pente

 Expression des forces de résistance due à la pente



déclivité

F 

g m P 

 . v

m



normale

F 

Expression générale des forces de résistance

 Forme générale des forces de résistance

 Expression générique

 avec A, B > 0

20

Forces de résistance pour les véhicules ferroviaires

 Pour les véhicules ferroviaires, on distingue en outre plusieurs forces supplémentaires

 Résistance au roulement (semblable au véhicule routier)

 Résistance aérodynamique (semblable au véhicule routier)

 Résistance de tunnel: supplément de résistance aérodynamique dû à la proximité des parois

 Résistance de pente ou de déclivité (semblable au véhicule routier)

 Résistance d’arrachement

 Résistance due aux courbes

tunnel courbe

déclivité t

arrachemen frottement

ext

F F F F F

F     

Force d’arrachement

 Elle n’apparaît qu’à très basse vitesse (démarrage) et vaut :

 Elle est nulle dès que le train est en mouvement.

g m F

 7 , 5 . 10

. .

22

Résistance due aux courbes

 Résistance due aux courbes

 La résistance due aux courbes est liée au rayon de courbure (r), à l’écartement, au dévers de la voie, ainsi qu’à la construction du véhicule.

 On recourt également à des formules empiriques comme, par exemple :

 k_e est le coefficient d’écartement. Il est exprimé en mètres et vaut

g r m

F_courbe  k^e .10^3 .

k_e (m) écartement (mm)

750 1435

530 1000

400 750

325 600

SYSTEME DE TRANSMISSION

24

Architecture de la ligne de transmission

Gillespie, Fig 2.3

Moteur

boîte de vitesses volant

moteur

Différentiel Disque Roue

d’embrayage

Roue

 Entre le moteur et les roues on interpose une série de composants qui permettent de réaliser diverses fonctions

Architecture de la ligne de transmission

 Transmettre la puissance du moteur vers les roues  Arbres

 Moduler le couple (force) et la vitesse du moteur aux conditions de fonctionnement des roues : modulation du couple / vitesse

 Boite de vitesses

 Inverser le sens de rotation des roues (irréversibilité des moteurs thermiques)  Boite de vitesses

 Interrompre l’acheminement de puissance  Embrayage

 Répartition de puissance (gauche / droite & avant / arrière)  Différentiel

26

Architecture de la ligne de transmission

 Un système de transmission se compose généralement de:

 Un volant moteur

 Un embrayage

 Une boîte de vitesses

 Un arbre de transmission

 Un différentiel

 Essieux

 Il existe différentes formes de systèmes de transmission de puissance ayant chacun des niveaux de complexité

différents

Gillespie: Fig 2.4

Embrayage à sec – commande manuelle

28

Embrayage à sec – commande manuelle

Position embrayée

Embrayage fermé Position débrayée

Embrayage ouvert

Systèmes de couplage hydraulique

 Utiliser l’énergie hydro cinétique pour transférer en douceur de la

puissance entre le moteur et la transmission tout en multipliant le couple de sortie

 La roue solidaire de l’arbre d’entrée joue le rôle de pompe tandis que la roue solidaire de l’arbre de sortie agit en turbine

 On peut ajouter une roue fixe

(stator) pour un meilleur rendement hydraulique

30

https://www.youtube.com/watch?v=0oCQVkUePV0

Puissance et efforts de traction aux roues

 Rendement des embrayages:

 Friction sèche h=100%

 Coupleur hydraulique: h=90%

Convertisseur hydrocinétique

La boîte de vitesses

32

La paire engrenage

 Deux roues dentées en prise se comportent comme de deux cylindres de diamètres d₀₁ et d₀₂ roulant l’un sur l’autre

 Si il n’y a pas de glissement, on peut écrire

 Soit le rapport de réduction i

 Un engrènement extérieur donne lieu à une inversion du sens de

rotation alors qu’un engrènement sur une denture intérieure (comme pour les poulies et les chaînes) préserve le sens de rotation

Principe de la boîte de vitesses

Principe de la boîte de vitesses

Arbre d’entrée

Arbre de sortie

Arbre secondaire

Prise directe

34

Chemin de la puissance dans la boîte

Point mort

1ère 2ème

3ème R

Commande de boîte de vitesses

Sélection d’un rapport

36

Commande de boîte de vitesses

Sélection d’un rapport et d’une tringle

Synchronisation

 Lors de tout changement de vitesse, les

vitesses initiales des pignons à mettre en prise diffèrent.

 Pour éviter le chocs (entre pignons pour les dentures droites, entre les crabots pour les dentures hélicoïdales), il faut synchroniser les vitesses de rotations.

 On utilise un synchroniseur

 Le synchroniseur joue le rôle d’embrayage conique entre le baladeur et le pignon

 Les deux éléments tournant désormais à la même vitesse, les crabots peuvent s’engager sans bruit.

La boîte automatique

 L’élément de base des systèmes de réduction des boîtes automatiques = le train épicycloïdal

Sun = planétaire Planet = satellite Annulus = Couronne

CVT : Système Van Doorne

 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

 En modifiant la distance entre les deux faces des poulies coniques, le rayon effectif des

poulies peut être modifié et par là le rapport de réduction.

 A l’origine, modification par un système

mécanique basé sur un dispositif avec des poids centrifuges et un moteur à actionnement par dépression.

 Actuellement, système contrôlé par un microprocesseur.

 PERFORMANCES

 Rapport de réduction variable dans un rapport 4 à 6.

 Efficacité variable avec le couple d’entrée et la vitesse de rotation

40

Le différentiel

PRINCIPE DU DIFFÉRENTIEL

Arbre d’entrée (moteur)

Arbre sortie (roue)

Le différentiel

 Le différentiel est un dispositif

permettant de diviser le couple entre deux arbres de sortie.

 Pour les essieux, le différentiel divise le couple entre roue droite et gauche.

 Lorsque le véhicule est en virage, le différentiel permet un mouvement à vitesses différentes entre les essieux et les roues

Forces de propulsion

43

Puissance et efforts de traction aux roues

PUISSANCE AUX ROUES

 La puissance aux roues est directement liée à la puissance du moteur via le rendement de la transmission h

 Rendement h :

En première approximation on propose:

 Boîte de vitesses rapport en prise directe: h = 100%

 Boîte de vitesses rapport sans prise directe: h = 97,5%

 Pont et ligne de transmission: h = 97,5 - 98,5%

P

= ´ P

´ = ´_embrayage ´_boite ´_pont

Puissance et efforts de traction aux roues

VITESSE AUX ROUES

 Lien entre vitesse de rotation de la roue et vitesse d’avance

 Rapport de réduction i>1

 Vitesse de translation et vitesse de rotation des roues

 R/i: longueur de transmission: distance d’avance par tour de moteir

i = i_boite i_pont

!_mot = i !_roues v = !roues R

v = R

i !mot

Puissance et efforts de traction aux roues

FORCES AUX ROUES

 Puissance aux roues et puissance moteur

 Il vient

 Force aux roues

P^roues = Froues v P^mot = C_mot !_mot

v = R

i !mot

P

F

v = ´ C

!

F

= ´ C

!

v

F

= ´ C

!

!

R = ´ C

i

R

Diagrammes de la puissance et de la force aux roues

v I

II

III

IV

!

= i !

= v i R

Cmot(!mot) = Cmot(v i R) F_roues = ´ i

R C_mot(v i R)

 Pour tracer la courbe, il faut:

 Multiplier l’échelle des abscisses par R/i

 Multiplier les ordonnées par h i/R

47 Enveloppe des courbes de force pour les différents rapports en 1/v

Diagrammes de la puissance et de la force aux roues

P_roues(v)

v hP_max

I II III IV

Critères de performance

49

Critères de performance

 Critères en vitesse stationnaire (constante)

 Vitesse maximale

 Pente maximale franchissable

 Pente franchissable à une vitesse donnée

 Accélérations et reprises

 Accélérations : 0-60 km/h, 0-100 km/h, 0-200 km/h

 Accélérations : 1000 m, 2000 m départ arrêté

 Reprises : 40-60 km/h, 40-120 km/h, 90-120 km/h

50

Plus grande vitesse maximale

 Les forces de résistances augmentent rapidement avec la vitesse

 On a l’égalité des puissances motrices et des forces résistantes

 La plus grande vitesse maximale est obtenue en utilisant la toute la puissance disponible c.-à-d. la puissance maximale.

 Cela permet de calculer le plus grand rapport de boite P^roues = P^re¶s

P^roues = P^r¶es

P^re¶s = Av + Bv³ A; B > 0

Av + Bv³ = ´P^max

µ

gueur de transmissio µR

i

¶

opt

= v_max^max

!nom

Plus grande vitesse maximale

Proues(v)

v hPmax

v_max^(long)

Présistance(v)

Rapport plus long Optimal

Rapport plus court

v_max^max v_max^(court)

Rapport plus court Optimal

Rapport plus long

On diminue toujours la vitesse maximale…

Pente maximale franchissable

 Pour calculer la pente maximale franchissable, deux critères sont en concurrence:

 La puissance et la force disponible pour la traction

 La force maximale transmissible par les roues régie par la limite du coefficient de friction roue - sol

 1/ Force de résistance due à la pente

 2/ Limitation due au coefficient de friction

nce µ a l'avancement : F

= mg sin µ

F_mot;f · ¹ W_f ou / et F_mot;r · ¹ W_r

Etude des performances à l’aide du diagramme des forces

v

I

II

III

IV

Vmax

mg sin₃^max mg sin₄^max

F_a

F_rlt

Pente maximale franchissable pour un rapport donné

54

Etude des performances à l’aide du diagramme des forces

v

I

II mg sin₁^max

mg sin₁^maxmax

Sliding clutch

F_a

F_rlt

Pente maximale franchissable dans le 1er rapport

55

Accélérations et reprises

 On suppose le régime stationnaire

 Le fonctionnement s’obtient à partir de l’intersection des courbes de forces de traction aux roues et des forces de résistances

 En régime variable:

 La force utile permet de calculer facilement les pentes maximales franchissables et l’accélération disponible

F

= F

F

= F

¡ F

¡ F

¡

56

Vitesse en fonction du temps

 La solution de cette équation différentielle donne aussi pour différente valeur de V la

relation t=f(V)

 La relation directe V=g(t) s’obtient en inversant la fonction t=f(V)

 Les changements de rapport de boite peuvent également être pris en compte

G. Genta Fig 4.21: Vitesse en fonction du temps. Prise en compte des

changements de rapport

Consommation

58

Introduction

 La consommation des véhicules est devenu un facteur très important

 Elle dépend d’un nombre de facteurs:

 Les caractéristiques de consommation du moteur

 Les caractéristiques de la transmission (rapport de réduction, rendement)

 Le poids du véhicule

 La résistance aérodynamique

 La résistance au roulement

 Le cycle de conduite (conditions de conduite)

 Le comportement du chauffeur...

Consommation du moteur thermique

 La consommation spécifique du moteur est la quantité de carburant (m_f) utilisée pour produire un travail T donné:

 Pour un fonctionnement en régime variable:

 La consommation spécifique dépend du point de fonctionnement du moteur

 Elle est cartographiée sur le diagramme puissance ou couple en fonction du régime

b_e = m_f T^mot

dT^mot = P^mot dt

dmf = m_ f dt b_e = m_ _f P^mot

60

Consommation spécifique du moteur

Wong. Fig. 3.41 et 3.42

Moteur essence

Moteur diesel

Consommation spécifique du moteur

 Aujourd’hui avec le défi

climatique lié aux émissions de CO₂, il est courant d’exprimer la consommation en émissions de CO₂.

 Compte tenu de la composition chimique moyenne des

carburants, on peut établir un équivalent entre le litre de carburant et la masse de CO₂ émise

g CO₂ / litre

Essence 2 360

Diesel 2 730

Gaz naturel 1 891

Propane 1 500

62

Consommation spécifique du moteur



Exercice:

 Une consommation normalisée d’essence de 5 l équivaut à une émission 5*2360 /100 = 118 gr CO₂/km

 L’objectif de 120 g de CO₂ par km équivaut à

 120 *100/2360 = 5,08 l/100 km en essence

 120 *100/2730 = 4,39 l/100 km de Diesel

Consommation des véhicules

 Pour les véhicules, on préfère souvent parler de consommation pour une distance parcourue

 En Europe: consommation aux 100 km: [litres / 100 km]

 Aux USA: distance parcourue par galon consommé (fuel economy) [miles per gallon]

 Relation entre les deux:

mpg = 253:2 L=100 km

64

Consommation des véhicules

 Conclusion: nécessité de définir des conditions standards pour une comparaison objective Notion de cycles de conduite

 Les cycles de conduite = parcours standardisés au cours

desquels la vitesse, l’accélération et les rapports de boîte pour les boîtes manuelles doivent être suivis à chaque instant selon les spécifications du cycle.

 Deux types de cycles:

 Les cycles réalistes: sont déduits directement d’observation du trafic.

 Les cycles synthétiques sont élaborés à partir de vitesses et d’accélérations obtenues à partir d’observations classées et pondérées en fonction de leur durée et de leur fréquence

Cycles US

 Les cycles US sont définis par l’EPA (Environment Protection Agency).

 Cycles réalistes

 Différents

 Le cycle FTP75 (Federal Test Protocol) est un cycle

 Le cycle HWFET est un cycle autoroutier

 Le SC03 et le US06, cycles agressifs et avec air co.

 Ils servent à la détermination de la consommation

1

m p g

= 0 ; 5 5

m p g

+ 0 ; 4 5 m p g

66

US Urban Emissions and Fuel Economy test (FTP75)

US Highway Fuel Economy Test (HWFET)

68

Cycles US

 Plusieurs inconvénients:

 Procédure assez lourde à mettre en œuvre du point de vue pratique et technique (cycle compliqué)

 Véhicules classés en catégorie de poids, de sorte que la masse prescrite n’est pas la masse réelle sur la route

 Etude de sensibilité de la masse n’est pas possible

 Discordance entre études (masse exacte) et tests officiels (masse prescrite en catégorie)

Cycles US et cycle poids lourds

Cycle New York city pour bus urbains

70

Cycle européen

 Jusqu’en 1978, chaque pays avait ses règles propres

 Les premiers cycles

 Premiers cycle des années 1970: E-75 et E-80.

 Consommation souvent mesurée sur les cycles américains

 En 1978: réglementation 80/1266/EEC et indicateur EUROMIX

 Cycle urbain

 consommation à vitesse constante à 90 et 120 km/h

 Consommation composite EUROMIX:

 En 1996: nouveau cycle européen (NEDC) pour la mesure à la fois de la consommation et des émissions dans la CE

B_Euromix = 1

3 (B_City + B₉₀ + B₁₂₀)

Cycle européen

Partie extra urbaine Partie urbaine: 4 fois le cycles de base

Nouveau cycle européen (1996)

72

Cycle européen

 Le nouveau cycle européen est

 valable pour la consommation et les émissions de polluants des voitures et des véhicules utilitaires légers

 remplace les parties à vitesse constante à 90 et 120 km/h par une partie périurbaine de vitesse moyenne plus lente

 moins sensible à l’aérodynamique que l’EUROMIX et son influence quasi identique à l’EPA.

 phases d’accélération augmente l’influence de la masse

 représente une image de la situation de conduite européenne

 Est souvent critiqué parce que

 il ne représente pas une situation réelle de conduite

 autres cycles d’associations et magazines d’automobile (ex. ADAC)

Cycle SORT pour les bus



Proposition de la UITP: cycles SORT (standardized on-road test) pour les bus

SORT 1 : Heavy urban SORT

drive cycle SORT 2: Easy urban SORT drive cycle

74

Banc à rouleaux

 La réalisation des différents tests de consommation et

d’émission doit être fait dans des conditions d’environnement maîtrisées.

 Le banc à rouleaux est un dispositif expérimental qui permet de reproduire les conditions de fonctionnement du véhicule sur la route au sein d’un laboratoire

 Le banc à rouleaux consiste en un ou deux rouleaux menés par les roues motrices et connectés à un système d’absorption de puissance capable de contrôler la charge appliquées au rouleaux et aux roues du véhicule.

 Un dispositif de contrôle et d’acquisition permet de contrôler la vitesse, la force aux roues et d’enregistrer les mesures

Banc à rouleaux

76

Banc à rouleaux

Mise en place du véhicule sur le banc

Banc à rouleaux

78

Banc à rouleaux

 Avantages du banc à rouleaux:

 Possibilité de tester les performances du véhicule complet ou d’un moteur monté sur véhicule

 Pas nécessaire de retirer le moteur du véhicule

 Simplifie la procédure

 Tient compte de l’environnement

 Désavantages

 Précision et répétabilité plus faible qu’un banc moteur (perte dans la ligne de transmission, glissement des pneumatiques)

 Accessibilité des capteurs limitée

Banc à rouleaux

 Utilisation des bancs à rouleaux

 Effectuer une vérification rapide de la puissance

 Réaliser des tests supplémentaires sur le moteur

 Mesurer les pertes de la ligne de transmission

 Réaliser des tests requérant la puissance précise développée par le véhicule

 Effectuer des tests exigeant la présence du véhicule complet pour la mesure de la consommation, des émissions, du bruit…

80