Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
La dynamique du véhicule consiste en l’identification des phénomènes physiques en présence dans la tenue de route et le comportement du véhicule. Les équations générales de la dynamique externe sont applicables à ce système, le but recherché étant l’utilisation de modèles théoriques et/ou expérimentaux pour l’expression des actions mécaniques. Ainsi, deux modèles sont retenus, selon que le véhicule possède des roues rigides ou des roues déformables ; à chacun ses spécificités, sa modélisation cinématique et sa trajectoire. L’étude du contact sol-roue, donc celle de la mécanique du pneumatique et de ses déformations, est incontournable mais assez complexe. Ensuite, après le choix de la modélisation, ses paramétrages et repérages, la méthode de mise en équation la plus simple à utiliser dans le cas d’un véhicule reste celle des théorèmes généraux à caractère vectorielle.
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Vehicle dynamics consist in identifying physical phenomena at work in the way vehicles behave and hold the road. The general equations of external dynamics are applicable to this system in order to facilitate the use of theoretical and/or experimental models illustrating mechanical actions. Two models have been selected according to whether the vehicle has rigid or deformable wheels; each having different specificities, kinematic modelling and trajectory. The study of the wheel-to-road contact and thus that of pneumatic mechanics and deformations is essential although rather complex. Then, once the modelling option, its parameterizations and tracking have been chosen, the simplest equation method to be used in the case of vehicles is that of general theorems of a vectorial character.
Auteur(s)
-
Lionel MAIFFREDY : Maître de conférence, Laboratoire de mécanique des contacts et des structures (UMR CNRS 5259), Institut national des sciences appliquées de Lyon
INTRODUCTION
La dynamique du véhicule, comme son nom l'indique, est l'application de la dynamique des systèmes multicorps aux véhicules. Mais dans cette acception, il est d'usage de restreindre le mot véhicule aux véhicules automobiles terrestres non guidés. Ainsi, dans cet article, il ne sera question ni des véhicules ferroviaires, ni des aéronefs, même si ces derniers lorsqu'ils roulent sur la piste d'atterrissage entrent dans cette catégorie. Cela étant, cela ne signifie pas que certains aspects théoriques ne soient pas voisins et que la forme des équations ne soit pas semblable, il suffit de se référer aux équations de la dynamique du vol par exemple.
Si l'on revient à la définition, application de la dynamique des systèmes multicorps, on comprend qu'il faudra suivre la logique de cette discipline, à savoir faire un modèle cinématique multicorps du véhicule, le paramétrer, être capable de calculer les éléments de cinétique, mais surtout déterminer les actions mécaniques extérieures agissant sur le système. Ce dernier point revient à être capable d'exprimer ces actions en fonctions des paramètres en utilisant des modèles théoriques et/ou expérimentaux.
Depuis quelques années, une nouvelle direction appelée « contrôle global châssis » fait son apparition en dynamique du véhicule, elle trouve son origine dans l'introduction des « aides à la conduite ». Ces aides, utilisant les données de capteurs situés dans le véhicule et les résultats de simulation, issus de la modélisation du véhicule agissent sur les actionneurs – freins, direction, suspensions, etc. – afin d'aider le conducteur dans des situations délicates. Le choix des actionneurs, l'ordre, la durée, l'intensité de leur intervention, la prise en compte de la dynamique propre de chacun des actionneurs requièrent différents niveaux de modélisation du véhicule associés à des démarches utilisées en automatique couplées à des techniques de contrôle optimal.
L'article, qui se focalisera uniquement sur les bases de la dynamique du véhicule, comportera deux parties.
La première partie donnera les équations générales de la dynamique externe des véhicules. Pour ce faire, la première section sera consacrée à la cinématique en roues indéformables ; l'étude du pneumatique à la section 2 nous permettra d'introduire, dans la section 3, les spécificités de cet élément déformable dans la cinématique. La section 4 sera consacrée aux principaux résultats de l'aérodynamique appliqués à l'automobile. Enfin, à la section 5, les équations de la dynamique seront écrites en toute généralité dont on déduira les équations relatives au modèle lacet-dérive et au modèle de roulis.
Dans la seconde partie (à paraître), sera abordé le développement de ces deux modèles ainsi qu'un aperçu sur le « contrôle global châssis ». Les sections 1 et 2 seront consacrées au modèle lacet-dérive par l'étude du mouvement stationnaire, sa stabilité et les mouvements transitoires autour du mouvement stationnaire. Dans la section 4 sera étudié le mouvement de roulis avec une démarche similaire aux sections 1 et 2. Auparavant, dans la section 3, le moment anti-roulis sera calculé à partir des actions intérieures (ressorts, amortisseurs, barres anti-roulis). Dans la section 5, il sera fait état de quelques travaux de recherche menés sur le « contrôle global châssis ».
Nous utiliserons les notations explicitées dans [A 1 661] ; de même, le lecteur pourra s'y reporter pour tous les éléments théoriques dont il aurait besoin tant en cinématique qu'en dynamique.
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Cinématique en roues déformables
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2. Contact sol-roue avec pneumatique : phénomène de dérive
Il y a une différence essentielle de comportement entre une roue rigide et une roue munie de pneumatique. En effet, celle-ci, de par sa déformation, induit des conséquences cinématiques importantes, en particulier, la trajectoire obtenue sera différente de celle d'une roue rigide. Cette déformation est due à des efforts, ainsi il ne sera pas possible d'avoir une vision purement cinématique ; autrement dit, un véhicule muni de pneumatiques n'est plus cinématiquement déterminé. Et apprendre à conduire revient, en partie, à apprendre à gérer cette déformation en fonction des efforts que le conducteur génère lui-même, par l'intermédiaire du frein et de l'accélérateur, afin d'obtenir la trajectoire souhaitée.
La mécanique du pneumatique est compliquée car elle fait intervenir à la fois des données constructives et des données relatives au sol. L'objectif de la modélisation du pneumatique est de pouvoir prendre en compte tous ces aspects, en proportion variable selon l'utilisation, avec un temps de calcul compatible avec une simulation « temps réel ». Cela permettrait de réduire le nombre d'essais et de rendre plus performants les logiciels de simulation et dynamique du véhicule.
Deux voies d'investigations existent :
-
celle modélisant le pneu dans son ensemble et utilisant les éléments finis comme support ;
-
celle qui essaie de comprendre et de décrire les phénomènes physiques dans l'aire de contact.
À l'heure actuelle, aucun modèle ne remplit les critères énoncés précédemment. C'est pourquoi l'approche théorique et expérimentale se poursuit, afin de déterminer le torseur des actions mécaniques sol-roues qui interviendra dans les équations de la dynamique.
La place étant comptée, nous n'examinerons pas les détails constructifs du pneumatique ni le marquage qui spécifie le domaine d'utilisation d'un pneu. Le site http://Michelintransport.com ou l'article de Wikipédia, par exemple, explicite cela en détails.
Dans ce chapitre, nous aborderons dans un premier paragraphe les éléments relatifs à la déformation en statique du pneumatique ; puis, nous examinerons le phénomène de dérive qui se produit lorsque la roue est sollicitée et en mouvement. Dans une troisième étape, nous exposerons les facteurs influençant la dérive ; enfin, nous terminerons par l'exposé...
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