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Ecole Centrale de Nantes Universit de Nantes
COLE DOCTORALE
SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L'INFORMATION ET DES MATRIAUX
Anne 2003 N B.U. :
THSE DE DOCTORAT
Diplme dlivr conjointement parL'cole Centrale de Nantes et
l'Universit de Nantes
Spcialit : ROBOTIQUE
Prsente et soutenue publiquement par :
GENTIANE VENTURE
Mardi 25 novembre 2003 lEcole Centrale de Nantes
IDENTIFICATION DES PARAMETRES DYNAMIQUES DUNE VOITURE
JURY
Prsident : Alain OUSTALOUP Professeur l'Universit de
BordeauxRapporteurs : Nacer M'SIRDI Professeur l'Universt de
Versailles Saint Quentin en Yvelines
Grard GISSINGER Professeur l'Universit de Haute
AlsaceExaminateurs : Wisama KHALIL Professeur l'Ecole Centrrale de
Nantes
Maxime GAUTIER Professeur l'Universit de NantesPhilippe BODSON
Ingnieur chez PSA Peugeot Citron
Directeurs de thse : Wisama Khalil et Maxime GautierLaboratoire
: Institut de Recherche en Communication et Cyberntique de
NantesCo-encadrant : Philippe BodsonEntreprise : PSA Peugeot -
Citron N ED 366 - 127
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Remerciements
Ce mmoire prsente les travaux qui ont t effectus dans le cadre
d'une convention CIFRE entre
la socit PSA Peugeot Citron, situe Velizy et l'Institut de
Recherches en Communication et Cyberntique
de Nantes.
Je remercie Monsieur Wisama Khalil, professeur l'Ecole Centrale
de Nantes, de m'avoir initie et guide
jusque l dans mon parcours d'apprentissage dans le domaine de la
robotique. Je lui suis trs
reconnaissante de m'avoir apport son exprience tout au long de
ses annes et plus particulirement
pendant ce travail de thse.
Je remercie Monsieur Philippe Bodson, responsable de l'quipe de
modlisation en dynamique vhicule
chez PSA, de m'avoir accueillie dans au sein de son quipe, de
m'avoir fait dcouvrir la dynamique
vhicule, et de m'avoir encourage tout au long de ces trois
annes.
Je remercie Monsieur Maxime Gautier, Professeur l'Universit de
Nantes, pour son constant soutien et
la confiance qu'il m'a accorde.
Je tiens remercier Messieurs Grard Gissinger et Nacer M'Sirdi
d'avoir bien voulu accepter la tche de
rapporteurs, et surtout pour les remarques et conseils qu'ils
ont eu la bienveillance de me donner.
Je remercie aussi Monsieur Alain Oustaloup d'avoir accepter la
prsidence du jury.
Je remercie galement Messieurs Bruno Hazet, Franois Caillot et
Alain de Cremoux de m'avoir accueillie
chez PSA et de m'avoir permis de mener bien se travail dans les
meilleures conditions en mettant
ma disposition les moyens ncessaires, ainsi que le directeur de
l'IRCCyN, Monsieur Jean-Franois
Lafay.
Je tiens remercier Madame Christine Chevallereau et tous les
membres de l'quipe robotique de
l'IRCCyN, ainsi que les membres de l'quipe modlisation en
dynamique vhicule chez PSA pour
leur soutien et leurs conseils.
Je remercie aussi Monsieur Damien Aguilera pour son aide
prcieuse concernant l'instrumentation et
les mesures, et Monsieur Marc Ebalard pour ses
encouragements.
Enfin, merci Antoine et Prunellia pour leur soutien, leur aide
et leur patience quotidienne.
Remerciements 3
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Table des matires
1.A. Dfinition des repres utiliss
......................................................................................
12
1.A.1. Le repre sol R0
.........................................................................................................................
12
1.A.2. Le repre route Rr
.....................................................................................................................
13
1.A.3. Les repres lis aux pneumatiques Rpi et Rcri
......................................................................
13
1.A.4. Le repre quadrillage RQ
..........................................................................................................
14
1.A.5. Le repre li au chssis RG
......................................................................................................
14
1.A.6. Le repre de positionnement des capteurs ROc
...................................................................
14
1.A.7. Le repre de mesure RC
...........................................................................................................
15
1.A.8. Repre arodynamique Raro
..................................................................................................
15
1.B. Description du vhicule et de son environnement
.................................................... 16
1.B.1. La caisse ou chssis
....................................................................................................................
16
1.B.2. Les trains
.....................................................................................................................................
18
1.B.3. Les roues
....................................................................................................................................
26
1.B.4. Les pneus
....................................................................................................................................
27
1.B.5. Environnement extrieur
..........................................................................................................
36
1.C. Bilan des efforts appliqus au vhicule
.......................................................................
37
1.C.1. Expression du torseur arodynamique
...................................................................................
37
1.C.2. Efforts de suspensions
..............................................................................................................
39
1.C.3. Efforts de liaison
.......................................................................................................................
41
1.D. Modle bicyclette : modlisation dans le cas classique
............................................. 42
1.E. ARHMM : un logiciel de simulation de dynamique vhicule
.................................. 44
1.E.1. Prsentation
................................................................................................................................
45
1.E.2. Rsultats de simulation
.............................................................................................................
45
1.F. Conclusion
......................................................................................................................
49
2.A. Modlisation des systmes multi-corps
......................................................................
51
2.A.1. Description des systmes structure arborescente
..............................................................
52
Table des matires 5
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2.A.2. Modle gomtrique direct des structures arborescentes
.................................................... 56
2.A.3. Modles cinmatiques des robots structure complexe
...................................................... 56
2.A.4. Modle dynamique
....................................................................................................................
57
2.B. Identification
...................................................................................................................
69
2.B.1. Principe de l'identification des paramtres dynamiques
....................................................... 69
2.B.2. Prtraitement des donnes
.......................................................................................................
73
2.B.3. Moindres carrs pondrs
........................................................................................................
76
2.B.4. Moindres carrs itratifs
............................................................................................................
77
2.C. Exemples de modlisation : le modle bicyclette
...................................................... 79
2.C.1. Modle lagrangien, porteur PPR
.............................................................................................
79
2.C.2. Modle mixte eulrien-lagrangien
............................................................................................
82
2.D. Conclusion
......................................................................................................................
85
3.A. Mesures statiques : obtention de tables de caractrisation
du vhicule et de ses
organes
.....................................................................................................................................
87
3.A.1. Le banc de caractrisation vhicule BCV
...........................................................................
87
3.A.2. Le banc de caractrisation du pneumatique
...........................................................................
90
3.A.3. La soufflerie
................................................................................................................................
91
3.B. Instrumentation du vhicule en vue de l'identification
............................................. 92
3.B.1. Mesures des mouvements de la caisse par rapport au sol
.................................................... 92
3.B.2. Mesures des dbattements
........................................................................................................
95
3.B.3. Mesure de la hauteur de la caisse
.............................................................................................
95
3.B.4. Mesures des grandeurs cinmatiques et lastocinmatiques
................................................ 96
3.B.5. Mesures des efforts de contact entre la roue et le sol
........................................................... 97
3.B.6. Mesures des entres pilote
........................................................................................................
97
3.C. Protocoles de mesures
...................................................................................................
99
3.C.1. Choix des trajectoires
..............................................................................................................
100
3.C.2. Quelques essais
........................................................................................................................
101
3.D. Conclusion
...................................................................................................................
110
4.A. Modlisation du vhicule
............................................................................................
112
4.A.1. Modlisation de la caisse par rapport au sol : le porteur
spatial ....................................... 112
4.A.2. Hypothses simplificatrices
....................................................................................................
116
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4.A.3. Modlisation globale du vhicule
..........................................................................................
116
4.A.4. Efforts appliqus sur le vhicule
...........................................................................................
119
4.A.5. Paramtres dynamiques standard et paramtres de base
................................................... 121
4.B. Traitement des donnes
..............................................................................................
123
4.C. Calcul des lments du modle dynamique d'identification
................................. 125
4.D. Simulation
.....................................................................................................................
128
4.D.1. Rsultats
...................................................................................................................................
128
4.D.2. Interprtation et validation
....................................................................................................
130
4.D.3. Validation par reconstruction
................................................................................................
132
4.E. Conclusion
....................................................................................................................
135
5.A. Choix des degrs de libert et des hypothses
......................................................... 136
5.A.1. Choix des degrs de libert
....................................................................................................
136
5.A.2. Hypothses
...............................................................................................................................
138
5.A.3. Modlisation d'une branche principale
.................................................................................
141
5.B. Modle Lagrangien
......................................................................................................
142
5.B.1. Modlisation globale du vhicule
..........................................................................................
142
5.B.2. Efforts extrieurs appliqus sur le vhicule
.........................................................................
144
5.B.3. Paramtres standard et paramtres de base
.........................................................................
146
5.B.4. Calcul des membres de l'quation d'identification
..............................................................
147
5.B.5. Simulation avec donnes issues de ARHMM
......................................................................
148
5.B.6. Essais rels
...............................................................................................................................
160
5.B.7. Conclusion sur l'utilisation du modle lagrangien
...............................................................
178
5.C. Modle mixte eulrien-lagrangien
..............................................................................
179
5.C.1. Mouvement de la caisse par rapport au sol
..........................................................................
179
5.C.2. Modlisation globale du vhicule
..........................................................................................
179
5.C.3. Efforts extrieurs appliqus sur le vhicule
.........................................................................
183
5.C.4. Paramtres standard et paramtres de base
.........................................................................
183
5.C.5. Simulation avec donnes issues de ARHMM
......................................................................
185
5.C.6. Essais rels
................................................................................................................................
187
5.C.7. Conclusions sur l'utilisation du modle mixte
.....................................................................
195
5.D. Conclusion
...................................................................................................................
196
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1.A. Principe : dcomposition QR de la matrice d'observation W
[Gautier 90b].......200
1.B. Calcul du nombre de paramtres de base :
NB.......................................................201
1.C. Choix des paramtres de
base....................................................................................201
1.D. Relations de
regroupement........................................................................................202
2.A.
Principe.........................................................................................................................204
2.B.
Prsentation..................................................................................................................204
2.C.
Utilisation......................................................................................................................205
2.C.1.
Donnes....................................................................................................................................205
2.C.2. Rglages des
filtres...................................................................................................................205
2.C.3. Rglages des paramtres de
calcul.........................................................................................205
2.D.
DYCARO/CAR..........................................................................................................206
3.A. Principe de relativit
d'Einstein-Galile....................................................................208
3.A.1. Enonc du
principe.................................................................................................................208
3.A.2. Forces
spcifiques...................................................................................................................208
3.B. Principe de
ralisation.................................................................................................208
3.B.1. Mouvement de
Poinsot...........................................................................................................209
3.B.2. Matrialisation du repre absolu
Ra......................................................................................209
3.B.3. Montage rel
dtaill...............................................................................................................209
3.C. Alignement et initialisation de la
centrale.................................................................210
3.C.1. Notion de plate-forme
stabilise...........................................................................................212
3.C.2. Mesure de la
rotation..............................................................................................................212
3.D. Le navigateur
inertiel...................................................................................................213
3.D.1. Equipements
ncessaires.......................................................................................................213
3.D.2. Fonctionnement du
navigateur.............................................................................................213
3.E.
Erreurs...........................................................................................................................214
Bibliographie.......................................................................................................226
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Introduction
La fabrication d'une voiture, depuis les premires bauches jusqu'
sa commercialisation, suit un
processus long et jalonn de plusieurs grandes tapes. Il faut
tout d'abord concevoir le vhicule : en
choisir le style, faire les premiers prototypes de profils,
tudier sa faisabilit, son architecture, la
motorisation qui sera choisie, en fonction du segment dsir.
L'outil numrique de CAO joue un trs
grand rle dans ces tapes de conception, permet de gagner
beaucoup de temps et d'tudier de
nombreuses variantes. Les outils de dynamique vhicule sont
principalement utiliss lors de cette
tape afin de faire une tude prvisionnelle du comportement simul
sur route des solutions
choisies. Lorsque le vhicule est dfini, les premiers prototypes
physiques sont raliss. Ces
prototypes permettent, entre autre, de dterminer le comportement
du vhicule en roulage et
d'tudier son comportement dynamique. De nombreuses mesures sont
effectues lors de ces essais
afin de rgler mettre au point le vhicule, mais il existe de trs
grandes possibilits de rglages
pour un nombre, grandissant, de paramtres, bien souvent coupls,
sur lesquels les metteurs au
point peuvent jouer. Trouver manuellement la combinaison
optimale de ces rglages c'est dire
celle qui permet d'allier performances et confort, tout en
garantissant la scurit maximale relve
de l'impossible, d'autant plus lorsque les dlais sont trs
courts. En revanche trouver numriquement
cette solution est possible en utilisant des simulations du
vhicule pour les diffrentes configurations
pralablement dtermines par une mthode base sur les plans
d'exprience. Encore faut-il pouvoir
simuler correctement le comportement du vhicule. De ce fait les
outils numriques sont
relativement peu utiliss lors de cette tape, car il est
actuellement difficile de corrler les mesures et
la simulation afin que la reprsentation numrique corresponde
effectivement au vhicule tudi. Les
essais jouent donc toujours un rle clef dans la conception du
vhicule. L'ide d'utiliser
l'identification pour corrler les calculs et les mesures vient
alors naturellement : dterminer les
paramtres ncessaires la simulation partir des essais et des
mesures effectues sur le vhicule,
plutt que d'essayer, comme il a t fait jusqu' prsent sans rel
succs, de corrler simulations et
essais l'aide de mthodes d'optimisation non linaire
[Abouelainine 00], [Boitard 99], ou
d'estimer les paramtres dynamiques avec des mthodes d'estimation
non linaires lourdes en calcul
et ne permettant pas d'obtenir un indicateur de la confiance
accorder dans le rsultat [Schmitt 99].
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De nombreuses mthodes d'identification existent, mais celle qui
a t choisie est base sur les
mthodes employes en robotique : en effet, pourquoi ne pas
considrer le vhicule comme un
robot mobile complexe et comme un systme multicorps
poly-articul, dont la description peut alors
se faire en utilisant le formalisme de Denavit et Hartenberg
modifi ? Il est alors possible, en calculant
le modle dynamique inverse du systme, d'identifier les paramtres
recherchs par une mthode de
rsolution des systmes linaires surdtermins base sur la mthode
des moindres carrs.
Le travail prsent ici retrace la mise en uvre de cette dmarche
dans le but d'identifier les
paramtres dynamiques d'une voiture. Le premier chapitre prsente
les particularits d'un vhicule
par le biais des grandeurs caractristiques de la dynamique
vhicule. Un modle trs simple : le
modle bicyclette, permettant de dcrire le comportement du
vhicule en lacet et en drive est
prsent, ainsi que des exemples de simulation avec le logiciel
ARHMM, de manire comprendre
le comportement du vhicule et les sollicitations auxquelles il
est soumis. Le second chapitre permet
d'tablir les grandes tapes de la dmarche employe pour modliser
les systmes poly-articuls et
pour procder l'identification de ses paramtres dynamiques. Elle
est applique en exemple au
modle bicyclette.
Afin de raliser l'identification sur un vhicule il est
indispensable de pouvoir mesurer les grandeurs
caractristiques dfinies avant : pour cela le vhicule sera quip
de nombreux capteurs dont le
fonctionnement et l'utilisation seront dtaills dans le chapitre
3. Enfin, les deux derniers chapitres
permettront d'apprcier les performances de la mthode sur deux
types de modles : un premier,
trs sommaire, seize degrs de libert prsent uniquement en
simulation en utilisant le logiciel de
dynamique vhicule ARHMM comme gnrateur de mouvement, puis un
second modle plus
complet trente huit degrs de libert qui sera dclin dans deux
versions : un modle lagrangien et
un modle mixte eulrien-lagrangien. Les rsultats sont obtenus
d'une part en simulation, en utilisant
le logiciel ARHMM comme gnrateur de mouvements pour valider le
modle, d'autre part pour un
vhicule rel : une Peugeot 406, instrumente conformment au
chapitre 3, en utilisant des
mouvements disponibles.
Introduction 11
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Chapitre 1
Description fonctionnellede la dynamique d'une voiture
Le vhicule automobile est un systme trs complexe qui fait entrer
en jeu dans sa constitution de
nombreux sous-systmes fonctionnels trs diffrents les uns des
autres : roues, moteur et systme de
transmission, systme de freinage, suspensions, direction, de
plus en plus d'lectronique
embarqueTous ces systmes ont pour but de faire fonctionner la
voiture dans les meilleures
conditions. Ils doivent permettre au vhicule de s'adapter au
mieux au milieu extrieur : type de
route, conditions atmosphriques, tout en garantissant au
conducteur et aux passagers la plus grande
scurit et le plus de confort possible. La dynamique vhicule
traite du comportement routier du
vhicule. Ce comportement est tudi diffrents moments lors de la
conception du vhicule, mais
plus particulirement en phase de mise au point. Afin de prdire
le comportement d'un vhicule il
est indispensable de crer des modles. Dans ce chapitre, aprs
avoir abord un certain nombre de
notions de la dynamique du vhicule et les notations utilises, un
modle simple de vhicule : le
modle bicyclette, permettant de comprendre les phnomnes
caractristiques de la dynamique
vhicule sera prsent. Enfin quelques rsultats de simulation issus
du logiciel ARHMM dvelopp
par l'quipe de modlisation dynamique du vhicule permettront
d'tudier la rponse d'un vhicule
lors d'essais courants. [Bodson 03]
1 .A.Dfinition des repres utilissDans toute tude mcanique le
choix des repres de travail est fondamental, afin de pouvoir
appliquer les thormes de la mcanique classique. Ce paragraphe
dtaille les principaux repres
utiliss lors de la modlisation d'un vhicule, et de l'criture des
quations fondamentales de la
dynamique pour ce systme complexe.
1 . A .1 . Le repre sol R0
R0 est dfini de faon classique : l'axe z0 est vertical et orient
vers le haut, les axes x0 et y0 forment
avec z0 un tridre direct. Il est suppos galilen.
12 Gentiane Venture Thse de Doctorat : Identification des
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( )000 zyx ,,,R0 O=
1 . A .2 .Le repre route R r
Son origine est la projection du centre de gravit du vhicule sur
le plan de la route : R. L'axe zr est
normal au plan de la route, les axes xr et yr dfinissant ce plan
tel que xr soit suivant la direction
longitudinale du vhicule. C'est un repre intermdiaire de
calcul.
( )rrr zyx ,,,Rr R=
1 . A .3 .Les repres lis aux pneumatiques Rpi et Rcr i
1.A.3.1.Repres pneumatiques : Rpi
Il y en un par roue : i = 1 4. Chaque repre li au pneumatique a
pour origine le point de contact
sol-roue. L'axe pix est dans le plan de la roue, piy est
perpendiculaire au plan de la roue et zpi est
normal au plan de la route (Figure 1-1). Il est utilis pour
dterminer les efforts pneumatiques en
utilisant les formules de Pacejka.
( )pipipi zyx ,,,PR ipi =
1.A.3.2.Repres centre roue : Rcri
Il y en a un par roue aussi : i = 1 4. L' axe xcri est colinaire
l'axe xpi. L'axe ycri est port par l'axe
de rotation de la roue. L'axe zcri est dans le plan de la roue,
c'est l'axe de braquage de la roue, il est
inclin du carrossage i par rapport la verticale. L'origine du
repre Rcri est Oi, le centre de la roue i.(Figure 1-1)
Figure 1-1 : Dfinition des repres lis aux pneumatiques
Chapitre 1 : Modlisation d'un vhicule automobile 13
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1 . A .4 . Le repre quadrillage RQLe repre quadrillage est un
repre architectural. Il a pour origine le point Q qui se situe
gnralement au milieu de la voie avant, au niveau de l'essieu, et
l'axe xQ est dirig vers l'arrire du
vhicule (Figure 1-2). Ce repre mtier permet de dcrire les
grandeurs architecturales du vhicule
telles que la position du centre de gravit, les positions des
roues, des capteurs, des points de
mesures. Il est donc trs couramment employ par les gens des
mtiers.
( )QQQ zyx ,,,QRQ =Par la suite, sauf prcision, toutes les
dimensions et grandeurs architecturales seront donnes dans le
repre quadrillage.
Figure 1-2 : Repre quadrillage Figure 1-3 : Dfinition du repre
li au chssis
1 . A .5 . Le repre li au chssis RGCe repre est utilis pour
crire les quations fondamentales de la dynamique. Il a pour origine
G, le
centre de gravit de la masse suspendue. L'axe xG est orient
longitudinalement positivement dans le
sens de l'avance, yG est orient vers la gauche et zG
verticalement pour former une base directe ().
( )GGG zyx ,,,GRG =Les angles , , , de lacet, tangage et roulis
permettent de dfinir par des rotations successives lamatrice de
passage du repre sol au repre chssis. Ces angles sont dfinis dans
la section 1.B.1.
Les axes xG, yG et zG du repre li au chssis sont communment
appels axes de roulis, tangage et
lacet. (Figure 1-8)
1 . A .6 . Le repre de positionnement des capteurs ROcLorsque le
vhicule est instrument, il est ncessaire de connatre avec prcision
la position des
capteurs. Pour des raisons pratiques le repre utilis est un
repre particulier appel ROc et dont
l'origine OC est physiquement matrialise : sur le bas de caisse,
juste derrire la roue avant droite.
14 Gentiane Venture Thse de Doctorat : Identification des
paramtres dynamiques d'un vhicule automobile
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Ces coordonnes sont donnes dans le repre quadrillage par :
OC/RQ = [450 -730 132.5]T mm
1 . A .7 .Le repre de mesure RCLes mesures d'orientation qui
seront effectues sur le vhicule sont donnes dans un repre
spcifique : le repre de mesure. Il a ses axes colinaires au
repre chssis et son centre est le point
C. dont les coordonnes de C dans le repre quadrillage sont :
C/RQ = [2692 0 283]T en mm. Ce point
est situ presque la mme hauteur que le centre de gravit, mais en
arrire au milieu de l'essieu
arrire.
Figure 1-4 : Le repre de mesure RC
1 . A .8 .Repre arodynamique Raro
Le torseur arodynamique {aro}est exprim dans le repre
arodynamique Raro. Il a son origine Caro,
au milieu de la voie et de l'empattement (section 1.B.2.5), et
se situe verticalement au niveau du sol.
Il sert obtenir l'expression la plus simple du torseur
arodynamique.
Figure 1-5 : Dfinition du repre arodynamique
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1 .B.Description du vhicule et de son environnementDans cette
partie, les diffrents constituants qui jouent un rle dterminant sur
la dynamique du
vhicule seront prsents (Figure 1-6), ainsi que les grandeurs
caractristiques qui leur sont associes.
Tout d'abord le chssis, puis la liaison au sol qui regroupe
l'ensemble des organes qui relient le
chssis la route. Ce sont des composants primordiaux pour la
scurit d'utilisation. Ils doivent
galement contribuer l'obtention d'un grand niveau de confort en
conduite. Ils sont donc la fois
des lments de performance, d'alerte et d'isolation acoustique et
vibratoire. Une telle synthse ne
peut tre accomplie qu' l'aide d'optimisations simultanes des
organes de base : roues,
pneumatiques, trains et suspensions. Le systme de direction ne
sera considr ici que trs
sommairement.
Figure 1-6 : Les diffrents organes intervenant dans la liaison
au sol
1 . B . 1 .La caisse ou chssis
La caisse est le corps principal du vhicule. C'est la structure
mtallique externe (Figure 1-7). A la fin
du montage elle contient l'habitacle, le groupe moteur, le
systme de commande du pilote : pdales,
volant, levier de vitesse. Cet ensemble constitue la masse
suspendue. Une trs grande rigidit de
caisse permet de limiter l'tude des flexibilits aux suspensions
et aux pneus, et dans la plupart des
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cas la caisse pourra tre considre comme rigide [Deutcsh 70].
Cependant si la somme des efforts
verticaux sur les deux diagonales du vhicule n'est pas nulle
alors la caisse travaille en torsion, et son
lasticit influence le comportement du vhicule qui devient
difficile prdire. Elle peut agir sur des
phnomnes, notamment en torsion comme il sera vu avec l'emploi
des barres anti-roulis (1.B.2.2).
La mesure des dformations lastiques de la caisse reste une
opration coteuse effectuer.
Figure 1-7 : La caisse sur une chane de montageFigure 1-8:
Mouvements de la caisse par rapport au sol
Les mouvements de la caisse par rapport au sol, dans les trois
directions, se caractrisent par trois
translations : l'avance suivant l'axe longitudinal xG, le
ballant suivant l'axe transversal yG et le
pompage suivant l'axe vertical zG, et trois rotations : le
roulis autour de l'axe longitudinal xG, le
tangage autour de l'axe transversal yG et le lacet autour de
l'axe vertical zG. ()
Les paramtres inertiels de la caisse sont gnralement reprsentes
par :
- sa masse M.
- la position de son centre de gravit G (premiers moments par
rapport chaque axe) xG, yG, zG.
- les seconds moments d'inertie par rapport chaque axe xG, yG,
zG.: Ixx, Iyy, Izz
- les produits d'inertie : Ixy, Ixz, Iyz.
La masse du vhicule et la position de G peuvent tre dtermins
thoriquement condition de
possder assez d'informations concernant la gomtrie et les masses
des corps. Mais ces mesures ne
peuvent pas prendre en compte un certain nombres de facteurs
influents sur le rsultat comme par
exemple : l'addition du conducteur, de passagers et de bagages,
et dont l'effet est non ngligeable sur
la masse totale, la position du centre de masse et les seconds
moments d'inertie.
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Les efforts principaux qui agissent sur la caisse sont les
charges verticales, qui se transmettent par
l'intermdiaire de la liaison au sol (pneumatiques, trains,
suspensions). Elles sont quasiment gales
la charge verticale des pneus. Mais les efforts transversaux et
longitudinaux venant du contact
entre les roues et le sol sont aussi considrer (1.B.4). Les
efforts arodynamiques (1.C.1.1)
s'appliquent aussi sur la caisse et lorsque la vitesse
longitudinale du vhicule dpasse 90 km/h il
devient indispensable de les prendre en compte. Ils proviennent
du dplacement relatif du vhicule
par rapport l'atmosphre et sont donc principalement appliqus
dans la direction longitudinale sauf
en cas de vent latral fort. L'influence de la composante
verticale de l'effort arodynamique est aussi
importante pour la stabilit du vhicule roulant grande
vitesse.
1 . B . 2 .Les trains
Figure 1-9 : Train avant
Le train avant est l'ensemble des organes qui assurent la
suspension et la direction des roues avant
(Figure 1-9). Le comportement du train avant dpend de sa gomtrie
et de ses rglages : carrossage,
paralllisme, dport, angle de chasse.
Le train arrire est l'ensemble des organes qui assurent la
suspension et le guidage des roues arrire.
Le comportement du train arrire dpend de ses caractristiques et
du respect de sa gomtrie en
charge comme vide, en virage comme en ligne droite. [Halconruy
95]
Pour les roues, la nomenclature la plus utilise en dynamique
vhicule, et celle choisie ici, est :
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- 1 pour l'avant gauche (ou not AVG)
- 2 pour l'avant droit (ou not ARD)
- 3 pour l'arrire gauche (ou not ARG)
- 4 pour l'arrire droit (ou not ARD)
1.B.2.1.L'essieu
C'est l'ensemble des organes qui relient la roue au chssis
l'exception des lments de direction et
de suspension (amortisseurs, ressorts, vrins). Il doit remplir
trois exigences principales : la
compatibilit avec l'environnement physique, les performances
attendues et la scurit d'utilisation.
1.B.2.2.Les suspensions et les barres anti-roulis :
dbattements
La suspension est le systme qui assure la liaison verticale, ou
dbattement, entre la roue et la caisse.
Elle doit porter le vhicule, assurer le contact entre les
pneumatiques et le sol, et isoler le chssis des
perturbations gnres l'interface roue-sol. De ce fait elle doit
agir comme un filtre afin d'liminer
les frquences de vibrations indsirables pour assurer la bonne
tenue de route et le confort des
passagers. C'est un dispositif dynamique complexe car les
interactions sont multiples entre le chssis
et les roues, et les sollicitations ont un caractre alatoire.
Les dplacements des centres de roue par
rapport la caisse suivant l'axe zQ (1.A.4) sont appels les
dbattements et nots zi. C'est une
grandeur algbrique oriente suivant zQ partir de la position
dquilibre : la caisse et la roue n'ayant
pas de mouvement relatif. Le dbattement est positif lorsque le
chssis descend (attaque) et ngatif
lorsqu'il monte (dtente). La partie "lastique et armotisseur" de
la suspension peut se reprsenter
avec un systme de ressort de raideur ki (i = 1 4), et un
amortisseur de coefficient d'amortissement
(ou frottement visqueux) hi (i = 1 4), ainsi que d'un
coefficient de frottements secs : fsi (i = 1 4)
(Figure 1-13). En pratique ces coefficients dpendent des
dbattements. (Figure 1-10 et Figure 1-11)
[Dixon 96]
-150 -100 -50 0 50 1000
100
200
300
400
500
600
700
800
dbattement zi (mm)
raid
eur
de suspe
nsio
n k i (D
aN
/mm
)
Flexibilit ki de suspension avant f du dbattement zi Flexibilit
ki de suspension arrire f du dbattement zi
Figure 1-10 : Raideurs de suspension ki fonction
dudbattement
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-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5-200
-150
-100
-50
0
50
100
150am
ort
issm
ent d
e suspe
nsio
n k
i (DaN
/mm
/s)
vitesse de dbattement (mm/s)
Amortissement hi avant f de la vitesse de dbattement
Amortissement hi arrire f de la vitesse de dbattement
Figure 1-11: Amortissement hi fonction de la vitesse
dedbattement
Figure 1-12 : Suspension etamortisseur Figure 1-13:
Schmatisation d'un systme
de suspensionFigure 1-14 : Une solution demontage de la barre
anti-roulis
La barre anti-roulis (), galement appele barre anti-dvers ou
stabilisateur transversal est un
dispositif de couplage lastique des dbattements des roues d'un
mme train qui augmente la rigidit
de la suspension du vhicule lors des mouvements de roulis donc
lors de mouvements en torsion.
Ce dispositif est tel que la rigidit de suspension ne varie pas
en l'absence de roulis, c'est dire
lorsque le vhicule bat symtriquement. Ce dispositif permet de
gnrer des couples qui s'opposent
au roulis du vhicule. Cependant si la caisse est trop flexible
elle interfre avec le fonctionnement
des barres anti-roulis et donc modifie le rsultat escompt. La
barre anti-roulis avant ne doit pas
avoir de rle dans le guidage du vhicule, son montage doit
respecter cette contrainte ().
1.B.2.3.Cinmatique et lastocinmatique des trains
Au cours du dbattement du vhicule la position et l'orientation
de la roue par rapport au chssis
changent, entranant des modifications de la gomtrie du vhicule
par le biais de dformations des
trains. Ce phnomne est appel la cinmatique des trains et traduit
le changement de position du
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point de contact entre la roue et le sol. Ces variations font
natre des efforts de blocage, ou efforts
de liaison (section 1.C.3).
De plus le train n'est pas un organe rigide, du fait d'une part
de l'utilisation de cales lastiques
permettant d'assurer les liaisons entre le train et le chssis,
et d'autre part de l'lasticit propre de ces
pices, lorsqu'il est soumis des efforts extrieurs. Ces lasticits
agissent aussi sur les dformations
cinmatiques en crant des dformations supplmentaires appeles
lastocinmatiques. [Jacquinot
00]
Tous les phnomnes qui sont dcrits ci-aprs ont ces deux origines.
Chaque grandeur peut se
dcomposer en une grandeur cinmatique et une grandeur
lastocinmatique. Toutes les donnes
cinmatiques et lastocinmatiques des roues avant s'expriment en
fonction des dbattements des
roues d'un mme essieu, et de la position crmaillre. Toutes les
donnes cinmatiques et
lastocinmatiques des roues arrire s'expriment en fonction des
dbattements de la roue considre
et de la roue oppose (l'autre roue du mme essieu). Elles sont
donnes par des tableaux qui sont
obtenues sur des bancs de tests de type BCV (Banc de
Caractrisation Vhicule). (Chapitre 3,
section 3.A.1)
1.B.2.4.Direction, angle de braquage et pince
La direction est le systme qui permet au conducteur de diriger
le vhicule. Il se compose du volant,
de la colonne de direction et de la crmaillre qui transforme la
rotation du volant en une translation
afin de faire tourner les roues directrices.
Le braquage, not i (i = 1 et 2), est l'angle de rotation de la
roue avant autour de l'axe vertical. Il estprincipalement d
l'action du conducteur sur le volant. Ici il a t choisi de ne pas
modliser la
colonne de direction mais d'utiliser directement la position
crmaillre. Cependant il faut aussi
ajouter ce braquage le braquage d la cinmatique et
l'lastocinmatique des trains.
La pince, note i (i = 3 et 4) aussi, est la rotation des roues
arrire par rapport l'axe verticaluniquement due la cinmatique et
l'lastocinmatique des trains.
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-40-20
020
40
-100-50
050
100-100
-50
0
50
100
position crmaillre (mm)dbattement (mm)
pinc
e av
ant (
)
(a) (b)
Figure 1-15 : (a) Variation de braquage avant : fonction de la
position crmaillre et du dbattement
(b) Variation de pince arrire : fonction des dbattements de la
roue sollicite et de la roue oppose
1.B.2.5.Voie et empattement
La voie est la distance entre les deux roues d'un mme essieu.
Elle peut tre mesure au centre de
roue ou au sol : point de contact au milieu de la bande de
roulement (Figure 1-16). Le plus
gnralement c'est la demie-voie gomtrique, note li (i = 1 4), qui
est utilise.
L'empattement est la distance entre les deux roues d'un mme ct
(Figure 1-17). Le plus
gnralement c'est le demi-empattement gomtrique, not Li (i = 1
4), qui est utilis.
Figure 1-16 : Dfinition de la voie
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Figure 1-17 : Dfinition de l'empattement
-40
-20
0
20
40
-100-50
050
100-10
-5
0
5
position crmaillre (mm)dbattement (mm)
dem
i-em
patte
men
t ava
nt (m
m)
(a) (b)
Figure 1-18: Variation de demi-empattement :
(a) avant : fonction de la position crmaillre et du
dbattement
(b) arrire : fonction des dbattements de la roue sollicite et de
la roue oppose
-40-20
020
40
-100-50
050
100735
740
745
750
755
position crmaillre (mm)dbattement (mm)
dem
ie-vo
ie av
ant (m
m)
(a) (b)
Figure 1-19 : Variation de demie-voie:
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(a) avant : fonction de la position crmaillre et du
dbattement
(b) arrire : fonction des dbattements de la roue sollicite et de
la roue oppose
1.B.2.6.Carrossage, enroulement
Lorsque la voiture est souleve ou enfonce, les plans des roues
ne restent pas perpendiculaires
celui de la route : le vhicule prend du carrossage. Cette
grandeur est note i. (i = 1 4) (Figure 1-20). Il existe plusieurs
conventions pour dfinir le carrossage. La plus utilises est la
convention
mtier qui dfinit un carrossage ngatif lorsque les hauts des
roues s'cartent (Figure 1-20), et positif
lorsquils se rapprochent.
L'enroulement, not i (i = 1 4), est l'angle de rotation, autour
de l'axe y du repre Rcri, du centre deroue autour du point de
fixation du bras reliant le centre de roue au train.
Figure 1-20 : Dfinition de l'angle de carrossage dans les
conventions mtiers
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-40
-20
0
20
40
-100-50
050
100-1
0
1
2
3
position crmaillre (mm)dbattement (mm)
carr
ossa
ge ()
(a) (b)
Figure 1-21 : Variation de carrossage:
(a) avant : fonction de la position crmaillre et du
dbattement
(b) arrire : fonction des dbattements de la roue sollicite et de
la roue oppose
-40-20
020
40
-100-50
050
100-4
-2
0
2
4
position crmaillre (mm)dbattement (mm)
enro
ulem
ent (
)
(a) (b)
Figure 1-22 : Variation d'enroulement
(a) avant : fonction de la position crmaillre et du
dbattement
(b) arrire : fonction des dbattements de la roue sollicite et de
la roue oppose
1.B.2.7.Angle de chasse
Une roue directrice s'oriente suivant un axe de pivotement qui
n'est pas exactement vertical. Cet axe
est lgrement inclin vers l'arrire du vhicule et forme l'angle de
chasse. La roue est alors "tire",
comme c'est le cas, par exemple, des roues de caddie de
supermarch ou la roue avant d'un vlo. La
chasse donne de la stabilit aux roues directrices et amliore les
sensations au volant, mais elle doit
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tre d'une valeur raisonnable car trop de chasse gnre un effort
important dans la direction et de ce
fait des ractions brutales au volant.
Figure 1-23 : Dfinition de l'angle de chasse
L'angle varie de 0 10 suivant les vhicules. Il est faible sur
les vhicules tout-terrain, et lev pour
les vhicules rapides. La chasse au sol est la distance entre le
point de contact du pneu avec la
chausse et l'intersection sur le sol de l'axe de rotation de la
roue directrice (Dx sur la Figure 1-23)
ou axe de pivot.
1 . B . 3 .Les roues
Le terme "roue" englobe dans son sens le plus gnral tous les
lments qui sont en rotation, et dans
son sens restreint juste la partie qui relie le pneu l'essieu
(Figure 1-24). Il existe une trs grande
varit de roues utilises dans l'automobile. Les faons de monter
ces roues sont aussi trs varies,
en fonction des performances dsires par le conducteur.
En usage courant la roue doit transmettre les couples
d'acclration et de freinage ainsi que les
diffrents effets porteurs ou de guidage gnrs lors de la conduite
du vhicule. Elle doit aussi
pouvoir rsister des sollicitations exceptionnelles (nid de
poule, trottoir). En raison des fonctions
de scurit que doit remplir la roue, il est essentiel que les
prestations ne soient pas diminues au
cours de la vie de cet organe. Plus particulirement, le
revtement de la roue devra tre
soigneusement choisi afin de rsister aux agressions climatiques,
biologiques et mcaniques qu'elle
pourra subir : rsistance la corrosion, aux projections de
gravillons... La roue peut aussi jouer un
rle dans le systme de ventilation des freins. [Halconruy 95]
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Figure 1-24 : Roue dmontable
1 . B . 4 .Les pneus
Le pneumatique est le seul lment qui relie physiquement le
vhicule la route. Il doit remplir un
certain nombre de fonctions que l'on peut regrouper en trois
grandes rubriques : la scurit
d'utilisation, l'agrment de conduite et la rduction des pertes
nergtiques. Leurs caractristiques
sont en gnral donnes par le constructeur, mais elles peuvent tre
dtermines l'aide d'un banc
de caractrisation du pneumatique. (Chapitre 3, section
3.A.2)
1.B.4.1.Fonctions
1.B.4.1.1.Scurit d'utilisation
L'interface entre le pneumatique et le sol se rduit une surface
que l'on appelle aire de contact.
Celle-ci a des dimensions de l'ordre de celle d'une main et
c'est son niveau que se font tous les
changes dynamiques qui conditionnent la tenue de route du
vhicule [Brossard 96]. C'est cette
surface qui caractrise l'adhrence du vhicule. L'adhrence est
totale lorsqu'il n'y a aucun glissement
entre le pneumatique et le sol. C'est videmment ce qui est
recherch au niveau du fonctionnement
du pneumatique aussi bien pour pouvoir transmettre le couple de
traction des roues motrices que
pour pouvoir assurer la tenue de route. Il faut de ce fait
distinguer l'adhrence longitudinale qui
caractrise l'aptitude du pneu transmettre les efforts
longitudinaux (motricit) et l'adhrence
transversale qui dfinit les capacits du pneu gnrer des efforts
transversaux (guidage). Il existe
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ainsi plusieurs sortes de pneus pour rpondre aux besoins, en
fonction des conditions d'utilisation et
des caractristiques dsires (Figure 1-25).
1. multi-usage 2. mixte neige et route 3. neige
Figure 1-25 : Diffrents types de pneus en fonction de
l'utilisation
1.B.4.1.2.Agrment de conduite
Indispensable pour la satisfaction du conducteur, l'agrment de
conduite fait partie des rles que
doit tenir le pneumatique. Il n'assume pas lui seul cette
fonction, mais sa contribution est
fondamentale. Les exigences dans ce domaine portent la fois sur
la rponse dynamique en
braquage, les capacits d'absorption des irrgularits de la route
et sur le niveau d'effort en
manuvre de stationnement. Du point de vue du confort c'est
principalement dans les directions
longitudinales et verticales que le pneumatique pourra jouer un
rle de filtre par rapport aux
sollicitations extrieures. Tout se passe comme si le pneumatique
pouvait tre assimil un ressort
mont en parallle avec un amortisseur. (l'effort d'amortissement
peut tre nglig devant celui de la
suspension lorsque le bilan vertical global est considr). C'est
cette modlisation qui a t choisie
pour la modlisation de l'crasement du pneumatique et de sa
raideur verticale (section 1.B.4.2).
1.B.4.1.3.Contribution acoustique
Les bruits peuvent se classer en deux groupes : ceux engendrs
par le vhicule lui-mme : moteur,
boite de vitesse, ventilateurs et ceux lis l'interaction du
vhicule avec l'environnement :
arodynamique et bruits de roulement. Ces derniers sont dus
l'interaction des pneus avec la
chausse et leur intensit dpend des conditions de roulage. C'est
sur ce point que les pneumatiques
interviennent.
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1.B.4.2.Comportement vertical
Le pneumatique, contrairement la roue en bois, rigide, possde
des proprits d'lasticits dues la
gomme et l'air qu'il contient. Ainsi il peut s'craser
verticalement.
Une modlisation de cette dformation consiste considrer le
pneumatique comme un ressort dans
le plan vertical.
Figure 1-26: Modlisation de l'crasement du pneu
Le comportement vertical du pneumatique se traduit dynamiquement
par l'quation suivante :
pipipi z.k = pour i = 1,2,3,4 (1-0)
Avec :
pi l'effort vertical appliqu au pneumatique i kpi la raideur
verticale du pneumatique i
zpi l'crasement vertical du pneumatique i
Les valeurs de variation de l'crasement varient en fonction des
conditions de l'essai et surtout avec
la charge verticale, la pression de gonflage et la temprature.
Il existe cependant plusieurs faons de
calculer l'crasement des pneumatiques partir des mesures
effectues : par exemple, par calcul du
roulis, du roulis de suspension, et du roulis pneumatique. Le
roulis total peut se dcomposer en
roulis suspension et roulis pneumatique pour l'avant et l'arrire
du vhicule : .
arriresuspensiontotalearrirepneumatiqu
avantsuspensiontotaleavantpneumatiqu
=
=
(1-0)
Le roulis total est mesur. Le calcul du roulis suspension se
fait pour les roues avant et pour les
roues arrire partir des dbattements de suspension et des
demies-voies :
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( )
+
=
21 llzztana AVGAVDavantsuspension et ( )
+
=
43 llzztana ARGARDarriresuspension (1-0)
Avec :
zAVD, zAVG, zARD et zARG les dbattements avant droit, avant
gauche, arrire droit et arrire gauche
l1, l2, l3 et l4 les demies-voies avant gauche, avant droite,
arrire gauche et arrire droite
L'crasement du pneu zpi pour i = 1 et 2 s'crit ainsi :
)tan(.lz eavantpneumatiquipi = (1-0)
Et pour i = 3 et 4 :
)tan(.lz earrirepneumatiquipi = (1-0)
Dans le cas de sollicitations normales zpi est de l'ordre de
quelques millimtres quelques
centimtres.
1.B.4.3.Comportement transversal
Les proprits d'lasticit et de dformation du pneumatique ne
concernent pas seulement la
direction verticale. Le comportement transversal est aussi
affect.
Les axes sont ceux utiliss le plus couramment dans l'industrie
automobile, ceux du repre
pneumatique Rpi (section 1.A.3.1) :
- xpi longitudinal, vers l'avant
- ypi transversal, vers la gauche
- zpi vertical, vers le haut
1.B.4.3.1.Angle et effort de drive
L'angle de drive, i se dfinit comme tant l'angle entre le
vecteur portant la droite d'intersection duplan mdian de la roue i
et du sol, et le vecteur vitesse du point de contact roue-sol
(Figure 1-27)
[Renault]. Il correspond au taux de glissement transversal. Cet
angle gnre un effort transversal
appel effort de drive et not Fd. L'effort de drive permet de
diriger le vhicule. [Milliken 95]
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Figure 1-27 : Phnomne de drive et dfinition de l'angle de
drive
Pour calculer l'angle de drive il faut utiliser les composantes
de la vitesse du point de contact roue-
sol de la roue i (i = 1 4) concerne.
=
xi
yii V
Varctan (1-0)
O :
Vxi est la vitesse longitudinale du point de contact Pi entre la
roue et le sol de la roue i, i = 14,
dans le repre pneumatique Rp
Vyi est la vitesse transversale du point de contact Pi entre la
roue et le sol de la roue i, i = 14,
dans le repre pneumatique RpLes vitesses des points de contact
sont calcules par transport de la vitesse du centre de gravit
au
point dsir :
+
=+=
RG/.Pi
RG/Pi
RG/Pi
z
y
x
z
yx
VVV
&
&
&
iGPVV Gi (1-0)
Avec :
i = 1 4
le vecteur de rotation instantane
VG la vitesse de G exprime dans RG
Dans certaines rfrences [Jacquinot 00] la dfinition de l'angle
de drive prend aussi en compte
l'angle de braquage et la pince, ce qui revient alors crire
:
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ixi
yii V
Varctan +
= (1-0)
Figure 1-28: Module de l'effort de drive et du couple
d'auto-alignement en fonction de la drive
L'effort de drive Fd peut tre considr comme tant proportionnel
la drive pour des angles dedrive faible, c'est dire dans la zone 1
de la Figure 1-28. C'est la zone d'adhrence. Le module de
l'effort de drive Fd s'crit alors :
Fd = D.| | (1-0)O D est un coefficient positif caractristique du
pneumatique appel rigidit de drive. Il s'exprime
en N/ ou en N/rad.
L'effort de drive s'oppose la drive. Dans cette zone la
directivit est totale.
Dans la zone 2 (Figure 1-28) l'effort de drive croit avec la
drive mais de faon non-linaire et finit
par atteindre un maximum. Une partie de l'aire de contact du
pneumatique glisse sur la route. C'est
une zone de transition.
Dans la zone 3 (Figure 1-28) l'effort transversal diminue au fur
et mesure que l'angle de drive
augmente. Il y a glissement transversal du pneumatique sur la
route et de ce fait perte de directivit.
1.B.4.3.2.Couple d'auto-alignement
Le couple d'auto-alignement, not Caz, s'exerce autour de l'axe
vertical zpi du pneumatique. Ilapparat en concordance avec l'effort
de drive et tend rduire l'angle de drive.
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La variation du moment d'auto-alignement en fonction de la drive
est non-linaire (Figure 1-28).
Cependant pour de trs faibles valeurs de drive, il existe un
domaine quasi linaire qui permet de
dfinir la rigidit de torsion du pneu : A, telle que :
Caz = A.| | (1-0)Avec A est une grandeur positive. Le nom de
''auto-alignement'' vient de la proprit de ce moment
faire braquer la roue dans le sens oppos de la drive. Lors de la
perte de directivit, passage dans la
zone 3, le couple d'autoalignement devient nul. Lorsqu'il n'y a
plus de directivit Caz tend accentuer la drive.
1.B.4.3.3.Carrossage et pousse de carrossage
Lorsque le carrossage (1.B.2.6) varie, mme en l'absence de drive
il y a apparition d'une poussede carrossage : Fc dans la direction
transversale. Il est alors possible de reprsenter cet effort de
la
mme faon que pour l'effort de drive, o pour de faibles
carrossages l'effort est proportionnel au
carrossage :
Fc = C.| | (1-0)
O C est appel la rigidit de carrossage et est positif et
s'exprime en N/ ou en N/rad
Lorsqu'il y a drive et carrossage les deux effets s'ajoutent (ou
se retranche suivant le signe du
carrossage) et le module de l'effort latral total Fy peut alors
s'crire:
Fy = D. | | + C. | | (1-0)Par dfinition mme de la drive et du
carrossage comme grandeur cinmatiques et
lastocinmatiques, l'effort transversal Fy est directement li la
matrise de l'volution du plan deroue.
Il est important de noter que la drive et le carrossage ne sont
pas les seules causes de variation de
l'effort de drive et du couple d'autoalignement. En effet la
charge verticale, l'effort longitudinal, la
pression de gonflage, le coefficient de frottement entre les
roues et le sol et mme la nature de la
gomme ont un effet sur ces grandeurs. Elles sont donc le plus
souvent reprsentes par des
faisceaux de courbes.
1.B.4.4.Comportement longitudinal
Lorsque le pneu roule il subit des sollicitations le long de son
axe longitudinal xpi. Il est important de
pouvoir les dcrire et les modliser afin de bien comprendre le
comportement du vhicule.
Chapitre 1 : Modlisation d'un vhicule automobile 33
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1.B.4.4.1.Taux de glissement longitudinal
Dans le cas d'une roue freine ou acclre : le couple appliqu la
roue suivant l'axe longitudinal
n'est pas nul. L'effort rsultant dpend alors du glissement
longitudinal. Ce dernier est dfini par :
Vx.RVxSx
= (1-0)
si .RVx > 0 il y a freinage, si .RVx < 0 il y a
propulsion.
1.B.4.4.2.Effort longitudinal Fx
Par analogie avec la drive et l'effort de drive, l'effort
longitudinal Fx peut s'crire en fonction du
taux de glissement longitudinal et peut mme s'exprimer par une
relation linaire pour les faibles
taux de glissement :
Fx = Ds.Sx (1-0)
O Ds est un coefficient ngatif.
1.B.4.4.3.Moment de rsistance au roulement M01
Lorsque le vhicule glisse longitudinalement un moment apparat
autour de l'axe zCri : le moment de
rsistance au roulement
Il dpend directement de la charge verticale Fz par le biais d'un
coefficient not h et qui reprsente la
rsistance au roulement : M01 = h.|Fz|.
1.B.4.4.4.Modlisation : formule Magique de Pacejka
Le comportement mcanique du pneu est trs complexe en raison
d'une part, de la non-linarit des
lois qui le caractrisent et d'autre part, de la non-indpendance
de ces lois entre-elles. Chaque
pneumatique prsente des caractristiques spcifiques rsultant de
sa conception propre. Certaines
lois de comportement gnrales et communes presque tous les
pneumatiques peuvent cependant
tre mises en vidence. C'est le cas de la formule magique de
Pacejka dtaille ici. [Pacejka 86],
[Pacejka 87], [Schuring 93]
Cette formule est un modle empirique, base sur une formule
standard permettant la description du
comportement du pneu et des coefficients spcifiques au pneu.
C'est le modle le plus couramment
utilis par les fabricants de pneumatiques et les constructeurs
automobiles.
La formule de Pacejka permet de dfinir par une mme formule de
base l'effort longitudinal, l'effort
latral et le couple d'auto-alignement dans des conditions de
drive pure ou de freinage pur (2-16),
exprims dans le repre pneumatique. Les paramtres dont dpendent
ces fonctions sont : la drive,
le glissement longitudinal, l'angle de carrossage et la charge
verticale.
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HV
SXxS)x(y)X(Y
))))x.B(arctgx.B.(Ex.B(arctg.Csin(.D)x(y
+=+=
=
(1-0)
Figure 1-29: Coefficients de Pacejka
Avec :
Y est soit l'effort latral, soit le couple d'autoalignement,
soit l'effort longitudinal.
X est soit la drive soit le glissement longitudinal.
Les coefficients B, C, D, E, SH, SV ne sont pas des constantes,
mais dpendent de la charge verticale
et de l'angle de carrossage par le biais de relation plus ou
moins complexes faisant intervenir d'autres
coefficients caractristiques nots ai par exemple pour l'effort
transversal (2-17) dont l'interprtation
physique est parfois floue. [Pacejka 96], [Pacejka 97],
[Brossard 96]
( )
( )( )( )( )( )
( ) zzzVzH
7Z61716
215Z2
2z1
z
F..aF.aaF.aS.aaF.aS
a.Fa.)sign(a.a1E.a1..Fa.FaD
aC
.a1.a
Farctg.2sinaD.C.B
14131211
1098
18
54
3
+++=++=
+=+=
=
=
(1-0)
1.B.4.4.5.Couplage latral et longitudinal
L'effort latral Fy et l'effort longitudinal Fx sont en ralit
coupls. Leur dcouplage n'est qu'unepremire approximation. Plus
l'effort moteur est important (effort longitudinal), moins la roue
aura
de potentiel directeur (effort latral).
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La figure suivante montre l'volution des efforts, longitudinal
et transversal, coupls, lorsque le taux
de glissement varie de 100% +100%, ceci pour plusieurs valeurs
d'angle de drive. La courbe
drive nulle est sur l'axe des abscisses. Le carrossage est nul
et la charge verticale constante.
Figure 1-30 : Effort longitudinal et effort latral coupls :
variation du taux de glissement pour plusieurs drives
1 . B . 5 .Environnement extrieur
Le vhicule interagit avec l'environnement extrieur par le biais
du conducteur et de la route. Ces
deux paramtres jouent un rle important mais son difficilement
matrisables.
Le conducteur traite les informations qu'il reoit (dtection
d'obstacle, de la route, ressenti pdale,
ressenti volant, comportement global du vhicule peru) de
l'extrieur et du vhicule, et agit en
consquence. Prendre en compte le conducteur oblige considrer le
systme comme une boucle
ferme (Figure 1-31). De trs nombreux problmes se posent alors
sur la prise d'informations par le
conducteur, le temps de raction, la non-rptabilit de
l'exprience, l'apprentissage...
L'tat de surface du sol est un lment trs important pour tudier
le comportement du vhicule. La
conception d'un revtement, de la pente et du devers dpendent du
type de route (urbaine,
autoroute), de l'endroit, des conditions climatiques et de la
frquentation. Dans cette analyse la
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route sera modlise de la faon la plus simple : compltement plate
et droite, c'est dire sans pente
ni devers, et d'adhrence constante connue.
Figure 1-31 : Boucle ferme de la dynamique vhicule prenant en
compte le conducteur
1 .C.Bilan des efforts appliqus au vhicule
1 . C .1 .Expression du torseur arodynamique
L'expression gnrale du torseur arodynamique {aro}, dans le repre
arodynamique Raro,
conformment aux lois de l'arodynamique est la suivante :
{ } { }
==
2aronair
2aromair
2arolair
2arozair
2aroyair
2aroxair
Raro/aro
.V.L.SC.21
.V.L.SC.21
.V.L.SC.21
.V.SC.21
.V.SC.21
.V.SC.21
aroaro MF (1-0)
Avec :
L l'empattement total
air : la masse volumique de l'air, S : surface frontale du
vhicule
Cx, Cy, Cz, Cl, Cm, Cn : les coefficients de pntration dans
l'air du vhicule dans les diffrentes
directions. En gnral, les mesures effectues en soufflerie
(Chapitre 3 section 3.A.3) pour
dterminer ces coefficients permettent de mesurer directement
S.Ci. Ils dpendent de l'angle
de drive arodynamique ad (1-19).
Varo : vitesse apparente de l'air par rapport au vhicule compte
tenu du vent et de la vitesse du
vhicule.
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1.C.1.1.Calcul de Varo
Pour calculer Varo il faut faire appel des variables
intermdiaires :
Figure 1-32 : Variables arodynamiques
VxG : vitesse longitudinale du centre de gravit dans le repre
chssis
VyG : vitesse latrale du centre de gravit dans le repre
chssis
Vit : vitesse totale du vhicule dans le repre chssis
Vair : vitesse du vent dans un repre oppos au repre chssis (x
longitudinal vers l'arrire)
V_air_apparent : vitesse du vent dans le repre chssis
vent_apparent : l'angle entre le vecteur Varo et l'axe x0 du
repre R0
attitude : angle entre la direction du vhicule et le vecteur
Vit
- Calcul de l'angle de vent apparent vent_apparent :
D'aprs la Figure 1-32 et la dfinition de l'angle de vent
apparent, la relation donnant l'angle de
vent apparent est la suivante :
++
++= )attitudecos(.VitV
)attitudesin(.VitVarctan
airx
airy
apparent_vent
(1-0)
- Calcul de l'angle de drive arodynamique ad :
C'est l'angle que fait le vhicule avec le vent apparent :
ad = - vent_apparent (1-0)
Cet angle permet le calcul de SCx, SCy, SCz, SCl, SCm, SCn par
des tables de paramtrage
disponibles dans les fichiers FDV.
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- Calcul de Varo :
Toujours d'aprs la figure ci-dessus Varo peut s'exprimer de la
manire suivante :
( ) ( )22 )cos(.)sin(. attitudeVitVattitudeVitVV airxairyaro
+++++= (1-0)
Le torseur arodynamique s'exprime alors dans le repre du centre
de gravit : RG, par :
{ }
+
+
=
2aronair
2aroxairG
2aromair
2aroyairG
2arolair
2arozair
2aroyair
2aroxair
RG/aro
.V.L.SC.21
.V.SC.21
.z.V.L.SC.21
.V.SC.21
.z.V.L.SC.21
.V.SC.21
.V.SC.21
.V.SC.21
(1-0)
En utilisant la relation :
{ } { }
+= RG/aroRG/aroRC/aro GC000
aroF (1-0)
En supposant que le centre du repre arodynamique est en dessous
du centre de gravit, tel que :
=
GG
Caro
Caro
Caro
aro
z
00
z
yx
GC
R/
Et en effectuant le changement de repre pour passer de Raro
RG.
Le torseur arodynamique est appliqu sur la caisse. Pour tre
cohrent avec les mesures il pourra
tre utile de connatre le torseur arodynamique dans le repre de
mesure RC.:
{ }( )( )( )
+
=
Rc/CaroyRc/Caroz2
aroair2
arolair
Rc/CarozRc/Carox2
aroair2
aromair
Rc/CaroxRc/Caroy2
aroair2
aronair
2aroxair
2aroyair
2arozair
RC/aro
.zSCy.SC.V.21
.V.L.SC.21
.xSCz.SC.V.21
.V.L.SC.21
.ySCx.SC.V.21
.V.L.SC.21
.V.SC.21
.V.SC.21
.V.SC.21
(1-0)
1 . C .2 .Efforts de suspensions
1.C.2.1.Efforts des suspensions et des amortisseurs
En pratique les efforts de suspension, dans la direction
verticale, sont fonctions des dbattements et
des vitesses de dbattement, ce qui s'crit :
( ) ( ) badiiiii FzgzzfF ++= &0 pour i = 1 4 (1-0)Avec :
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z0i est la longueur vide du ressort,
zi sa longueur en charge (le dbattement),
z& la vitesse dbattement,
Fbadi l'effort de barre anti-roulis
L'effort de suspension s'oppose au dbattement. Il est positif
lorsque (zi - z0i) < 0.
Les fonctions f et g sont dtermines par des essais ou des
calculs sur les diffrents types de
vhicules. Elles peuvent tre linaires, ou non-linaires
(suspensions actives, semi-actives, passives
ou ractives). Les rsultats sont consigns dans les tables de
suspension, aussi appeles tables de
flexibilit. Elles donnent l'effort ressort et amortisseur en
fonction du dbattement et de la vitesse de
dbattement.
Pour pouvoir intgrer les flexibilits dans le modle il est
indispensable d'interpoler les tables de
suspension avec une mthode adquate.
Les efforts de suspension sont dus au ressort, l'amortisseur et
la barre anti-roulis et au frottement
sec. Ils peuvent s'crire de manire simplifie :
( ) badisiiiiiii F)z(signfz.hzz.kF +++= &&0 pour i = 1 4
(1-0)O :
ki le coefficient de raideur, hi le coefficient d'amortissement
de type frottements visqueux, fsi le coefficient de frottement
sec.
1.C.2.2.Efforts des barres anti-roulis ou anti-devers Fbad
Dans le modle choisi pour les barres anti-roulis, les actions
engendres par la barre anti-roulis Fbadi
ont pour point d'application le centre de roue. Le couple de
roulis d la barre anti-roulis s'crit
alors :
suspensionroulisjbadjibadiroulis .kl.Fl.FC == (1-0)
O :
i et j reprsentent respectivement les indices de la roue
sollicite et de la roue oppose, pour i =
1 4
kroulis la raideur anti-dvers en torsion en N/ ou en N/rad
suspension le roulis de suspension en ou en rad li la demi voie en
m
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L'angle de roulis de suspension : suspension est le roulis d la
diffrence de dbattements entre la rouei et la roue j de l'essieu
concern. Il peut tre calcul de la faon suivante :
ji
jisuspension ll
zz+
= (1-0)
En faisant alors l'hypothse que Fi = Fj = Fbad il vient alors
:
)ll.(Fllzz
.k jibadji
jiroulis +=+
(1-0)
Ce qui donne pour l'effort de la barre anti-roulis :
( ) ( )jibadjiji
roulisbad zzkzz.)ll(
kF =+
= (1-0)
kbad est alors la raideur de barre anti-roulis en effort
correspondant kroulis. Elle s'exprime alors enN/m ou en kN/m.
En considrant prsent que le vhicule possde une barre anti-dvers
avant et une barre anti-
dvers arrire. Il vient alors les relations suivantes :
arrire_badbad
avant_badbad
FFFF
=
=
3
1
arrire_badbad
avant_badbad
FFFF
=
=
4
2(1-0)
Avec :
( )( )43
21
zzkFzzkF
badararrire_bad
badavavant_bad
=
=
(1-0)
O kbadav et kbadar sont les constantes linaires de barre
anti-dvers en effort respectivement l'avantet l'arrire.
Ce qui donne finalement comme quation globale en fonction des
dbattements et vitesses de
dbattement :
)()()( 0 opiibadiiiiiiii zzkzsignfszhzzkF +++= && pour i
= 1 4 (1-0)
1 . C .3 .Efforts de liaison
1.C.3.1.Phnomne
Les efforts de liaison sont des efforts dus la cinmatique des
trains. Ils naissent sous l'action des
dformations des trains. Ces efforts de liaison ne sont pas
mesurs lors des essais sur route. Leurs
expressions font intervenir les variations de voie,
d'empattement, de carrossage et d'enroulement par
rapport aux dbattements de suspensions. Ces variations sont
connues par le biais de tables. Ces
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tables sont dtermines sur banc de test BCV (Banc de
caractrisation vhicule). (Chapitre 3, section
3.A.1)
Ces efforts ne sont pas ngligeables, surtout en freinage, il est
donc indispensable d'en tenir compte
et de valider leur expression.
1.C.3.2.Expression des efforts de liaison
Le calcul des efforts de liaison se fait par projection du
torseur pneumatique sur les axes des
suspensions.
Dans l'tude prsente ci-aprs seule la composante de l'effort
vertical sera prise en compte pour les
efforts de liaison, ce qui revient considrer une expression
simplifie. Pour les roues avant les
efforts de liaison ne dpendent que des variables de la roue
sollicite :
( )( )
2
2222
2
22
2
22
2
222
1
1111
1
11
1
11
1
111
z.)sin(.CC
zL
.Fz
.zzl
.FA
z.)sin(.CC
zL
.Fz
.zzl
.FA
zfxry
zfxry
+
+
+
=
+
+
=
(1-0)
Pour les roues arrire il y a une influence de la roue non
sollicite sur les efforts de liaison de la roue
sollicite :
( ) ( )( ) ( )
4
3333
4
33
4
33
4
33
4
4444
4
44
4
44
4
444
3
4444
3
44
3
44
3
44
3
3333
3
33
3
33
3
333
z.)sin(.CC
zL
.Fz
.zzl
.Fz
.)sin(.CCzL
.Fz
.zzl
.FA
z.)sin(.CC
zL
.Fz
.zzl
.Fz
.)sin(.CCzL