Un nouveau châssis : l’étude

L’article « What’s new in EcoMOTION 2013 ?  » du 12 Janvier dernier annonçait un remaniement en profondeur du prototype.

Entre autres, un nouveau châssis a été étudié et réalisé dans le cadre du labo de bureau d’études par Thomas, Thierry et Christophe, étudiants de 3eme année Bac. Electromécanique

Leur but était de corriger quelques problèmes plutôt gênants.

La hauteur du centre de gravité
Le dessin de l’ancien châssis était à l’origine d’un centre de gravité relativement élevé de l’ensemble du proto. Ce qui entraînait une certaine instabilité en virage et rendait le pilotage relativement délicat. De plus, la hauteur totale du proto était relativement « limite » par rapport au règlement du Shell Éco-Marathon. Nous reparlerons de ce second problème un peu plus loin.

Nous avons rapidement compris que la forme en X de l’ancien châssis n’était pas très favorable pour le centre de gravité étant donné que le pilote était posé sur le châssis au centre du X. Par conséquent, le centre de gravité du pilote, qui reste l’élément le plus lourd du proto, était surélevé. Nous avons donc décidé d’utiliser un type de châssis périmétrique pour permettre au pilote de se positionner au plus près du fond de la carrosserie. Sa forme dit « en échelle » nous a permis de baisser le centre de gravité de plus de 100mm !


Figure 1 : Nouveau châssis                                                Figure 2 :  Ancien châssis 

Le second problème, étroitement lié au précédent, était la hauteur totale du prototype trop importante. Nous pouvons voir que grâce au nouveau châssis, ce problème a été réglé. En effet, comme expliqué précédemment, la position du pilote a été abaissée et, par conséquent, cela nous a permis de diminuer la hauteur totale du prototype en faisant une découpe dans la carrosserie. Voici, ci-dessous, une illustration montrant la différence de hauteur entre les deux points d’application du poids du pilote en comparant l’ancien et le nouveau châssis.

CG

Figure 3 : Différence de hauteur des points d’application du poids du pilote

Une fois le modèle de châssis défini, nous avons envisagé soit de le réaliser en utilisant des longerons sous forme de deux profilés rectangulaire fermés de chaque côté, soit de réaliser des treillis de tubes en employant des profilés de plus petites dimensions.

Figure 4 : Treillis de tubes

 Figure 5 : Profilé « monobloc »

Après mûre réflexion, nous avons fini par exclure le système de treillis car sa réalisation risquait d’être fastidieuse vu le nombre de soudures et de découpes d’angles à réaliser. De plus, en employant l’outil d’analyse des contraintes d’Inventor, nous nous sommes rendu compte que le treillis n’apportait rien au niveau de la torsion et était même moins bon que le profilé « monobloc ». Notre choix s’est donc porté sur un profilé rectangulaire standard.

Il a fallu, également, déterminer les dimensions des profilés à adopter. Afin d’avoir une première idée, nous avons construit une maquette de châssis en bois à l’échelle 1 :1. Ensuite, nous avons modélisé et comparé le comportement des différents profilés pour trouver le compromis idéal entre résistance et encombrement.

Puis nous nous sommes penchés sur la question du matériau à employer. Les deux matériaux logiquement envisageables pour notre châssis étaient l’acier et l’aluminium, les matériaux composites étant exclus actuellement. Nous avons fini par choisir l’aluminium. Car, en effet, comme vous pouvez le voir dans le tableau suivant, il y a un rapport de trois entre les différentes propriétés mécaniques des deux alliages. Ainsi si l’aluminium est trois fois plus léger que l’acier, il en faut aussi trois fois plus pour une même résistance. Comme les dimensions extérieures des profilés étaient déjà fixées, il a fallu jouer sur l’épaisseur des parois. Par exemple, si l’on optait pour une épaisseur de parois des profilés de 2mm en aluminium, on aurait une épaisseur de ±0,65 mm en acier.

Cependant, il est difficile voire impossible de trouver des profilés acier fermés ayant une épaisseur de parois de 0,65 mm. En définitif, nous avons donc opté pour l’aluminium.

Critères

Acier

Aluminium

Module d’élasticité longitudinal

210.000 N/mm²

70.000 N/mm²

Module d’élasticité transversal

80.000 N/mm²

27.000 N/mm²

Masse volumique

7800 kg/m³

2700 kg/m³

La direction
Parallèlement à l’optimisation du châssis, nous avons eu à revoir le système de direction. En effet, le nouveau moteur du prototype est plus encombrant et plus lourd. De plus, le règlement du Shell Eco-Marathon 2013 impose un rayon de braquage de 10m, valeur impossible à atteindre avec l’ancienne direction.

Nous avons décidé de réaliser la direction en nous basant sur le principe du trapèze déformable tel que montré sur l’image ci-dessous. Ce modèle de direction est utilisé par beaucoup d’équipes qui participent aux éco-marathons. Il est à remarquer qu’avec ce dispositif, lorsque l’on tourne, la roue décale légèrement son axe de rotation par rapport à l’axe du châssis. Les valeurs idéales pour les bras, la grande base et la petite base ont été déterminé en faisant des essais comparatifs avec AutoCAD. En effet, il a fallu établir le meilleur compromis entre débattement et encombrement.

Figure 6 : Système de direction à trapèze déformable

Nous avons donc choisi de fixer des carrés pour fermer les deux principaux profilés du châssis. Sur ces carrés, nous venons placer les bras par l’intermédiaire de rotules. Du côté de la fourche, les bras seront liés à celle-ci via le même type de rotules.


Figure 7 : Fixation au châssis

Les bras sont quant à eux constitués d’un treillis de tubes.


Figure 8 : Les bras de la direction

Pour terminer, voici le modèle de fourche imaginé en collaboration avec le groupe « moteur ».


Figure 9 : La fourche de la direction

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