Tombe à pic avec 5g: La technique de mesure HBM dans la Formule 1 des sports d'hiver

Sur la piste de glace du lac de Königsee de Berchtesgaden en Allemagne, le groupe Tribologie des matériaux à l'institut central de technique médicale (ZIMT) de l'Université technique de Munich a mesuré les charges appliquées à un bobsleigh de compétition de manière systématique à l'aide de chaînes de mesure complètes de HBM. La pose de jauges d'extensométrie sur le châssis et les patins d'un bobsleigh a permis pour la première d'avoir un aperçu des charges appliquées lors d'une course de bobsleigh sur une piste de glace. Les connaissances ainsi acquises ouvrent la voie à l'optimisation systématique des patins de bobsleigh.

Jusqu’à présent, les patins de bobsleigh ont toujours été conçus et réalisés en se basant quasiment exclusivement sur des informations obtenues de manière empirique. La grande expérience des pilotes et des entraîneurs de bobsleigh ainsi que des entraînements sur plusieurs années étaient les meilleurs garants pour obtenir l’une des premières places lors de compétitions internationales. Les conditions d’entraînement difficilement reproductibles, les conditions climatiques toujours changeantes et l’état de la piste rendent toute comparaison directe des différents designs et matériaux de patin quasiment impossible.Des résultats de mesure vérifiés représentent pourtant la base de tout changement ciblé des propriétés des patins et sont indispensables pour les calculs par méthode des éléments finis. En outre, ils permettent de déterminer les forces agissant sur le bobsleigh et les patins, ce qui permet une description précise du comportement entre patin et glace. Le fait de connaître l’emplacement et la profondeur d’enfoncement de la partie glissante dans la couche de glace peut aider à optimiser la glisse.

Contrainte mécanique élevée, mesure simultanée de 48 signaux d’éléments
sensibles à des vitesses d’échantillonnage > 2.000 Hz, accélérations pouvant atteindre 5 g, basses températures et fonctionnement sur pile ainsi que dimensions aussi petites que possibles : tous ces facteurs ont fait du système MGCplus le partenaire idéal sur la piste de glace.
Le système a mesuré les allongements sur le patin, la charge totale par patin ainsi que les accélérations sur les patins et le cadre du bob. Pour la mesure des allongements, il fut possible de mesurer constamment deux patins simultanément puisque le MGCplus mettait 48 voies de mesure à disposition. Par simple changement sur place des modules, il fut possible d’utiliser des éléments sensibles capacitifs pour mesurer également les accélérations.
Des jauges d’extensométrie linéaires permirent de déterminer la déflexion d’axe. Des jauges d’extensométrie en rosette furent mises en place sur les patins pour mesurer les contraintes principales ainsi que leur direction.

L’équipe de bobsleigh bavaroise, composée de Karl Angerer, Christoph
Gaisreiter et Katrin Dostthaler, a effectué 21 parcours d’essai dans la
piste de glace du Königssee.
A chaque essai, le système a enregistré une quantité de données représentant 43 Mo obtenues sur une largeur de signal de 32 bits, une fréquence de mesure de 2.400 Hz et sur 48 voies différentes pendant une durée d’enregistrement de 100 secondes. Les données de mesure obtenues ont été enregistrées dans le MGCplus sur une carte mémoire Compactflash, puis lues et exploitées sur un ordinateur portable avec le logiciel catman^®.
Lors des essais en bob à deux, l’enregistreur de données fut placé entre le pilote et le freineur, en s’assurant bien que les deux sportifs ne risquaient pas d’être blessés. La mise à la terre du MGCplus fut effectuée via le cadre du bob et les patins.

Comme il n’est possible d’effectuer une optimisation ciblée de la géométrie des patins que si les contraintes, leur emplacement, l’instant d’application et la position du bob sont connus, tous les résultats de mesure générés doivent être associés aux particularités géométriques et de construction de la piste de glace.
Cette affectation des résultats de mesure est possible grâce à une carte spécialement conçue pour cette piste de bob. La figure représente une esquisse de la piste de bob associée aux charges d’axe enregistrées pour un bob à deux.
Les différents événements de la piste de glace sont clairement reconnaissables dans les signaux d’éléments sensibles représentés sur la courbe. La force centripète appliquée au bobsleigh fait augmenter la déflexion d’axe, et donc le signal d’élément sensible lu, de manière quadratique lorsque la vitesse augmente et de manière linéaire lorsque l’angle de la piste diminue.
Dans le dernier virage abrupt, « l’Echowand», la charge pour le pilote et
l’équipage atteint cinq fois leur poids. C’est là que le bob subit la charge maximale.

Pour pouvoir affecter exactement les charges à l’emplacement correspondant
dans la piste de glace, la position du bob est constamment déterminée précisément à l’aide d’un signal.
Cela peut être effectué par l’intermédiaire du temps en intégrant la vitesse. La vitesse est calculée en comparant les signaux des deux essieux. Les déformations de l’essieu avant sont en effet observées avec un léger décalage dans le temps par rapport à l’essieu arrière. A partir de la distance connue entre les deux essieux du bob, il est alors possible de calculer la vitesse .

Une concurrence toujours plus rude et des appareils toujours plus rapides rendent les méthodes systématiques indispensables pour toutes les améliorations techniques dans les sports d’hiver. La technique de mesure joue alors un rôle majeur, car elle fournit des indications sur les charges appliquées et permet de tester des simulations.
A partir des résultats de mesure enregistrés sur la piste de glace à Berchtesgaden, l’équipe de l’Institut central de technique médicale (ZIMT) de l’Université technique de Munich a créé un modèle par méthode des éléments finis permettant la simulation des opérations mesurées.