Validation obtenue pour la voiture de course AMZ qui a vu sa conception assurée par les jauges de contrainte HBM

Depuis plusieurs années maintenant, l'Academic Motorsports Club de Zurich (AMZ) participe aux concours de la Formula Student à travers le monde. Qu’est-ce que la Formula Student ? C'est une série de concours dans lesquels des voitures de course construites par des étudiants s’affrontent les unes contre les autres. En plus de la recherche de vitesse, la Formula Student s’attache principalement à concevoir une construction intelligente et innovatrice de véhicules.

AMZ arrive fréquemment en pole position, particulièrement dans le domaine de la Technologie. L'équipe de Zurich a gagné le prix «Best Engineering Award » dans chacun des quatre concours Formula Student en 2013. Un vrai record.

Cette performance, réalisée par les étudiants, est basée sur une planification d’essais complets de véhicules entièrement électriques. Pour cela, l’équipe AMZ a réalisé un essai complet avec des jauges de contrainte HBM dans le but de valider la partie modélisation et simulation par éléments finis.

Objectif : Validation de la modélisation et des simulations par éléments finis

Pourquoi ? Les résultats issus des simulations par éléments finis de nombreux composants dépendent directement de la modélisation. Comme la modélisation inclut déjà de nombreuses simplifications et suppositions, les erreurs peuvent s'accumuler. Ces erreurs se reportent alors directement dans la partie simulation, ce qui a une influence directe sur l'aspect du composant fini. 

La simulation par éléments finis comporte également de nombreuses inconnues à cause de la complexité du comportement sous charge dynamique et des incertitudes du matériau. Un ingénieur inexpérimenté peut rapidement en tirer des conclusions fausses de ses analyses FEM et a donc prévu des composants sous-dimensionnés. Les composants qui composent la voiture AMZ, ne doivent pas être sous dimensionnés car si c’est le cas il existe un risque pour le véhicule lui-même mais le pilote est également mis en danger.

Jusqu'ici, le modèle employé par AMZ n'avait pas été validé. C'était l’une des raisons de réaliser cette expérimentation. Une autre raison concerne la validation du coefficient de poussée aérodynamique. Les ailerons du la voiture ont été examinés au départ pendant la phase de développement en utilisant la simulation de la dynamique des fluides sur un ordinateur. Une difficulté toutefois : seul l’ensemble peut être validé une fois  la voiture de course construite.

Afin d'améliorer l’aérodynamisme des générations futures de voiture, il est extrêmement important de vérifier les calculs de sorte que l’on puisse effectivement déterminer comment l’ensemble a été développé. L’ensemble est testé dans une soufflerie d'une part et d’autre part, les essais avec des jauges de contraintes peuvent démontrer les propriétés précises du véhicule sur la piste de course. La soufflerie est parfaite pour pouvoir  comparer directement divers configurations dus aux conditions uniformes, mais elle n'est pas optimale pour mesurer les valeurs précises de poussée pendant la course. Ces paramètres peuvent être directement calculés quand on connait les forces des tiges de poussée.

Toutes ces raisons ont contribué à vouloir effectuer des mesures appropriées avec des jauges. Les modèles d’ erreur et les forces des biellettes travaillant en poussée exigés pour déterminer les valeurs aérodynamiques de poussée ont été obtenues en utilisant des jauges de déformation dans le cadre d’une analyse expérimentale des contraintes.

Séquence de mesure

La procédure utilisant des jauges de contrainte a été une phase cruciale dans le succès du projet de Formula Student d’AMZ. Pour s'assurer que les résultats étaient réellement raisonnables, il faut supposer que le  travail mécanique a été soigneusement mis en oeuvre. Ceci s'applique aussi principalement à l'application des jauges de contrainte. Le calibrage complet des jauges de contrainte a été également effectué avant le jour de l'essai.

Procédure d'essais

Quatre types d’essais ont été effectués sur l’anneau d’Hockenheim pour déterminer les forces exigées pour la validation :

  • Courbe
  • Freinage
  • Autocross
  • Ligne droite

Trois courbes de courbures différentes ont été choisies pour mener les essais en courbe. Cela a permis de faire les tests sous différentes accélérations transversales. Pendant l'essai de freinage, le véhicule a été poussé à la  vitesse maximum et ensuite freiné fortement. Pour l'essai Autocross, une voie rapide Autocross a été traversée. On s’est assuré que cette voie comportait toutes les conditions essentielles requises dans les courses de Formula Student. Ces conditions étaient un slalom, une courbe rapide où le freinage en courbe était nécessaire, une section droite sur laquelle la voiture pouvait accélérer à la vitesse maximale, ainsi que beaucoup d'autres petites choses. La longueur de la voie était de 422 m. Finalement, divers essais ont été mis réalisé sur la section droite avec des vitesses constantes.

De manière à valider les cas de charge, l’accélération a été mesurée en tant qu'information complémentaire à la mesure du gradient de contrainte. Celle-ci a été mesurée directement avec des capteurs G intégrés dans le véhicule. Comme ces capteurs étaient reliés sur un ordinateur séparé, les deux bases de temps ont dues être  synchronisées. Ceci a été fait quatre fois au début de chaque mesure.

Les contraintes mesurées par les jauges et la variation du potentiomètre de l’amortisseur ressort ont été  enregistrées. Les deux bases de temps ont pu être synchronisées pendant l'analyse des données.

.

Différences significatives à partir des valeurs de simulation

Modules d'acquisition QuantumX: CX22-W et MX1615

 

A partir de toutes ces mesures, les cas de charge sur la suspension et les coefficients de poussée vers le bas ont pu être validés.

15 % de charges plus élevées de celles calculées ont été mesurées dans les cas de charge. La raison de ces charges plus élevées est le résultat de pics d'effort dus aux vibrations du véhicule provoquées par l’inégalité de la route, c’est quelque chose qui n’est pas pris en compte dans nos modèles. Les facteurs de sécurité de la suspension seront donc adaptés sur la base de la validation des cas de charge de sorte que ces efforts maximum puissent être pris en considération et qu’une plus grande sécurité contre une casse puisse être alors effective.

Pendant la mesure du coefficient de poussée vers le bas, les valeurs étaient 10% plus petites que ceux mesurés en  soufflerie. Cette différence est encore due aux vibrations que subit la voiture et l'inégalité de la route, conditions bien sûr différentes aux conditions rencontrées en laboratoire telle la soufflerie.

De façon générale, on peut dire que les mesures avec jauges ont permis d’améliorer l'état du  comportement de la voiture sur la piste et les données obtenues permettent de dire qu'il sera plus facile de concevoir le réglage de la nouvelle voiture de course pour la prochaine saison.

Pour leurs investigations et essais, AMZ a eu une réelle confiance dans les jauges de contrainte de HBM et le système d’acquisition de données QuantumX MX1615 pour mener à bien leurs mesures de contrainte. Pour l’enregistrement et stockage des données, le module CX22-W complétait le système de mesure.

Il est possible de raccorder jusqu’à 16 voies de jauges sur l’amplificateur QuantumX MX1615. Grâce à la technologie d’alimentation en fréquence porteuse, le module d’amplification délivre des résultats sûrs même dans des environnements parasités.

Au sujet d'AMZ

L'Academic Motorsports Club Zurich (AMZ) a été fondé en 2006 par des étudiants de ETH Zurich, qui est la seule équipe en Suisse à développer chaque année un prototype dans les différents concours de Formula Student en Europe.

Pour en savoir plus sur AMZ

Contactez-nous Nous sommes à votre écoute pour répondre à toutes vos demandes.