Lundi 1 octobre 2007
Présentation:
TIM est une association composée d'étudiants et de professeurs de l'Université Paul Sabatier et
de l'INSA de Toulouse, aujourd'hui rejoints par l'INP.
Notre but est de relever des défis techniques et c'est ainsi que chaque année
nous participons au Shell Eco-Marathon.
Cette compétition, qui propose aux équipes de parcourir un circuit à une vitesse donnée, récompense celui qui aura le moins consommé.
Mettant l'accent sur un aspect pédagogique, l'épreuve accueille des étudiants de tous les niveaux et de tous les pays (200 équipes de 20 nationalités différentes).
Pour y participer, nous avons conçu et construit par nos propres moyens une série de prototypes adaptés aux spécificités de ce défi et capables de parcourir plus de 3000km avec un litre de Super 95.
Dans une optique d'amélioration perpétuelle, les étudiants de l'INP travaillent à l'heure actuelle sur la propulsion à hydrogène du futur véhicule TIM 05.
Cette compétition, qui propose aux équipes de parcourir un circuit à une vitesse donnée, récompense celui qui aura le moins consommé.
Mettant l'accent sur un aspect pédagogique, l'épreuve accueille des étudiants de tous les niveaux et de tous les pays (200 équipes de 20 nationalités différentes).
Pour y participer, nous avons conçu et construit par nos propres moyens une série de prototypes adaptés aux spécificités de ce défi et capables de parcourir plus de 3000km avec un litre de Super 95.
Dans une optique d'amélioration perpétuelle, les étudiants de l'INP travaillent à l'heure actuelle sur la propulsion à hydrogène du futur véhicule TIM 05.
W3C
Lundi 1 octobre 2007
- Masse totale, véhicule sur la ligne de départ : 27,53kg
- Masse du véhicule "au repos" ( sans extincteur, radio et liquides): 25,57 kg
- Masse de la coque + chassis intégré: 8.80kg
>Véhicule sans auxiliaire : 10.90kg dont :
- Capot supérieur : 2.54kg (avec les arceaux de sécurité)
- Coque inférieure-châssis: 5.86kg (avec la cloison pare-feu et le siège)
- Bloc support roue arrière-moteur : 400g
- Peinture : 1.5kg
-
Verrières polycarbonate : 600g
>Moteur : 4.59kg
>Auxiliaires propulsion (1.5kg):
- Démarreur : 600g
- Bobine : 320g
- Circuit d’injection : 170g
- Circuit d’air comprimé : 150g
- Vase d’expansion : 20g
- Pot d’échappement : 50g
- Chaîne et couronne dentée :190g
>Roues (3*1.6kg) :
- Moyeu : 500g
- Pneu : 400g
- Carbone : 700g
>Systèmes électriques (1,67kg) :
- Batteries : 620g + 320g
- Calculateur : 280g
- Compteurs : 150g
- Câblage : 300g
>Divers (3.75kg) :
- Direction : 500g
- Freins : 1kg
- Mousse siège :100g
- Rétroviseurs :110g
- Klaxon : 180g
- Harnais :230g
- Extincteur : 1,25kg
- Radio : 380g
>Liquides (430g):
- Eau : 250g
- Huile : 50g
- Carburant : 30g
- Freins hydrauliques: plus performants mais plus lourds.
- Coque renforcée pour limiter les dégats en cas de crash.
- Quantité d'eau embarquée plus importante.
- Système de direction et support moteur plus complexes.
- Inexpérience des constructeurs: nous espérons faire mieux pour TIM 05.
Dimanche 23 septembre 2007
TIM 04 utilise une roue arrière motrice et directionelle. Cette disposition permet d'avoir des roues avant fixes et ainsi d'optimiser la
forme de la coque, qui peut alors passer trés près des roues, sans laisser de marge.
Pour que le véhicule sois stable et facile à conduire, il faut que le point de contact entre la roue et le sol (point d'introduction des efforts de freinage, de motricité et des efforts centrifuges en virage) appartienne à l'axe de pivotement de la roue.
On peut voir sur ce schéma du système de direction arrière de TIM 04 que le support moteur et la roue arrière sont reliés au chassis par deux bielles. Le choix de cette géométrie permet à la roue de pivoter autour d'un axe fictif, le centre instantané de rotation étant situé au niveau du contact roue/sol (en réalité, la position du C.I.R. varie avec l'angle d'inclinaison de la roue, mais cette variation est négligeable au vu du faible angle de braquage que nous utilisons).
Le mouvement est généré par le manche de commande que manipule la/le pilote. La bielle principale le transmet au guignol de renvoi qui est directement relié au support moteur.
Sur le schéma, les deux bielles latérales sont reliées au chassis et au support moteur par des liaisons pivot. En réalité, nous utilisons une technologie de lames souples déformables similaire à celle utilisée sur les précédents véhicules TIM et qui avait obtenu le premier prix de l'innovation en 1996, à la différence prés que les lames ne sont plus en acier mais en carbone.
Sur le schéma ci-contre, on voit, en vue de dessus, une des bielles latérale.
En noir, les couches de carbone. La pièce est souple aux endroits grisés, et trés rigide au centre, là où un pain de mousse épaissit la structure (sandwich).
La pièce est fixée aux deux extrémités: sur le chassis et le support-moteur (rectangles gris-bleu). Les deux zones souples permettent de réaliser des pivots fictifs à ces endroits.
Nous appelons ce système "direction à trapèze déformable", d'une part parce que la géométrie ressemble à un trapèze dont les montants sont les deux bielles latérales, d'autre part parce que chaque bielle est une pièce déformable trapézoïdale.
On voit sur la photo ci-dessus la pièce de carbone reliant le support-moteur au chassis. Sa hauteur lui permet d'avoir une importante rigidité verticale.
Ici, deux autres vues d'un trapèze déformable, qui permettent d'observer la zone centrale "sandwich", trés rigide, et les zones peu épaisses, souples autour d'un axe vertical.
Pour que le véhicule sois stable et facile à conduire, il faut que le point de contact entre la roue et le sol (point d'introduction des efforts de freinage, de motricité et des efforts centrifuges en virage) appartienne à l'axe de pivotement de la roue.
On peut voir sur ce schéma du système de direction arrière de TIM 04 que le support moteur et la roue arrière sont reliés au chassis par deux bielles. Le choix de cette géométrie permet à la roue de pivoter autour d'un axe fictif, le centre instantané de rotation étant situé au niveau du contact roue/sol (en réalité, la position du C.I.R. varie avec l'angle d'inclinaison de la roue, mais cette variation est négligeable au vu du faible angle de braquage que nous utilisons).
Le mouvement est généré par le manche de commande que manipule la/le pilote. La bielle principale le transmet au guignol de renvoi qui est directement relié au support moteur.
Sur le schéma, les deux bielles latérales sont reliées au chassis et au support moteur par des liaisons pivot. En réalité, nous utilisons une technologie de lames souples déformables similaire à celle utilisée sur les précédents véhicules TIM et qui avait obtenu le premier prix de l'innovation en 1996, à la différence prés que les lames ne sont plus en acier mais en carbone.
Sur le schéma ci-contre, on voit, en vue de dessus, une des bielles latérale.
En noir, les couches de carbone. La pièce est souple aux endroits grisés, et trés rigide au centre, là où un pain de mousse épaissit la structure (sandwich).
La pièce est fixée aux deux extrémités: sur le chassis et le support-moteur (rectangles gris-bleu). Les deux zones souples permettent de réaliser des pivots fictifs à ces endroits.
Nous appelons ce système "direction à trapèze déformable", d'une part parce que la géométrie ressemble à un trapèze dont les montants sont les deux bielles latérales, d'autre part parce que chaque bielle est une pièce déformable trapézoïdale.
On voit sur la photo ci-dessus la pièce de carbone reliant le support-moteur au chassis. Sa hauteur lui permet d'avoir une importante rigidité verticale.
Ici, deux autres vues d'un trapèze déformable, qui permettent d'observer la zone centrale "sandwich", trés rigide, et les zones peu épaisses, souples autour d'un axe vertical.
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Jeudi 22 mars 2007
Les matériaux composites que nous utilisons sont composés de tissus (soie, fibre de
carbone, fibre de verre...) et de résine. Ils deviennent rigide et résistant une fois que la résine a polymérisé ("durcit") et empêche les fibres de se tordre. Il faut donc que la pièce réalisée
soit maintenue dans sa forme définitive pendant la polymérisation.
Pour ce faire, nous utilisons plusieurs techniques: pose directe, moulage au contact, et moulage au sac sous vide.
Pour ce faire, nous utilisons plusieurs techniques: pose directe, moulage au contact, et moulage au sac sous vide.
Pose directe et moulage au contact:
Moulage au sac sous vide:
Il s'agit des techniques de stratification
les plus simples. Elles consistent soit à déposer directement les tissus sur la surface à renforcer (la pièce a déjà sa forme définitive et est recouverte de composite), soit à déposer les
couches dans un moule et ainsi à obtenir une pièce indépendante du moule, lequel pourra servir plusieurs fois.
On peut voir ici la pose d'une bande de carbone sur la coque de TIM04. Cette bande est constituée de fibres toutes
orientées dans le même sens, il s'agit donc d'un tissus unidirectionel.
Ici, le composite sert à renforcer la coque, et s'adapte à sa forme. Il n'y a pas de moule, la résine utilisée colle
directement la bande sur la surface.
La coque est au final renforcée de nombreuses bandes de carbone et de tissus de soie.
A droite, nous avons un exemple de moulage au contact. La coque sert cette fois de moule et la pièce obtenue, ici en fibre de verre, sera
indépendante (cette pièce servira elle-même de moule pour d'autres pièces).
Les tissus sont déposés sur la surface du moule, mais ne doivent pas y adhérer, c'est pour celà que la surface est ici protégée par un film plastique.
Fabriquer des pièces suivant ces techniques est relativement simple, mais demande tout de même quelques précautions:
La coque est au final renforcée de nombreuses bandes de carbone et de tissus de soie.
A droite, nous avons un exemple de moulage au contact. La coque sert cette fois de moule et la pièce obtenue, ici en fibre de verre, sera
indépendante (cette pièce servira elle-même de moule pour d'autres pièces).Les tissus sont déposés sur la surface du moule, mais ne doivent pas y adhérer, c'est pour celà que la surface est ici protégée par un film plastique.
Fabriquer des pièces suivant ces techniques est relativement simple, mais demande tout de même quelques précautions:
> Pour éviter de piéger de l'air dans la pièce, il faut placer la résine sur la surface avant de déposer les tissus.
A gauche, les fibres ont été posées en premier et la résine est ajoutée aprés, piégeant de nombreuses bulles d'air qu'il sera
difficile d'enlever. A droite, les fibres sont posées en dernier, la résine remonte entre elles et chasse l'air naturellement.
> Dans le cas d'un moulage au contact, il faut évidemment pouvoir démouler la pièce. Pour cela on peut soit
recouvrir la surface du moule d'un film plastique autodémoulant, soit la cirer avec des agents démoulants spéciaux, et, bien sûr, la forme désirée doit être démoulable.
> La quantité de résine dont on imprègne les couches de tissus doit être correctement déterminée. Trop de résine alourdit la pièce sans améliorer sa résistance. Au contraire, dans une pièce ne contenant pas assez de résine, les fibres seront mal collées entre elles, ce qui diminuera fortement la résistance. Il faut environ 100g de résine époxyde pour 50 g de carbone ou pour 100g de fibre de verre.
> La quantité de résine dont on imprègne les couches de tissus doit être correctement déterminée. Trop de résine alourdit la pièce sans améliorer sa résistance. Au contraire, dans une pièce ne contenant pas assez de résine, les fibres seront mal collées entre elles, ce qui diminuera fortement la résistance. Il faut environ 100g de résine époxyde pour 50 g de carbone ou pour 100g de fibre de verre.
Cette méthode est simple et rapide à mettre en oeuvre, et demande peu de matériel. Elle possède néanmoins plusieurs inconvénients: il est difficile de doser
correctement la résine, et il y a toujours un risque de présence de bulles d'air, qui sont autant de sources de faiblesse dans la pièce. C'est pourquoi nous réservons cette technique aux pièces
trop grandes ou trop fragiles pour rentrer dans un sac à vide, ou aux pièces "annexes" qui ne sont pas utilisées directement sur la voiture.
La résine époxyde que nous utilisons met 12h à polymériser.
La résine époxyde que nous utilisons met 12h à polymériser.
Moulage au sac sous vide:
Cette technique est similaire au moulage au
contact, à la différence prés que, comme son nom l'indique, l'opération est réalisée sous vide:
> Le moule (1) peut être réalisé en aluminium, en bois, en matériau composite... Il est ciré pour que l'on puisse démouler la pièce.
> On vient placer les fibres et la résine (2) directement sur la surface du moule.
> Par-dessus la pièce, on vient poser un séparateur perforé (3). Il s'agit dun film plastique percé de petits trous. Il permet de séparer la pièce du drain (4), lequel est en fait un tissus épais molletoné.
> Enfin, le tout est placé dans un sac à vide: une feuille de plastique souple et solide.
> On vient placer les fibres et la résine (2) directement sur la surface du moule.
> Par-dessus la pièce, on vient poser un séparateur perforé (3). Il s'agit dun film plastique percé de petits trous. Il permet de séparer la pièce du drain (4), lequel est en fait un tissus épais molletoné.
> Enfin, le tout est placé dans un sac à vide: une feuille de plastique souple et solide.
Le sac à vide est fixé au moule grâce à un joint (7) semblable à de la gomme adhésive. (Parfois, le sac à vide entoure tout le moule). Un tube (7)
permet de connecter le sac à une pompe à vide.
Lorsque l'on démarre la pompe à vide, celle-ci commence à aspirer l'air présent dans le sac. Comme le drain est poreux, il permet d'évacuer toutes les
poches d'air, même à l'autre bout du moule. La pression dans le sac devient nulle, alors qu'à l'extérieur règne la pression atmosphérique (flèches mauves). Ce déséquilibre de pression
(prés d'1kg par cm2) va alors plaquer le sac contre la pièce composite et compacter celle-ci sur le moule.
Ce pressage permet en premier lieu aux tissus d'épouser la forme exacte du moule. Le second avantage est que les bulles d'air qui seraient restées
prisonnières de la résine sont évacuées sans efforts. Enfin, l'excés de résine va être pressée à travers les trous du séparateur perforé et absorbé par le drain.
Sur l'image de gauche, on voit la pièce recouverte de séparateur perforé bleu. Au milieu, la
pose du drain, et à droite, le tout placé dans le sac à vide vert, fermé par le joint jaune, avec le tuyau de la pompe à vide partant vers le bas de l'image.
Voici la même pièce une fois le
vide fait dans le sac. Les points plus foncés sont en fait la résine en excés qui passe à travers les trous du séparateur perforé.
Sur l'image de gauche, on voit la pièce recouverte de séparateur perforé bleu. Au milieu, la
pose du drain, et à droite, le tout placé dans le sac à vide vert, fermé par le joint jaune, avec le tuyau de la pompe à vide partant vers le bas de l'image.
Voici la même pièce une fois le
vide fait dans le sac. Les points plus foncés sont en fait la résine en excés qui passe à travers les trous du séparateur perforé.
Cette méthode est plus complexe et nécessite plus de matériel. Néanmoins, elle a plusieurs avantages: la pression exercée permet de réaliser des pièces
aux formes complexes sans défaut, les couches de tissus sont parfaitement compactées, et l'excés de résine est évacué, ce qui permet d'obtenir des caractéristiques mécaniques
optimales.
On peut soit utiliser les mêmes tissus et résines que pour le moulage au contact, soit des tissus "préimprégnés", qui sont directement
vendus imprégnés de la bonne quantité de résine. Cette résine va polymériser en 2h dans un four à 120°.
Lundi 5 mars 2007
"Un matériau composite est un assemblage intime de matériaux différents non miscibles
tel que l'on puisse considérer à une échelle inférieure au décimètre qu'il fait un tout indissociable."
Les matériaux composites sont donc, comme leur nom l'indique composés de plusieurs matériaux différents. Ils regroupent pêle-mèle le béton (gravier et mortier), les pneumatiques (caoutchouc et fils d'acier), l'agglomérée (sciure et colle), les fibres de carbone ou tout autre matériau similaire
Généralement, lorsque l'on parle de "matériaux composites", on désigne seulement les matériaux fibreux à base de carbone, verre... utilisées dans des applications techniques comme l'aéronautique, la construction navale légère, le domaine spatial ou encore la compétition automobile.
Dans cet article, nous décrirons uniquement les matériaux utilisés pour la construction des prototypes TIM, et ce de manière succinte. Le but n'est pas ici de faire un cours complet sur les matériaux composites, mais d'expliquer comment et à partir de quoi sont fabriqués nos véhicules.
Les matériaux composites sont constitués de deux parties: la matrice et les renforts. Les renforts, qui sont en fait des fibres, assurent la solidité et la rigidité du matériau. La matrice, quant à elle, sert uniquement à maintenir les fibres solidaires les unes des autres.
Sans la matrice, les fibres sont résistantes mais restent flexibles et peuvent bouger les unes par rapport aux autres. Sans les fibres, la matrice est
peu résistante.
La matrice maintient les fibres en place et le matériau composite devient alors rigide et résistant.
Les matériaux composites sont donc, comme leur nom l'indique composés de plusieurs matériaux différents. Ils regroupent pêle-mèle le béton (gravier et mortier), les pneumatiques (caoutchouc et fils d'acier), l'agglomérée (sciure et colle), les fibres de carbone ou tout autre matériau similaire
Généralement, lorsque l'on parle de "matériaux composites", on désigne seulement les matériaux fibreux à base de carbone, verre... utilisées dans des applications techniques comme l'aéronautique, la construction navale légère, le domaine spatial ou encore la compétition automobile.
Dans cet article, nous décrirons uniquement les matériaux utilisés pour la construction des prototypes TIM, et ce de manière succinte. Le but n'est pas ici de faire un cours complet sur les matériaux composites, mais d'expliquer comment et à partir de quoi sont fabriqués nos véhicules.
Les matériaux composites sont constitués de deux parties: la matrice et les renforts. Les renforts, qui sont en fait des fibres, assurent la solidité et la rigidité du matériau. La matrice, quant à elle, sert uniquement à maintenir les fibres solidaires les unes des autres.
Sans la matrice, les fibres sont résistantes mais restent flexibles et peuvent bouger les unes par rapport aux autres. Sans les fibres, la matrice est
peu résistante.La matrice maintient les fibres en place et le matériau composite devient alors rigide et résistant.
Nous utilisons les matériaux suivants:
>Fibre de carbone: les fibres de carbone présentent un trés bon compromis
rigidité/poids. Elles sont utilisées partout où nous avons besoin de résistance: jantes, arceaux de sécurité...
>Fibres de verre: ces fibres sont résistantes, économiques, mais
plus lourdes que les fibres de carbone. Nous les utilisons pour fabriquer des moules et des outillages annexes au véhicule.
>Fibres d'aramide (Kevlar): elles présentent de trés bonnes
caractéristiques en traction et en cisaillement, mais est faible en compression. le Kevlar était utilisé sur la carrosserie de TIM01.
>Soie naturelle: les fibres de soie forment des tissus trés fin
qui nécéssitent peu de matrice. Elles permettent de réaliser des structures extrèmement légères. Nous utilisons la soie partout où l'emploi du carbone ne se justifie
pas.
>Résine époxyde: la résine époxyde sert de matrice. C'est un
matériau plastique qui se présente sous la forme de deux composés liquides. Une fois mélangés, le tout polymérise (durcit) en quelques heures. On enduit les fibres avec la résine, et aprés
polymérisation on obtient le matériau composite: fibres+matrice.
Stratification:
Un matériau composite n'est généralement pas composé d'une seule rangée de fibres collées entre elles. On empile des couches de fibres
(appelées "plis") jusqu'à obtenir l'épaisseur désirée (qui détermine la résistance de la pièce).
Les plis sont constituées soit de fibres placées toutes dans le même sens (plis unidirectionnels), soit d'un tissage de fibres (comme pour un
tissu classique).
Le sens dans lequel sont disposées les fibres est primordial: le matériau est plus beaucoup plus résistant dans le sens des fibres. En disposant des
plis suivant plusieurs directions, on fabrique une pièce capable de résister à des efforts variés.
A l'inverse, si toutes les fibres sont dans le même sens, la pièce sera extrèmement résistante mais dans ce sens seulement. La stratification dépend donc de l'application à laquelle est destinée la pièce.
A l'inverse, si toutes les fibres sont dans le même sens, la pièce sera extrèmement résistante mais dans ce sens seulement. La stratification dépend donc de l'application à laquelle est destinée la pièce.
Sandwich:
La technique des matériaux sandwich permet d'obtenir des pièces ayant une trés grande rigidité en flexion pour un poids minime.
>En effet, considérons le cas suivant:
>En effet, considérons le cas suivant:
Nous avons ici deux plis de carbone de 0,2mm d'épaisseur encastrés danc un bloc. La poutre mesure 100mm de long.
Supposons que chaque couche de carbone soit capable de supporter 1000N en traction (flèches vertes). Le moment de flexion maximum admissible à la base de la poutre est alors de 0,2 * 1000 = 200N/mm.
Comme la poutre mesure 100mm de long, ces 200N/mm correspondent à un effort de flexion en bout de poutre (flèche rouge) de 200 / 100 = 2N.
Cette poutre composée de deux couches de carbone peut donc soutenir au maximum 200 grammes à son extrémité.
>Maintenant, insérons une plaque de polystyrène de 4mm d'épaissur entre les deux plis de carbone:
Supposons que chaque couche de carbone soit capable de supporter 1000N en traction (flèches vertes). Le moment de flexion maximum admissible à la base de la poutre est alors de 0,2 * 1000 = 200N/mm.
Comme la poutre mesure 100mm de long, ces 200N/mm correspondent à un effort de flexion en bout de poutre (flèche rouge) de 200 / 100 = 2N.
Cette poutre composée de deux couches de carbone peut donc soutenir au maximum 200 grammes à son extrémité.
>Maintenant, insérons une plaque de polystyrène de 4mm d'épaissur entre les deux plis de carbone:
Le polystyrène ne participe pas à la résistance de la poutre.
Pourtant, le moment de flexion admissible à la base de la poutre est maintenant de 4 * 1000 = 4000N.mm (résistance d'une plaque multipliée par la distance entre les plaques).
La poutre mesure toujours 100mm de long et l'effort de flexion maximal est maintenant de 4000 / 100 = 40N
Cette poutre est constituée de deux couches de carbone et d'une épaisseur de mousse de 4mm. Elle est capable de soutenir 4kg à son extrémité.
Ainsi, en
ajoutant une "âme", on augmente trés fortement la résistance en flexion de la pièce sans augmenter sa masse. En effet, l'âme a une densité trés faible (on utilise souvent de la mousse ou du
"nidabeille") par rapport à celle des fibres et de la résine.- Retour au sommaire -
Lundi 15 janvier 2007
Avant de parler de la technologie
proprement dite de nos moteurs thermiques, nous allons nous intéresser à la puissance nécessaire pour mouvoir un véhicule TIM.
Puissance consommée pour déplacer le véhicule à 30km/h de moyenne:
Le cahier des charges de la compétition implique de devoir propulser un véhicule et son pilote à 30km/h. L'énergie consommée pour ce faire se retrouve à deux niveaux: les pertes aérodynamiques et les pertes par roulement ("pertes aux pneus").
D'autres ordres de grandeurs: une ampoule électrique classique consomme 3 à 5 fois plus que notre prototype. Une ampoule basse consommation la même quantité d'énergie que TIM03, et l'énergie que vous consommez avec l'ordinateur qui vous sert à lire cet article pourrait servir à transporter entre 10 et 20 personnes de 50kg à 30km/h...
Rendement du moteur et facteur d'échelle:
Le moteur de notre engin doit donc être capable de fournir une puissance moyenne de 20W. Les moteurs électriques, qui ont un trés bon rendement, consommeraient à peu prés 25W électriques (batteries) pour produire ces 20W mécaniques (transmission).
Hélas, les moteurs thermiques ont un rendement relativement faible: la puissance mécanique est produite par un piston, lequel est poussé par des gaz se dilatant sous l'effet de la chaleur de combustion du carburant. Or cette chaleur a tendance à s'échapper du système et beaucoup d'énergie est ainsi perdue. Pire encore, plus le moteur est petit, plus il se "refroidit" vite, et donc moins bon est son rendement.
En termes un peu plus techniques, on peut remarquer que la puissance du moteur est à peu prés proportionelle à la cylindrée, qui elle-même est proportionelle à la "taille" d du moteur, soit Puissance = d3.
Les pertes thermiques sont quant à elles proportionelles à la surface de la chambre de combustion (la chaleur "fuit" au travers de cette surface), donc à la "taille" au carré: Pertes = d².
Pour nous, cet "effet d'échelle" est trés pénalisant: notre véhicule nécessite un moteur de 20W, ce qui est trés faible: la cylindrée d'un tel moteur serait à peu prés d'1cm3, et son rendement lamentable. Nous sommes donc contraints d'utiliser un moteur plus gros, mais comme il sera bien trop puissant pour notre véhicule, il ne fonctionnera pas en continu.
En pratique, pour avoir un rendement correct sans avoir des vitesses trop chaotiques, (plus le moteur est puissant plus les accélérations sont fortes, et les irrégularités de vitesse augmentent les pertes aérodynamiques), nous utilisons un moteur d'environ 30cm3 qui développe une puissance approximative de 350W (selon les réglages). Le moteur étant 20 fois trop puissant, il ne fonctionne que 6 secondes toutes les 2 minutes, le véhicule étant donc en roue libre 95% du temps. Le rendement tourne autour des 30%, ce qui est équivalent au moteur à essence d'un véhicule conventionnel. Notons tout de même qu'un moteur conventionnel profite beaucoup du fameux "effet d'échelle" et que son rendement est donné à son meilleur point de fonctionnement.
Puissance consommée pour déplacer le véhicule à 30km/h de moyenne:
Le cahier des charges de la compétition implique de devoir propulser un véhicule et son pilote à 30km/h. L'énergie consommée pour ce faire se retrouve à deux niveaux: les pertes aérodynamiques et les pertes par roulement ("pertes aux pneus").
>La puissance aérodynamique est donnée par la formule: Pa = Fa * V
Où V est la vitesse du véhicule en m/s et Fa l'effort de pénétration dans l'air.
Fa = 1/2 * mVol * S * Cx * V²
Où mVol est la masse volumique de l'air (1,2 kg/m3) S est la surface frontale du véhicule (0,3 m² sur TIM03) et Cx est le coefficient de pénétration dans l'air, qui dépend de la forme du véhicule. Cx=0.1 sur TIM0.3
On trouve alors Fa = 1,25 N et Pa = 10,5 W.
>La puissance perdue aux pneus est donnée par la formule: Pp = Fp * V
Fp est l'effort de résistance au roulement.
Fp = M * Cr * g
Où M est la masse du véhicule (25kg) et du pilote (50kg, soit au total M = 75kg) et Cr est le coefficient de roulement des pneus qui dépend de leurs performances (Cr = 0,001 pour les pneus radiaux Michelins). g = 10 N/m.
On trouve alors Fp = 0,75 N et Pp = 6,25 W
>La puissance totale consommée par le véhicule roulant à 30km/h est donc P = Pa + Pp soit 17W !! Comme la vitesse n'est pas constante sur le circuit, ce qui entraine une augmentation des pertes aérodynamiques, on peut dire que TIM03 consomme approximativement 20W pour se déplacer à 30km/h.
Par comparaison, une personne roulant à la même allure à vélo consomme un peu plus de 100W. Si elle était installée à bord de TIM03,
avec un pédalier, elle atteindrait plus de 80km/h. Une personne bien entrainée atteindrait 100km/h!Où V est la vitesse du véhicule en m/s et Fa l'effort de pénétration dans l'air.
Fa = 1/2 * mVol * S * Cx * V²
Où mVol est la masse volumique de l'air (1,2 kg/m3) S est la surface frontale du véhicule (0,3 m² sur TIM03) et Cx est le coefficient de pénétration dans l'air, qui dépend de la forme du véhicule. Cx=0.1 sur TIM0.3
On trouve alors Fa = 1,25 N et Pa = 10,5 W.
>La puissance perdue aux pneus est donnée par la formule: Pp = Fp * V
Fp est l'effort de résistance au roulement.
Fp = M * Cr * g
Où M est la masse du véhicule (25kg) et du pilote (50kg, soit au total M = 75kg) et Cr est le coefficient de roulement des pneus qui dépend de leurs performances (Cr = 0,001 pour les pneus radiaux Michelins). g = 10 N/m.
On trouve alors Fp = 0,75 N et Pp = 6,25 W
>La puissance totale consommée par le véhicule roulant à 30km/h est donc P = Pa + Pp soit 17W !! Comme la vitesse n'est pas constante sur le circuit, ce qui entraine une augmentation des pertes aérodynamiques, on peut dire que TIM03 consomme approximativement 20W pour se déplacer à 30km/h.
D'autres ordres de grandeurs: une ampoule électrique classique consomme 3 à 5 fois plus que notre prototype. Une ampoule basse consommation la même quantité d'énergie que TIM03, et l'énergie que vous consommez avec l'ordinateur qui vous sert à lire cet article pourrait servir à transporter entre 10 et 20 personnes de 50kg à 30km/h...
Rendement du moteur et facteur d'échelle:
Le moteur de notre engin doit donc être capable de fournir une puissance moyenne de 20W. Les moteurs électriques, qui ont un trés bon rendement, consommeraient à peu prés 25W électriques (batteries) pour produire ces 20W mécaniques (transmission).
Hélas, les moteurs thermiques ont un rendement relativement faible: la puissance mécanique est produite par un piston, lequel est poussé par des gaz se dilatant sous l'effet de la chaleur de combustion du carburant. Or cette chaleur a tendance à s'échapper du système et beaucoup d'énergie est ainsi perdue. Pire encore, plus le moteur est petit, plus il se "refroidit" vite, et donc moins bon est son rendement.
En termes un peu plus techniques, on peut remarquer que la puissance du moteur est à peu prés proportionelle à la cylindrée, qui elle-même est proportionelle à la "taille" d du moteur, soit Puissance = d3.
Les pertes thermiques sont quant à elles proportionelles à la surface de la chambre de combustion (la chaleur "fuit" au travers de cette surface), donc à la "taille" au carré: Pertes = d².
>On a donc un rapport Pertes / Puissance = d²/d3 = 1/d. Ce rapport est d'autant plus grand que d est petit:
A technologie égale, un moteur perd donc moins d'énergie si il est gros. Son rendement s'améliore avec
sa taille. Ce phénomène est couramment visible dans la vie quotidienne: pour transporter 50 personnes, un bus de 50 places consommera moins de carburant que 10 voitures de 5 places. Il s'applique
aux machines utilisant de l'énergie thermique pour fonctionner: machines à vapeur, turboréacteurs, etc...
Pour nous, cet "effet d'échelle" est trés pénalisant: notre véhicule nécessite un moteur de 20W, ce qui est trés faible: la cylindrée d'un tel moteur serait à peu prés d'1cm3, et son rendement lamentable. Nous sommes donc contraints d'utiliser un moteur plus gros, mais comme il sera bien trop puissant pour notre véhicule, il ne fonctionnera pas en continu.
En pratique, pour avoir un rendement correct sans avoir des vitesses trop chaotiques, (plus le moteur est puissant plus les accélérations sont fortes, et les irrégularités de vitesse augmentent les pertes aérodynamiques), nous utilisons un moteur d'environ 30cm3 qui développe une puissance approximative de 350W (selon les réglages). Le moteur étant 20 fois trop puissant, il ne fonctionne que 6 secondes toutes les 2 minutes, le véhicule étant donc en roue libre 95% du temps. Le rendement tourne autour des 30%, ce qui est équivalent au moteur à essence d'un véhicule conventionnel. Notons tout de même qu'un moteur conventionnel profite beaucoup du fameux "effet d'échelle" et que son rendement est donné à son meilleur point de fonctionnement.
Samedi 16 décembre 2006
La structure de TIM03 est hybride : bien qu’elle ne dispose pas d’un châssis à proprement parler, la coque n’en est pas pour autant
autoporteuse. L’utilisation de matériaux composites permet l’intégration de longerons rigidifiant faisant office de châssis directement sur la partie inférieure
de la coque.
Les parties
supérieure et inférieure de la coque sont renforcées par des bandes latérales, un arceau de sécurité et des plaques de renfort transversales en carbone qui ont pour
but d'assurer une solidité suffisante en cas de choc ou de retournement.
Les longerons donnent à la coque inférieure la rigidité nécessaire pour supporter le poids du pilote sans déformation.
La coque est en matériau sandwich: l'âme en mousse de polystyrène (jaune) est recouverte sur ses deux faces de tissu de soie collée avec de la résine époxy. La soie étant bien plus fine que d'autres composites tel le carbone, elle absorbe une quantité de résine moindre, d'où un gain de masse important pour une résistance correcte: les essais sur des morceaux de coque ont démontré une résistance à rupture de 100Mpa en traction (acier: 400Mpa).
Les longerons sont quant à eux formés de poutres de mousse de PVC, plus rigide, renforcée de bandes de carbone et de soie.
Ces techniques permettent d’atteindre des rapports rigidité/masse et résistance/masse hors du commun : la partie supérieure de la coque, qui ne pèse que 3 kg, peut en supporter 100 !
Les parties
supérieure et inférieure de la coque sont renforcées par des bandes latérales, un arceau de sécurité et des plaques de renfort transversales en carbone qui ont pour
but d'assurer une solidité suffisante en cas de choc ou de retournement.Les longerons donnent à la coque inférieure la rigidité nécessaire pour supporter le poids du pilote sans déformation.
La coque est en matériau sandwich: l'âme en mousse de polystyrène (jaune) est recouverte sur ses deux faces de tissu de soie collée avec de la résine époxy. La soie étant bien plus fine que d'autres composites tel le carbone, elle absorbe une quantité de résine moindre, d'où un gain de masse important pour une résistance correcte: les essais sur des morceaux de coque ont démontré une résistance à rupture de 100Mpa en traction (acier: 400Mpa).
Les longerons sont quant à eux formés de poutres de mousse de PVC, plus rigide, renforcée de bandes de carbone et de soie.
Ces techniques permettent d’atteindre des rapports rigidité/masse et résistance/masse hors du commun : la partie supérieure de la coque, qui ne pèse que 3 kg, peut en supporter 100 !
Mercredi 6 décembre 2006
Le moteur à combustion TIM: généralités
- Carburant: Super 95 (bientôt éthanol 85).
- Cylindrée: 29cm3 (course x alésage: 36 x 32).
- Distribution: double arbre à cames en tête.
- Injection/allumage: électronique Siemens.
- Puissance: approximativement 350W à 3000tr/min (dépend fortement des réglages).
- Rapport volumétrique: 13 à 15 selon réglages.
- Culasse: céramisation (réduction des échanges thermiques).
- Tête du piston: céramisation (même rôle).
- Jupe du piston: carbone diamantin (faible coefficient de frottement).
- Carburant: Super 95 (bientôt éthanol 85).- Cylindrée: 29cm3 (course x alésage: 36 x 32).
- Distribution: double arbre à cames en tête.
- Injection/allumage: électronique Siemens.
- Puissance: approximativement 350W à 3000tr/min (dépend fortement des réglages).
- Rapport volumétrique: 13 à 15 selon réglages.
Traitements particuliers
- Culasse: céramisation (réduction des échanges thermiques).
- Tête du piston: céramisation (même rôle).
- Jupe du piston: carbone diamantin (faible coefficient de frottement).
Distribution
- Entrainement des arbres à cames: par courroie crantée.
- Cames: doublées permettant de régler indépendemment les angles d'ouverture et de fermeture de chaque soupape.
- Cames: doublées permettant de régler indépendemment les angles d'ouverture et de fermeture de chaque soupape.
Lundi 4 décembre 2006
Fonctionnement du mécanisme
Il s'agit d'un mécanisme à train épicycloïdal: le vilebrequin (orange) joue le rôle de porte-satellite, ce dernier étant en rouge. Il n'y a q'un seul planétaire: la roue dentée verte.
Lors de la rotation du vilebrequin, le satellite engrène sur la planétaire avec un rapport de réduction 1:2. Ainsi, le satellite réalise une rotation sur lui-même tous les deux tours de villebrequin.
Le pied de bielle est articulé sur un excentrique lié au satellite. Il décrit alors une trajectoire en concoïde de cercle: le moteur posède ainsi deux points morts bas différents sur un cycle moteur complet:
-Point mort bas 1 du vilebrequin: l'excentrique est à son point mort haut.
-Point mort haut 1 du vilebrequin: l'excentrique a parcouru un quart de tour et est donc à mi-course entre son propre point mort bas et point mort haut.
-Point mort bas 2 du vilebrequin: l'excentrique a parcouru un demi-tour et est donc à son point mort bas: le pied de bielle est donc plus bas que lors du point mort bas 1 du vilebrequin.
-Point mort haut 2 du vilebrequin: l'excentrique a parcouru trois quarts de tour et est donc à mi-course entre point mort bas et point mort haut. le pied de bielle est à la même hauteur que lors du point mort haut 1 du vilebrequin.
Ainsi, on obtient deux courses différentes du piston. La petite course est utilisée lors des temps d'admission-compression, la grande course lors des temps de détente-échappement, d'où l'appelation "détente prolongée".
Il s'agit d'un mécanisme à train épicycloïdal: le vilebrequin (orange) joue le rôle de porte-satellite, ce dernier étant en rouge. Il n'y a q'un seul planétaire: la roue dentée verte.
Lors de la rotation du vilebrequin, le satellite engrène sur la planétaire avec un rapport de réduction 1:2. Ainsi, le satellite réalise une rotation sur lui-même tous les deux tours de villebrequin.
Le pied de bielle est articulé sur un excentrique lié au satellite. Il décrit alors une trajectoire en concoïde de cercle: le moteur posède ainsi deux points morts bas différents sur un cycle moteur complet:
-Point mort bas 1 du vilebrequin: l'excentrique est à son point mort haut.
-Point mort haut 1 du vilebrequin: l'excentrique a parcouru un quart de tour et est donc à mi-course entre son propre point mort bas et point mort haut.
-Point mort bas 2 du vilebrequin: l'excentrique a parcouru un demi-tour et est donc à son point mort bas: le pied de bielle est donc plus bas que lors du point mort bas 1 du vilebrequin.
-Point mort haut 2 du vilebrequin: l'excentrique a parcouru trois quarts de tour et est donc à mi-course entre point mort bas et point mort haut. le pied de bielle est à la même hauteur que lors du point mort haut 1 du vilebrequin.
Ainsi, on obtient deux courses différentes du piston. La petite course est utilisée lors des temps d'admission-compression, la grande course lors des temps de détente-échappement, d'où l'appelation "détente prolongée".
Bénéfices thermodynamiques
Dans un cycle classique (cycle Beau de Rochas), les gaz sont
comprimés et détendus sur la même course. En gros, si on admet 22cm3 de mélange, ils sont comprimés puis
détendus sur 22cm3. Or, avec ce rapport de détente, l'on ne parvient pas à profiter de toute l'énergie
contenue dans les gaz de combustion: la soupape d'échappement s'ouvre alors qu'ils sont encore chauds et sous pressions, ce qui représente de l'énergie perdue.
Dans un cycle à détente prolongée, on détend les gaz sur une plus grande course que l'admission: 22 cm3 de mélange sont aspirés, comprimés puis détendus sur 30 cm3. Ainsi, on transforme une plus grande partie de l'énergie thermique en énergie mécanique.
Effet secondaire: à l'ouverture de la soupape d'échappement, les gaz étant mieux détendus, le bruit à l'échappement est moindre.
Dans un cycle à détente prolongée, on détend les gaz sur une plus grande course que l'admission: 22 cm3 de mélange sont aspirés, comprimés puis détendus sur 30 cm3. Ainsi, on transforme une plus grande partie de l'énergie thermique en énergie mécanique.
Effet secondaire: à l'ouverture de la soupape d'échappement, les gaz étant mieux détendus, le bruit à l'échappement est moindre.
Dimanche 3 décembre 2006
Le cycle de Miller
Le moteur à cycle de Miller reprend à la fois la chaine cinématique d'un moteur classique et les avantages d'un cycle à détente prolongée. La simplification du mécanisme permet d'améliorer le rendement organique par rapport au train épicycloïdal de notre ancien moteur.
La mise en place du cycle de miller nécessite seulement des réglages particuliers de la distribution.
- Admission: tout se passe comme sur un moteur classique.
- Refoulement: la soupape d'admission se ferme avec un fort retard: une partie du mélange est donc refoulée dans la pipe d'admission (et y restera jusqu'au cycle moteur suivant).
- Compression: comme une partie du mélange a été refoulée, seule une fraction de la cylindrée est comprimée.
- Détente: les gaz de combustion sont par contre détendus sur la totalité de la course du piston.
- Echappement: tout se passe comme sur un moteur classique.
Ce cycle permet donc de comprimer une cylindrée donnée (mettons 22cm3) et de la détendre sur un volume plus important (30cm3). On retrouve donc l'avantage du moteur à détente prolongée, sans les inconvénients liés à la complexité du mécanisme (frottements, poids, difficultés d'équilibrage...).
Le moteur à cycle de Miller équipe notre prototype depuis 2004.
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