Projet de fin d’études Exploitation d’une Formule …eprints2.insa-strasbourg.fr/1004/1/GM5-2011-Lavios-memoire.pdf · LAVIOS GM5 EI Mathieu Projet de fin d’études: Exploitation

LAVIOS GM5 EI

Mathieu

Projet de fin d’études :

Exploitation d’une Formule Renault 2.0

et conception d’un système de purge

Le vendredi 2 Septembre 2011

http://www.tech1racing.fr/

LAVIOS Mathieu GM5 EI | Projet de fin d’études 2

Remerciements

Je tiens à remercier l’écurie TECH1RACING pour son accueil et la confiance

qu’elle m’a accordée.

Je remercie notamment Florent GOUIN, responsable ingénierie pour m’avoir

donné l’opportunité de ce projet, mais aussi d’avoir pensé à moi pour réaliser

l’exploitation de la Formule Renault 2.0 (FR2.0).

Je tiens aussi à remercier Yann COUDOURET et Joffrey GUILLEMAT,

ingénieurs d’exploitation FR2.0, pour m’avoir formé à ce très beau métier et pour

avoir toujours été disponibles pour moi, ainsi que Christophe VICENTE, chef

d’atelier, pour avoir répondu à toutes mes questions concernant le projet de purge de

pneus.

Enfin, je tiens à remercier Michel CROCHET pour m’avoir conseillé et avoir suivi

mon travail tout au long du PFE.

Avant-propos

Pour des raisons d’écologie (papier et encre) et de coûts d’impression, certaines

annexes se trouvent sur le CD d’Annexes fourni dans le fascicule dédié.

Lexique

Set Up : Ensemble des valeurs de réglages que l’on utilise sur la voiture.

Lateral G-Force : Accélération centrifuge latérale de la voiture.

Steer : Volant

Damper : Amortisseur

Gear : Vitesse (rapport de boîte de vitesses)

Run : Un run est l’ensemble des tours effectués par un pilote lors d’une sortie en

piste.

Session : Une session peut être composée de plusieurs runs (essais libres, essais

qualificatifs, etc…)

Driving : Pilotage

Pit lane : Partie de la piste appelée plus vulgairement : « Stands ». C’est la partie de

la piste où le pilote peut stationner et où son équipe peut intervenir sur la voiture.


Condensé du projet de fin d’études

PROJET DE FIN D’ETUDES Auteur : LAVIOS Mathieu Promotion : 2011

Titre : Exploitation d’un FR 2.0 et conception d’un système de purge de pneus

Soutenance : Vendredi 2 septembre 2011

Structure d’accueil : Tech1Racing Toulouse

Nb de volume(s) : 2 Nb de pages : 62 (+35 d’annexes) Nb de références bibliographiques : 8

Résumé : Ce projet de fin d’études s’est déroulé en deux parties : la première consistait à apprendre et devenir ingénieur d’exploitation d’une Formule Renault 2.0 (FR 2.0) pour la saison 2011 : gestion de la voiture et du pilote, analyse du pilotage, réglages de la monoplace,… Nous avons participé à deux championnats (Alps et Eurocup). Comme ces tâches ne sont pas conformes à la majorité des missions rencontrées par les autres stagiaires INSA, j’ai en parallèle conçu un système permettant de purger puis regonfler 4 pneus simultanément, cela permet par exemple de regonfler les pneus à l’azote. J’ai donc effectué une étude sur le gonflage des pneus et sur le vide, puis conçu le système. Étant donné qu’un tel produit est déjà commercialisé, j’ai dû réaliser un produit ayant les mêmes performances mais ayant un coût beaucoup plus faible. L’objectif principal de mon cycle étudiant étant d’apprendre le métier d’ingénieur d’exploitation d’une écurie de sport automobile, ce projet m’a permis d’atteindre cet objectif, mais aussi de concevoir l’intégralité d’un système à partir d’une simple idée. Cela m’a permis de mettre à profit mes connaissances acquises à l’INSA.

Mots clés : Sport automobile, compétition, exploitation, conception, gonflage pneumatique, vide.

Traduction : This end studies project was composed of two parts: the first one consisted in learning and becoming race engineer of a Formule Renault 2.0 for the 2011 season. Management of the car and the driver, driving analyze, Set Up of the single seater were my daily duties. We took part in two championships (Alps and Eurocup). As these tasks aren’t in accordance with most of ones of other INSA students, besides I conceived a four-tyre bleeding system. For instance it allows to inflate tyres with Nitrogen. So I did a study about inflation of tyres and vacuum then I conceived the system. As this kind of system is already on sale I had to make a product having the same features but cheaper. The aim of my studies was to learn race engineer job. This project allows me to reach it but also to conceive a whole system from a simple idea. It permits me to use my Insa’s knowledge.


Sommaire I) Sujet de stage ..................................................................................................... 7

A) Description du projet ...................................................................................... 7

B) Lieu et encadrement du stage ....................................................................... 7

C) Durée du stage .............................................................................................. 7

II) Description de Tech1 Racing .............................................................................. 8

A) Présentation de l’écurie ................................................................................. 8

B) Organisation de l’équipe .............................................................................. 10

C) Présentation des championnats de la FR 2.0 .............................................. 10

D) Présentation de la voiture et des pilotes ...................................................... 12

1) La voiture ................................................................................................. 12

2) Les pilotes (FR 2.0) .................................................................................. 13

III) Exploitation de la FR 2.0 ................................................................................. 14

A) Gestion de la voiture .................................................................................... 14

1) Kilométrage des pièces ............................................................................ 14

2) Gestion des pneus ................................................................................... 15

3) Gestion des bases de données ................................................................ 16

B) Exploitation sur les circuits .......................................................................... 17

1) Déroulement d’une séance d’essais......................................................... 17

2) Les essais collectifs.................................................................................. 18

3) Les essais libres ....................................................................................... 18

4) Les essais qualificatifs .............................................................................. 19

5) Les courses .............................................................................................. 20

C) L’acquisition de données ............................................................................. 20

1) Le principe ................................................................................................ 20

2) Le fonctionnement .................................................................................... 20

3) Le Best lap théorique ............................................................................... 22

D) Analyse du pilotage ..................................................................................... 23

1) Notion de dynamique du véhicule ............................................................ 23

2) Le pilotage ................................................................................................ 24

3) Analyse du pilotage avec les data ............................................................ 24

E) Le Set Up de la voiture ................................................................................ 26


1) Hauteur de caisse .................................................................................... 26

2) Combiné Ressort/Amortisseur ................................................................. 27

3) Le carrossage .......................................................................................... 28

4) Pince ........................................................................................................ 29

5) Aérodynamique ........................................................................................ 29

6) Antiroulis .................................................................................................. 30

7) La boîte de vitesses ................................................................................. 31

8) La répartition de freinage ......................................................................... 32

9) La précharge de différentiel ...................................................................... 32

10) Les pressions des pneus .......................................................................... 33

11) Hauteur du centre de roulis avant ............................................................ 33

12) Hauteur du centre de roulis arrière et anti-cabrage .................................. 33

13) La répartition des masses ........................................................................ 33

IV) Conception du système de purge ................................................................... 35

A) Définition du sujet ........................................................................................ 35

B) Analyse fonctionnelle ................................................................................... 35

1) Analyse de la valeur ................................................................................. 35

2) Diagramme « bête à corne » .................................................................... 36

3) Analyse structurée des méthodes de conception (S.A.D.T) ..................... 36

4) Diagramme pieuvre .................................................................................. 37

5) Etude du problème à l’aide de la TRIZ ..................................................... 38

4) Etude des contradictions .......................................................................... 40

6) Diagramme F.A.S.T.................................................................................. 42

7) Solution existante ..................................................................................... 42

C) Etude des solutions envisagées .................................................................. 43

1) Solution 1 ................................................................................................. 43

2) Solution 2 ................................................................................................. 43

3) Solution 3 ................................................................................................. 43

D) Etude du gonflage à l’azote ou à l’air sec .................................................... 43

E) Objectif de la purge ..................................................................................... 47

F) Dimensionnement de la pompe à vide ........................................................ 47

1) Calcul du volume d’air dans les pneus ..................................................... 47

2) Technique du vide .................................................................................... 48


3) Calcul du débit de la pompe à vide mécanique ........................................ 48

4) Calcul de la puissance de la pompe ......................................................... 49

5) Essais ....................................................................................................... 49

6) Résultats théoriques................................................................................. 52

G) Dimensionnement du générateur de vide Venturi ....................................... 54

H) Etude de la bouteille de gaz ........................................................................ 55

I) Dimensionnement du distributeur ................................................................... 56

J) Régulation de la pression dans les pneus ................................................... 57

K) Solution finale .............................................................................................. 58

L) Modélisation du système ............................................................................. 58

M) Coûts ........................................................................................................... 60

Conclusion ................................................................................................................ 61

Bibliographie ............................................................................................................. 62


I) Sujet de stage

A) Description du projet

Ce projet de fin d’études s’est déroulé en deux parties : la première consistait à apprendre et devenir ingénieur d’exploitation d’une Formule Renault 2.0 (FR 2.0) pour la saison 2011 : gestion de la voiture et du pilote, analyse du pilotage, réglages de la monoplace,… En début de stage, j’ai suivi des cours sur le pilotage d’une monoplace et sur la dynamique du véhicule mais aussi travaillé la nomenclature et le manuel d’utilisation de la FR2.0 afin de connaître toutes les caractéristiques de la voiture. En ce qui concerne la pratique, la saison a débuté par des essais collectifs avant le début des courses en avril.

Ce projet de fin d’études étant un peu particulier, j’ai en parallèle conçu un

système permettant de purger puis regonfler 4 pneus simultanément, cela permet par exemple de regonfler les pneus à l’azote. J’ai donc effectué une étude sur le gonflage des pneus et sur le vide, puis conçu le système. Étant donné qu’un tel produit est déjà commercialisé, j’ai dû réaliser un produit ayant les mêmes performances mais ayant un coût beaucoup plus faible.

Je propose donc dans ce rapport d’expliquer le métier d’ingénieur d’exploitation

en passant par la gestion des tâches qui lui incombent et les différents réglages de la monoplace. De plus, je vais présenter la démarche que j’ai effectuée pour concevoir le système de purge de pneus.

B) Lieu et encadrement du stage

Le stage s’est déroulé dans les locaux de Tech 1 Racing. Nous nous sommes

rendus sur de nombreux circuit européens (Annexe 1 : calendrier).

Durant toute la durée du stage, Florent GOUIN, responsable ingénierie, Yann

COUDOURET et Joffrey GUILLEMAT, ingénieurs d’exploitation FR2.0, m’ont

encadré sur les courses et chez Tech 1 Racing.

C) Durée du stage

La convention de stage a été établie pour une durée de 7 mois (du 31 janvier au

31 aout 2011), mais je devrais continuer en tant qu’ingénieur d’exploitation jusqu’à la

fin de la saison 2011.


II) Description de Tech1 Racing

A) Présentation de l’écurie

Tech 1 Racing a été créée en 2000 par Simon Abadie, ancien pilote international, et sa sœur Sarah Abadie. Au fur et à mesure des saisons et des résultats prometteurs, le team s’est développé. En 2008, Tech 1 Racing a fait construire des locaux adaptés à son activité et à ses projets d’agrandissement. Aujourd’hui Tech 1 Racing c’est : Des locaux de 950 m² dont 650 m² d’atelier, 150 m² de bureaux, 150 m² de

cabine à peinture et d’usinage 4 FR 2.0, 3 GP3, 2 Formules Renault 3.5 (FR 3.5) 16 mécaniciens 7 ingénieurs à temps plein sur 12 mois 1 ingénieur stagiaire : développement de la plate forme de simulation 5 ingénieurs stagiaires 1 team manager, Simon Abadie, ancien pilote international 1 directrice marketing, gestion (maîtrise de droit des affaires et DESS

management des organisations sportives) 1 cuisinier 1 secrétaire 9 pilotes

La politique salariale de Tech 1 Racing c’est avant tout le respect de la personne. Tech 1 Racing incite ses salariés à faire des formations (langue, usinage, peinture, ingénierie,…), et essaie d’intégrer les stagiaires au personnel de l’équipe dès que cela est possible. La politique du team est désormais de créer une filière interne, de la sortie du karting aux portes de la F1. Lorsque Tech 1 Racing se déplace sur le théâtre des rencontres sportives, c’est une logistique importante digne d’une petite écurie de F1 : 3 semi-remorques 1 structure d’accueil VIP et d’hospitalité de + de 100 m² Plus de 80 repas servis par jour de déplacement 25 personnes à héberger


Palmarès

2010

World Series FR3.5 : Team CHAMPION

Pilote : 2ème et « rookie of the year », Daniel Ricciardo

Eurocup FR 2.0 : Team CHAMPION

Pilotes : Arthur Pic, 3ème et Aaro Vainio, 4ème

2009

World Series FR3.5 : Team 4ème

Pilote : Charles Pic, 3ème

2008


Pilote : Julien Jousse, Vice-champion

Pilote : Charles Pic, « Rookie of the year » et 6ème

Eurocup Megane Trophy : Team CHAMPION

Pilote : Dimitri Enjalbert, 3ème du championnat

2007


Pilote : Alvaro Parente, CHAMPION


Pilote, Pedro Petiz, CHAMPION

Pilote, Dimitri Enjalbert, Vice-champion

2006

World Series FR3.5 : 1ère participation du team, 12ème


Pilote, Matthieu Lahaye, Vice-champion

2005

Eurocup Megane Trophy : 1ère participation du team

FR 2.0 : Championnat de France

2003

FR 2.0 : Team, Vice-champion de France

Pilote : Bruce Lorgeré-Roux, 3ème

2000

FR 2.0 : Pilote : Simon Abadie, Vice-champion de France


B) Organisation de l’équipe

Simon et Sarah ABADIE sont à la tête de l’écurie. En général, il y a un ingénieur

et un mécanicien par voiture (Annexe 2 : Organigramme).

C) Présentation des championnats de la FR 2.0

Depuis sa création en 1971, la FR 2.0 a révélé les plus grands pilotes du paddock F1 actuel, de Prost à Hamilton, Raikkonen ou Kubica. Première marche d’une pyramide menant à la catégorie ultime, la FR 2.0 forme les champions de demain.

Apparue en 2000, la Formula Renault 2.0 s’est vite imposée comme un passage

obligé pour les jeunes pilotes ambitionnant une carrière au plus haut niveau. Ainsi, Kimi Raikkonen est passé directement de la FR 2.0 à la F1 ! Heikki Kovalainen, Lewis Hamilton, Robert Kubica, Kamui Kobayashi, Vitantonio Liuzzi, Vitaly Petrov ou Jaime Alguersuari ont également révélé leur talent au volant de cette monoplace.

A la fois simple et raffinée, la FR 2.0 a été conçue pour répondre à un cahier des

charges incluant un coût de saison maîtrisé, une parfaite équité entre les concurrents, une excellente fiabilité et un potentiel de performance permettant de révéler les meilleurs pilotes. Cette monoplace offre une palette de réglages mécaniques et aérodynamiques suffisamment vaste pour permettre un apprentissage du métier de pilote. En interdisant de préparer ou de modifier certains éléments (à commencer par le moteur et le boîtier de gestion électronique), Renault Sport garantit des performances identiques pour tous. La différence se fait avant tout derrière le volant !

Après un programme d’étude et de développement rigoureux, Renault Sport

innovait pour la saison 2010 avec une monoplace plus performante et un comportement plus proche des monoplaces des catégories supérieures.

De même, le montage est réalisé dans l’usine Alpine avec un process optimisé,

chaque monoplace est contrôlée et mise en route avant livraison. La sécurité est également au cœur de Nouvelle Formula Renault 2.0. Elle est la première monoplace homologuée selon les normes FIA F3 2011. La sécurité du pilote est donc largement accrue et Nouvelle Formula Renault 2.0 devient ainsi un exemple à suivre.

Pour cette saison 2011, l’écurie Tech 1 Racing a décidé de participer à un double

programme en FR 2.0 : le championnat ALPS et le championnat Eurocup FR 2.0.

Le championnat FR 2.0 Alps est un nouveau Championnat de FR 2.0 en 2011.

Renault Sport Suisse et le promoteur italien Domenico Porfiri, patron de la société

Fast Lane Promotion, ont décidé d’unir leurs forces pour créer, dès 2011, un

nouveau championnat réservé à ces monoplaces. Le calendrier prévoit 16 courses

se déroulant sur 8 circuits européens (Annexe 1).


Calendrier :

26-27 mars Monza (Italie) 7-8 mai Imola (Italie) 21 - 22 mai Pau (France) 11-12 juin Red Bull Ring (Autriche) 2-3 juillet Hungaroring (Hongrie) 17 - 18 septembre Paul Ricard (France) 1-2 octobre Spa (Belgique)

Le championnat Eurocup est le championnat européen dans lequel se retrouvent

les meilleurs pilotes de FR 2.0. Il permet souvent de découvrir de futurs pilotes de Formule 1. Les trois premiers de ce championnat ont l’opportunité de réaliser des essais dans une FR 3.5, ce qui a été le cas de Kevin Korjus (vainqueur de l’Eurocup en 2010) et Arthur PIC (3ème de l’Eurocup), tous deux pilotes Tech 1 Racing cette saison en FR 3.5. Le championnat World Series Renault 3.5 est une des dernières marches avant d’accéder à la catégorie reine du sport automobile : la Formule 1.

Calendrier : 16 - 17 avril Motorland (Espagne) 30 avril - 1 mai Spa (Belgique) 18 - 19 juin Nürburgring (Allemagne) 2 - 3 juillet Budapest (Hongrie) 20 - 21 août Silverstone (Angleterre) 17 - 18 septembre Paul Ricard (France) 8 - 9 octobre Barcelone (Espagne)


D) Présentation de la voiture et des pilotes

1) La voiture

Comme je l’ai précisé auparavant, je réalise l’exploitation d’une FR 2.0. Voici les caractéristiques techniques détaillées de cette monoplace : Châssis :

o Monocoque Carbone standard 2011 FIA F3 Safety norms. Eléments aérodynamiques : aileron avant, aileron arrière, diffuseur.

o Carrosseries Carbone Moteur :

o Renault F4R 832 V4, 1998 cm3 o Puissance maxi : 210 CH o Couple maxi (Nm) : 220 Nm o Régime maxi : 7500 tr/min

Transmission : o Boîte de vitesses 7 rapports séquentielle commandes palettes au

volant o Différentiel autobloquant

Dimensions / Poids / Capacités : o Empattement : 2730 mm o Voie avant-arrière : 1502 – 1440 mm o Réservoir carburant : 50 litres o Poids : 505 kg

Roues : o Jantes : aluminium, avant : 9x13’’, arrière : 10.5x13’’ o Pneumatiques : Michelin, avant : 20-54x13, arrière : 24-57x13, RST

2.0 (slick) et RST 2.0R (pluie) Trains / Suspensions:

o Avant : push rod, un amortisseur 2 voies réglables o Arrière : deux amortisseurs 2 voies réglables

Freins : o Étrier 4 pistons o Pédalier ajustable avec répartiteur réglable au tableau de bord o Disques flottants

Acquisition de données/électronique: o Système PI dernière génération avec logiciel d’exploitation “tool box”,

25 entrées de mesure dont braquage volant, pression de freins et accélérateur

o Dashboard intégré au volant (XAP Electronique)

Formule Renault 2.0


2) Les pilotes (FR 2.0)

Javier TARANCON, pilote espagnol né le 23 novembre 1991

2000-2007: Karting

2008: Auto Sport Academy

2009-2010: Formula BMW Europe

Paul-Loup CHATIN , pilote français né 19 octobre 1991

2005-2010 : Karting

2010 : Auto Sport Academy

Miki WECKSTRÖM, pilote finlandais né le 16 Novembre 1992

2006-2009 :Karting

2010 : Eurocup FR 2.0

Roman MAVLANOV, pilote russe né le 5 juillet 1994

2009-2010 : Karting


III) Exploitation de la FR 2.0

Le métier d’ingénieur d’exploitation est un métier très varié où il faut maitriser un

certain nombre d’éléments et être très rigoureux. Dans cette partie, nous allons

décrire les nombreuses tâches que doit gérer un ingénieur.

A) Gestion de la voiture

1) Kilométrage des pièces

Après avoir numéroté chaque pièce en début de saison, il est important, pour des

raisons de fiabilité, de connaître le kilométrage de chacune afin de les changer

lorsque leur kilométrage maximal est atteint. Le kilométrage maxi est conseillé par

Renault Sport.

Le suivi de la voiture s’effectue à l’aide d’un tableur permettant d’ajouter

automatiquement le kilométrage de chaque pièce après chaque meeting (Tableau 1).

Par exemple, ici dans la feuille « saisie kms », nous pouvons entrer le

kilométrage effectué par la voiture 042. Nous pouvons aussi connaître les pièces

présentes sur ce châssis, ainsi que leur masse. Cette feuille permet également de

connaître l’historique de chaque voiture ou de rechercher une pièce.

La feuille « kms » (Tableau 2) permet d’inscrire le kilométrage des pièces en

début de saison (dans la colonne M). A chaque fois que les kilomètres sont mis à

jour, une nouvelle colonne est créée (ici la colonne N où nous avons créé un meeting

« Exemple » le 1er mars) et les kilomètres de chaque pièce sont additionnés dans la

colonne J. Cela permet d’avoir un suivi permanent de la voiture. De plus, nous

pouvons ajouter des remarques (mécanicien, état, remarques durant les meetings,

etc.…).

Ce tableur est composé de nombreuses autres feuilles :

Feuille « Recherche » pour rechercher des pièces

Feuille « Stock » pour gérer les stocks

Feuille « commande pièces » pour gérer les commandes (quantités, prix)

Feuilles réservées aux révisions (boîte de vitesses, etc…).


2) Gestion des pneus

Pour chaque championnat, la réglementation nous indique avant chaque

Collective Tests ou course un nombre figé de pneumatiques que nous pourrons

utiliser et ce, pour la limitation des coûts. Ainsi, avec cette donnée, l’ingénieur

d’exploitation doit répartir l’utilisation des trains de pneumatiques de façon à suivre

un raisonnement logique lors de la séance.

L’usure des pneumatiques influe sur la balance du véhicule. En effet, la vitesse

d’usure des pneumatiques n’est pas la même pour les pneus avant que pour les

pneus arrières. Du coup, pendant la séance de test, il faut toujours garder un œil sur

le nombre de tours effectués du pneu, pour ne pas corriger des problèmes qui ne le

seront plus durant la séance de qualification, avec des pneus neufs.

Chaque pneu est associé à un code bar et l’ingénieur regroupe les pneus par

train et les nomme (Figure 1).

Ensuite, chaque séance d’essais génère ce type de tableau (tableau 3). Ainsi,

nous pouvons entrer le nombre de tours effectués par le train de pneus, le lieu du

montage, le type de jantes, le kilométrage des pneus,…Ce tableur permet ensuite de

remplir un second tableur (tableau 4) où nous retrouvons l’ensemble des pneus

utilisés durant toute la saison (base de données). Ce dernier nous permet de choisir

les pneus enregistrés lors des précédents meetings que nous pouvons amener sur le

suivant.

On remarque ici, que nous avons délimité au préalable 3 types d’état de

pneumatiques en fonction du nombre de tours effectués. Les trains de pneumatiques

notés en rouge sont les pneus qui ne pourrons être utilisés que pour du rodage, de

l’apprentissage de circuit. Les trains notés en jaune sont à prendre avec précaution :

ils peuvent servir pour faire des tests, mais nous devons être vigilants à ne pas

dépasser un certain seuil. Enfin, les pneus notés en bleu (pneus « frais »), sont de

parfaites montes pour effectuer nos tests les plus importants. Ils permettent une

bonne lecture du comportement de la voiture.

Un autre facteur important de la gestion kilométrique est de veiller à toujours

avoir des pneus de plusieurs niveaux de fraîcheur. Il est important d’effectuer un

roulement et penser à la séance prochaine, pour ne pas consommer le stock de

pneus « frais ».

Enfin, avant chaque meeting, l’ingénieur doit faire connaître aux dirigeants de

Renault Sport la liste des pneus qu’il va utiliser au cours du meeting. Cette liste doit

correspondre à la règlementation (par exemple, pour le 1er meeting Eurocup de

Motorland, nous avions le droit d’utiliser que 2 trains de pneus enregistrés lors des


Collective Tests de Barcelone) et vient compléter la liste des pneus neufs qui nous

sont fournis pour le meeting (2 ou 3 trains selon la course). Dès que la voiture sort

des stands, le code bar de chaque pneu est vérifié, et doit correspondre à

l’enregistrement effectué la veille du meeting sous peine de disqualification. La

gestion des pneus est un travail qui demande beaucoup de rigueur.

Aussi simple qu’elle puisse paraître, la gestion du kilométrage des pneumatiques

peut devenir compliquée lorsque l’on multiplie les championnats et le nombre de

pilotes. En moyenne, nous utilisons par pilote et par championnat, pas moins de 50

trains de pneus.

3) Gestion des bases de données

L’expérience fait partie des clefs du succès d’une bonne écurie de sport

automobile. En effet, il n’est pas rare de retrouver les mêmes circuits d’une année

sur l’autre, il est donc très important d’acquérir de nombreuses informations chaque

année.

Nous allons voir que le moteur devait fonctionner à une certaine température

d’eau et d’huile. Il est très important de surveiller ces valeurs. Nous pouvons donc

« cacher » les radiateurs si ces températures sont trop basses. Pour déterminer ces

« cachages », nous pouvons utiliser la base de données « cachages moteur ». Après

chaque meeting, nous mettons à jour une base où nous retrouvons toutes ces

données dans un tableau Excel.

De la même manière, nous pouvons avoir une idée de l’évolution des pressions

en fonction du circuit, des différentes températures, du nombre de tours à effectuer

etc… Il est important de rappeler que la pression des pneus est un des éléments

majeurs d’une monoplace et qu’il faut donc être très rigoureux.

Les feuilles de Set Up et les data sont, elles aussi, conservées afin d’optimiser

chaque année le réglage de la monoplace sur tous les circuits.

Enfin, il est important de connaître l’évolution des pilotes Tech 1 Racing en

fonction des années et de la concurrence. Pour cela, nous avons aussi une base de

données où nous reportons les temps au tour secteur par secteur des 3 pilotes les

plus rapides, et du pilote Tech 1 le plus rapide.


B) Exploitation sur les circuits

Sur les circuits, le métier d’ingénieur est encore différent. En effet, il doit gérer la

manière et le moment où le pilote va rouler. Il existe plusieurs types de séances :

Les essais collectifs

Les essais libres

Les essais qualificatifs

Les courses

1) Déroulement d’une séance d’essais

Avant chaque séance d’essais, l’ingénieur doit préparer un planning afin de

s’assurer que l’équipe travaille plus de points possibles. Cela lui permet aussi de

gérer les pneus et leurs pressions, la quantité d’essence embarquée, le nombre de

runs et de tours qu’il va effectuer, etc…

Ensuite, le pilote est tout d’abord briefé sur ce que l’on attend de lui au cours de

la séance en fonction des objectifs et du programme mis en place. Etant ingénieur

d’exploitation d’un pilote venant du karting, les principales attentes s’appuient surtout

sur le pilotage. En effet, il doit s’adapter au plus vite à la voiture car le pilotage est

totalement différent. Ensuite le pilote et sa monoplace sont envoyés sur la piste dès

le début de la séance afin de ne pas perdre de temps ou avec un délai d’attente si

les conditions ne sont pas satisfaisantes. Pendant que les monoplaces évoluent sur

la piste, l’ingénieur observe l’évolution des temps au tour et compare le

comportement de sa voiture avec celles de la concurrence. Il peut donc déjà faire un

point sur les secteurs à travailler en priorité. Dès l’immobilisation de la voiture dans

les stands, l’ingénieur décharge les acquisitions de données sur son ordinateur et

interroge le pilote de manière à recueillir ses observations sur le comportement de sa

voiture. En fonction de ce ressenti, l’ingénieur prend l’initiative de modifier un (ou

plusieurs) élément(s) de la voiture afin de l’adapter au pilote. De plus, il doit veiller à

la fiabilité de la voiture (températures et pressions moteur, etc…), réajuster les

pressions des pneus pour atteindre la pression cible, et vérifier certains paramètres

de la voiture qui ne peuvent pas toujours être perçus par le pilote (hauteurs de

caisse, précharges, etc…). Pendant que le mécanicien effectue les modifications,

l’ingénieur analyse avec le pilote les données enregistrées afin de le faire progresser.

Le pilote repart ensuite en piste et il lui est demandé de tenir compte des remarques

concernant son pilotage et d’apprécier les modifications de réglages. L’immobilisation

au stand se doit d’être la plus courte possible afin d’optimiser le temps en piste, sans

toutefois pénaliser la prise de décision sur les réglages et l’analyse du pilotage. En

séance d’essais collectifs, le pilote ne reste pas tout le temps installé dans la

monoplace car ces essais peuvent durer jusqu’à 4 heures par demi journée, mais

reste installé lors des séances d’essais libres et qualificatifs (plus courtes).


A la fin de toute séance, le pilote doit effectuer une analyse très précise du

comportement de la monoplace virage par virage au cours d’un débriefing, mais doit

aussi donner son avis sur les modifications de comportement ressenties après

chaque modification de Set Up. Ensuite, l’ingénieur effectue une analyse plus

profonde du pilotage avec ce dernier. L’ingénieur devra ensuite analyser avec

rigueur les données enregistrées concernant le châssis afin de tirer les justes

conclusions des modifications de réglages effectuées au cours de la séance. Il doit

tenir compte des informations fournies par le pilote et des enseignements tirés de

l’analyse des data pour modifier et optimiser le Set Up en vue de la prochaine

séance.

Enfin, de retour à l’atelier, l’ingénieur dresse un driving report (rapport de

pilotage) où il analyse virage par virage le pilotage, les évolutions au cours des

essais, les points positifs et négatifs du pilote, etc… Cela est un résumé qui

permettra au pilote de s’améliorer, en particulier sur le circuit étudié.

2) Les essais collectifs

Avant le début de la saison, Renault Sport organise des journées d’essais

collectifs sur la majorité des circuits accueillant un meeting (Le Castellet (28 février-

1er mars), Motorland (6-7 mars), Barcelone (17-18 mars), Navarra (19-20 avril)). Ces

essais servent surtout à l’entraînement du pilote : remise en route après quelques

mois d’inactivité pour les pilotes expérimentés ou apprentissage des circuits et de la

voiture pour les pilotes débutants dans cette catégorie. Ce travail sur le pilotage est

possible grâce l’exploitation des acquisitions de données. De plus, ces essais

d’avant saison permettent à l’ingénieur d’exploitation de définir un Set Up de base

sur chaque circuit et de prendre connaissance des modifications apportées lors de

l’intersaison. Grâce à une bonne compréhension de la dynamique véhicule et des

phénomènes physiques qui la régissent, l’ingénieur d’exploitation suit une démarche

scientifique lors de ces séances. De plus, ces séances permettent d’effectuer des

taches de routines telles que les rodages (disques de frein, plaquettes de frein,

moteur…) et les contrôles d’ordre général.

3) Les essais libres

Au cours de chaque meeting, le team dispose de deux séances de 30 ou 40

minutes d’essais officiels dits « essais libres ». Ceux-ci se déroulent généralement le

vendredi, et comme ils sont très limités dans le temps, la préoccupation principale de

l’ingénieur est d’adapter la voiture aux conditions de piste rencontrées en utilisant la

base de Set Up retenue lors des essais hivernaux ou privés. De plus, il est important

de faire évoluer cette base vers une optimisation de l’utilisation du grip de la piste.

L’optimisation du pilotage est aussi une des préoccupations majeures de cette

séance. Toute la difficulté de cet exercice réside dans le manque de temps laissé à

l’ingénieur et au pilote pour interpréter avec justesse le comportement de la voiture.


Sur certains meetings, nous disposons de séances d’essais supplémentaires se

déroulant le Jeudi d’une durée de 1h30. Cette séance représente l’occasion de

mener à bien un programme de tests plus important afin d’adapter au mieux la

monoplace au circuit sur lequel se déroulera le week-end de course. Ces séances

sont également l’occasion pour les pilotes de prendre leurs marques et ainsi d’affiner

encore plus leur pilotage.

4) Les essais qualificatifs

Pour le championnat Alps, il n’y a qu’une séance d’essais de 30 minutes. Le

meilleur temps effectué par chaque pilote permet de déterminer la position sur la

grille de départ pour la première course, et le second meilleur temps de chaque pilote

la position pour la deuxième course.

En ce qui concerne le championnat Eurocup, il y a deux séances d’essais de 15

minutes qui déterminent respectivement les positions sur la grille de départ des

courses 1 et 2.

L’utilisation du temps passé sur la piste lors des essais qualificatifs varie en

fonction des conditions de piste. En effet, dans le cas d’une piste humide ou séchant

il est intéressant de faire rouler le pilote durant toute la séance afin qu’il affine son

pilotage et améliore ses temps ; on note en effet que lors de ce type de conditions

difficiles les temps des pilotes évoluent tour après tour et que les meilleurs temps

sont souvent effectués en toute fin de séance.

Dans le cas de conditions sèches, le team utilise deux trains de pneus slicks

neufs (pour les séances de 30 minutes) qui ont un spectre d’utilisation optimale

réduit. En effet, le pneu a des performances optimales pendant 4 à 7 tours suivant

les circuits puis ses performances diminuent fortement. L’utilisation des

pneumatiques est la clé de la performance, il faut donc adapter le mieux possible les

pressions des pneus aux conditions de piste (T° de l’air, T° piste, grip, etc…). Une

simulation de la séance est faite afin de prévoir le « timing ». En effet, les 30 minutes

de la séance représentent plus que le temps minimum requis pour effectuer deux

runs en pneus neufs. Ainsi il est demandé aux pilotes de sortir de la Pit Lane à une

« horaire » précise afin d’avoir le temps de rentrer au stand pour chausser un second

train de pneus neufs et modifier, si besoin, le comportement de leur monoplace. Leur

second run se doit de terminer avec la quantité minimale d’essence et des pneus à la

fin de leur plage d’utilisation optimale.

Cette séance est donc très délicate à gérer mais passionnante et significative de

la qualité du package team/pilote/ingénieur.


5) Les courses

Les courses sont la conclusion du weekend. Elles durent 25 minutes + 1 tour. Il

est donc primordial de calculer la bonne quantité d’essence à embarquer. Le Set Up

de la voiture est censé être au point grâce aux séances précédentes. L’acteur

principal reste donc le pilote qui doit mettre bout à bout toutes les remarques qui lui

ont été faites afin d’avoir un pilotage optimal sans se faire piéger par les faits de

course.

C) L’acquisition de données

1) Le principe

Le principe est simple : permettre de connaître à chaque instant le comportement

et l’état de la voiture. Dans cette optique, on peut distinguer trois objectifs :

Vérifier le bon fonctionnement du moteur et affiner ses réglages.

Aider à la compréhension du fonctionnement de la voiture sur la piste pour

choisir les réglages adéquats ou valider des évolutions sur la voiture.

Permettre au pilote d’améliorer son pilotage en comparant sa méthode à

d’autres.

2) Le fonctionnement

Le système imposé que nous utilisons dans la FR 2.0 est le système PI.

L’acquisition de données se compose d’un équipement embarqué dans la voiture,

d’une cellule au bord de la piste servant à séparer les différents tours et d’une

interface de programmation et de récupération des données.

L’équipement embarqué comporte un boîtier d’enregistrement Omega alimenté

par la batterie de la voiture avec un certain nombre de voies. Le nombre de voies

additionnelles pouvant être ajoutées en essais est limité à six. Ces voies sont reliées

à des capteurs qui permettent d’enregistrer les paramètres utiles à l’analyse du

comportement de la voiture (vitesses des roues avant, accélération longitudinale et

latérale, débattement des suspensions, etc.), du pilotage (temps au tour, angle du

volant, position des pédales d’accélérateur et de frein) ou encore du fonctionnement

moteur (régime, températures, pressions etc.). A chaque démarrage, le boîtier

enregistre automatiquement dans la voiture les données en provenance des

capteurs et ce, jusqu’à l’arrêt du moteur. A chaque fois que la voiture passe devant la

cellule, l’enregistrement du tour écoulé est stocké en mémoire et un nouveau tour

s’enregistre.

Lorsque les données doivent être récupérées, il suffit de connecter l’ordinateur à

la voiture et le logiciel PI Toolset permet de décharger les données. Chaque

enregistrement constitue un fichier séparé dans lequel le logiciel permet de

sélectionner les données tour par tour pour leur exploitation. Ensuite, le logiciel PI

Toolbox permet de lire ces informations.


a) SX Conf

SX Conf est le système permettant de gérer le tableau de bord de la voiture

(Dashboard (écran du volant)). Il permet de transférer toutes les informations au

volant (Carte du circuit, Shiftlights (lumières indiquant le régime moteur)) (Capture

d’écran 1).

b) PI Toolset

PI Toolset est le logiciel permettant de gérer et de transférer les données de la

voiture vers l’ordinateur afin de les analyser. Ainsi nous pouvons :

Nommer les données afin de les organiser et choisir les canaux que nous

voulons afficher (Capture d’écran 2 et 3)

Télécharger les données de la voiture (Capture d’écran 4)

Visionner en temps réel le signal des capteurs lorsque le PC est connecté à la

voiture (très utile lorsque nous devons calibrer des capteurs ou vérifier leur bon

fonctionnement) (Capture d’écran 5).

c) PI Toolbox

PI toolbox permet de lire les données. En effet, nous devons dans un premier

temps établir une configuration du système, c'est-à-dire quelles voies nous décidons

d’afficher, quelles échelles, quel type d’affichage, etc… Généralement, nous créons

plusieurs onglets (Capture d’écran 6).

L’onglet driving permet d’analyser le pilotage. Nous y avons affiché le régime

moteur (vert), le rapport engagé (orange), la vitesse de la voiture (noir), (la vitesse

des roues droite et gauche est aussi généralement affichée), la pression de frein

(rouge), l’ouverture du boiter papillon (bleu), l’angle de la direction (violet),

l’accélération latérale (bleu clair) et le débattement de la suspension avant (gris). Les

données sont découpées tour par tour, nous pouvons donc comparer deux ou

plusieurs tours entre eux afin de comparer le pilotage de différents pilotes. De la

même manière, nous pouvons analyser le driving (pilotage) pour chaque virage et

ainsi prendre le meilleur passage de chaque pilote afin de faire évoluer l’équipe

(point de freinage, trajectoire, pression de frein, etc…).

L’onglet Engine (Capture d’écran 7) permet de vérifier la fiabilité de la voiture. En

effet, nous y retrouvons toutes les informations concernant le moteur. Par exemple, il

est primordial de ne pas avoir de surchauffe moteur. Pour cela, nous devons après

chaque run vérifier les températures du moteur (Engine Coolant Temp, Engine Oil

Temp) et modifier les « cachages » du radiateur afin de conserver les températures

moteur désirées (généralement aux alentours de 75°C pour le liquide de

refroidissement et 100°C pour l’huile). Cet onglet est aussi utilisé lorsque les


performances moteur ne sont pas satisfaisantes ou que nous rencontrons un

problème technique (pression d’huile, etc…).

De la même manière, nous avons créé d’autres onglets :

Un onglet Start permettant d’analyser les départs où nous avons affiché la

vitesse, l’accélération longitudinale, la position de la pédale d’accélérateur, le

régime moteur etc…

Un onglet Car Balance permettant d’analyser le comportement de la voiture

(sous-virages, etc…)

Un onglet permettant d’afficher les « Spare channels » (capteur additionnels)

Etc…

Nous pouvons aussi créer des canaux mathématiques en appliquant des

relations entre les différents canaux de la voiture : essence présente dans le

réservoir, hauteur de caisse, carrossage dynamique, etc… Ces relations font partie

du développement que l’on peut effectuer sur la voiture.

3) Le Best lap théorique

Le Best Lap théorique est une data représentant le meilleur tour que pourrait

effectuer le pilote avec un même Set Up : en effet, cette data est composée des

meilleurs virages ou succession de virages que le pilote a réalisé dans un run. Cette

data est utilisée :

Pour comparer le driving de deux pilotes sur une même partie du circuit

Pour avoir une base de comparaison lorsque l’on revient sur ce même circuit

Pour situer le pilote dans la hiérarchie s’il effectue un tour parfait.

Pour réaliser ce Best Lap, on superpose tous les tours du run et on analyse

chaque virage : on calle temporellement en entrée de virage (avant le point de frein !)

tous les tours en se référant au canal de l’amortisseur avant (en effet on se calera

sur une bosse caractéristique). L’amortisseur est la dernière courbe de la capture

d’écran 8.

De la même manière, on ne vient pas comparer la différence de temps à la sortie

mais l’entrée du prochain virage (Capture d’écran 9). En effet, ce n’est pas parce

qu’un pilote ressort du virage plus tôt qu’il est le plus rapide ! De plus, s’il y a une

longue ligne droite, il faut faire attention au phénomène d’aspiration : il peut être

moins rapide dans le virage mais arriver plus tôt dans le suivant car il est à

l’aspiration d’un autre pilote (vitesse de pointe plus importante). Pour cela, on juge la

détente de l’amortisseur. Dans ce virage, le tour en noir est le plus rapide. On note le

virage le plus rapide, puis on recale tous les tours par rapport à ce dernier pour le

prochain virage.

On réalise cette opération pour chaque virage (ou succession de virages).

Ensuite on « exporte » en fichier Excel tous les tours ayant eu un virage plus rapide


et on compose le Best Lap théorique en assemblant les parties des fichiers où nous

avons les meilleurs passages du run.

D) Analyse du pilotage

1) Notion de dynamique du véhicule

Le premier réglage réside dans la manière de piloter. En effet, l’influence du

réglage ne sera jamais plus grande que celle du pilotage. Le style de pilotage

recherché sera toujours le même et le réglage viendra toujours en second lieu.

Le grip de la voiture est la force que la voiture génère, c'est-à-dire ce que le

pilote va ressentir. Ces forces sont des forces d’inertie de la forme :

M. en ligne droite

M.

en virage

Avec M la masse de la voiture, l’accélération rectiligne, V la vitesse et R le

rayon de la trajectoire.

Plus les forces d’inertie vont être importantes, plus les mouvements du châssis

par rapport à la piste seront importants. Ces mouvements sont de 3 types (Figure 2) :

La rotation selon l’axe x : roulis

La rotation selon l’axe y : tangage

La rotation selon l’axe z : lacet

Ces efforts sont entièrement transmis par le pneu. Le grip dépend :

De la nature du revêtement

Des conditions thermiques et météorologiques

Des caractéristiques des pneus

De la charge verticale des pneus

De l’angle de dérive des pneus

Du pourcentage de glissement des pneus

D’après la courbe 35 (qui dépend de la caractéristique d’un pneu), nous voyons

que plus l’effort vertical sur le pneu est important, plus l’effort transmissible par le

pneu est important. Cependant, le pneu a tout de même une limite qu’il ne faut pas

dépasser.

Plusieurs solutions s’offrent à nous afin d’optimiser la charge verticale d’un

pneu :

Augmenter le poids de la voiture : comme la courbe ci-dessus est dégressive,

l’amélioration ne va pas être si importante car le grip augmente moins vite que

les forces d’inertie. Il vaut donc mieux diminuer le poids


Augmenter la charge aérodynamique : cette solution permet d’augmenter la

charge verticale sans ajouter d’efforts inertiels.

Transférer la charge d’une roue à une autre (ou d’un essieu à un autre)

Influence du pilotage et de la balance de la voiture (Figure 4).

L’effort longitudinal dépend :

Du centre de gravité.

De l’empattement de la voiture (Distance entre l’essieu avant et arrière).

De l’accélération longitudinale.

En ce qui concerne l’effort latéral, il dépend :

Du centre de gravité.

Du tracé du circuit.

De l’accélération latérale.

De la voie (distance entre la roue droite et la roue gauche).

2) Le pilotage

D’après le graphique figure 5, nous pouvons en déduire que le grip est aussi

fonction de l’angle de dérive (angle d’écart entre la trajectoire suivie par les pneus et

la trajectoire initialement donnée). En effet, plus l’angle de dérive est important, plus

le grip est important jusqu'à un certain point : le niveau de dérive optimal. Ce niveau

peut être ressenti et expliqué par certains pilotes mais ce phénomène se retrouve

dans les data. Cela permet d’aider le pilote à aborder le virage.

Il est très important de retenir que le pneu ne peut fournir simultanément un effort

latéral et longitudinal de manière optimale. En effet, si nous parlons en pourcentage,

il pourra fournir par exemple 70% d’effort longitudinal et 30% d’effort latéral (Figure

6).

Le pilotage prendra donc en compte tous ces éléments. Nous demanderons

donc selon les virages une certaine forme et pression de frein, agressivité dans le

volant, vitesse dans le virage etc...

Selon le comportement de la voiture (balance), le pilote et l’ingénieur feront en

sorte de corriger le driving lors des points data. Si le pilotage correspond aux

attentes, alors c’est là que s’arrête le travail sur le pilotage. Il faut donc modifier le

Set Up de la voiture.

3) Analyse du pilotage avec les data

Entre chaque session, l’ingénieur effectue un point data avec son pilote où il

analyse chaque virage en les comparant aux autres pilotes Tech 1. Pour ce faire, le

pilote doit être régulier et surtout se souvenir de tout ce qu’il a fait durant chaque run.

Cela est un point très important pour lui, surtout pour un rookie (pilote effectuant sa


première année dans un championnat) qui pourra comparer son driving à des pilotes

plus expérimentés. De plus, cela permet d’adapter le pilotage au Set Up de la

voiture.

Analyse du pilotage

Circuit de Monza

De nombreuses analyses sont réalisables sur les data. On peut aussi déterminer

la balance de la voiture (sous et survirages). Il faut toutefois prendre en considération

le driving du pilote avant d’effectuer un changement de Set Up sur la voiture.

Cependant, l’analyse des data n’est pas une tâche automatique. En effet, il faut

aussi faire le lien entre la dynamique de la voiture, le ressenti du pilote et le Set Up.

Les data permettent aussi de confirmer ou d’infirmer le Set Up de la voiture au vu de

son comportement en fonction du driving du pilote. Une analyse très précise de la

balance de la voiture est effectuée virage par virage pour chaque run important.

Enfin, un dernier point est à prendre en compte : le pilote doit être le plus régulier

possible afin que chaque tour ne soit pas totalement différent et que l’analyse ait un

sens.


E) Le Set Up de la voiture

Une Formule Renault 2.0 offre un large choix de réglages pour s’adapter au

mieux au circuit et au pilote. En effet, une fois que le pilote a adapté un certain style

de pilotage permettant de ressentir le comportement de la voiture, il devient

intéressant de faire varier ces réglages afin de permettre au pilote d’être plus

performant. Le but principal sera de faire fonctionner les pneus dans leur plage

d’utilisation optimale autant en qualification qu’en course, mais aussi de corriger

d’éventuels problèmes de balance (survirage ou sous-virage).

On peut analyser le comportement d’une automobile de compétition au cours des

virages rencontrés comme suit :

Entrée de virage Application des freins (avec ou sans accélération latérale) Fin de frein Milieu du virage souvent sans frein ni accélération Remise des gaz Sortie de virage

De plus, ces réglages dépendront du type de virage :

Virages lents Virages rapides Chicanes Virages longs Virages « en V »

Petit rappel :

Sous virage : Le train arrière possède un grip plus important que le train avant.

La voiture a du mal à tourner et prendre le virage. Les roues avant semblent forcer,

alors que les roues arrière semblent collées au sol Décrochement du train avant.

Survirage : C’est l’inverse du sous virage. Le train avant possède un grip plus

important que le train arrière Décrochement du train arrière.

1) Hauteur de caisse

Le réglage des hauteurs de caisse avant et arrière, et donc la modification du pitch (différence entre hauteur de caisse arrière et hauteur de caisse avant) est influant mécaniquement et aérodynamiquement. On peut modifier cette hauteur de caisse en faisant varier la longueur des pushrods (Avant : 1 pan de pushrod = 0.62mm, arrière : 1 pan de pushrod = 0.92mm de hauteur de caisse) (Figures 7&8).

Le but premier de la hauteur de caisse est de rouler le plus bas possible pour

avoir un meilleur effet de sol. L'effet de sol est utilisé pour augmenter l'adhérence (le grip) des pneumatiques (et ainsi augmenter le niveau admissible d'accélération en virage, à l'accélération et au freinage) en augmentant la charge verticale appliquée à celui-ci. Le fond plat piège l'air qui passe sous la voiture. La diminution de section créée à l’entrée implique une augmentation de la vitesse de l’air qui mène à une


diminution de pression. C’est exactement la conséquence de l’effet Venturi qui s’explique peut être démontré par l’équation de Bernoulli. Cette dépression permet de plaquer la voiture au sol.

Equation de Bernoulli sur l’avant de la voiture:

Du fait de la diminution de section à l’avant de la voiture, V1<V2 (car le débit d’air

sous la voiture est constant). z1=z2 d’où la création d’une dépression (P1>P2). De plus, plus la hauteur de caisse sera faible, plus le transfert de charge sera

faible et donc le grip général plus important. En effet, il est intéressant de rapprocher le centre de gravité du sol et ainsi de diminuer la charge verticale du pneu (diminution du report de charge sur la roue extérieure).

Le transfert de charge latéral est fonction de l’accélération latérale, la voie, la

hauteur du centre de gravité et de la masse. Le transfert de charge longitudinal est fonction de l’accélération longitudinale, l’empattement, la hauteur du centre de gravité et la masse. Il faut donc trouver la hauteur de caisse avant permettant de rouler le plus bas possible sans faire toucher la planche sur les phases de frein. En effet, cela déchargerait les roues avant car une partie du poids de la voiture passe par la planche et les roues bloqueraient par manque de charge verticale.

On peut aussi par la même occasion, changer le pitch de la voiture. Comme cité

précédemment, le pitch est la différence entre la hauteur de caisse arrière et la hauteur de caisse avant. Si la hauteur de caisse sur un essieu est plus haute alors le transfert de charge latéral augmente et donc le grip est différent sur ce même essieu.

Le pitch influence également l’aérodynamique de la voiture. En effet, en inclinant

la voiture, le fond plat et le diffuseur changent d’orientation par rapport au sol (Cf chapitre sur l’aérodynamique).

2) Combiné Ressort/Amortisseur

La FR2.0 est équipée à l’avant comme à l’arrière de combinés ressort/amortisseur 2 voies réglables. A l’avant, le combiné ressort/amortisseur est unique pour les 2 roues. Cette architecture de suspension est nommée Monoshock (Figure 9).

La suspension avant comprend un push road (1) qui permet de faire varier la

hauteur de caisse avant et un amortisseur (2). La compression et la détente peuvent être réglées (Figure 10).


La détente se règle au moyen de la vis située au niveau de la tige du piston (1) et la compression se règle au niveau du réservoir de compensation (2). Le sens de réglage est le suivant : pour obtenir une compression/détente plus dure, il faut serrer (on referme l’arrivée d’huile), et pour obtenir une compression plus souple, il faut desserrer (on ouvre l’arrivée d’huile).

Pour la suspension arrière, un combiné ressort/amortisseur est dédié à chaque

roue dans une architecture classique de double triangulation avec poussant (ou pushrod en anglais) et basculeur (Figure 11).

Le graphique 1 montre les caractéristiques des amortisseurs que l’on utilise pour les combinés ressort/amortisseurs avant. (Bump = Compression, Rebound = Détente).

Lorsque l’on change les compressions et détentes, c’est la vitesse de la réaction

qui va changer. En changeant ces paramètres, on peut obtenir une monoplace plus ou moins

stable. L’état du circuit (bosses, vibreurs, etc…) est aussi un des critères du choix de la compression/détente.

Il est également possible de changer la raideur des ressorts. Cela permet de

mieux gérer le contact pneu/sol mais aussi d’adapter les raideurs de suspension à la thermique des pneus. Les tableaux 5&6 sont les raideurs que propose Renault Sport.

Enfin, le choix des ressorts découle d’un compromis entre les variations de hauteur de caisse voulues et le besoin lié à l’intensité des bosses.

On peut enfin, à l’aide d’une coupole, appliquer au ressort une pré-charge qui,

dans le cas de la suspension avant et grâce à la butée de détente d’amortisseur, permet d’imposer un effort initial en statique.

Ce paramètre permet de limiter le débattement total et donc permet de rouler avec une hauteur de caisse différente. Cependant, la pré-charge du ressort ne change pas la raideur du ressort, il ne s’agit que d’un offset du débattement (Graphique 2).

3) Le carrossage

Le carrossage est l’angle entre le plan médian du pneu et le plan vertical de

référence (perpendiculaire au sol) (Figure 12).

On règle le carrossage grâce à des cales de dimensions 0.5, 1, 2, 3 ou 5 mm

que l’on vient placer entre le porte moyeu et l’Ackermann (3.5 mm de cales de

carrossage=1°, 1 mm de cale de carrossage = 0.28° à l’avant comme à l’arrière)

(Figure 13).

Le but du carrossage est de permettre un fonctionnement optimal du pneu en virage en faisant travailler un maximum de la surface du pneu à une température optimale afin d’obtenir un grip général homogène et optimum.


Avec notre moyen de mesure (Mât de température pneu : 3 capteurs infrarouges mesurant la température le long de la largeur de la bande de roulement), nous pouvons connaître la température de la bande de roulement dans chaque phase du virage. Comme le pneu chauffe différemment en ligne droite et en virage, le choix de l’angle de carrossage sera donc issu d’un compromis.

4) Pince

La pince (ou l’ouverture) est le parallélisme de la voiture. En considérant la voiture en vue de dessus, c’est l’angle constaté par l’axe longitudinal de chaque roue d’un même essieu (Figure 14).

On règle le parallélisme à l’aide de biellettes : biellette de direction à l’avant et

biellette de pince à l’arrière. En allongeant la biellette de direction, on va ajouter de l’ouverture à l’avant, et en allongeant la biellette de pince, on va ajouter de la pince à l’arrière (Figure 15).

L’effet de la pince/ouverture agit sur deux aspects : L’aspect thermique : La pince et l’ouverture ont un effet thermique important.

En effet, en faisant rouler le pneu avec un angle par rapport à la ligne droite, on obtient un angle de dérive permanent qui fait varier la température du pneu.

L’aspect mécanique : En ligne droite, la pince crée un effort supplémentaire sur la roue qui pourra influer sur la stabilité et le grip de la voiture.

5) Aérodynamique

L’aérodynamique joue un rôle fondamental dans la performance d’une FR2.0. En effet, comme cité précédemment, plus la charge verticale sera importante, meilleur sera la grip (car l’effort pneu/sol sera plus important). Pour augmenter la charge verticale sans toutefois augmenter le poids de la voiture, nous allons utiliser l’aérodynamique de la voiture. L’effort aérodynamique s’exprime de la façon suivante :

Avec la masse volumique de l’air, Cz le coefficient aérodynamique selon l’axe z (axe verticale) (coefficient de portance), V la vitesse du véhicule et S la surface aérodynamique.

Bien que l’aérodynamique influe sur la charge verticale, elle aura aussi une

certaine influence sur la traînée (en effet, la traînée traduit la résistance de la voiture). L’ingénieur d’exploitation va donc surtout étudier la finesse de chaque configuration aérodynamique (rapport entre le coefficient de portance et le coefficient de traînée) pour adapter la voiture aux effets recherchés.

Pour augmenter la vitesse de passage dans les virages rapides (virages rapides

car l’aérodynamique n’influe que très peu dans les virages lents (formule : V²faible Faero faible)), il sera très intéressant d’avoir un maximum d’appui. En revanche, une augmentation d’appui entraînera une trainée plus importante qui pénalisera la vitesse


de la monoplace sur les phases d’accélération et de vitesse de pointe. Il faudra donc trouver un compromis permettant d’allier vitesse de pointe et appui…

L’ensemble des appuis est réalisé par les ailerons avant et arrière (réglables),

mais aussi par l’ensemble des éléments de carrosserie de la FR2.0 (coque, pontons) et par le dessous de la voiture (planche avant, fond plat, extracteur).

L’aileron avant :

Il est composé d’une aile, de deux dérives et de deux flaps. Le réglage de l’appui avant s’effectue en réglant l’inclinaison des flaps. Chaque position correspond à un degré d’inclinaison (A1=7°, A2=8°,… E5=31°) (Figure 16). L’inclinaison des flaps avant permet de gagner de l’appui général sur la monoplace sans pour autant augmenter la traînée mais ceci est vrai jusqu’à un certain degré de braquage (voir aileron arrière). Il permet généralement d’équilibrer aérodynamiquement la monoplace pour une charge totale voulue. L’aileron arrière :

Il est composé d’une aile dite « primaire d’aile », d’une seconde aile composée d’une aile principale et d’une aile supérieure et de deux dérives (Figure 17). Le réglage de l’aileron arrière se fait en fonction de l’efficacité aérodynamique recherchée (finesse du véhicule). Il y a donc un compromis à effectuer.

Le réglage de l’aile arrière s’effectue de la même manière que pour l’aile avant

(A1=6°… J2=25°). Chacune des configurations a sa zone d’utilisation et un braquage

limite à ne pas dépasser. Au-delà de cette limite, nous avons un décrochage de l’aile

arrière. Dans notre cas, à partir de la position H2 (21°), nous avons une perte

d’efficacité sur l’aile arrière (Tableau 7).

En termes de réglage, on détermine, grâce aux caractéristiques aérodynamiques

de la FR2.0 fournies par Renault Sport, une charge aérodynamique permettant une performance optimale (Tableau 8).

Sur la FR2.0, une variation de 1° sur l’aile avant correspond à une variation de 2°

sur l’aile arrière pour garder la même balance aérodynamique. L’influence de la variation de pitch, d’aile avant et d’aile arrière sur la balance aérodynamique est consultable sur le manuel d’utilisation de la voiture.

6) Antiroulis

Une barre antiroulis n’intervient que lorsqu’il y a une différence de déplacement entre les roues d’un même essieu donc en virage ou au passage d’un vibreur.

L’antiroulis avant est assuré à l’aide de rondelles Belleville placées de chaque

côté du basculeur avant (Figures 18&19). La raideur dépend du nombre de rondelles et de la manière dont nous les disposons (Tableau 9).

L’antiroulis arrière est assuré par une barre. A cette barre est fixé un couteau

dont l’épaisseur peut être choisie (5 ou 7mm). La position de la barre est aussi un

critère de variation : P1 : plus souple (barre verticale) P5 : plus dure (barre


horizontale) (Tableau 10). Il est aussi possible de rouler avec la barre antiroulis

arrière débranchée (par exemple lorsqu’il pleut). Chacun des deux combinés

ressort/amortisseur est relié à cette barre par un bras. La barre travaille donc en

torsion quand il y a une différence de déplacement entre les roues arrières (Figure

20).

Lorsque la voiture est dans un virage, il y a transfert de charge droite-gauche. Ce transfert est le même quelque soit la balance antiroulis. Donc, par exemple, pour un virage à droite, nous aurons un transfert de charge vers la gauche. Si on assouplit l’avant, on a un transfert de charge différent sur le train avant, d’où un comportement différent de la monoplace.

La rigidité globale d’antiroulis joue aussi un rôle important. En effet, elle influe

sur la vitesse à laquelle le transfert des masses s’effectue. Une rigidité plus importante va entrainer un transfert des masses différent et donc le pneu va chauffer plus ou moins vite.

Bien entendu, il est possible d’utiliser la répartition de raideur antiroulis entre

l’avant et l’arrière pour répartir le transfert de masse global entre les 2 essieux. Ainsi, cela permet d’ajuster le comportement du véhicule en chargeant plus ou moins un des deux essieux.

Enfin, il est possible d’imposer une précharge sur l’antiroulis avant. On distingue donc deux modes de fonctionnement lorsqu’on utilise de la précharge. Le cas où la longueur de précharge n’est pas encore dépassée. La rigidité

d’antiroulis avant est doublée. On peut aussi ajouter un contre écrou permettant non pas d’avoir une valeur d’antiroulis avant doublée mais illimitée.

Le cas où la précharge est dépassée. La balance revient dans des valeurs classiques.

7) La boîte de vitesses

La boite de vitesses est un paramètre très important car elle influe directement sur l’utilisation du potentiel de performance délivré par le moteur.

Sur la FR2.0, il n’est possible de changer que le 7ème rapport. En effet, les

pignons disponibles sont dans le tableau 11.

Le choix de la 7ème vitesse s’effectue en fonction du tracé du circuit (par exemple la longue ligne droite du circuit de Motorland peut nous obliger à monter la 7ème longue pour ne pas être au rupteur trop longtemps avant l’épingle 15 (Figure 21)) et des conditions météorologiques (vitesse et sens du vent). Il est évident que pour des courtes lignes droites, la 7ème standard est plus intéressante du fait que la chute de régime est moins importante (bleu sur le graphique 3).

Cette boite de vitesses est à commande séquentielle. Une coupure d’injection est

occasionnée lors du passage de rapport ce qui permet au pilote de garder le pied à fond sur l’accélérateur.


8) La répartition de freinage

La répartition de freinage est l’unique paramètre que le pilote peut régler depuis l’intérieur de la voiture (Figure 22). Cela permet de répartir le pourcentage de freinage entre l’avant et l’arrière.

On cherchera toujours lors d’un freinage à tutoyer le blocage des roues avant

afin de profiter de l’effort freineur maximum sur l’axe le plus chargé de la voiture. L’objectif étant qu’au moment de l’attaque de frein, aucun axe ne présente de blocage de roues. La répartition de freinage utilisée en FR2.0 est comprise entre 48 et 65%.

Sur cette voiture, on peut utiliser 2 types de plaquettes de frein. La répartition

dépend donc aussi du type de plaquettes que l’on utilise : les plaquettes Type 1 demandent une pression de frein différente pour le même effort freineur que les plaquettes Type 2, donc la répartition de frein sera différente.

Ensuite, le pilote procède à un réglage plus fin lorsqu’il conduit : s’il applique la

bonne pression de frein sur un freinage en ligne mais qu’il bloque les roues avant sur l’attaque, il devra mettre plus de frein sur l’arrière et s’il sent qu’il bloque le train arrière, il devra mettre plus de frein sur l’avant…

Pour vérifier la répartition du freinage depuis le poste de conduite, une page sur

le tableau de bord est disponible. L’ingénieur se doit de toujours la vérifier lorsque le pilote monte dans la voiture. On peut aussi vérifier la répartition de frein sur les data.

9) La précharge de différentiel

En termes de transmission de la puissance au sol, le différentiel permet d’optimiser la motricité. Il est réglable grâce à la précharge. Avec la précharge, on peut modifier la liberté initiale du différentiel. Dès qu’il y a un couple (à l’accélération ou à la décélération grâce au frein moteur) alors les rampes s’écartent et viennent faire pression sur les disques de friction. A la manière d’un embrayage, ceux-ci tendent à faire tourner les deux satellites à la vitesse du boitier de différentiel. Ce qui revient donc à faire tourner les deux roues à la même vitesse (à la manière d’un karting). La précharge est la force que l’on applique sur les empilements avant même que les rampes ne viennent les comprimer. Elle agit donc lorsque les rampes n’agissent pas, c’est à dire lors des phases milieu (sans couple moteur ni frein moteur) mais aussi lors de la fin de frein lorsque le frein moteur n’est plus assez important pour écarter les rampes.

La différence de précharge influe sur le moment où les deux satellites tournent à

la même vitesse que le boitier de différentiel. Cela permet de faire varier la stabilité du train arrière, mais aussi de passer plus ou moins de puissance en sortie de virage.


10) Les pressions des pneus

La pression des pneus est réalisée à froid pour obtenir une certaine pression visée à chaud [en effet, lorsque la voiture roule, le pneu chauffe et donc la pression augmente (car le volume d’air dans le pneu est constant)]. Ces pressions sont donc déterminées en fonction des pressions visées, des conditions de piste (température atmosphérique, température piste, météo,…), du nombre de tours que l’on va effectuer, du moment où l’on veut obtenir le pic de grip, etc… En général, on définit une base de pression standard (pour une température piste et une température jante donnée) et on ajuste les pressions en fonction de la variation de ces températures.

Par exemple, lors des essais qualificatifs, on débute la session en pneus neufs et

on cherchera donc à avoir les pressions optimales au moment où le pic de grip du pneu est obtenu. A l’inverse, en course on cherchera à avoir une performance des pneus la plus constante possible.

La pression à froid n’est pas la même sur les 4 pneus car même si nous

chercherons à obtenir les mêmes pressions à chaud à droite et à gauche, le Set Up de la voiture et le tracé du circuit (type de virages, sens de rotation, etc…) ne permettront pas une chauffe identique sur les 4 pneus.

Si on a jamais roulé sur le circuit, on partira peut être avec des pressions qui ne

seront pas optimales, mais leur relevé à chaud nous indiquera vite l’ajustement que nous devrons réaliser à froid : à partir de la pression visée, la différence de pression à chaud est une valeur proportionnelle à la différence de pression à effectuer à froid.

11) Hauteur du centre de roulis avant

Sur cette monoplace, il existe deux hauteurs différentes pour le centre de roulis avant (Tableau 12). Ce réglage permet d’avoir une motion ratio légèrement différent. Avec un centre de roulis plus haut, on aura un transfert de masse latéral différent et donc une dynamique véhicule différente dans les virages.

12) Hauteur du centre de roulis arrière et anti-cabrage

On peut régler les valeurs d’anti-plongée et d’anti-cabrage arrière en changeant les points d’ancrage de la suspension (position des triangles arrières supérieur et inférieur). Sur cette voiture, on peut avoir 6 options d’ancrage différentes (Figure 23).

L’anti-plongée ou l’anti-cabrage permettent, si on les augmente, de limiter les débattements de suspension en limitant l’effort récupéré par le ressort (une partie est récupérée par les triangles suspension) mais en ayant le même effort ramené au pneu. On peut donc limiter les mouvements de caisse tout en ayant une même rigidité de ressort.

13) La répartition des masses

Pour les deux championnats auxquels nous participons, la règlementation impose un poids minimum de 520kg pour la voiture (à vide) et un poids total voiture


(à vide) + pilote minimum de 595kg. Etant donné que les voitures ont la même puissance, il est très important d’avoir une voiture la plus proche possible de ce poids. Ensuite, le poids du pilote intervient : plus le pilote sera léger, plus on pourra ajouter de lest pour arriver au poids minimum, cela est intéressant car ce lest se positionne en bas de la voiture, ce qui abaisse le centre de gravité.

La répartition des masses peut jouer sur la balance de la voiture : on pourra

charger plus ou moins le train avant ou le train arrière. Cela fait encore partie des nombreux compromis auxquels est confronté un ingénieur d’exploitation.

Lorsque les mécaniciens ajustent le Set Up, la voiture est placée sur 4 balances

afin de connaître le poids par roue. En général, les roues droite et gauche doivent supporter la même charge. Le poids par roue peut être ajusté en modifiant légèrement la longueur des pushrod (la hauteur de caisse doit ensuite être revérifiée). On pourra aussi charger légèrement plus une roue que l’autre si on risque de bloquer la roue intérieure dans un virage.

Une fois que le Set Up est déterminé, ou modifié, il est reporté sur une feuille qui

sera remise aux mécaniciens.


IV) Conception du système de purge

A) Définition du sujet

Mon projet de fin d’étude se décompose en deux parties : la première partie étant

l’exploitation de la FR 2.0 durant toute la saison, il m’a été demandé dans un second

temps de concevoir un système permettant de faire le vide dans 4 pneus

simultanément, puis de les regonfler à une certaine pression.

B) Analyse fonctionnelle

1) Analyse de la valeur

Avant de commencer l’étude de faisabilité et l’analyse fonctionnelle, nous nous devons de vérifier la pérennité du système que l’on nous demande de réaliser. Définition du besoin

L’écurie Tech 1 Racing a pour besoin de faire le vide dans 4 pneus simultanément puis de les regonfler à une certaine pression.

Pourquoi le besoin existe-t-il ?

Le besoin de faire le vide dans les pneus est recherché afin de regonfler les pneus à l’azote par exemple. En effet, l'idée première du gonflage des pneus à l'azote est de limiter les déperditions de pression en remplaçant l'air par un gaz plus stable. En effet, l'instabilité de l'air due aux propriétés chimiques de l'oxygène favorise l'apparition de vapeur d'eau. L'azote (contenu dans l'air à hauteur de 78%) est un élément au pouvoir de diffusion au travers de l'enveloppe du pneu beaucoup plus faible. La pression des pneus est donc plus stable. De plus, le taux d'humidité de l'azote est très fortement limité, ce qui permet d'assurer une plus grande longévité de la gomme. Quels paramètres pourraient faire évoluer le besoin ? - La rapidité d’exécution de système - L’adaptation à tous les gaz - Un nombre de pneus plus importants Quels sont les risques de voir disparaître le besoin ? - Purge des pneus plus nécessaire - Arrêt de la compétition de Tech 1 Racing - Coût trop important Validation du besoin :

La purge des pneus sera toujours nécessaire et l’écurie Tech 1 Racing a encore de belles années devant elle. Le système est donc validé, même si il faudra veiller à ne pas dépasser un certain coût de fabrication…


2) Diagramme « bête à corne »

Diagramme bête à cornes

3) Analyse structurée des méthodes de conception (S.A.D.T)

Diagrammes SADT


4) Diagramme pieuvre

FP1 : Purger les pneus FP2 : Gonfler les pneus à une certaine pression FC1 : S’adapter aux roues FC2 : S’adapter à la source de fluide FC3 : Respecter les normes FC4 : Utiliser les énergies présentes FC5 : Etre fiable (et peu d’entretien) FC6 : Respecter la sécurité de l’utilisateur FC7 : Faciliter l’utilisation FC8 : Réaliser l’opération en temps limité FC9 : Etre peu encombrant FC10 : Résister à l’environnement extérieur

Diagramme pieuvre

Fonction Critère Niveau

FP1 Purger les pneus 0.1bars (absolue)

FP2 Gonfler les pneus à une pression

désirée 2.6 bars (absolue)

FC1 S'adapter aux roues Roues FR 2.0, FR3.5, GP3

FC2 S'adapter à la source de fluide Bouteille de gaz

FC3 Respecter les normes

FC4 Utiliser les énergies présentes Energie pneumatique

FC5 Etre fiable 10 ans

FC6 Respecter la sécurité de l'utilisateur

FC7 Faciliter l'utilisation Simplicité du système

FC8 Réaliser l'opération en temps limité Moins de 10 minutes

FC9 Etre peu encombrant 900*600*400

FC10 Résister à l'environnement extérieur Matériaux inoxydables

Tableau de critères


5) Etude du problème à l’aide de la TRIZ

Le système qu’il m’a été demandé de concevoir comporte plusieurs

contradictions conséquentes.

a) Evolution dynamique du système

Il s’agit à présent de représenter le système dans le contexte de son

développement. Pour cela nous allons utiliser une vision à neuf écrans :

Sur l’axe vertical, nous retrouvons les évolutions du système, et sur l’axe

horizontal, nous retrouvons les évolutions qui ont eut lieu ou qui pourraient avoir lieu

dans le temps.

Voici le détail des transitions :

Au niveau du super-système :

1 : Evolution des techniques de gonflage

Amélioration des propriétés des pneus

2 : Purge totale du pneu

Utilisation de nouvelles sources de fluide (azote)

Utilisation de plusieurs pneus simultanément

Rapidité d’exécution


Précision du gonflage

Au niveau du système : 3 : Amélioration de la technique de gonflage

4 : Optimisation du rendement (système agissant sur 4 pneus simultanément,…)

Simplification du système (système effectue la purge puis le regonflage du

pneu)

Amélioration de la technique de dégonflage

Au niveau du sous-système : 5 : Utilisation d’un gonfleur

6 : Utilisation d’un système permettant la purge de plusieurs pneus (nourrice,…)

Utilisation d’un système coordonnant les deux phases (dégonflage puis

regonflage)

Utilisation d’un système permettant de créer du vide dans le pneu

b) Analyse des lois statiques

Les lois d'évolution décrivent des tendances d'évolution des systèmes

techniques. Ce sont les lois statiques qui régissent l’organisation du système. Ces

lois définissent la viabilité du système, ce qui signifie que les différentes parties d’un

système technique doivent respecter ces lois pour qu’il soit opérationnel.

Loi 1 : Intégralité des parties d’un système technique (statique) :

Un système technique est composé de 4 parties : un moteur (source de fluide et

appareil créant du vide), un organe de transmission (tuyaux, etc…), un organe de

travail (système coordonnant les deux phases) et un organe de contrôle (manomètre,

vacuomètre).

Loi 2 : Conductibilité énergétique du système (statique) :

Pour qu’un système technique fonctionne, il est nécessaire que l’énergie circule

facilement à travers ses parties. Il est notamment nécessaire que l’énergie générée

par le moteur (source de fluide et appareil créant le vide) soit transmise à l’organe de

travail (pneus).

L’énergie peut circuler de différentes manières grâce à des champs de nature

diverse (mécanique, thermique, magnétique, …). Le nombre de conversions de

l’énergie utile dans le système tend à diminuer avec son évolution Une seule

énergie sera utilisée.

Loi 3 : Loi de coordination du rythme des parties (statique) :

Pour qu’un système technique fonctionne correctement, le rythme (fréquence,

périodicité…) de ses parties doit être coordonné.

Cette loi comporte deux aspects :

Les actions des différentes parties (dégonflage puis gonflage) tendent à être

entièrement coordonnées, voir à se compléter (travail d’une partie pendant le

repos d’une autre).

Les rythmes (fréquence, périodicité, ..) s’harmonisent.


4) Etude des contradictions

Contradiction 1 :

Dans un premier temps, le système doit faciliter le travail de l’utilisateur lors de la

purge. Le paramètre d’exécution à améliorer (PE1) lors de la purge puis du

regonflage est donc la commodité de l’utilisation, le tout en étant plus productif (PE2).

Un système autonome permettra une utilisation simple, mais risque d’être moins

productif. Pour cela, j’ai réalisé un tableau des contradictions :

Autonomie

Autonome Non autonome

Commodité d’utilisation

Production

Tableau des contradictions 1

En se référant à la matrice TRIZ, le paramètre d’exécution à améliorer (PE1) est

la commodité d’utilisation, et le paramètre qui se dégrade (PE2) est la commodité de production. Nous obtenons les solutions suivantes : 2. L’extraction a. Extraire (enlever ou séparer) de l’objet la partie ou propriété inutile. b. Extraire seulement la partie ou la propriété nécessaire. 5. La combinaison a. Combiner des objets homogènes ou des objets destinés à des opérations contiguës. b. Combiner dans le temps des opérations homogènes ou contiguës. 12. L’équipotentialité Changer les conditions de travail de manière à ce que l’objet n’ait besoin d’être ni levé ni baissé. Contradiction 2 :

Dans un second temps, le système doit avoir un certain degré de précision (PE1), le tout en évitant toute perte de temps (PE2). Un système autonome permettra une utilisation plus rapide mais risquera d’être moins précis lors du gonflage. Pour cela, j’ai réalisé un tableau des contradictions :

Automatisation du système

Non Automate Automate

Rapidité d’utilisation

Précision du système

Tableau des contradictions 2


En se référant à la matrice TRIZ, le paramètre d’exécution à améliorer (PE1) est la rapidité d’utilisation (perte de temps) et le paramètre qui se dégrade (PE2) est la précision (précision de fabrication). Nous obtenons les solutions suivantes : 24. L’intermédiaire a. Utiliser un objet intermédiaire pour transmettre ou transférer une action. b. Joindre temporairement à l’objet un autre objet plus facile à éliminer. 26. La copie a. Utiliser des copies simplifiées et bon marché au lieu d’un objet complexe, coûteux, fragile ou incommode b. Remplacer l’objet ou un système d’objets par leurs copies optiques (par des images), modifier l’échelle (augmenter ou diminuer les copies) c. Si on utilise des copies optiques visibles, passer aux copies infrarouges ou ultraviolettes. 28. La reconception a. Remplacer un système mécanique par un système optique, acoustique ou olfactif. b. Utiliser un champ électrique, magnétique ou électromagnétique pour provoquer une interaction avec l’objet. c. Remplacer les champs (immobiles par des champs mobiles, fixes par ceux qui changent dans le temps, non-structurés par des champs structurés). d. Utiliser des champs en combinaison avec des particules ferromagnétiques. 18. La vibration mécanique a. Faire osciller l’objet. b. Si l’oscillation existe, accroître sa fréquence, même aussi loin que l’ultrason c. Utiliser la fréquence résonnante. d. Au lieu des vibrations mécaniques, utiliser la piezo-vibration. e. Utiliser les vibrations ultrasoniques en conjonction avec un champ électromagnétique.

c) Analyse des solutions

Les solutions 2, 18 et 28 ne semblent pas très adaptées à notre problématique. Cependant, elles pourraient être utilisées pour faire évoluer le système. La solution 12 visant à changer les conditions de travail afin de ne pas bouger les roues est intéressante. En effet, le système serait connecté aux 4 roues en même temps. Cependant, cette solution ne donne pas vraiment d’information sur la technique à utiliser pour être plus commode lors de son utilisation. En revanche, les solutions 5 et 24 sont nettement plus significatives. En effet, il serait intéressant d’y intégrer un objet permettant de purger puis de regonfler les pneus : l’utilisation d’un distributeur semble être une bonne solution pour remédier à ce problème de commodité. De plus, cette solution donne une indication sur la façon dont il faudrait procéder : combiner dans le temps les opérations contiguës : dégonfler tous les pneus. Une fois les 4 pneus vidés, le système les regonflerait.

En associant cette solution à la solution d’équipotentialité (12), nous en arrivons à un système étant connecté aux 4 pneus et utilisant un objet intermédiaire permettant de réaliser la purge puis le regonflage.


6) Diagramme F.A.S.T

Diagramme F.A.S.T

7) Solution existante

J’ai tout de même effectué des recherches afin de savoir si un système de ce type existait déjà. La société Intercomp Racing fournit ce type de purgeur, mais il coûte relativement cher (1695$ soit 1250€). Le challenge sera donc de concevoir un système ayant les mêmes fonctionnalités, mais à moindre coût. (Voir annexe 3 P28)

Tire drying/purging system


C) Etude des solutions envisagées

1) Solution 1

La solution 1 (Figure 24) vise à utiliser un distributeur 3/2 monostable, une vanne de sécurité et un régulateur de pression par pneus. Les 4 distributeurs seraient connectés d’un côté à une source de fluide commune, et de l’autre à une pompe à vide commune. L’avantage de cette solution est que les 4 pneus sont gonflés indépendamment.

Etant donné que les pressions de pneus sont sans cesse ajustées en fonction des conditions (température de la piste, température des jantes, etc…), il ne devient donc pas nécessaire de gonfler chaque pneu à une pression différente étant donné que les mécaniciens réajusteront avant chaque départ ces pressions. Nous allons donc plus nous pencher sur une solution visant à gonfler les 4 pneus à la même pression.

De plus, cette solution semble assez onéreuse au vu du nombre d’éléments. 2) Solution 2

La solution 2 (Figure 25) est nettement plus simple que la précédente. En effet, nous utiliserions cette fois-ci un régulateur de pression, une vanne de sécurité, un distributeur 3/2 bistable commun aux 4 pneus, puis la purge s’effectuerait à l’aide d’une pompe à vide.

3) Solution 3

La solution 3 (Figure 26) revient à utiliser un distributeur 5/3 au lieu d’un distributeur 3/2. En effet, cela permet d’avoir une position supplémentaire où le système est au repos. Si nous prévoyons que deux positions, le système purge le pneu, puis le regonfle immédiatement lorsque cette phase est terminée. Si l’utilisateur doit attendre entre le moment où il purge le pneu et le moment où il le regonfle, la pression risque de remonter à cause des fuites. Cette position intermédiaire permet donc d’une part d’avoir une position du système au repos, et d’autre part d’éviter les pertes entre les deux phases d’utilisation.

D) Etude du gonflage à l’azote ou à l’air sec

L'idée première du gonflage des pneus à l'azote (dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2) est de limiter les déperditions de pression en remplaçant l'air par un gaz plus stable. En effet, l'instabilité de l'air due aux propriétés chimiques de l'oxygène favorise l'apparition de vapeur d'eau. L'azote (contenu dans l'air à hauteur de 78%) est un élément au pouvoir de diffusion au travers de l'enveloppe du pneu beaucoup plus faible. La pression des pneus est donc plus stable. Cette stabilité explique pourquoi l'azote est utilisé depuis bien longtemps en compétition automobile et dans l'aviation. De plus, le taux d'humidité de l'azote est très fortement limité ce qui permet d'assurer une plus grande longévité de la gomme.


Pour connaître le comportement de l’air dans un pneu, il est intéressant de prendre en compte 2 lois : La loi de Graham permet de définir la vitesse d’effusion de molécules de gaz à

travers un orifice (ici la valve). En effet, cette vitesse d’effusion est inversement proportionnelle à la racine carrée de sa masse molaire. Cette formule peut s'écrire :

En comparant le dégonflage d’un pneu gonflé à l’air, et un pneu gonflé à l’azote, nous avons : Mair≈28.9g/mol, Mazote=28g/mol Vazote≈Vair La vitesse d’effusion entre ces deux fluides est sensiblement la même. En revanche, l’utilisation d’un gonflage à l’azote sera intéressante pour le prochain phénomène.

Le phénomène de perméation : Lorsque le passage est très petit, comme entre les chaînes de polymère de caoutchouc, le phénomène de perméation prend forme. Le taux de perméation est inversement proportionnel à la dimension des molécules. Comme un atome d’oxygène (Ratomique=60pm) est plus petit qu’un atome d’azote (Ratomique=65pm) l'azote s'échappera moins facilement et conservera la pression des pneus plus longtemps que l'air. Volume d’une molécule de diazote :

VN2≈

Volume d’une molécule d’air (78% de diazote, 21% de dioxygène, 1% d’autre

gaz)

Vair≈

Soit

azote=0,94.air

Le taux de perméation est 6% plus faible lorsque l’on gonfle les pneus à l’azote.

En ce qui nous concerne, le point le plus important à prendre en compte est que

l'air contient de la vapeur d'eau (réaction chimique entre l’oxygène présent dans l’air

et l’hydrogène) et donc la pression d'un pneu gonflé d'air peut varier de façon

significative selon la température. Pour comprendre cette différence de stabilité, nous

allons comparer les capacités massiques des deux fluides (Tableau 13).

(1) La masse volumique de l’air varie en fonction de l’humidité Elle s’exprime de la façon suivante :

Avec P la pression, T la température de l’air et Rh la constante spécifique de l’air humide qui s’exprime de la manière suivante :

Avec Rs la constante spécifique de l’air sec (287.06J/kg.K), Rv la constante

spécifique de la vapeur d’eau (461J/kg.K), l’humidité relative, P la pression de l’air


et Psat la pression de vapeur saturante de l'eau dans l'air. Elle se détermine par exemple avec la formule de Magnus :

( la température de l’air en °C).

Nous avons donc pour une température de 25°C et une humidité relative de 100% : Psat=3163 Pa, Rh=290.5 et la masse volumique est de 1.170kg/m3. Remarque : Avec cette formule, nous retrouvons bien une masse volumique de 1.184kg/m3 pour l’air sec à 25°C à 1013 hPa. Exemple illustrant la différence entre les 3 gaz :

Par exemple, dans un pneu de FR3.5 avant, nous avons environ 60L d’air (voir chapitre 3.a)).

A 25°C, la masse volumique de l’air sec est de 1.184kg/m3, donc nous avons 71.0g d’air dans le pneu soit une capacité de 50.4J/K. Pour un pneu gonflé à l’air humide, nous 70.2g d’air soit une capacité de 51.5J/K.

La masse volumique de l’azote étant de 1.25kg/m3, donc nous avons 75g d’azote dans le pneu soit une capacité de 54.8J/K.

Comme la capacité thermique est la quantité d'énergie à apporter par échange thermique pour élever d'un Kelvin la température d'une substance, nous en déduisons que dans ces conditions, il faut 4.4J de plus pour élever d’un Kelvin l’azote dans un pneu que l’air sec, soit une augmentation d’énergie de 9%.

En annexe (Tableau 18), un tableau des différentes capacités massiques par pneus. Conclusion : En gonflant les pneus avec de l’azote, il faudra une énergie plus importante (9%) pour faire varier la température du fluide. A iso énergie, le fluide dans le pneu chauffera donc moins. Cela est intéressant pour nous car le pic de grip du pneu est obtenu à une certaine pression. Une pression du pneu plus stable nous permettra donc d’obtenir cette pression plus longtemps.

L’étude précédente montre que l’air humide a une capacité plus importante que l’air sec. La tendance reviendrait donc à gonfler les pneus à l’air humide plutôt qu’à l’air sec. En réalité, ce n’est pas le cas car plus le pourcentage d’humidité est important dans l’air, plus la variation de pression en fonction de la température sera importante. En effet, sur le graphique 4, nous voyons que pour l’air humide, plus il y a d’eau à évaporer, plus la variation de pression sera importante pour une même variation de température.

En termes de capacité énergétique, cela nous amène à l’étude suivante :

Rappels : Conversions en degrés Fahrenheit:

[°C] = ([°F] − 32) · 5/9, [°F] = [°C] · 9/5 + 32

[K] = ([°F] + 459.67) · 5/9, [°F] = [K] · 9/5 − 459.67

Conversion bar-Psi : [PSI] =14.5 [BAR]


Toujours pour un pneu avant de FR3.5 (60L), en partant d’une température de 70°F (21.11°C), nous allons analyser l’influence d’une certaine quantité d’énergie (1kJ) sur l’évolution de la pression dans le pneu :

Pneu AV FR3.5 (60L)

Gaz Cv (J/K) Température initiale du gaz

(°F)

Augmentation de la température (°K) pour

+1kJ

Température finale du gaz

(°F)

Variation de

pression (PSI)

Variation de

pression (bar)

Air sec 50.4 70 +19.67 105.4 3.6 0.25

Air humide (100%)

51.5 70 +19.19 104.5 4.1 0.28

Azote 54.8 70 +18.2 102.8 3.2 0.22

Etude à iso énergie

En reportant ces valeurs sur le graphique ci-dessus, nous pouvons conclure que

pour avoir une pression stable, l’azote est la meilleure solution. De plus, gonfler les pneus à l’air sec permet aussi d’avoir une meilleur stabilité qu’avec de l’air humide.

Le phénomène est d’autant plus vrai que la température est élevée. Par exemple, la température d’un pneu de FR2.0 peut monter jusqu’à 150°C (302°F). Le gonflage à l’azote ou à l’air sec devient donc très intéressant pour de tels véhicules.

Conclusion de l'étude


E) Objectif de la purge

Sur les meetings, lorsque nous récupérons les pneus montés par Michelin ou Pirelli, ces derniers sont gonflés à l’air ayant un certain taux d’humidité. Si nous dégonflons simplement ces pneus, nous aurons une pression de Ppneu=Patmosphere. C'est-à-dire que si nous les regonflons à l’azote, il restera toujours des traces d’oxygène et d’humidité dans le pneu.

Ainsi, il devient intéressant de faire un maximum de vide dans le pneu afin de n’avoir qu’un très faible pourcentage d’oxygène dans le pneu, d’où l’intérêt d’avoir une pression absolue proche de zéro, tout en faisant attention de ne pas abîmer la carcasse du pneu. Nous allons par la suite réaliser des tests afin de déterminer la pression minimale que peut encaisser chaque type de pneu (FR2.0, FR3.5 et GP3).

F) Dimensionnement de la pompe à vide

1) Calcul du volume d’air dans les pneus

En prenant en compte la dimension des pneus, nous pouvons calculer l’ordre de grandeur du volume d’air qui sera contenu dans les pneus (à la pression P=Patmospherique) :

FR 2.0 :

- Pneu avant : 20-54x13. La désignation de ces pneus n’est pas la même que

sur les pneus de série : (20 cm de bande de roulement, 54cm de diamètre

extérieur et diamètre intérieur de 13’’ (pouces) (1 pouce=2.54cm, soit

13’’=33.02cm), soit un volume :

- Pneu arrière : 24-57x13

- Soit un volume d’air total à extraire :

Vtot=2xVav+2xVar≈140L

FR 3.5 :

- Pneu avant : 26-64x13

- Pneu arrière : 32-66x13




GP3 :

- Pneu avant : 26.5-57x13

- Pneu arrière : 31.5-59x13



2) Technique du vide

Les termes « vide », « pression négative », « aspiration »,… expriment une

pression atmosphérique exercée par le poids de l’air ambiant. Au niveau de la mer,

elle est normalement de 1013mbars (ce qui équivaut à 101300N/m2). En réduisant la

pression dans un espace fermé, la pression atmosphérique devient une source

d’énergie potentielle.

L’énergie nécessaire pour la génération du vide augmente de façon

exponentielle jusqu'à l’infini (vide absolu). Pour obtenir un rendement optimal, il est

important de choisir un niveau de vide minimum. Un cylindre avec un piston (pompe

à piston) convient pour illustrer l’évolution des besoins énergétiques.

D’après la loi de Boyle-Mariotte, la pression P dans un gaz parfait et un volume V

sont inversement proportionnels à température constante : P1.V1=P2.V2.

L’accroissement de volume entraîne la diminution de la pression. En tirant

lentement le piston, la distance parcourue par ce dernier montrera

l’accroissement des besoins énergétiques (Figure 27). En réalité, la température

n’est pas constante, mais lors d’une opération lente son influence est

négligeable.

Le graphique 5 illustre le besoin en énergie en fonction de l’augmentation du

niveau de vide. Le besoin en énergie augmente radicalement au dessus de -90kPa

relatif. Un niveau de vide faible est donc toujours conseillé.

3) Calcul du débit de la pompe à vide mécanique

Après avoir réalisé des recherches sur le dimensionnement d’une pompe à vide,

j’ai trouvé une formule permettant de connaître le débit d’une telle pompe (dans le

cas où nous cherchons à faire le vide dans une enceinte rigide) :

En négligeant les fuites et un éventuel dégazage, nous pouvons déterminer ce

débit pour un gaz parfait à température constante :


Avec le débit Q en L/s, V le volume à mettre sous vide en litres, t le temps de

mise sous vide en secondes, P0 la pression initiale, et P1 la pression finale.

Étant donné que le vide absolu ne peut être atteint, nous allons déterminer pour

chaque type de pneu la pression mini que l’on peut atteindre sans le détériorer.

De la même manière, j’ai trouvé une relation permettant de vérifier si le vide est

maintenu : l’équilibre du système est maintenu si :

Avec Q le débit nécessaire de la pompe en m3/h, m le débit massique de fuite en

kg/h, R la constante des gaz parfaits (8.314 J/K.mol), T la température en °K, MG la

masse molaire en g/mol et P la pression à vide à maintenir.

Connaissant le débit, nous allons calculer le débit massique de fuite que nous

allons obtenir.

Masse molaire du O2 : 32 g/mol

Masse molaire du N2 : 28 g/mol

L'air est composé d'environ 79 % de N2 et de 21% d’O2. La masse molaire de

l’air est donc d’environ 28.9g/mol.

Les résultats de l’exploitation de cette formule sont reportés dans le tableau 18.

4) Calcul de la puissance de la pompe

La puissance d’une pompe s’exprime de la façon suivante :

Avec gl le rendement global de la pompe.

5) Essais

Étant donné que la formule du dimensionnement de la pompe n’est applicable

que sur des enceintes rigides (ce qui n’est pas notre cas car le pneu va se déformer

en faisant le vide), j’ai réalisé des essais à l’aide d’une pompe à vide sur différents

types de pneu afin de déterminer :

Le temps de dégonflage des pneus (avec et sans obus)


Le temps de dégonflage jusqu'à P=Patm (sans obus).

Le temps de dégonflage de Patm à Pvide (sans obus avec une pompe à vide).

La pression minimum que nous pouvons appliquer aux pneus (Pvide).

Pour ce faire, j’ai dans un premier temps adapté la pompe à vide (que nous

utilisons pour réaliser les pièces en fibre) à la valve des pneus. Tous les tests seront

réalisés avec une pression de départ de 1.6 bar relatif dans chaque pneu (soit

environ 2.6 bar absolu).

Essais sur les pneus (GP3)

Ensuite, j’ai réalisé deux essais sur un pneu avant de FR2.0 :

Dégonflage sans retirer l’obus à l’aide de la pompe à vide, de 1.6 à - 0.9 bar

relatif.

Dégonflage en retirant l’obus (de 1.6 bar à 0 bar relatif), puis dégonflage à

l’aide de la pompe à vide de 0 bar à -0.9 bar.

On obtient les résultats du tableau 14. Ce premier résultat est logique : Il est

beaucoup plus rapide de réaliser la purge sans l’obus. Cependant, cela pose

problème pour le regonflage : nous devrons surgonfler les pneus afin de remettre

chaque obus. De plus, nous ne serons pas précis sur la pression finale. Je me suis

renseigné sur le système existant de chez Intercomp, la purge s’effectue aussi sans

les obus.

J’ai donc réalisé les essais de la manière suivante :

Dégonflage de manière « naturelle » sans l’obus de 1.6 bar relatif à 0 bar.

Dégonflage de 0 bar à -0.9 bar (Expérimentalement, Pvide maxi=-0.9 bar).

On obtient les résultats du tableau 15.

Le temps de dégonflage est proportionnel au volume d’air dans les pneus :


Temps de dégonflage FR2.0 FR3.5

En GP3, les pneus sont directement fournis sur les meetings (comme en

Formule 1, les gommes ne sont pas les mêmes pour chaque course). Nous avions

donc seulement des roues montées sur des pneus pluie. Comme ces gommes sont

plus souples, le dégonflage est plus rapide car la génération du vide demande moins

d’énergie.

Temps de dégonflage FR2.0 FR3.5 GP3

0

50

100

150

200

250

300

350

0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0

t

Vpneu

t=f(V)

Patm->0.1bar

ttot

Linéaire (Patm->0.1bar)

Linéaire (ttot)

0

50

100

150

200

250

300

350

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0

t

Vpneu

t=f(v)

tatm->t0.1

ttot

FR3.5

FR2.0


Grace à ces résultats et en utilisant les caractéristiques de la pompe utilisée pour

les tests, je vais pouvoir dimensionner correctement la pompe à vide pour purger les

4 pneus (Tableau 16 et annexe 4).

6) Résultats théoriques

Les données et les résultats des formules déterminées dans les chapitres

précédents sont reportés dans les tableaux 17&18.

Pour vérifier la pertinence de la formule du calcul du débit, je l’ai appliquée aux

conditions de l’expérience pour un pneu avant de FR2.0 (Tableau 19).

En réalité, la formule n’est pas adaptée à notre cas. En effet, la pompe que nous

avons utilisée à un débit nominal de 4 m3/h, soit un débit Pneurop de 3.3 m3/h

(Pneurop est le comité européen des fabricants de compresseurs, pompes à vide et

outils pneumatiques représentés par leurs associations nationales, c’est le débit

Pneurop qui est indiqué sur les pompes). D’après ces résultats, la formule nous

indique qu’il faut une puissance plus importante pour vider le volume d’air dans le

pneu, cela est dû à la déformation du pneu en réalité le volume final du pneu est

beaucoup plus faible et la formule ne prend pas en compte cette variation.

De plus, le débit fourni par la pompe n’est pas constant : plus le vide est

important, plus le débit sera faible (voir annexe caractéristiques de la pompe Arica

3VK annexe 4).

Je me suis donc appuyé sur les tests que j’ai réalisés pour dimensionner la

pompe à vide :

Par exemple, pour vider 2 pneus avant et 2 pneus arrière de FR3.5, la purge

durerait environ 18 minutes, ce qui est beaucoup trop long. Pour satisfaire le cahier

des charges fonctionnel, il faudrait que la pompe ait un débit environ 4 fois plus

important.

La pompe doit avoir un débit nominal de 16 m3/h, soit un débit Pneurop

de 14.5 m3/h et une pression à vide finale de 0.1 bar absolu.

L’inconvénient de la pompe à vide est qu’elle sera assez onéreuse et que son

transport pourra être difficile. En effet, les pompes à vide traditionnelles ont dans la

plupart des cas besoin d’un liquide pour fonctionner, comme par exemple de l’huile

de lubrification, un liquide d’étanchéité, de la vapeur ou de l’eau. De plus, lorsque

ces fluides entrent en contact avec le process, ils sont pollués ou sont consommés.

Leur traitement provoque des coûts et leur évacuation a un impact sur

l’environnement.


Au-delà de critères basiques, tels que le niveau de vide et le débit qui vont

prédéfinir les technologies possibles, de nombreux facteurs permettent de mieux

cerner la solution la plus adaptée :

Cycles de fonctionnement, variations de pression et de température,

Niveau de vide final en continu ;

Profil de la courbe de débit ou vitesse de descente en vide ;

Vide sec ou vide non sec ;

Possibilités de régulation (variation de vitesse, by-pass, clapets etc..) ;

Capacité à gérer l’humidité et les condensats ;

Résistance à la corrosion ;

Tolérances aux contaminations (particules, cristaux, etc…) ;

Température de fonctionnement interne ;

Coût total (coûts d’acquisition + coûts d’exploitation) ;

Parc existant en exploitation ;

Contraintes de sécurité (Atex) et/ou d’environnement ;

Il existe donc plusieurs types de pompes (annexe texte 1). Pour les conditions et

la plage d’utilisation que nous avons, il sera intéressant d’utiliser soit des pompes à

bec, soit des pompes à palettes, soit des pompes à double bec.

Contact avec les fournisseurs : Bush France :

Pompe à vide sèche à palettes type SV.1016.C.IH

(débit : 16 m3/h - pression limite : 150 mbar abs)

Entraînée par un moteur triphasé 0,55 kW - 200-240/346-420 V - 50 Hz

(Annexe 5)

Prix : 809€ H.T

Pompe à vide à spiral type FO 0018-0030 C

Prix : 3500€

(Annexe 6)

Après renseignement auprès des fournisseurs, le prix d’une telle pompe est au

minimum de 800€. Sachant que le système fourni par Intercomp est de 1250€, il parait difficile de concevoir un système moins onéreux en utilisant une pompe à vide.

Une autre solution est donc envisagée : l’utilisation d’un générateur de vide Venturi.


G) Dimensionnement du générateur de vide Venturi

Pour éviter d’utiliser une pompe à vide, nous allons utiliser un générateur de vide

utilisant l’effet Venturi.

Principe : Un étranglement prévu à l'intérieur de l'éjecteur provoque une accélération

du flux d'air (P) vers l'orifice R qui entraîne l'air ambiant de l'orifice A et provoque

ainsi une dépression. Basé sur le principe de l'effet Venturi, ces appareils permettent

d'obtenir à partir d'une source d'air comprimé, un vide correspondant à 90 % de la

pression atmosphérique.

Générateur de vide Venturi

Pour utiliser un tel système, plusieurs points sont à prendre en compte :

La position du Venturi par rapport aux 4 pneus : La position est importante

pour que le Venturi vous vide les 4 pneus en simultané. La longueur des tube

peut influer sur la vidange des pneus à partir du moment où elle est différente.

Il faudra donc avoir les 4 tubes sortant du venturi de la même longueur afin

d’avoir une vidange homogène. Comme nous créons du vide, il faudra éviter

les grandes longueurs et les coudes et tés.

Remarque : on pourra utiliser des tuyaux plus long pour les pneus avant car ils

seront vidés plus rapidement que les pneus arrière la perte de charge

supplémentaire ne posera donc pas de problème.

La commande du Venturi : Un Venturi est commandé par l’alimentation d’air.

Lorsqu’on la coupe, la pression d'aspiration se coupe quasiment

instantanément.

Lorsque la pression de 0.1 bar sera atteinte, le débit d’aspiration deviendra nul

et il faudra donc couper l’alimentation d’air. Nous pouvons aussi prévoir un

capteur de pression permettant de mesurer la pression, puis de couper

l’alimentation. Le système est censé fonctionner sans source d’électricité,


donc la solution du capteur n’est pas possible. De plus, cela engendrerait des

coûts pas forcément très utiles.

Si un des pneus est vide avant les autres, alors son débit d’aspiration

deviendra nul : quand tous les débits d’aspiration sont nuls, le gonflage des

pneus peut commencer.

Il existe plusieurs types de Venturi :

Venturi mono-étagé : leur fonctionnement est fiable, leurs dimensions et leur

prix sont faibles mais leur rendement n’est pas élevé. De plus, nous pouvons

obtenir soit un débit, soit un vide élevé.

Venturi multi-étagé : leur niveau sonore ainsi que leur consommation d’air sont

faible, et leur rapidité de réaction est plus élevée.

Contact avec les fournisseurs :

CIR Toulouse :

Pompe à vide P5010.00.AQ.01 (Figure 28, Annexe 7)

Prix : 221.44€ HT.

Comme la pression d’alimentation conseillée de ce Venturi est de 4.5 bars, il est

plus judicieux d’y ajouter un détendeur afin d’obtenir une pression et un débit

d’alimentation optimal.

H) Etude de la bouteille de gaz

L’air comprimé et l’azote sont considérés comme des gaz parfaits. Ils sont

stockés dans une bouteille de 20L à une pression de 200 bars. Pour gonfler les

pneus, le gaz est détendu à une pression de 8 bars et les pneus sont gonflés à une

pression de 1.6 bars

Nous avons donc : , à température constante : (b bouteille, p

pneu) :

Pb.Vb=Pp.Vp

Dans ces conditions, nous avons un volume de 2500L. Nous aurons donc à notre

disposition un volume de 2480L d’azote pour gonfler les pneus.

Sachant que le volume des 4 pneus de FR3.5 est d’environ de 290L, il faudra

prévoir une certaine quantité de bouteilles afin de pouvoir fournir tous les trains :

Sur un meeting de FR3.5, 6 trains de pneus sont utilisés par voiture, soit 12

trains. Nous devons donc fournir un volume d’azote de 3500L soit 2 bouteilles de

20L.

En ce qui concerne la FR2.0, le volume des 4 pneus est de 140L. Nous pouvons

utiliser jusqu'à 5 trains de pneus par meeting et par voiture, soit un volume de 2800L,

ce qui correspond à 2 bouteilles par meeting.


I) Dimensionnement du distributeur

Il est très important de dimensionner le distributeur, car sa taille détermine le débit d’air maximal qui peut le traverser et qui peut être utilisé pour gonfler les pneus. Plus le distributeur est gros, plus les diamètres de passage sont importants et le débit élevé. En général, dans les distributeurs de technologie récente, le débit est proportionnel à la taille des orifices, M5, R1/8, R1/4, R3/8, R1/2, R3/4.

Le débit des distributeurs est donné pour une alimentation en entrée de 6 bars et une perte de pression de 1 bar en sortie. Il est exprimé en normolitres par minute (Nl/min), c’est-à-dire dans des conditions normales de température (20°C) et de pression (1,013 bars). Ce débit est souvent appelé débit nominal normal pour les deux raisons précitées.

Le débit d’air que nous utilisons peut monter jusqu'à 900 NL/min (compresseur

de l’atelier), donc d’après la figure 29, nous choisirons un distributeur ayant un orifice

G1/4’’ (standard).

Rappel :

L'énergie pneumatique destinée à gonfler les pneus doit être distribuée en pression et en débit de façon constante par un composant adapté. Il sera situé entre la source d'énergie et les pneus.

Les distributeurs sont définis par deux caractéristiques fonctionnelles : Le nombre d'orifices principaux nécessaires au fonctionnement des différents

types d'actionneurs (non compris les orifices de pilotage). Le nombre de positions, généralement 2, définissant l'une l'état repos, l'autre

l'état travail. Il est possible d'avoir 3 positions, il y aura alors deux positions travail et une position repos.

Distributeurs monostables : Un distributeur est dit monostable lorsqu'il y a un déficit

entre le nombre de positions que peut prendre ce distributeur et le nombre de pilotes

ou s'il y a un ressort.

Distributeurs bistables : Un distributeur est dit bistable lorsqu’il possède deux

pilotages de la même nature. C'est-à-dire que ses deux positions sont des positions

stables : en cas d’absence de signal, le tiroir reste dans la position qu’il occupe.

Nous allons utiliser un distributeur afin de permettre à notre système de purger et

gonfler les pneus. Notre système doit aussi avoir une position au repos.

Trois solutions s’offrent donc à nous :

Distributeur 3/3 (Figure 30):

Nous allons utiliser 3 orifices (un orifice pour le gonflage, un orifice pour la purge

et un orifice pour la sortie).


Ici, en position 1 on gonflera et l’orifice de la purge sera « bouché ». En position

2, l’orifice du gonflage sera « bouché » et on purgera…

Cependant, ce type de distributeur est peu courant donc son prix pourra être

élevé…

Distributeur 4/3 (Figure 31) :

Avec un distributeur 4/3, la position 1 permettra de gonfler mais l’orifice purge ne

sera pas « bouché ». De la même manière, la position 2 permettra de purger mais

l’orifice gonflage ne sera pas « bouché ».

Distributeur 5/3 (Figure 32) :

Avec un distributeur 5/3, la position 1 permettra de gonfler les pneus mais l’orifice

purge ne sera pas « bouché » (ce qui n’est pas trop problématique). La position 2

permettra de purger les pneus.

En général, ce type de distributeur est utilisé pour alimenter des vérins double

effet. Ce sont les distributeurs les plus utilisés dans le milieu pneumatique.

Pour notre système, la meilleure solution reste donc le distributeur 3/3.

En ce qui concerne la commande du distributeur, il existe 3 types de solutions :

électrique, pneumatique et manuel. Il aurait été intéressant d’intégrer au système un

capteur de pression permettant d’envoyer un signal à un distributeur électrique.

Lorsque la pression de 0.1 bar absolu aurait été atteinte lors de la purge, le

distributeur serait passé de la position « 2 » (purge) à la position « 0 » (repos).

Lorsque la pression de 1.6 bars aurait été atteinte lors du gonflage, le distributeur

serait passé de la position « 1 » (gonflage) à la position « 0 ». Malheureusement,

cela aurait engendré des coûts trop importants pour notre système. De plus, aucune

énergie électrique n’est censée être utilisée.

Etant donné que les distributeurs standards sont des 5/3, il sera plus judicieux

pour nous d’utiliser un tel distributeur en bouchant 2 orifices. Nous allons utiliser le

distributeur annexe 8. Il sera intéressant d’avoir un distributeur à centre fermé et

avec les 3 positions maintenues.

J) Régulation de la pression dans les pneus

Les 4 pneus n’auront pas forcément le même volume (avant-arrière). Il est donc

important d’intégrer au système un régulateur de pression. La pression d’alimentation

influera sur la vitesse de gonflage des pneus, cependant une pression d’alimentation

trop importante ne nous garantit pas une pression homogène dans les 4 pneus. Pour

ce faire, on pourra régler le régulateur sur 8 bars au début du gonflage puis le régler

sur 1.6 bars lorsque le pneu aura reprit sa forme. Cela nous permettra d’avoir 1.6

bars dans les 4 pneus.


Remarque : On pourra légèrement surgonfler les pneus afin de compenser la perte

de pression lorsque les obus seront remontés.

D’après la figure 33 et l’annexe 9, le régulateur modulaire 107 G1/4 semble tout

à fait adapté à notre système car pour une plage de pression de 1.8 bars en sortie,

nous avons un débit d’air de 800 L/min (fin du gonflage). Pour le début du gonflage,

nous pourrons obtenir une pression en sortie du régulateur de 8 bars.

K) Solution finale

Solution finale

La solution finale tend donc à réaliser un système très simple afin de minimiser

les coûts. Le système sera piloté par un distributeur manuel 5/3 et le vide sera

généré par un Venturi. Le gonflage est effectué à l’aide d’une bouteille d’azote (ou

autre gaz) munie d’un détendeur permettant d’obtenir une pression de gonflage

jusqu’à 8 bars. Ensuite, le régulateur de pression permettra d’obtenir la pression

désirée dans les 4 pneus.

L) Modélisation du système

Afin de respecter les dimensions du cahier des charges et de vérifier que tous les

éléments du système soient compatibles, j’ai modélisé le système à l’aide du logiciel

de CAO Catia. Les profilés utilisés seront en acier inox pour des questions

d’esthétique et pour éviter la rouille.


Modélisation sous Catia

Les éléments tels que les mamelons, les bouchons, les raccords, etc sont

consultables en annexes 10&11.

Les mises en plan du système ont par la suite été effectuées. Elles seront

fournies aux mécaniciens lors de la fabrication du système (Annexe 13).

Vérification du profilé :

Si nous décidons d’y ajouter une petite bouteille de 11 L (10 kg), nous allons

vérifier si le profilé 25x25 est bien adapté. Pour cela, nous allons calculer la

déformée du profilé soumis à une telle charge.

En isolant 1 côté, et en admettant que la moitié du poids de la bouteille est

supportée par le profilé (Figure 34), nous aurons :

Soit 24.5N sur la roulette et 24.5N sur le pied.

La déformé d’une poutre soumise à de tels efforts est la suivante :

Avec E le module d’Young de l’acier (210000 Mpa), I le moment quadratique. La

déformation maximale (flèche) est obtenue au point où l’on applique la force (x=L/2).

Le profilé utilisé est un profilé carré creux 25x25 (Figure 35). Le moment

quadratique est donc :

La flèche est donc de 0.01 mm.

En ce qui concerne la contrainte de cisaillement, pour une barre soumise à un

effort tranchant selon l’axe y (figure 35) nous avons :


Avec Wgz(y) le moment statique par rapport à l’axe Gy et b la largeur du profilé.

On obtient un contrainte de cisaillement très faible (0.097MPa).

Le profilé acier va donc largement résister à l’effort de la bouteille.

M) Coûts

Désignation Fournisseur P.U. HT Quantité P.T. HT Référence

Générateur de vide Venturi CIR 221.44 1 221.44 P5010.00.AQ.01

Distributeur 5/3 maintenu CIR 97.20 1 97.20 555102096

Profilé carré Inox 25*25 Quaglia 6.19 4.23 26.18

Tube diam 21.3mm Quaglia 6.37 0.37 2.36

Roulette fixe diam 80mm CP France 6.01 2 12.03 1315

Plaque acier 3mm 320*420 Quaglia 5.80 1 5.80

Plaque acier 5mm 121*30 Quaglia 1

Plaque acier 3mm 360*420 Quaglia 6.53 1 6.53

Tuyau diam 8*14 CIR 1.38 5.20 7.18 1025V140008

Raccord mâle G1/4'' (Source) CIR 3.18 2 6.36 9087U0613

Raccord fileté G1/4" tuyaux Stäubli 1.10 8 8.80 AF 151.13

Té femelle G1/4" Stäubli 4.17 1 4.17 DIS 101/2T/LN

Mamelon mâle G1/4" G1/4" Stäubli 1.82 1 1.82 MAM 151.151

Mamelon mâle G1/4" G3/8" Stäubli 4.31 2 8.62 MAM 152.151

Bouchon G1/4" Stäubli 0.80 2 1.60 BOU 151/HC/LN



Embouts de gonflage pneus Diam 0.7 CIR 6.27 4 25.08 78000

Nourrice entrée G1/4" 4 sorties G1/8" Radio Spare 20.64 1 20.64 3313 10 1304

Manomètre 0-6bars G1/4" Radio Spare 6.17 1 6.17 4 056 600

Vacuomètre CIR 21.59 1 21.59 406005

Régulateur de pression mod 107 1/4" CIR 30.30 2 60.60 34204034

Manomètre 0-12bars pour régulateur CIR 10.90 2 21.80 34200062

Vis CHC M10x20 Wurth 8 0

Ecrou M10 Wurth 8 0

Rondelles M10 Wurth 8 0

Vis M5x45 Wurth 2 0

Vis M5x35 Wurth 2 0

Vis M5x30 Wurth 2 0

Vis M5x12 Wurth 4 0

Rondelle plate M5 Wurth 10 0

Ecrou M5 Wurth 10 0

Temps de travail technicien - fabrication (h) 20

Coût total 569.16

Coûts

Purging/drying system Intercomp : 1250€

Système de purge Tech1 Racing : 569.16€

Le système sera donc fabriqué dans les mois suivants.


Conclusion

La compétition automobile est vraiment un milieu passionnant. Depuis toujours,

j’avais envie de travailler dans cet environnement. Ce stage au sein de l’équipe

Tech1 Racing m’a permis de concrétiser mes ambitions.

Ce stage en Formule Renault 2.0 m’a permis d’appréhender le métier d’ingénieur

d’exploitation et m’a donné la certitude de continuer dans ce domaine.

Ces métiers sont très spécifiques et ne s’apprennent que sur le terrain. C’est

pourquoi ce stage chez Tech 1 Racing a été une chance et m’a fourni les

connaissances propres à l’exploitation et au développement d’une voiture de course.

Malheureusement pour des raisons de confidentialité, je n’ai pu dévoiler l’influence

de chaque paramètre de la voiture ainsi que les techniques de pilotage qui sont pour

moi une partie importante du métier d’ingénieur d’exploitation sur le plan technique

comme sur le plan scientifique.

Le travail d’ingénieur d’exploitation est un travail très éclectique. Il faut être

capable de régler n’importe quel problème qu’il soit d’ordre mécanique, informatique,

électronique, logistique ou humain. Cette multiplicité de compétence fait de

l’ingénieur d’exploitation un ingénieur complet.

De plus, le projet qui m’a été donné fût vraiment très intéressant pour moi car

c’était un véritable défit. En effet, j’ai du gérer mon temps entre exploitation de la

voiture et aboutissement du projet de purge de pneus, rédaction du rapport de stage,

etc... Cela m’a vraiment permis de me mettre dans la peau d’un ingénieur du fait des

nombreux problèmes rencontrés.

Ce projet de fin d’études fût vraiment complet car j’ai pu dans un premier temps

apprendre et exercer le métier dont je rêvais, mais aussi concevoir un système à

partir d’une simple problématique (étude, conception, etc…).

Il a été difficile pour moi de maintenir le lien Insa-Tech 1 Racing du fait de la

spécificité de mon stage, mais j’ai tout de même réussi à utiliser mes connaissances

acquises au cours de mon cursus à l’Insa de Strasbourg pour réaliser l’ensemble de

mes tâches.

Enfin, ce projet de fin d’études au sein de cette grande écurie m’a surtout permis

d’apprendre beaucoup de choses que ce soit sur la voiture (dynamique, pilotage,

réglage…), sur les logiciels (PI, Catia,…), mais aussi sur l’aspect humain.


Bibliographie

Philippe BERGER, Les éléments pneumatiques, disponible sur

http://philippe.berger2.free.fr/automatique/cours/elts-

pneu/les_elements_pneumatiques.htm [16/10/2010]

Mitchell P PATRIE, Nitrogen for tires disponible sur

http://home.comcast.net/~prestondrake/N2_FAQ_Q01.htm [2010]

Renault Sport, Formula Renault 2.0 User manual, [2011]

Site Tech1 Racing http://www.tech1racing.fr/

PIAB, Technique du vide, le vide, une technique au service de tous, [10/2007]

Site http://vacuum-guide.com

Sébastien POLI, Actionneurs et périphériques (Cours INSA de Strasbourg CE-

3 2010)

Denis CAVALLUCCI, Design et Innovation (Cours INSA de Strasbourg CE-5

2010)

http://philippe.berger2.free.fr/automatique/cours/elts-pneu/les_elements_pneumatiques.htm

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http://home.comcast.net/~prestondrake/N2_FAQ_Q01.htm

http://www.tech1racing.fr/

http://vacuum-guide.com/

Documents

Projet de fin d’études Exploitation d’une Formule …eprints2.insa-strasbourg.fr/1004/1/GM5-2011-Lavios-memoire.pdf · LAVIOS GM5 EI Mathieu Projet de fin d’études: Exploitation