La science et la technique dans les sports mécaniques sur roues

Présentation au sujet: "La science et la technique dans les sports mécaniques sur roues"— Transcription de la présentation:

1 La science et la technique dans les sports mécaniques sur roues
Les voitures de sport et de course.

2 Sommaire Transformation d'une voiture de tourisme en voiture de sport.
Les caractéristiques d'une voiture de sport. La (les) science(s) dans la (les) technique(s) La physique, la chimie, la thermodynamique, la thermique, la statique, la dynamique, la cinématique... Les moteurs, les châssis, l'aérodynamique,

3 Transformation d'une voiture de tourisme en voiture de sport.
J'ai eu la chance d'avoir à transformer de nombreuses voitures de tourisme en voitures de sport : Exemple : R5TS => R5 Alpine => R5 Alpine turbo => R5 turbo => R5 turbo GrB => R5 maxi (c'est pas moi) 54 cv => 93 cv => 110 cv =>160 cv => 230 cv => 385/420 cv

4 Les caractéristiques d'une voiture de sport.
En partant d'une voiture de tourisme, l'objectif sera d'augmenter tout ce qui permet les performances : De vitesse maximale, D'accélération, De freinage, De vitesse de passage en virage. Clio : 60 à 80 cv Clio Williams : 150 cv Clio Williams : 150 cv

5 Les performances d'accélération:
Pour accélérer un véhicule, il faut de l'énergie (des joules), (pas du couple comme beaucoup le pensent...) Accélérer, c'est passer d'une vitesse à une autre, c'est donc changer le niveau d'énergie cinétique (1/2*M*V²) de V1 à V2 Exemple : pour accélérer un véhicule de 1000 kg de 0 à 100 km/h (27,78 m/s), il faut disposer de 1/2*1000*27,78² = Joules (sans oublier ce qui est nécessaire pour faire rouler le véhicule et pousser de l'air (traînée aérodynamique)

6 Les performances d'accélération:
Cette énergie ( Joules) peut être fournie : par une puissance pendant un certain temps (E=P*t), (100kW pendant 3,86s), mais impossible car 100kW à l'arrêt cela n'existe pas (ce serait une force infinie). Mais aussi par un (très gros) ressort contenant cette énergie (E=1/2*K*X²) si X=10m, K=7.716N/m, avec un effort initial de: F=K*X=77160N (près de 8 tonnes) soit une accélération initiale de 77m/s² (7,7g : il faut une combinaison anti g de pilote de chasse...) Mais aussi par une force (un réacteur poussant N : (1 tonne) parcourant une distance (38,58m) (E=F*D) accélération de 1g (10 m/s²)

7 Les performances d'accélération
Dans la pratique, on utilisera un moteur, un embrayage, une boîte de vitesses, des arbres de transmission, des roues, des pneus. L'effort au sol ne pourra pas dépasser celui permis par l'adhérence (1,2 en pneus « sport », près de 2 pour des pneus de F1 chauds). L'adhérence générera une force d'accélération en fonction de la force verticale (poids) s'exerçant sur les pneus moteurs.

8 Les performances d'accélération :
L'accélération maximale possible est donnée par la formule : γ = F/M avec F = (poids+/-transfert) * adhérence, avec transfert = M*γ*h/e, « h » étant la hauteur du centre de gravité et « e » étant l'empattement).

9 Les performances d'accélération :
Exemple, pour une traction de 1000 kg, ayant une répartition des masses 60/40, une hauteur de centre de gravité de 0,50m, un empattement de 2,5m et des pneus ayant une adhérence de 1: γ=(1000*10*60%-1000*γ*0,5/2,5)*1/1000 = ( γ)/1000 = 6-0,2γ 1,2γ=6 => γ=5m/s² Exemple, pour une propulsion de 1000 kg, ayant une répartition des masses 60/40, une hauteur de centre de gravité de 0,50m, un empattement de 2,5m et des pneus ayant une adhérence de 1: γ=(1000*10*60%+1000*γ*0,5/2,5)*1/1000 = ( γ)/1000 = 6+0,2γ 0,8γ=6 => γ=7,5m/s² Vous commencez à comprendre pourquoi les sportives de haut niveau sont des propulsion.

10 Les performances d'accélération :
On choisira donc le rapport de 1° pour ne pas dépasser la force équivalente (5000N ou 7500N) en appliquant la formule : F=C*120*Pi/V1000 si le couple maxi du moteur est de 150 N.m ; V1000>150*120*3,14/5000=11,3 km/h/1000t/min pour ne pas faire patiner les roues de la traction pendant la phase d'embrayage. V1000>150*120*3,14/7500=7,5 km/h/1000t/min pour ne pas faire patiner les roues de la propulsion pendant la phase d'embrayage. Vous venez peut être d'apprendre qu'avec le même moteur dans la même voiture, il ne faut pas la même BV selon qu'il s'agit d'une traction ou une propulsion.

11 Les performances d'accélération :
Mais ce choix d'une V1000 première de 11,3 km/h/1000t/min pour la traction ne respecte pas la vitesse maxi « embouteillage » de 8 km/h au ralenti. Nous allons donc choisir une V1000 de 10km/h/1000t/min permettant 8 km/h à 800 t/min. Nous allons alors vérifier que cette V1000 plus courte qui permet de faire patiner pendant la phase d'embrayage ne le permet pas une fois l'embrayage couplé.

12 Les performances d'accélération :
Le moteur devra accélérer : - le moteur car charité bien ordonnée commence par soi-même. - La boîte de vitesse, les arbres de roues, les roues freins et pneus - et enfin la voiture. Le couple moteur nécessaire pour accélérer la voiture à 5 m/s² sera : C = F*V1000/120/Pi = 5*1000*10/120/3,14 = 132,7 N.m Les quatre roues pesant 100 kg, leur inertie étant de 4,5 kg.m², l'effort au sol : 500N ou le couple aux arbres de roue: 150 N.m Vérification : en 1s : la voiture est passée de 0 à 5 m/s, les roues de 0 à ω = 5/0,3 = 16,7 rad/s, soit une accélération angulaire de 16,7 rad/s² le moteur de 0 à 1800t/min (188 rad/s) soit une accélération angulaire de 188 rad/s²

13 Les performances d'accélération :
Avec un moteur essence de 1,5 litres de cylindrée dont l'inertie est de 0,15 kg.m² Le couple gardé par le moteur pour sa propre accélération serait de : C=I*ω=0,15*188=28,2 N.m Le couple utilisé par les roues pour leur accélération : C = I*ω'= 4,5*16,7 = 75,15 N.m aux roues soit : 75,15*(16,7/188)² = 0,6 N.m au moteur. Reste au moteur, disponible pour la voiture: 150 N.m - 28,2 N.m - 0,6 N.m = 121,2 N.m soit un effort au sol : F = C*120*Pi/V1000 = 121,2*120*3,14/10 = 4567 N soit une accélération de 4,6 m/s²: pas de risque de patinage.

14 La vitesse de pointe Une voiture de sport se doit d'afficher une vitesse maximale faisant rêver... (car l'immense majorité des clients ne l'utilisera jamais). Comment se partage la puissance du moteur ? Entraînement des accessoires, Entraînement des frottements des systèmes de transmission et des freins, Traînée aérodynamique, Roulement des pneumatiques, Pente, Accélération. La vitesse maxi étant annoncée sur le plat, ne resteront que : Entraînement des accessoires Traînée aérodynamique Roulement des pneumatiques

15 La vitesse de pointe Les accessoires :
- Pompe à vide (sur les diesels et certains moteurs essence suralimentés) - Pompe à huile de direction assistée (si celle-ci n'est pas électrique) - Alternateur (de 1 à 2 kW électriques) - Compresseur de climatisation (jusqu'à 2 kW) La pompe à eau, la pompe à huile et la pompe à carburant du moteur étant toujours nécessaires à son fonctionnement, leur puissance a déjà été déduite dans la puissance annoncée. Les systèmes de transmission (embrayage, convertisseur, boîte de vitesse, différentiel, pont, arbres de transmission) : l'ensemble à un rendement de 0% à 95% variant avec le régime et avec le couple à transmettre. Les pneumatiques : leur coefficient de roulement est de l'ordre de grandeur de 1% : effort d'avancement = 1% de la charge. Leur rendement > 90% dépend de leur taux de pseudo glissement jusqu'à 10% lors de l'effort maxi (sans patinage). Les frottements : les roulements de roues, les plaquettes de freins génèrent un effort pouvant atteindre 20 N.

16 La vitesse de pointe Petit exemple :
Moteur de 200 cv (147 kW) à 7000 t/min, régime maxi autorisé : 7500 t/min. 1kW d'accessoires 90% de rendement de transmission Véhicule de 1200 kg avec conducteur 0,8 m² de Scx Air : 1,2 kg/m3 Pneus 1% de roulement et 99% de rendement Roues, 100 kg, 4,5kg.m² les 4. Frottements : 20N Puissance au sol : 147 kW -1 kW * 90%* 99% = 130,1 kW Puissance consommée par les frottements : 20N * V Puissance consommée par le roulement : 1200 kg * 9,81 m/s² * 1% * V = 117,7 N * V Puissance disponible pour l'aérodynamique : P dispo = W – (20+117,7)*V Puissance aérodynamique : P = 1/2 * MV * S * Cx * V3

17 Vitesse maxi : 228 km/h

18 La vitesse de pointe Il faudrait adapter le dernier rapport de BV pour être au régime de puissance maxi à 228 km/h soit : 228/7 = 35,6 km/h/1000 t/min. Dans la pratique, sur ce genre de véhicule, le dernier rapport de BV sera adapté pour le régime maxi autorisé. Si ce choix fait perdre un tout petit peu de vitesse maxi, il fait gagner beaucoup en accélération. Exemple : si P max à 7500 t/min n'est que de 144 kw : Puissance au sol : 144 kW -1 kW * 90%* 99% = 127,4 kW Puissance consommée par les frottements : 20N * V Puissance consommée par le roulement : 1200 * 9,81 * 1% * V = 117,7 * V Puissance disponible pour l'aérodynamique : W – (20+117,7)V Puissance aérodynamique : P = 1/2 * MV * S * Cx * V3

19 Capacité d'accélération avec BV adaptée à la vitesse de pointe : 56 kW à 150 km/h

20 Capacité d'accélération avec BV adaptée au régime maxi autorisé : 70 kW à 150 km/h soit +25%

21 Les performances de freinage
Si l'on demande à une voiture de tourisme de freiner une fois de sa vitesse maxi à 0 ou tout au long d'une descente de col, on demandera à une voiture de sport ou de course de pouvoir accélérer/freiner pendant toute la durée de la course. On dimensionnera donc les freins de la voiture de série pour : - stocker un freinage Vmax => 0 - évacuer la puissance nécessaire à la descente de col. On dimensionnera les freins de la voiture de course pour qu'elle soit capable d'évacuer la puissance fournie par le moteur pendant les accélérations de la course dont on déduira les puissances dissipées (aérodynamique, frottements, accessoires). La grosse différence sera donc la capacité d'évacuation de la chaleur. Exemples : 1°) voiture de tourisme : Vmax => 0 ; 2000 kg, 200 km/h : E=1/2*M*V² = 1000*(200/3,6)^²= Joules soit de quoi faire passer de 100°C à 800°C 8,8 kg de fonte: J/700 °/0,5 J/g/° = g Descente à 10% à 60 km/h, 2000 kg, 1% de roulement, aéro négligé : F=2000*9,81*sin(arctang 0,1) = 2000*(0,0995-0,01) = 1790 N P = F*V = 1790N*60/3,6 = W (30 kW)

22 Exemple d'échauffement d'un disque de 7 kg de fonte,une puissance de refroidissement de 15 W/°, auquel on fourni une puissance de 10 kW (notre voiture à 2*10kW à l'avant et 2*5 kW à l'arrière)

23 Exemple d'échauffement d'un disque de 7 kg de fonte, une puissance de refroidissement de 15 W/°auquel on fourni une puissance de 20 kW (notre voiture de course ayant besoin de 2*20kW à l'avant et 2*5 kW à l'arrière) Ces températures étant inacceptables, il faut augmenter la puissance de dissipation.

24 Exemple d'échauffement d'un disque de 7 kg de fonte, d'une puissance de refroidissement de 30 W/°auquel on fourni une puissance de 20 kW (notre voiture de course ayant besoin de 2*20kW à l'avant et 2*5 kW à l'arrière) Pour augmenter cette puissance de dissipation, il faut augmenter la surface et la ventilation.

25 L'efficacité en virage Il faut distinguer deux « efficacités » et la « facilité » en virages : - l'accélération latérale maximale, - la possibilité d'accélération longitudinale maximale sous accélération latérale (on appelle cela la « motricité en courbe ». - la possibilité pour un non professionnel d'aller très vite facilement. Nous allons examiner l'influence : - des pneus, - des angles des trains, - de la répartition de l'anti-roulis AV/AR - de la hauteur du centre de gravité.

26 Les pneumatiques Sous 3000 N de charge :
- le 165 peut « pousser » 2850 N avec 10° de dérive (½ tour de volant de sur-braquage) - le 225 peut « pousser » 3115 N avec 6° de dérive (1/4 tour de volant de sur-braquage) Sous 5000 N de charge : - le 165 peut « pousser » 4285 N avec 10° de dérive (½ tour de volant de sur-braquage) - le 225 peut « pousser » 4920 N avec 6° de dérive (1/4 tour de volant de sur-braquage) 165/65/15 sur 5,5'' 225/55/17 sur 7''

27 Influence du carrossage
Le contre carrossage augmente la poussée de dérive pour les angles « habituels ».

28 Influence du transfert latéral (répartition de roulis)
Avec un transfert de 2000N, le total 2000N N « pousse » de 2000N N = 6800N. Avec un transfert de 1000N, le total 3000N N « pousse » de 2900N N = 7200N. Pour gagner en efficacité, il faut donc limiter le transfert latéral : abaissement du centre de gravité, élargissement de la voie. Pour donner de l'efficacité à un train par rapport à l'autre, il faut augmenter la raideur de roulis de l'autre. La limite arrive lorsqu'une roue se lève.

29 Exemple vécu : La Clio 16S « coupe » sous virait exagérément. L'augmentation de la raideur de roulis arrière ne faisait que faire monter en l'air la roue intérieure. Pour régler le problème, nous avons élargi la voie avant en utilisant des triangles de R19 en lieu et place de ceux de la Clio. Cette particularité fut reprise sur la Clio Williams. Le gain en efficacité et en équilibre fut spectaculaire : à iso moteur, cette voiture allait 3s/min plus vite sur circuit et cette voiture a tout gagné dans sa catégorie...