Capteurs d'accélération sur les voitures de course électriques de l'EPFZ

Sur les voitures de course de la Formula Student, des capteurs d'accélération sont utilisés pour optimiser l'adhérence au sol. L'objectif est d'obtenir des caractéristiques de conduite optimales grâce à la mesure et à la régulation de l'amortissement actif.

La Formula Student est la plus grande compétition d'ingénieurs étudiants au monde. Plus de 500 équipes relèvent le défi de construire une voiture de course entièrement fonctionnelle en l'espace d'un an. Le règlement est très ouvert et permet aux jeunes ingénieurs de mettre en œuvre des concepts innovants. L'objectif est de marquer le plus de points possible dans les disciplines statiques et dynamiques lors des événements. D'une part, il s'agit de construire une voiture rapide et fiable, d'autre part, les concepts mis en œuvre doivent être défendus et également vendus devant des experts de l'industrie et du sport automobile.

L'association académique de sport automobile de Zurich construit chaque année un bolide de course pour la Formula Student. Près de 20 futurs ingénieurs en mécanique et en électricité, des étudiants de l'ETH Zurich et de la Haute école de Lucerne conçoivent, construisent et fabriquent une voiture de course. Le résultat de la saison 2015 est "flüela" : un véhicule de course à propulsion électrique capable d'accélérer de 0 à 100 km/h en moins de 2 secondes ! (voir photo) Ceci est rendu possible par quatre moteurs de moyeu de roue développés par l'entreprise, d'une puissance de 50 CV chacun, qui permettent une commande individuelle des quatre roues. Le poids total du véhicule s'élève à tout juste 170 kg. Un pack aérodynamique complet est monté, qui génère jusqu'à 2 kN de déportance. D'innombrables matières plastiques renforcées de fibres de carbone sont également utilisées, notamment la monocoque monobloc, les jantes et tous les éléments de l'aérodynamique. Le châssis de "flüela" est équipé d'amortisseurs semi-actifs. Ceux-ci permettent d'adapter les courbes d'amortissement et donc les forces dissipatives à la situation de conduite correspondante et de garantir ainsi une tenue de route toujours optimale. Avec deux victoires au classement général sur quatre événements, l'AMZ a pu s'assurer la première place du classement mondial pour une année supplémentaire.

Afin de garantir le bon fonctionnement de tous les actionneurs et de leur interaction, un grand nombre de capteurs sont intégrés dans le véhicule. Parmi eux, un capteur optique qui détecte la vitesse actuelle au sol et permet une mesure précise, malgré le patinage de toutes les roues. Il y a également une "Inertial Measurement Unit" pour déterminer les accélérations sur le châssis ainsi que divers systèmes de sécurité comme d'innombrables capteurs de température pour surveiller les cellules lithium-polymère, l'électronique de puissance et les moteurs.

Le composant le plus important d'un véhicule sont les pneus. Ils offrent le seul contact avec la chaussée et transmettent ainsi toutes les forces. Grâce à la simulation du véhicule et à l'analyse des données, on sait que la performance des pneus est la plus sensible à la réduction du temps au tour. Afin de comprendre plus précisément les effets et de prendre des mesures, il existe un grand intérêt pour la dynamique de la masse non suspendue. C'est pourquoi, pour la saison 2015, l'AMZ utilise pour la première fois des capteurs d'accélération de roue de la société KELAG. Un tel capteur est installé sur chacun des quatre supports de roue (voir photo). La compatibilité électromagnétique n'est pas une tâche facile pour un véhicule électrique, où des courants de plusieurs centaines d'ampères circulent à 470 V. Grâce au blindage interne et au câblage et à la mise à la terre strictement en étoile sur le faisceau de câbles, il est possible de travailler avec une excellente qualité de signal. Les accéléromètres de KELAG mesurent l'accélération des roues dans le sens vertical avec une bande passante de -6 G à +6 G et ont été choisis en particulier pour leur robustesse électrique et mécanique, ce qui permet d'obtenir des signaux fiables et précis même dans des conditions environnementales difficiles. Les données mesurées sont utilisées pour optimiser le réglage des amortisseurs semi-actifs. Il en résulte une meilleure adhérence à la route et donc des temps au tour plus courts.

Une simulation de châssis est utilisée pour développer le contrôle de l'amortissement. Le véhicule est simplifié à l'aide d'un modèle de quart de véhicule qui illustre la situation et l'interaction entre la suspension et les pneus. L'objectif de la simulation est de trouver les courbes d'amortissement optimales afin de minimiser les variations de charge des roues sur les pneus.

Le système est excité par les mouvements du châssis et les irrégularités de la route mesurées et enregistrées sur le véhicule réel. Les profils et les fréquences d'excitation influencent la réaction des masses non suspendues et suspendues. Dans le cas d'une voiture de tourisme, on souhaite réduire au maximum la transmissibilité des irrégularités du sol au châssis afin d'augmenter le confort. Pour une voiture de course, la performance des pneus est primordiale. Afin d'obtenir la plus faible transmissibilité possible aux charges des roues, les fréquences de l'excitation sont saisies à l'aide des capteurs et les rapports d'amortissement optimaux sont déterminés au moyen de la simulation.

Pour la saison 2016, l'AMZ utilisera à nouveau le capteur d'accélération des roues. L'algorithme implémenté dans le système de contrôle des amortisseurs sera réaménagé et le signal mesuré par les capteurs sera utilisé pour réagir directement aux irrégularités du terrain. La nouvelle voiture AMZ "gotthard" a déjà été présentée le 20 mai à l'occasion du roll-out chez Sauber F1 à Hinwil et se mesurera à la concurrence internationale lors de quatre événements en Europe cet été.

Kelag a mis à disposition un capteur d'accélération qui mesure l'accélération des axes. Le KAS903-12A a été utilisé à cet effet.

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