etude d`une suspension d`un veii icule automobile asservie
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1. ETUDE D UNE SUSPENSION D UN VEHICULE AUTOMOBILE ASSERVIE AU NIVEAU DES FORCES D INERTIE TRANSVERSALES ET AUX CARACTERISTIQUES DE LA ROUTE THESE NO 400 1981 PRESENTEE AU DEPARTEMENT DE MECANIQUE ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE POUR L OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ES SCIENCES TECHNIQUES PAR JEAN DANIEL CHAPPUIS Ing nieur m canicien EPFL Originaire de Rivaz VD accept e sur proposition du jury Prof M Del Pedro rapporteur Prof F Pruvot corapporteur M Bouthors corapporteur SOMMAIRE Notations l 2 l Ika 3 2 dada Introduction Suspension et tenue de route d un v hicule automobile But de l tude Sujet du travail Etude de param tres li s un v hicule et sa trajectoire Trajectoire dans l espace Trajectoire circulaire dans un plan oblique Valeurs limites de l angle amp Vitesse du v hicule Angle de g ne Principe d un compensateur d inertie R le du compensateur Id es de principes d un compensateur Projet d un compensateur Conception d un prototype 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 Choix d un v hicule Caract res sp cifiques de la Citro n DS 21 Transformations de base du v hicule tra ditionnel Circuit hydraulique du compensateur d inertie D tecteurs et organes de mesure Photographies du prototype 19 19 21 25 31 34 41 41 41 46 55 56 59 62 6 Mod le m canique d un v hicule quip de v rins c2. lectrique et commande du syst me d asservissement 5 1 Sch ma du c blage lectrique 5 2 Bo te de commande 5 3 Calibration des organes de commande 5 4 Adaptation des param tres et des im p ratifs du r glage 6 L asservissement son r le ses performances et son r glage 7 Programme FORTRAN 7 1 Equations du syst me d asservissement 7 2 Transformation des quations d ordre sup rieur 7 3 Transformation des quations d ordre un Nouveau syst me transform d quations 7 5 Programme et mode d emploi Bibliographie Curriculum Vitae Gal 265 266 268 275 288 304 310 310 312 323 327 Te gt INTRODUCTION l l Suspension et tenue de route d un v hicule automobile Le r le premier de la suspension d un v hicule automobile est de procurer le confort et de contribuer la s curit des occupants en isolant le v hicule des chocs engendr s par les in galit s de la route En m me temps lors des acc l rations des d c l rations dans les virages et sous l action de ph no m nes ext rieurs tels le vent la suspension doit absorber les diverses forces qui s exercent sur la caisse du v hicule Le deuxi me r le de la suspension est d assurer le guidage des roues La pr cision des pures qui d terminent le mouvement que les roues auront dans leur d battement est une n cessit d couverte relativement r cemment dans l histoire de la tech nique automobi
3. Param tres principaux de l asservissement Le 2 3 Comportement du v hicule en virages 4 Confort des passagers 5e Tenue de route en virages pana re industrielle R sum et conclusions 143 143 145 152 161 163 165 168 174 187 193 199 ANNEXES Virages et encha nements 1 1 Essais et mesures 1 2 R sum Caract ristiques dynamiques du prototype DS 21 2 1 Dimensionnement g n ral poids et position du centre de gravit du prototype Conception des suspensions D termination des caract ristiques dynami ques 2 4 Fr quences propres et coefficients d amortis sement Dimensionnement du circuit de commande hydraulique 3 1 Les blocs de suspension 3 2 Choix des servovalves w N f AUN D bits dans les v rins Pression antagoniste sur les v rins Choix d une pression d alimentation g n rale Choix des servovalves N ircuit de commande hydraulique Pompes hydrauliques R servoir Tluyauteries Conjoncteur disjoncteur et accumulateur Soupape de surpression U UC 0 N UC W WU y N N un BB oO ON D tecteurs et organes de mesure 4 1 Pendule d inertie 4 2 Capteurs de hauteur de caisse 4 3 Mesure de la vitesse du v hicule 201 203 214 215 217 247 217 226 231 231 232 242 253 253 258 263 5 Sch ma
4. au droit des essieux proportionnelles la r partition originale des masses Les forces qui s exercent sur les pneumatiques ne diff rent pas seulement des roues avant aux roues arri re mais surtout des roues int rieures aux roues ext rieures la courbe Cette variation prend le nom de dif f rence de charge des roues d un essieu Plus les diff rences de charge sont petites et plus leurs valeurs sont semblables sur les deux trains de roues plus le v hicule peut atteindre des vitesses lev es dans les virages En cons quence on s attache limiter ces variations par des changements de con ditions de charge des roues des essieux avant ou arri re Cette op ration est r alis e de la fa on la plus simple au moyen d une barre stabilisatrice g n ralement sous la forme d une barre de torsion cylindrique mont e sur deux paliers perpendiculaires l axe longitudinal du v hicule et ancr e de part et d autre sur un organe mobile de chacune des suspen sions 13 Fig 1 3 La barre stabilisatrice La fonction de cette barre est de limiter la valeur du roulis sans modifier globalement la raideur verticale de la suspen sion Mais surtout la barre stabilisatrice modifie les apti tudes routi res L emploi d une barre sur l un des essieux augmente la charge sur la roue ext rieure au virage et la di minue sur la roue int rieure La force suppl mentaire imprim e la roue ext rieure lui donne un angle de
5. d rive plus grand Cette propri t permet d att nuer plus o moins une tendance au sur ou souvirage 1 2 But de l tude Au cours de l volution technique de l automobile le centre de gravit des v hicules a continuellement t abaiss Le r seau routier s est am lior les vitesses et par cons quent les moyens r alisables ont augment d ann e en ann e les pneumatiques ont fortement volu L l vation de la puissance des moteurs a pos de nouveaux probl mes en particulier celui de la transmission au sol de cette puissance Et les exigences en mati re de confort ont toujours cr Les constructeurs se sont ainsi vus dans l obligation de rechercher des compromis quant la stabilit de trajectoire la tenue de route les valeurs de roulis etc 14 Par exemple l axe instantan de rotation avec la g n rali sation des suspensions roues ind pendantes du moins pour les trains avant ne reste pas constamment la m me hauteur au dessus du sol et par cons quent change continuellement les conditions de travail des pneumatiques Les barres stabilisa trices si elles sont favorables dans de nombreuses conditions en am liorant le comportement g n ral alt rent en fait le comportement du meilleur des deux trains de roues De plus el les sont parfois si rigides qu elles s opposent dans certaines conditions au bon fonctionnement des suspensions en produisant un balancement lat ral ou roll
6. er du bien fond de ce mod le d observer sur les occupants les effets physiologiques cr s par un nouveau mode de conduite et une notion diff rente de confort 18 de constater enfin M Co die effective du confort et de la tenue de route Il ne nous tait pas possible de construire un prototype enti rement nouveau et nous avons utilis comme base un v hicule CITROEN DS choix nous paraissant le meilleur dans le cadre de notre r alisation Lors de la conception puis de la construc tion du syst me de compensation nous avons choisi des solutions li es d une part ce choix et d autre part au d sir de pouvoir effectuer diverses mesures et de disposer de larges plages de r glage Dans le cadre d une r alisation industrielle ces solutions ne seraient certainement pas retenues Non seulement la conception enti re du compensateur serait reprendre mais surtout la tech nologie compl te des suspensions serait revoir en fonction des nouvelles exigences impos es
7. ersale appliqu e N r action sur le sol angle de d rive Fig 1 2 L angle de d rive du pneumatique Ce ph nom ne permet de comprendre le comportement en cour be d un v hicule Celui ci est survireur si l angle de d ri ve des roues avant est plus petit que celui des roues arri re ce qui se traduit pour le v hicule par une tendance se diri ger vers l int rieur du virage accentuer celui ci et d raper de l arri re A l inverse le v hicule est sousvireur si l angle de d rive des roues avant est sup rieur celui des roues arri re ce qui se traduit par une tendance malgr un braquage correct des roues s c rter de la trajectoire d 12 termin e et glisser tout droit du train avant Si les angles sont gaux le v hicule a un comportement neutre Dans les vi rages un angle de d rive se manifeste aux quatre roues de sorte que l axe longitudinal du v hicule ne se d place pas conform ment la tangente de la trajectoire mais forme un angle appel angle de glissement La barre stabilisatrice Le choix des raideurs de suspension des pressions des pneuma tiques peut avoir une grande influence sur le comportement autodirectionnel Mais la r partition du poids joue un r le d terminant en ce qui concerne la tenue dans les virages Si l on consid re les deux essieux en m me temps la force cen trifuge agissant au centre de gravit se d compose en deux forces
8. ible roulis qu un axe situ plus loin Ma s l avantage d un axe instantan haut plac s oppo se aussi un inconv nient la force d appui de la caisse sur le centre instantan de l essieu provoque dans les virages une va riation violente et rapide de charge sur les roues qui a pour effet d alt rer le guidage lat ral des pneumatiques et n cessite par cons quent une diminution de la vitesse Si le centre ins tantan est bas en revanche la force centrifuge provoque une inclinaison progressive de la carrosserie qui se traduit par des variations moindres de la charge appliqu e aux roues per mettant de prendre les virages une vitesse plus lev e Mais alors l angle de roulis augmente consid rablement ce qui se traduit par un plus grand d sagr ment pour les occupants Le comportement autodirectionnel Maintenant que se passe t il au niveau du sol Jusqu la vi 11 tesse limite dans un virage ce sont les forces de guidage la t ral des pneumatiques sur la chauss e qui s opposent un mouvement de d rapage Si une force transversale s exerce sur un pneumatique sa sur face d appui approximativement elliptique se d forme cause de son lasticit le pneumatique se d place alors oblique ment par rapport la direction du v hicule c est dire que son plan m dian fait un angle avec la nouvelle direction c est l angle de d rive axe de sym trie du pneumatique T force transv
9. le Mais le mouvement d une roue sous l effet d une bosse d une surcharge passag re ne se fait jamais sans quelque alt ration de la g om trie de l pure Il en r sulte de nombreux probl mes de stabilit de tenue de route de confort et de s curit que le constructeur r sout au mieux de ses possibilit s mais seulement au prix de nom breux compromis Une attitude particuli re d un v hicule automobile est son inclinaison transversale en virage En parcourant une courbe le v hicule subit l influence de la force centrifuge Il s in cline transversalement d un angle commun ment appel angle de roulis L importance du roulis d pend dans une large mesure de la position du centre de gravit et des centres instantan s de rotation des essieux On d signe par centre instantan de rotation d un essieu le point autour duquel la carrosserie commence s incliner lorsque s exerce sur elle la force cen trifuge engendr e par le virage 10 L axe instantan de rotation La ligne qui relie le centre instantan de rotation de l es sieu avant et celui de l essieu arri re est appel axe ins tantan de rotation axe instantan de rotation Fig 1 1 L axe instantan de rotaticn Plus la distance entre le centre de gravit et l axe instan tan de rotation est grande plus le couple de roulis est fort en d autres termes un axe instantan situ pr s du centre de gravit provoque un plus fa
10. orrecteurs et parcourant une trajectoire dans l espace But du mod le Description d un v hicule Description d un mod le m canique OU nn A o U N Dynamique du v hicule Energie cin tique T Energie potentielle de gravit V Energie potentielle lastique U Fonction de dissipation S Ejuetions du mouvement E MnD TUPUN 4 4 4 A 4 ea Vibrations libres amorties d une automobile Sg ep Forces aux points d appui R glage des boucles d asservissement de hauteur de caisse ep l Boucles d asservissement de hauteur de caisse 6 2 R glage du syst me par le crit re de Nyquist 6 3 R glage du syst me par calcul analogique R glage du syst me complet du compensateur d inertie 7 1 R le du mod le m canique du v hicule et de son asservissement 7 2 El ments de l asservissement r alis 7 2 1 Trajectoire du v hicule 7 2 2 Mouvements du pendule 7 2 3 Mod le m canique du v hicule 7 2 4 Bloc de r glage Mise en quations du syst me complet 7 4 Param tres du mod le m canique Imp ratifs du r glage 65 65 65 66 69 94 100 107 107 113 118 125 125 126 132 137 139 10 ll 8 2 T sts du saut frontal 8 8 8 Analyse succincte de l asservissement r alis 9 9 g 9 9 Mesures effectu es 1 Objectif et programme des mesures 3 Tests de virage 4 Analyse des r sultats But de l analyse
11. rock Finalement m me plus ou moins att nu le roulis subsiste toujours et demeure une source constante de d sagr ments pour les occupants du v hicule Toute solution destin e am liorer la tenue de route ou le confort bute chaque fois sur la conception g n rale des suspensions et l on retombe finalement toujours sur les m mes compromis La seule fa on de supprimer le probl me con siste reprendre enti rement cette conception de base La solution que nous proposons consiste donner au v hicule une inclinaison transversale dirig e vers l int rieur des vi rages tout comme le motocycliste incline naturellement sa mo to pour conserver un tat d quilibre La correction d inclinaison peut tre partielle ou totale Elle est totale quand le support de la r sultante des forces ext rieures force de pesanteur et force d inertie trans versale se trouve confondu avec le plan m dian longitudinal de sym trie du v hicule fig 1 4 15 force de gravit force centrifuce r sultante des forces ext rieures rayon de courbure r actions Fig 1 4 inclinaison transversale artificielle d un v hicule Sur le plan tenue de route la cons quence principale de cette correction d inclinaison est une modification importante de la r partition des charges sur les roues En virage les roues int rieures d un v hicule traditionnel sont d lest es alors que les roues e
12. tait montrer que l id e d incliner un v hicule vers l int rieur des virages tait applicable que la solution choisie aboutissait un syst me dynamiquement sta ble et qu un prototype r alis selon cette id e apportait bien les avantages suppos s L tude a commenc par la d termination des param tres impor tants li s au v hicule et sa trajectoire courbures d vers relations vitesse rayon de courbure inclinaison donner au v hicule etc Puis un projet de compensateur d inertie a t labor L ensemble v hicule compensateur trajectoire a t mis en quations pour tre trait sur l ordinateur Control Da ta CYBER 7328 du centre de calcul Le programme ainsi con u a permis d tudier le comportement du v hicule quip de son sys t me de compensation sur des trajectoires de l espace parcou rues la vitesse d sir e D autre part la construction et la mise au point d un proto type r alis partir d un v hicule de s rie ont permis d a bord de cerner et de mesurer tous les param tres relatifs un v hicule et son comportement dans des conditions normales d utilisation constantes de rigidit d amortissement mo ments d inertie fr quences d encha nement temps de mise en virage etc Puis quip de son compensateur d inertie le prototype a permis de v rifier les r sultats obtenus avec le mod le m canique sur quelques trajectoires type pour jug
13. xt rieures sont surcharg es A l oppos pour un v hicule dont l inclinaison transversale est totalement corrig e les roues int rieure et ext rieure d un m me train sont toutes deux surcharg es d une quantit approximativement gale De toute fa on que la correction d inclinaison soit partielle ou totale il va en r sulter une diminution des variations relatives de charge sur chacune des roues une diminution des transferts de charges des roues int rieures sur les roues ext rieures aux virages ainsi que d un train de roues sur l autre 16 Ainsi les conditions d adh rence devraient tre favoris es et les effets de sur ou sousvirage att nu s L emploi de barres stabilisatrices devient inutile La tenue de route devrait en tre am lior e Mais c est principalement sur le plan confort que l on peut attendre les cons quences les plus favorables Les modifications de la r partition des charges sur les roues doivent diminuer les risques de talonnage autrement dit les risques d arriver en but es de suspensions Les efforts et acc l rations transversaux sur les corps des occupants vont tre fortement diminu s ou m me supprim s Les passagers n auront plus besoin de s aggriper et de se contorsionner Il devrait en r sulter une forte diminution de la fa tigue musculaire le confort ne peut qu tre am lior 17 T3 Sujet du travail Notre travail consis
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