Comment calculer les limites de sous-virage et de survirage dans la conception du véhicule

Comprendre le sous-virage et le survirage dans la conception du véhicule

Les termes dynamiques du sous-virage et du survirage sont des termes utilisés pour décrire la sensibilité du véhicule aux changements d'angle de direction associés aux changements d'accélération latérale. Ces caractéristiques fondamentales de la manipulation jouent un rôle crucial dans la sécurité, les performances et l'expérience du conducteur du véhicule.

Lorsqu'un véhicule navigue dans un coin, des forces complexes interagissent entre les pneus, la surface de la route, le système de suspension et la masse du véhicule. L'équilibre de ces forces détermine si un véhicule sousvire, survire ou présente des caractéristiques de direction neutre.

Les fondamentaux du sous-virage et du survirage

Qu'est-ce que le sous-virage ?

En pratique, lorsque vous tournez le volant pendant un virage, le véhicule suit une trajectoire avec un rayon plus grand que prévu. Lorsqu'un véhicule de sous-direction est amené à la limite d'adhérence des pneumatiques, où il n'est plus possible d'augmenter l'accélération latérale, le véhicule suit une trajectoire avec un rayon plus grand que prévu.

La principale cause du sous-virage est que les pneus avant perdent leur adhérence avant les pneus arrière. Lorsqu'un véhicule sous-vire, les pneus avant présentent un angle de glissement plus grand que les pneus arrière. Cette condition est généralement considérée comme plus sûre pour les conducteurs moyens parce que la réponse du véhicule est plus intuitive – la voiture continue simplement plus droit devant plutôt que de tourner.

Qu'est-ce que Oversteer ?

Le survirage représente l'état inverse, où le véhicule tourne plus fortement que prévu. Lorsqu'un véhicule de survirage est amené à la limite d'adhérence des pneumatiques, il devient dynamiquement instable avec une tendance à tourner. Dans ce scénario, les pneus arrière perdent de la traction avant les pneus avant, ce qui provoque le basculement vers l'extérieur de l'arrière du véhicule.

Lorsqu'un véhicule survire, les pneumatiques arrière présentent un angle de glissement plus grand que les pneumatiques avant. Bien que le survirage puisse être plus difficile à contrôler, un conducteur qualifié peut maintenir le contrôle au-delà du point d'instabilité avec contre-virage et/ou utilisation correcte des gaz ou même des freins; cela se fait dans le but de dériver.

Neutre Steer : le point d'équilibre

Le véhicule est dit neutre lorsque l'angle de braquage pour maintenir une trajectoire de courbe dépend uniquement du rayon de courbe et non de la vitesse du véhicule. Dans un véhicule à braquage neutre, les pneus avant et arrière atteignent leurs limites de traction simultanément, et l'angle de braquage nécessaire pour maintenir un virage à rayon constant demeure inchangé quelle que soit la vitesse (dans la plage de fonctionnement linéaire).

L'angle de braquage requis pour maintenir une courbe de tout rayon donné est appelé angle Ackermann, et sa valeur est indépendante de la vitesse. Le conducteur applique exactement la même action de braquage à 10 km/h qu'à 100 km/h. Ce comportement est appelé braquage neutre et il définit la limite entre le braquage et le braquage.

Le dégradé sous-virage : un paramètre clé

Définition du dégradé sous-virage

Le gradient de sousvirage est défini comme étant la dérivée de l'angle moyen de braquage des pneus avant par rapport à l'accélération latérale imposée au véhicule au centre de gravité. Ce paramètre sert de mesure quantitative principale pour caractériser le comportement d'angle en état stationnaire d'un véhicule.

Le véhicule est sous-virage si la pente du sous-virage est positive, survirage si la pente du sous-virement est négative et direction neutre si la pente du sous-virement est nulle. La pente du sous-virage est généralement exprimée en degrés par g d'accélération latérale (deg/g), ce qui fournit aux ingénieurs une mesure normalisée permettant de comparer les différentes configurations du véhicule.

Fondation mathématique

La relation entre l'angle de braquage, l'accélération latérale et la géométrie du véhicule peut être exprimée par une équation fondamentale. Le gain dû à l'accélération latérale est le gradient de sous-virage. La formule de base relie l'angle de braquage (-) à l'empattement (L), au rayon de virage (R), au gradient de sous-virage (K) et à l'accélération latérale (ay):

Φ = L/R + K × ay

Lorsque le premier terme (L/R) représente l'angle de braquage d'Ackermann — l'angle de braquage géométrique nécessaire à des vitesses très basses — et le deuxième terme représente la braquage supplémentaire nécessaire en raison des angles de glissade des pneus à des accélérations latérales plus élevées.

Le gradient de sous-virage lui-même peut être calculé à partir des paramètres du véhicule et des pneus. Une formulation plus détaillée tient compte de la rigidité d'angle des pneus avant et arrière. Le gradient de sous-virage K peut être exprimé comme suit:

K = (Wf/Cf) - (Wr/Cr)

Lorsque Wf et Wr sont respectivement les charges à l'avant et à l'arrière, et que Cf et Cr sont les rigidités d'angle avant et arrière des pneus. Le gradient de sous-virage est défini comme Kus = Wf/Cαf - Wr/Cαr.

Interprétation des valeurs de graduation

Ce paramètre évalue la tendance du véhicule, lorsqu'il est en situation de manœuvre en courbe stabilisée, à être sousvirant (le véhicule exige des angles de direction plus élevés pour maintenir le même rayon de courbe à des vitesses plus élevées) ou survirant (le véhicule exige des angles de direction plus bas pour maintenir le même rayon de courbe à des vitesses plus élevées).

Le signe et l'ampleur du gradient de sous-virage donnent un aperçu immédiat du comportement du véhicule:

Positive K (K > 0): La voiture est considérée comme étant sous-virée. Comme la vitesse augmente dans un virage à rayon constant, il faut plus d'entrée de direction.
Négatif K (K < 0):[ Le wagon est dit être survire. À mesure que la vitesse augmente, il faut moins d'entrée de direction et le véhicule peut devenir instable au-dessus d'une vitesse critique.
Zero K (K = 0):[ Le wagon est dit être un gouvernail neutre. L'angle de direction reste constant, quelle que soit la vitesse dans la plage linéaire.

La rigidité du coinage des pneus : la base de l'analyse de la manipulation

Comprendre la stiffosité de l'angle

La rigidité d'angle est définie comme la vitesse d'augmentation de la force latérale par rapport à l'angle de glissement. Mathématiquement, elle peut être représentée par: C = dFy/dα où C est la rigidité d'angle, Fy est la force latérale et α est l'angle de glissement.

La force d'angle est générée par glissement du pneu et est proportionnelle à l'angle de glissement à des angles de glissement bas. Lorsqu'un pneu fonctionne à un angle de glissement — l'angle entre la direction que le pneu pointe et la direction qu'il voyage réellement — il génère une force latérale.

Valeurs typiques de la hauteur d'angle

Une valeur typique pour la rigidité d'angle par degré d'angle de glissement est environ 16 à 17 % de la charge sur le pneu. Cela fournit une règle utile pour les calculs de conception initiale du véhicule. Par exemple, un pneu supportant 5 000 N de charge verticale aurait généralement une rigidité d'angle d'environ 800 à 850 N par degré d'angle de glissement.

Cependant, la rigidité d'angle n'est pas constante, elle varie selon plusieurs facteurs, dont la charge verticale, la pression des pneus, la température des pneus et la construction des pneus. Les coefficients apparaissant dans ces expressions sont des fonctions de la charge verticale.

Sensibilité de charge et transfert latéral de charge

L'une des caractéristiques les plus importantes du comportement des pneus est que la rigidité d'angle ne augmente pas linéairement avec la charge. Lorsqu'un véhicule se déplace, le transfert de charge latérale se produit – le poids passe des pneus intérieurs aux pneus extérieurs. Les pneus extérieurs gagnent en charge verticale alors que les pneus intérieurs le perdent. En raison de la relation non linéaire entre la charge et la rigidité d'angle, la force totale d'angle générée par un essieu diminue généralement à mesure que le transfert de charge augmente.

Cette sensibilité à la charge est une raison principale pour laquelle la conception de la suspension a un effet si profond sur la manutention du véhicule. En contrôlant la quantité de transfert de charge sur chaque essieu pendant le virage, les ingénieurs peuvent régler la balance du sous-virage/survirage du véhicule.

Méthodes d'essai pour la mesure du sous-virage et du survirage

Procédures d'essai normalisées

Cette sensibilité est définie pour une route de niveau pour une condition de fonctionnement en état permanent donnée par la Society of Automotive Engineers (SAE) dans le document J670 et par l'Organisation internationale de normalisation (ISO) dans le document 8855. Ces normes prévoient des procédures formelles pour mesurer les caractéristiques de manutention du véhicule de manière répétable et comparable.

Plusieurs essais peuvent être utilisés pour déterminer le gradient de sous-virage : rayon constant (essais de répétition à des vitesses différentes), vitesse constante (essais de répétition à des angles de direction différents) ou direction constante (essais de répétition à des vitesses différentes).

Méthode d'essai à rayonnement constant

L'une des façons les plus simples de mesurer le sous-virage et le survirage consiste à effectuer un essai circulaire en conditions stationnaires, où le véhicule est conduit autour d'un cercle à rayon fixe à des vitesses croissantes jusqu'à atteindre la limite de son accélération latérale. Le gradient du sous-virage ou du survirage est ensuite calculé comme le changement de l'angle de braquage par unité de changement de l'accélération latérale.

Dans le cadre de cet essai, le véhicule est conduit autour d ' un cercle de rayon connu (généralement de 30 à 100 mètres) à des vitesses progressivement plus élevées. À chaque vitesse, l ' angle de braquage et l ' accélération latérale sont enregistrés.

Méthode d'essai à vitesse constante

Pour notre part, nous effectuons un essai de vitesse constante, dans lequel le véhicule est maintenu à une vitesse constante vers l'avant et la direction est lentement montée à pleine vitesse. Dans cette procédure, le véhicule maintient une vitesse constante pendant que l'angle de direction est progressivement augmenté. Le rayon de trajectoire résultant diminue et l'accélération latérale augmente.

Méthode d'essai à la dérive constante

Dans la méthode de direction constante, le volant est maintenu à un angle fixe pendant que la vitesse du véhicule est augmentée. Cet essai montre comment le rayon de trajectoire du véhicule change avec la vitesse pour une entrée de direction donnée, démontrant directement des tendances de sous-virage ou de survirage.

Importance des spécifications d'essai

Les résultats dépendent du type d'essai, donc il n'est pas suffisant de donner simplement une valeur de dég/g; il est également nécessaire d'indiquer le type de procédure utilisée pour mesurer le gradient. Différentes méthodes d'essai peuvent donner des valeurs numériques différentes pour le gradient de sousvirage, même pour le même véhicule.

Les véhicules sont des systèmes intrinsèquement non linéaires, et il est normal que K varie sur la plage d'essais. Il est possible qu'un véhicule soit sousviré dans certaines conditions et surviré dans d'autres. Il est donc nécessaire de spécifier la vitesse et l'accélération latérale chaque fois que l'on signale des caractéristiques de sousvirage/survirage.

Le modèle de vélo: une dynamique simplifiée du véhicule

Hypothèses et structure du modèle

Un modèle simplifié largement adopté pour représenter le véhicule pour la dynamique latérale est le modèle de bicyclette, où les pneus à droite et à gauche sont groupés en une seule entité et où on suppose que le véhicule a sa masse répartie le long de son axe. Cette simplification réduit le véhicule à quatre roues complexe à une représentation à deux roues, rendant les calculs analytiques plus faciles à traiter tout en conservant la dynamique essentielle.

Le modèle de bicyclette fait plusieurs hypothèses clés:

Les pneus de gauche et de droite sur chaque essieu sont combinés en un seul pneu équivalent
Le véhicule fonctionne dans la plage linéaire de comportement des pneus (petits angles de glissement)
Les mouvements de roulis, de pas et de verticales sont négligés
Le véhicule circule sur une surface plane
La vitesse longitudinale est constante

Malgré ces simplifications, le modèle de vélo fournit d'excellentes prédictions de comportement de manutention en état d'équilibre et est largement utilisé dans la recherche académique et le développement pratique de véhicules.

Paramètres clés du modèle de vélo

Le modèle de vélo nécessite plusieurs paramètres fondamentaux:

Fonctionnement de roue (L):La distance entre les essieux avant et arrière
Distance de l'essieu avant a): Distance du centre de gravité à l'essieu avant
Distance de l'essieu arrière b): Distance du centre de gravité à l'essieu arrière
Masse du véhicule (m): Masse totale du véhicule
Rigidité d'angle avant (Cf):Rigidité d'angle combinée des deux pneus avant
Rigidité d'angle arrière (Cr):Rigidité d'angle combinée des deux pneus arrière

Ces paramètres permettent aux ingénieurs de prédire le comportement du véhicule et de calculer le gradient du sous-virage de façon analytique avant de construire des prototypes physiques.

Calcul des limites de sous-virage : méthodologie détaillée

Étape 1: Déterminer les paramètres du véhicule

La première étape du calcul des limites de sousvirage consiste à recueillir des données précises sur le véhicule, notamment:

Mesure de l'empattement et de l'emplacement du centre de gravité
Détermination de la répartition du poids statique (charges avant et arrière des essieux)
Obtenir des données sur la rigidité des angles de pneus de la part des fabricants de pneus ou des essais
Documentation de la géométrie de suspension et de la distribution de la rigidité du rouleau

Pour l'emplacement du centre de gravité, les positions longitudinale et verticale sont importantes. La position longitudinale détermine la répartition statique du poids, tandis que la position verticale affecte le transfert de charge pendant l'angle.

Étape 2: Calculer la rigidité effective de l'angle

Nous allons d'abord déterminer la rigidité effective de l'angle d'essieu qui peut être utilisée dans ces conditions. Les effets du transfert de charge, du roulis, de la conformité des commandes, du braquage latéral et des angles de camerage et d'orteil initiaux seront inclus dans l'expression ultime de la rigidité effective de l'angle d'essieu.

La rigidité d'angle efficace explique divers effets réels au-delà des caractéristiques de base des pneus. Le transfert de charge latérale lors de l'angle change les charges verticales sur les pneus individuels, ce qui affecte à son tour leur rigidité d'angle.

Pour une analyse simplifiée, les valeurs de rigidité de base peuvent être utilisées directement. Cependant, pour des prévisions plus précises, les ingénieurs doivent tenir compte des effets de transfert de charge en utilisant les caractéristiques de sensibilité de charge du pneu.

Étape 3: Appliquer la formule de graduation sous-virage

Avec les paramètres du véhicule et les données de pneus en main, le gradient de sous-virage peut être calculé.

K = (m/L2) × [(b/Cr) - (a/Cf)]

où:

m = masse du véhicule
L = empattement (a + b)
a = distance entre l ' essieu avant et le centre de gravité
b = distance entre l ' essieu arrière et le centre de gravité
Cf = rigidité de l ' essieu avant
Cr = rigidité de l ' angle de l ' essieu arrière

Cette formule relie directement les caractéristiques physiques du véhicule à son comportement de manutention. Un résultat positif indique un sous-virage, un négatif indique un survirage et un zéro indique un braquage neutre.

Étape 4: Déterminer les limites d'accélération latérale

L'accélération latérale maximale que peut supporter un véhicule est limitée par le frottement des pneus. À la limite, la force latérale totale générée par tous les pneus équivaut à la masse du véhicule multipliée par son accélération latérale:

Fy,total = m × ay,max

Pour un véhicule de sous-direction, les pneus avant atteignent leur limite en premier. L'accélération latérale maximale se produit lorsque les angles de glissement avant atteignent le pic de la courbe d'angle force-dérapage du pneu. Au-delà de ce point, les pneus avant saturent et ne peuvent générer de force latérale supplémentaire, indépendamment de l'entrée de direction.

Pour un véhicule de survirage, les pneus arrière saturent d'abord, ce qui entraîne une instabilité dynamique. Le véhicule devient difficile ou impossible à contrôler lorsque l'extrémité arrière oscille vers l'extérieur.

Étape 5: Calculer la vitesse critique (pour les véhicules survire)

Le gradient de sous-virage est l'une des principales mesures pour caractériser le comportement d'angle en état d'équilibre. Il est impliqué dans d'autres propriétés telles que la vitesse caractéristique (la vitesse d'un véhicule sous-virage où l'angle de braquage nécessaire pour négocier un virage est le double de l'angle d'Ackermann), le gain d'accélération latérale (g/deg), le gain de vitesse en lacet (1/s) et la vitesse critique (la vitesse d'un véhicule survirage a un gain d'accélération latérale infini).

Pour les véhicules présentant des caractéristiques de survirage (K négatif), il existe une vitesse critique au-dessus de laquelle le véhicule devient instable. À cette vitesse, le dénominateur de l'équation de direction approche de zéro, et le véhicule présente un gain infini, ce qui signifie que les petites entrées de direction produisent de très grandes réponses.

La pointe de Steer neutre et la marge statique

Comprendre le point neutre de la sténographe

Le point de braquage neutre est le point où une force latérale externe ne produira pas de vitesse de lacet à l'état stationnaire. Ce concept fournit une autre façon de comprendre et de quantifier les caractéristiques de la conduite du véhicule. Le point de braquage neutre (NSP) est un emplacement le long de l'axe longitudinal du véhicule où une force latérale peut être appliquée sans provoquer l' lacet du véhicule.

En général, les pneus de même taille sont souvent sélectionnés pour les quatre roues, et le NSP est situé près du point central de l'empattement sur l'axe X. Et les caractéristiques de la direction sont déterminées par la relation de position entre ce NSP et le centre de gravité (CG).

Définition de la marge statique

La marge statique quantifie la relation entre le centre de gravité et le point de braquage neutre. Lorsque le point de braquage neutre est derrière le CG, la marge statique est positive et le véhicule présente des caractéristiques d'angles sousviraux. Inversement, lorsque le point de braquage neutre est en avant du CG, la marge statique est négative et le véhicule présente des caractéristiques de survirage.

Sur les véhicules typiques, la marge statique varie entre +0,03 et +0,07. Cette marge statique positive offre un degré de stabilité inhérente qui facilite la conduite du véhicule et la rend plus sûre dans des conditions normales.

Facteurs influant sur l'équilibre entre le sous-virage et le survirage

Répartition du poids

La répartition du poids affecte la force normale sur chaque pneumatique et donc son adhérence. La position longitudinale du centre de gravité influence directement les charges statiques sur les essieux avant et arrière. Un centre de gravité avant augmente la charge de l'essieu avant et augmente généralement le sous-virage, tandis qu'un centre de gravité arrière a l'effet opposé.

Si le centre de la masse est déplacé vers l'avant, le gradient de sous-virage tend à augmenter en raison de la sensibilité à la charge des pneumatiques. Lorsque le centre de la masse est déplacé vers l'arrière, le gradient de sous-virage tend à diminuer. Cette relation n'est pas simplement due à la variation des charges statiques, mais aussi à la relation non linéaire entre la charge des pneus et la rigidité d'angle.

Géométrie de suspension et rigidité du rouleau

Bien que la répartition du poids et la géométrie de la suspension aient le plus grand effet sur le gradient de sous-virage mesuré dans un essai en conditions stationnaires, la distribution de puissance, le biais de freinage et le transfert de poids avant-arrière affecteront également les roues qui perdent la traction en premier dans de nombreux scénarios réels.

La répartition de la rigidité du roulis entre les essieux avant et arrière a une incidence significative sur l'équilibre de la manutention. L'augmentation de la rigidité du roulis avant par rapport à l'arrière augmente le transfert de charge latérale à l'essieu avant, ce qui augmente généralement le sous-virage.

Les barres anti-roulement (également appelées barres de balancement ou barres de stabilisation) sont couramment utilisées pour régler cet équilibre. En modifiant la rigidité de la barre anti-roulement avant ou arrière, les ingénieurs peuvent affiner les caractéristiques de la manipulation du véhicule sans modifications majeures de la structure.

Sélection et pression des pneus

Les caractéristiques des pneus ont un impact profond sur la manutention des véhicules. Différents types de pneus, composés et constructions présentent des valeurs de rigidité d'angle différentes et des caractéristiques de sensibilité à la charge.

La pression des pneus affecte également la rigidité d'angle. Les pressions plus élevées augmentent généralement la rigidité d'angle, tandis que les pressions plus faibles la réduisent. L'ajustement de la différence de pression entre les pneus avant et arrière offre une méthode simple pour régler l'équilibre de la manutention, bien que cela doit être fait dans la plage recommandée par le fabricant de pneus.

Transfert dynamique de charge

Le déplacement du centre de masse est proportionnel à l'accélération et affecté par la hauteur du centre de masse. Lors du freinage, une plus grande partie du poids (charge) des véhicules est placée sur les pneumatiques avant et moins sur les pneumatiques arrière.

Pendant le freinage, le transfert de charge vers l'avant augmente la prise en charge des pneus avant tout en réduisant l'adhérence des pneus arrière, ce qui peut induire un survirage. Pendant l'accélération, le transfert de charge vers l'arrière peut causer un sousvirage dans les véhicules à roues avant ou survirage dans les véhicules à roues arrière.

Le budget sous-virement

Parfois, les dynamiques du véhicule se réfèrent au « budget de sous-virage » qui signifie la somme de toutes les contributions avec un montant établi pour chacune. On peut alors comparer ce montant au montant mesuré pour fournir une mesure sûre et analytique de la performance.

De nombreuses propriétés du véhicule affectent le gradient de sous-virage, notamment la rigidité de l'angle des pneumatiques, la poussée du cambre, le guidage de la force latérale, le couple auto-alignement, le transfert de poids latéral et la conformité dans le système de direction.

L'approche budgétaire du sousvirage décompose le gradient total du sousvirage en contributions individuelles de chaque système et composante, ce qui permet aux ingénieurs de déterminer quels facteurs ont le plus d'influence et où les changements de conception seront les plus efficaces.

Essais pratiques et collecte de données

Exigences d'instrumentation

Sur le wagon, il suffit de mesurer l'accélération latérale au centre de gravité (ou de l'extraire des accéléromètres à chaque essieu si nécessaire) et l'angle de braquage. Après cela, le rayon d'angle doit être connu et suivre une voie circulaire connue est assez simple.

Les essais modernes de véhicules utilisent généralement des systèmes sophistiqués d'acquisition de données qui enregistrent simultanément plusieurs canaux :

Sondes d'angle de direction: Mesure l'angle du volant ou de la roue de la route
Accéléromètre latéral: Mesure l'accélération latérale au centre de gravité du véhicule
Capteur de vitesse de la scie: Mesure la vitesse de rotation du véhicule autour de son axe vertical
Sondes de vitesse: Vitesse du véhicule de piste
Systèmes GPS: Fournir des données de position et peut calculer le rayon de trajectoire

Considérations relatives à l'exécution des essais

Une vitesse d'essai de 30 km/h est choisie pour des raisons de sécurité. Cette vitesse est relativement faible par rapport à la plupart des manœuvres sur piste; toutefois, un essai à faible vitesse réduit la probabilité de perte de contrôle. La sécurité doit toujours être la considération principale lors de l'exécution des essais dynamiques du véhicule.

Le véhicule est ensuite conduit à vitesse constante autour du cercle de rayon connu et des données enregistrées. Pour paramétrer l'effet, il est habituel de le faire pour une plage de vitesses et de rayons d'angle et obtenir une carte des performances de sous-direction.

Les protocoles d'essais professionnels comprennent généralement :

Redoublements multiples de chaque condition d'essai pour assurer la répétabilité
Essais dans les directions de virage à gauche et à droite pour identifier les asymétries
Conditions environnementales contrôlées (pavage sèche, température constante)
Procédures de réchauffement pour amener les pneus à la température de fonctionnement
Variation systématique des paramètres d'essai (vitesse, rayon, vitesse de direction)

Analyse et validation des données

Une fois les bonnes données enregistrées, la comparaison entre la voiture réelle et les simulations informatiques peut avoir lieu, et une comparaison rationnelle des données mesurées peut commencer. Il est bien sûr possible de tester un véhicule et d'en obtenir une description qualitative à partir de l'expérience, mais jusqu'à ce que les données numériques et la simulation soient comparées, tout est plutôt subjectif et manque de rigueur.

Les données d'essai physique valident les modèles de simulation, tandis que les simulations aident à interpréter les résultats des essais et à prédire le comportement dans des conditions difficiles ou dangereuses à tester physiquement.

Considérations avancées et effets non linéaires

Comportement limite par rapport au sous-virage linéaire/au-dessus du train

Il faut faire très attention à ne pas confondre le comportement du sous-virage avec le comportement limite d'un véhicule. La physique est très différente. Ils ont des implications de manipulation différentes et des causes différentes. Le premier est concerné par les effets de distorsion des pneus dus à des angles de glissement et de cambriolage, car des niveaux croissants d'accélération latérale sont atteints.

Le gradient linéaire de sous-virage décrit le comportement du véhicule à des accélérations latérales modérées où les pneus fonctionnent dans leur plage linéaire. À la limite, lorsque les pneus approchent ou dépassent leur capacité de frottement maximale, le comportement du véhicule devient hautement non linéaire et le gradient linéaire de sous-virage ne prédit plus avec précision la réponse.

Réponse transitoire et dynamique de la lacet

Bien que les essais en état d'équilibre révèlent des caractéristiques de manipulation importantes, la conduite en conditions réelles implique des transitoires constants – changements de vitesse, d'angle de direction et de conditions routières. La réponse transitoire du véhicule dépend de facteurs supplémentaires, notamment le moment d'inertie en lacet, l'amortissement de la suspension et la longueur de relaxation des pneus.

La réponse de la vitesse de lacet est particulièrement importante pour la perception de la qualité de la conduite par le conducteur. L'étude des caractéristiques dynamiques inhérentes au véhicule porte sur la réponse de la vitesse de lacet à un gouvernail périodique. Lorsque la fréquence de braquage est faible, la vitesse de lacet à gain de braquage est presque constante. À mesure que la fréquence de braquage devient plus grande, le gain du véhicule américain atteint un pic à une certaine fréquence, puis diminue.

Effets sur l'environnement et l'état de fonctionnement

En conduite réelle, il y a des changements continus de vitesse, d'accélération (freinage ou accélération du véhicule), d'angle de braquage, etc. Ces changements modifient constamment la répartition de la charge du véhicule, qui, avec les changements de température des pneumatiques et les conditions de surface de la route, modifient en permanence la force de traction maximale disponible pour chaque pneumatique.

Les facteurs qui influent sur la gestion du monde réel sont les suivants :

Conditions de surface de la route (sol mouillé, glace, chaussée accidentée)
Température et état d'usure des pneus
Chargement des véhicules (passager et distribution du fret)
Force aérodynamique à haute vitesse
Entrées de freins et d'accélérateurs pendant l'angle

Stratégies d'optimisation de la conception

Caractéristiques de manipulation des cibles

La plupart des véhicules de tourisme sont conçus avec un sous-virage doux pour assurer la stabilité et la sécurité. Lorsque la voiture entre dans un coin, il faut aussi un sous-virage léger pour assurer la stabilité pendant que le conducteur relâche les freins et renforce la force d'angle. Au milieu du coin, il faut un volant neutre.

Les voitures de sport et les véhicules de performance peuvent être conçus plus près de la direction neutre ou avec des caractéristiques de survirage doux pour assurer une manutention plus réactive.

Processus itératif de conception

L'optimisation de la manipulation du véhicule suit généralement un processus itératif:

Conception initiale:[ Calculer le gradient de sousvirage prévu en fonction de la répartition du poids cible, de la conception de la suspension et de la sélection des pneus
Simulation: Utilisez le logiciel dynamique du véhicule pour prédire le comportement de manipulation dans une série de conditions
Essais de prototype:[ Construire des prototypes physiques et effectuer des essais de manipulation normalisés
Analyse: Comparer les données mesurées aux prévisions et identifier les écarts
Refinement:[ Régler le réglage de suspension, le choix des pneus ou d'autres paramètres pour atteindre les caractéristiques cibles
Validation:[ Confirmer que les changements produisent les améliorations souhaitées sans effets secondaires négatifs

Méthodes d'écoute

Les ingénieurs disposent de plusieurs outils pour régler le solde du sous-virage/survirage :

Rigidité anti-rouleau: Changements rapides et réversibles à la distribution de la rigidité de roulis
Taux de printemps:[ affecte à la fois la qualité de la conduite et l'équilibre de la manutention
Sélection de pneus:[ Différents modèles ou tailles de pneus avant à arrière
Pression de sortie: Réglage fin selon les spécifications du fabricant
Paramètres d'alignement:[ Réglages des orteils, des cambriolages et des roulettes
Tayonnage de l'amplificateur: Influe sur les taux de réponse transitoire et de transfert de charge

Outils et logiciels de simulation

Plateformes de simulation dynamique des véhicules

Une quatrième façon de mesurer le sous-virage et le survirage consiste à utiliser des outils de simulation logicielles qui permettent de modéliser la dynamique du véhicule et l'interaction entre les pneus et les routes.

Les plates-formes de simulation communes utilisées dans l'industrie automobile comprennent:

CarSim: Largement utilisé pour la simulation de la dynamique du véhicule avec des modèles de pneus validés
MATLAB/Simulink: Plate-forme flexible pour modèles dynamiques de véhicules personnalisés
Adams Car: Logiciel de dynamique multicorps pour une analyse détaillée de la suspension
IPG CarMaker: Environnement complet de simulation du véhicule

Ces outils permettent aux ingénieurs d'explorer une large gamme de variations de conception et de conditions d'exploitation sans le temps et les dépenses de construction de prototypes physiques pour chaque itération.

Validation du modèle

Les modèles de simulation doivent être validés par rapport aux données d'essai physiques pour assurer la précision.Comme il est très important de valider les résultats obtenus à l'aide d'essais expérimentaux, le logiciel de dynamique du véhicule CarSim a été utilisé pour simuler ces essais. Un modèle de véhicule pour la Ford Expédition 2003 a été construit en CarSim et validé à l'aide de certaines manœuvres quasi statiques et dynamiques. Ce modèle a été utilisé pour la simulation des essais de gradient de sous-virage dans CarSim. Ce modèle a été sélectionné comme l'Expédition tombe dans la même classe de véhicules que le Outback et un modèle de véhicule bien validé nous donne confiance dans les résultats de simulation.

Le processus de validation consiste généralement à comparer les réponses simulées et mesurées pour les manœuvres standard, puis à ajuster les paramètres du modèle pour minimiser les écarts. Une fois validé, le modèle peut être utilisé avec confiance pour prédire le comportement dans des conditions qui n'ont pas été testées physiquement.

Incidences sur la sécurité et contrôle de stabilité

Considérations de stabilité inhérentes

Bien que le véhicule ne puisse pas augmenter l'accélération latérale, il est dynamiquement stable.Cette déclaration fait référence aux véhicules sous-virage à la limite. La stabilité inhérente au sous-virage est la raison pour laquelle la plupart des véhicules de tourisme sont conçus avec cette caractéristique — lorsque le conducteur moyen dépasse les limites du véhicule, le sous-virage fournit une réponse plus prévisible et plus gérable que le survirage.

En revanche, il n'est pas stable dans le plan en lacet s'il est surviré et conduit au-dessus de la vitesse critique. Les véhicules de survirage ont besoin de plus de compétences pour contrôler, particulièrement à la limite, et peuvent devenir instables si conduits au-dessus de leur vitesse critique.

Systèmes électroniques de contrôle de stabilité

Les véhicules modernes utilisent des systèmes de contrôle électronique de stabilité (ESC) qui peuvent modifier le comportement du véhicule en temps réel. Ces systèmes utilisent des capteurs pour surveiller l'angle de braquage, la vitesse de lacet, l'accélération latérale et la vitesse de chaque roue. Lorsque le système détecte que le véhicule ne répond pas comme prévu à l'entrée de direction du conducteur, il peut appliquer des freins individuels pour générer des moments de lacet correctif.

Les systèmes ESC ont considérablement amélioré la sécurité du véhicule, en particulier dans les manœuvres d'urgence et les conditions défavorables. Toutefois, les caractéristiques fondamentales du sous-virage/survirage du véhicule déterminent toujours son comportement de base et le degré d'intervention que le système de contrôle de stabilité doit fournir.

Études de cas et applications du monde réel

Conception des véhicules à passagers

Les voitures particulières typiques sont conçues avec des gradients de sous-virage de 2-6 degrés/g. Cela permet une manipulation stable et prévisible qui convient aux conducteurs avec des niveaux de compétence variables. Le sous-virage augmente avec l'accélération latérale, fournissant un avertissement naturel à mesure que le véhicule approche de ses limites – le conducteur doit appliquer progressivement plus de direction pour maintenir le virage.

Tuning de voiture de sport

Les voitures de sport de haute performance sont souvent conçues avec des gradients de sous-virage plus bas, parfois en approche de la direction neutre. Cela permet aux conducteurs qualifiés d'utiliser des techniques comme le freinage sur piste pour faire tourner la voiture dans les virages.

Considérations relatives aux véhicules commerciaux

Trucks and commercial vehicles present unique challenges due to their variable loading conditions. The understeer/oversteer balance can change significantly depending on cargo weight and distribution. The articulated vehicle is understeer if Ku is positive, neutral steer if it is equal to zero, and oversteer if it is negative. It is not stable in the yaw plane if it is oversteer and driven above the critical speed.

Les véhicules articulés (remorques-tracteurs) doivent être particulièrement pris en considération car la dynamique de la remorque est en interaction avec les caractéristiques de la manutention du tracteur, qui doivent être conçus avec un sous-virage adéquat dans toute leur gamme de conditions de chargement pour assurer la stabilité.

Tendances futures et technologies avancées

Systèmes de suspension actifs

Les systèmes avancés de suspension active peuvent ajuster les taux d'amortissement, la rigidité du ressort et même la hauteur de conduite en temps réel en fonction des conditions de conduite. Ces systèmes peuvent optimiser dynamiquement l'équilibre sous-virage/survirage, offrant un sous-virage stable pour une conduite normale tout en permettant des caractéristiques plus neutres ou même plus survirantes pendant la conduite en état d'esprit sur une piste de course.

Vétérinaire du couple

Les systèmes de vectorisation à couple peuvent répartir le couple de traction entre les roues gauche et droite (et les essieux avant et arrière des véhicules à roues entières) pour générer des moments de lacet qui améliorent la manutention. En appliquant plus de couple à la roue arrière extérieure pendant le virage, par exemple, le système peut réduire le sous-virage ou induire un survirage contrôlé pour aider le véhicule à tourner.

Direction arrière

Les systèmes de direction à quatre roues peuvent orienter les roues arrière en plus des roues avant. À basse vitesse, la direction des roues arrière en face des roues avant réduit le rayon de virage. À haute vitesse, la direction des roues arrière dans la même direction que les roues avant peut améliorer la stabilité et réduire l'effort de direction requis.

Incidences sur les véhicules autonomes

À mesure que les véhicules deviennent plus autonomes, les considérations traditionnelles de sous-virage/survirage peuvent évoluer. Les systèmes autonomes peuvent exécuter des entrées de contrôle précises beaucoup plus rapidement que les conducteurs humains, ce qui peut permettre aux véhicules de fonctionner plus près de la direction neutre ou même avec un léger survirage tout en maintenant la sécurité grâce à des corrections rapides et précises.

Conclusion

Le calcul et la compréhension des limites du sousvirage et du survirage sont essentiels à la conception et au développement du véhicule. Le gradient du sousvirage fournit une mesure quantitative des caractéristiques de manutention du véhicule qui peut être calculée à partir des paramètres de base du véhicule et validée au moyen de procédures d'essai normalisées.

Les ingénieurs doivent tenir compte de plusieurs facteurs lors de l'optimisation de la balance de manutention, y compris la répartition du poids, les caractéristiques des pneus, la géométrie de suspension et la distribution de la rigidité du rouleau.

Les véhicules modernes bénéficient de systèmes de contrôle de stabilité électroniques sophistiqués, mais les caractéristiques fondamentales du sous-virage/survirage demeurent cruciales pour la sécurité et les performances des véhicules. En calculant et en harmonisant soigneusement ces caractéristiques, les ingénieurs créent des véhicules stables, prévisibles et adaptés à leur utilisation prévue, qu'il s'agisse d'une berline familiale conçue pour une sécurité maximale ou d'une voiture de sport optimisée pour la performance sur piste.

La technologie automobile continue d'évoluer avec des systèmes de suspension actifs, le vecteur de couple et les capacités de conduite autonomes, les principes du sousvirage et du survirage continueront de fournir les bases pour comprendre et optimiser la dynamique du véhicule.

Pour de plus amples informations sur la dynamique des véhicules et l'analyse de la manutention, la Society of Automotive Engineers (SAE) fournit des ressources techniques considérables à https://www.sae.org, tandis que des normes d'essais détaillées peuvent être trouvées par l'intermédiaire de l'Organisation internationale de normalisation (ISO) à .