2016
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Poly eRacing Document de Design
Polytechnique Montréal
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epuis 2009, l’équipe travaille sans relâche pour développer et fabriquer des voitures de course de style formule, entièrement électrique. Notre premier prototype nous a pris 3 ans à développer. Ce fut un grand défi au niveau technique et organisationnel. Avec une équipe d’environ 40 membres et un budget de près de 100 000$, nous avons beaucoup plus à gérer que la fabrication de la voiture. À l’été 2012, l’équipe est allée compétitionner en Allemagne à la prestigieuse Formula Student Germany. De retour à Montréal, l’équipe était déterminée à apprendre de ses erreurs et de continuer le projet pour que le prochain véhicule soit plus compétitif. Le développement du prototype 2015 fut axé sur l’apprentissage de nouvelles compétences pour nos membres, afin de parvenir à une réduction du poids du prototype: impression additive, matériaux composites variés, utilisation de panneaux sandwich, optimisation topologique, et simulation de temps de tour et ajout d’un ensemble aérodynamique. Les choix risqués que nous avons pris nous ont valu la première place sur les 4 équipes inscrites à la Formula North (Barrie, Ontario) ainsi qu’en troisième place à la Formula SAE Electric (Lincoln, Nebraska), sur les 20 équipes inscrites. Le prototype 2016 représente une amélioration de la version 2015 dans l’optique d’augmenter la fiabilité de la voiture. C’est pour cela que nous avons réussi à concevoir, fabriquer et assembler ce prototype en 10 mois, alors que le premier prototype a pris 3 ans, et que le second a pris 2 ans. La prochaine étape? Tester la voiture, valider nos choix de conception et la fiabilité du véhicule, puis performer lors des compétitions.
Le véhicule est le fruit de plus de 7 ans de développement et de dépassement de soi, entièrement bénévole, par des étudiants passionnés.
Julien Guay Directeur POLY eRacing
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CHÂSSIS
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e châssis est le squelette de la voiture et sa fonction principale est de garder tous les systèmes en place ainsi qu’assurer la sécurité du pilote en cas d’accident. Pour être le plus performant possible, il est important que le pilote soit confortable dans l’habitacle de conduite. Ce dernier a été conçu à l’aide d’un modèle 1:1 afin d’être personnalisé pour nos pilotes. Le châssis tubulaire 2016 est fait d’un alliage d’acier chromoly 4130. Les tubes sont découpés professionnellement et sont ensuite assemblés et soudés au TIG par l’équipe ainsi que des étudiants d’une école de soudure à Joliette, QC. Il est important que le châssis soit suffisamment rigide pour bien transmettre les efforts de suspension sans tordre, sans quoi l’optimisation de la suspension ne servirait à rien. Cette année, l’emphase a été mise sur le développement en parallèle des différents systèmes, ce qui a grandement diminué les espaces perdus. Comparativement au châssis 2015, le châssis 2016 est plus court, lui permettant de perdre 3 kg par rapport à son itération précédente ainsi que de corriger sa distribution de poids.
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La triangulation de côté a été améliorée, ne laissant plus de zones en quadrilatère, permettant ainsi un transfert des efforts plus efficace à la structure principale. De plus, le châssis 2016 est significativement plus court. Ceci améliore la distribution de poids avant/arriere, la rapprochant de 50/50.
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2015
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FREINAGE
e système de freinage est divisé en 3 sous-systèmes: la pédale d’accélération, la pédale de frein et les disques de freins. La pédale d’accélération transforme le mouvement du pied du pilote en signal électrique par 2 potentiomètres redondants. Les ressorts en torsion donnent le feedback de la pédale au pilote. La pédale de frein est plus légère et plus simple que celle de l’année passée. Les cylindres maîtres montés sur pivots réduisent la longueur du système de pédale. Ils servent à convertir la force du pilote en pression hydraulique sur les lignes de freins. Cette pression est divisée à l’avant et à l’arrière de la voiture et peut être divisée également ou ajusté par le pilote lors de la conduite. La pression est ensuite transférée aux étriers qui compressent les disques de freins, ralentissant la voiture.
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TRANSMISSION DE PUISSANCE L
e système de transmission de puissance sert à rapporter la rotation du moteur au roues arrières pour propulser véhicule. Il comporte le moteur, l’arbre de transmission, les engrenages et la chaîne, le différentiel, ainsi que les demi-arbres. Le moteur est un Enstroj Emrax 228 qui produit 80 kW et pèse 12 kg. Il a été choisi pour sa grande puissance spécifique. La vitesse de rotation du moteur étant trop élevée pour la porter directement aux roues, une réduction de 3:1 est appliquée. Le couple est alors transmis au différentiel, qui le distribue aux roues arrières. Comparativement au système de 2015, celui de 2016 est plus simple, plus léger et plus facile à ajuster. Les pièces conçues par l’équipe sont faites d’aluminium pour les supports et d’acier pour l’arbre de transmission. La chaleur provenant du moteur et de son contrôleur est dissipé à l’aide d’un système de refroidissement à l’eau et de 2 radiateurs, un de chaque côté du véhicule.
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DIRECTION
e système de direction transfère le mouvement circulaire des mains du pilote à la crémaillère. Cette dernière le transforme en mouvement linéaire, tournant ainsi les roues au tour de leur axe respectif. Le système est constitué d’un volant, d’un double joint universel, d’une colonne et d’une crémaillère. Le tout est rigidement soutenu au châssis par un support. Le volant est fait d’un sandwich d’époxy renforcé d’aramide. Ceci procure au volant une bonne rigidité, une isolation électrique ainsi qu’une faible masse. Toutes les composantes, mis à part le déclencheur rapide, le joint universel et la crémaillère, sont de conception étudiante. Fabriquées d’acier pour sa soudabilité, la majorité des pièces sont fabriquées par des ateliers d’usinage près de Montréal.
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Suspension avant
SUSPENSION
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e système de suspension est divisé en 4 sous-assemblages, un à chaque roue. Son but est d’assurer un contact ininterrompu du pneu avec la route et de transmettre au pilote une rétroaction afin de lui permettre de conduire le plus vite possible et en confiance. Chaque assemblage a les mêmes composantes. À partir de la roue, deux bras triangulaires lient le porte-fusée au châssis. Ils dirigent le movement de la roue relatif au châssis et reprennent de la force lors de la conduite. Liée à un des bras triangulaire, la tige de poussée transmet la force verticale de la roue au levier. Celui-ci a deux fonctions : premièrement, il actionne l’amortisseur et le ressort, deuxièmement, il actionne la barre antiroulis qui lie le côté droit et gauche de la voiture afin de limiter le roulis lors de virages. Toutes les composantes sont faites par l’équipe à l’exception des amortisseurs Öhlins TTX MKII, les paliers lisses ainsi que les embouts sphériques. Beaucoup de simulation sont nécessaires dans la conception d’un système de suspension. Dans le but de travailler rapidement, beaucoup d’efforts on été mis afin de simplifier le système. Comparativement au dernier prototype, celui-ci peut être approximé par un modèle 2D, nous permettant de créer nos propres outils de simulation et donc de mieux comprendre la dynamique du véhicule.
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Suspension arrière
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Moyeu avant
Moyeu arrière
Les moyeux avants et arrières sont fabriqués par impression 3D de titane.
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SYSTÈME DE ROUES L
e système de roues comporte toutes les pièces qui lient la suspension à la route. En partant de cette dernière, il y a le pneu, la jante, le moyeu, les roulements et finalement, le porte-fusée. Les pneus sont choisis à l’aide de simulations faites par l’équipe afin de minimiser le temps au tour. Les jantes, quant à elles, sont choisies pour leur faible masse et leur construction éprouvée. Pour les prototypes 2015 et 2016, seulement le moyeu et le porte-fusée sont conçus par l’équipe. La première est topologiquement optimisée, puis imprimée en alliage de titane (Ti6Al4V). La seconde est plus simple, soit un assemblage mécanosoudé de feuilles d’acier découpées au laser. Pour assurer une rotation de la roue adéquate, des roulements à billes à contact angulaires sont employés. Ses roulements sont jumelés à un système d’étanchéité afin d’éviter que les débris compromettent la qualité de roulement.
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BOITE DE BATTERIE L
a boîte de batterie comprend toutes les composantes mécaniques nécessaires afin que les cellules soient entreposées de façon sécuritaire dans l’automobile. Il englobe également tous les connecteurs, les fils électriques et autres éléments permettant de transmettre la puissance des batteries jusqu’au moteur. Le design de la boîte de batterie commence par la prise de décision sur l’emplacement de celle-ci. Pour les prototypes de 2015 et 2016, le siège du pilote fait partie intégrante de la boîte de batterie. De cette façon, les 2 parties les plus lourdes du véhicule, soit les cellules et le pilote, sont au même endroit. Ceci aide à concentrer la masse au centre du véhicule. Cette boîte est entièrement assemblée par l’équipe. Les feuilles de métal coupées au laser sont soudées par point et les modules de cellules sont insérés dans la structure.
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AÉRODYNAMIQUE
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e but principal du kit aérodynamique est d’apporter un appui supplémentaire au véhicule afin d’atteindre des vitesses plus élevées lors des virages. Cela permet, au final, de réduire le temps au tour. Cette année, le kit est constitué de trois parties principales; le diffuseur, l’aileron avant et l’aileron arrière, toutes conçues grâce à des analyses CFD permettant d’atteindre des valeurs importantes de déportance tout en restant sous la limite de traînée déterminée par les autres paramètres de conception. Toutes les composantes sont faites de fibre de carbone, pour son ratio résistance/poids élevé, et sont fabriquées par les membres de l’équipe. L’aérodynamique du véhicule est développée en étroite collaboration avec le système de suspension afin d’assurer stabilité et performances dans toutes les situations.
La silhouette de l’aileron arrière a été dessinée pour rappeller la coque au nez de la voiture.
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TABLEAU DE BORD L
e tableau de bord sert à communiquer de l’information au pilote tel que l’état de charge des batteries, la vitesse de la voiture et les erreurs ayant pu survenir, tout en lui permettant d’activer certaines fonctions telles que le contrôle de traction. De plus, ce module sert à récolter les diverses informations pertinentes sur les différents modules présents dans la voiture. Il communiquera ensuite cette information à l’équipe via communication Wi-Fi pour pouvoir analyser les performances de la voiture et du pilote dans le but d’améliorer certains réglages, éléments de design ou techniques de conduite. Le module de tableau de bord récolte aussi lui-même certaines informations. En effet, un module GPS (Global Positioning System) ainsi qu’un accéléromètre et gyroscope sont installés sur le circuit imprimé. Un capteur relié aux roues avant fournit la vitesse de la voiture. Finalement, une carte SD (Secure Digital) permet d’enregistrer les données avant de les transmettre pour assurer que les données ne soient pas perdues. Ce système, compact et dense en fonctions, améliore grandement la capacité d’analyse de l’équipe afin d’améliorer la performance de notre véhicule et de guider la conception du prochain modèle.
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SYSTÈME ÉLECTRIQUE L
e système de haute tension (HVS) assure l’interface entre les systèmes haute tension et basse tension de la voiture. Ils servent principalement à assurer la sécurité face à la haute tension des batteries et à l’alimentation des systèmes basse tension de la voiture. Ce système indique s’il y a de la haute tension présente à l’extérieur de la boîte de batterie, afin d’assurer la sécurité des utilisateurs de la voiture. Les HVS contiennent aussi des circuits de précharge et de décharge assurant la protection des systèmes contre les afflux de courants lors du démarrage de la voiture. Il peut détecter tout problème d’isolation entre la haute tension, les circuits de basse tension et le châssis de la voiture. Un microcontrôleur permet de contrôler et surveiller l’alimentation basse tension des autres systèmes de la voiture. De plus, il contrôle la recharge de la batterie basse tension lorsque la batterie haute tension est connectée. Finalement, il communique avec les autres systèmes grâce à un bus CAN afin d’harmoniser le fonctionnement de la voiture.
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MERCI À NOS PARTENAIRES Nous tenons à remercier tous nos partenaires passés, présents et futurs qui nous ont permis de réaliser ce merveilleux projet et de faire des apprentissages, utiles pour toute notre vie.
CIRCUITS Inc.