Première version: 2011-05-10
Dernière version: 2014-04-09
Développons un quad électrique tout terrain, nommé "Tesla Girl".
Le cahier des charges de ce véhicule est de participer au Morvan TT
deuche.
N'ayant pas a être homologuée, nous pouvons nous lâcher question
conception!
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Ce terrain est principalement composé de grosses côtes, voir des marches de 3 m de haut. Le but serait de pouvoir démarrer dans une pente de 90%, donc disposer d'un couple phénoménal. Si on arrive à monter une cote de 60% à 4 personnes c'est déjà pas mal.
Il y a donc forcément de très grosses descente, il faudra pouvoir conserver la même vitesse grâce à un frein moteur, l'utilisation de freins mécaniques risquant d'entrainer un blocage des roues d'où une perte de contrôle et de freinage.
Le terrain peut être sec (grosse adhérence, casse des différentiels
bloqués) comme gras (les roues s'enfonçant dans 40 cm de boue) ce qui
renforce encore la résistance à l'avancement.
Dans les alligators (trous dans un ruisseau), on roule dans 60 cm à 1m d'eau,
il faut donc un système complètement étanche y compris dans le chassis en
hauteur.
La vitesse maxi peut être de plus de 100 km/h sur les pistes roulantes, mais ce n'est pas le but de ce terrain, qui plus est c'est très dangereux, nous nous bornerons à rester dans les pentes et les bosses, vitesse maxi 50 km/h.
Vu les conditions dantesques en cas de boue, le 4 roues motrices est obligatoire pour faire du trial. Dans la montée impossible, il y a 2 croisements de pont où se sont plantés tous les véhicules sans blocage de différentiel, ce dernier est donc obligatoire, de préférence sur les 2 essieux, mais sur l'essieu arrière en priorité (le plus chargé dans les montées en marche avant).
Le but est de transporter 4 personnes, soit 350 kg.
Le poids à vide maxi avec toutes les batteries a été défini arbitrairement à 350 kgs, pour ne pas dépasser les 700 kgs en pleine charge.
La tesla Girl a été modélisé dans le classeur C&P, il en ressort :
Pour une version de pente moins sévère (45%) ou une charge moins importante (130 kg), on descend à 9 kW et 1000 N.m de couple. Ces valeurs sont à utiliser en cas de difficultés à tenir trop de couple sans réducteur.
Nous partirons sur un plus réaliste 1000 N.m de couple au démarrage, sur une plage allant jusqu'à 10 km/h.
Il faut prévoir une régénération dans les pentes extrêmes de 100 kW.
L'architecture de la Tesla Girl doit donner un véhicule le plus léger possible, et paraissant dépouillé de tous ses accessoires non indispensables.
Par exemple, les barres de directions limitent le débattement et pètent en cas de choc contre le rocher, à virer, la direction se fera par gestion de la vitesse des moteurs à droite et à gauche (permet d'avoir 4 roues directrices et de tourner sur place). La crémaillère disparait, moins de poids, on peut utiliser un train arrière (traverse et bras) à l'avant, en renforçant la traverse et les bras pour le cas où on tape en frontal.
Les transmissions sont aussi une cause de fragilité et de poids supplémentaire, un gros limiteur du débattement, à virer. Le moteur-boite disparait également. Les moteurs seront dans les roues.
Il n'y a donc plus besoin des longerons avant et arrière, qui disparaissent aussi. Les obstacles seront avalés plus facilement par les roues avant et arrière, sans gêne.
La suspension avec ses gros pots de suspension est une gêne aussi à un débattement complètement libre et pourquoi pas un réglage manuel de la hauteur plateforme. Si possible, essayer de concevoir un combiné ressort-amortisseur magnétique et génération électrique qui serait placé dans la traverse. L'interaction avant-arrière pourrait être retrouvée via l'électronique. Ces suspensions devront aussi compenser le couple non suspenseur généré lors des accélérations et freinages par le principe des bras tirés à l'arrière (soulève la plateforme à l'accélération, la baisse lors des freinages, mais c'est l'opposé du transfert de masse donc peut-être pas nécessaire) et bras poussés à l'avant (inverse de l'arrière, un gros freinage fait monter la plateforme à l'avant, lors des essais chez Citroën le tangage était suffisamment important pour nécessiter l'utilisation de freins In-board). Normalement c'est la dureté du ressort qui est modifiée temporairement.
Pour les freins, pour éviter la présence d'une pédale de frein (le volant ayant disparu, rien n'empêche d'utiliser un joystick ou un I-Phone pour une commande à distance de la Tesla Girl), on essaiera d'avoir des moteur roue régénérateur et immobilisateur en même temps. Mais pour des raisons de sécurité, ne serait-ce que le temps de fiabilisation du prototype, il faut conserver des freins à tambours sur les 4 roues, avec pourquoi pas 2 maitres cylindres permettant de conserver un semblant de direction avec un circuit par côté du quad => 2 pédales de secours.
Si possible, pas de bassine ou le minimum, juste pour protéger un peu les occupants des projections de boue. La bassine sera facilement retirable pour ne laisser apparent que le chassis nu. Penser à faire léger.
Un arceau de sécurité amovible pour tenir un retournement en protégeant les 4 occupants, ce qui implique 4 sièges avec harnais de sécurité. Ca chiffre vite question poids et prix. Ou alors s'en tenir à du tout terrain tranquille en mode 4 personnes, donc sans arceau.
Des garde boue montés sur les roues, enveloppants derrière avec bavettes pour les rochers, et assez ouverts sur le devant pour taper un mur vertical sans toucher le garde boue. Mêmes gardes-boue devant et derrière.
Seule la traverse arrière placée à l'avant et ses bras seront renforcés.
La baisse de poids conjuguée à l'utilisation d'une plateforme prévue pour un poids supérieur suffit à obtenir un renfort de l'ensemble.
Nous rentrerons dans l'eau, il y a de gros risques de contact accidentel des
conducteurs électriques avec l'eau, il ne s'agit pas de transformer l'ensemble
en chaise électrique. Nous nous limiterons à moins de 50 V, c'est à dire 4
batteries de 12V pour atteindre 48 V. Au niveau sécurité on pourrait aller à
100 V pour la tension continue, 50 V pour la tension alternative.
Voir la feuille 'poids' du classeur TeslaGirl.ods. Entre 350 et 400 kg à vide, charge utile adaptée pour ne pas dépasser les 700 kg en pleine charge.
C'est le moteur synchrone sans balais à inducteur à aimants permanents (MSAP) qui sera utilisé, pour son couple en version discoïdal et son faible encombrement.
Avantages de ce moteur : rendement (l'inducteur, constitué par des aimants
permanents, ne consomme pas de courant inutile), poids léger (si utilisation
d'aimants suffisamment puissants).
Désavantage : coût et complexité (aimants efficaces mais chers et difficiles
à manipuler, contrôleur complexe à mettre en oeuvre et utilisant des IGBT
encore assez chers).
Le MSAP nécessite un contrôleur, qui se charge dans sa partie hacheur de
faire varier la tension d'alimentation du moteur (donc la
vitesse moteur et le couple demandé), et dans sa partie distributeur de
répartir l'alimentation entre les différentes phases, tout en gérant
l'avance à la phase.
Conception du moteur
Comme ça reste un prototype, on ne peut pas dans un premier temps se passer du freinage mécanique. Comme je part sur 2 trains arrière, donc tambours sur les roues, il me faudra concevoir un moteur extérieur au tambour car :
- Pas de place à l'intérieur, tout pris par le système de freinage (sauf un système pignon conique et un petit moteur de modélisme en bas)
- Gain de couple en plaçant l'inducteur loin du centre de rotation
Architecture discoïde, avec les aimants placés perpendiculairement à l'axe de rotation, pour ne pas être soumis à la force centrifuge dans le plan de passage du flux magnétique (on peut ainsi les retenir par le haut, en mettant de la matière de retient, sans que ça augmente l'entrefer). Le flux est donc axial.
D'après les calculs vus ici, à 70 km/h la roue tourne à 633 rpm.
à suivre...