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Ford modélise le bruit des chaînes de transmission

Industrie et  Technologies
Ford Motor a utilisé le logiciel Maple pour comprendre le comportement vibratoire et l'origine de bruits dans un prototype de transmission de puissance à chaîne. Il en a dérivé un outil de conception prédictive.


Comme d'autres constructeurs automobiles, Ford Motor est confronté à un problème récurrent : la présence de bruits et de vibrations permanents dans les systèmes de transmission par chaîne, utilisés notamment pour synchroniser la distribution de ses moteurs ou transmettre de la puissance. Ces systèmes sont efficaces, mais les bruits et vibrations indésirables qu'ils produisent ont toujours posé problème. Cela a été le cas quand les équipes Ford ont détecté, dans un nouveau prototype de transmission de puissance, un bruit de chaîne important situé dans des fréquences comprises entre 1 800 et 1 900 Hz. Les niveaux de pression sonore étaient de 10 à 15 dB au-dessus des valeurs nominales et la cause du phénomène était inconnue.



Chez Ford, une équipe formée de Jack Liu, Das Ramnath et Rajesh Adhikari s'est attachée à comprendre l'origine de ce bruit et à élaborer des modèles analytiques simples destinés à calculer rapidement les résonances du système de transmission par chaîne.

Les recherches expérimentales faites précédemment ont établi que le bruit issu de l'interface chaîne-pignon constituait la source de bruit la plus importante, et ont suggéré qu'il devait exister un lien important entre ce bruit et les paramètres dynamiques des transmissions à chaîne, tels que le régime, la tension, la masse, et le pas de la chaîne, l'inertie du pignon, ainsi que les fréquences propres du système chaîne-pignon. L'équipe Ford a alors décidé de tenter d'établir une prévision analytique de la résonance d'un système de transmission par chaîne en postulant que l'existence de résonances de chaîne est susceptible d'amplifier la propagation du bruit issu de l'interface chaîne-pignon.

Trois types de résonance

L'équipe de recherche a commencé à analyser les données de test de bruit de chaîne qu'elle a comparées au modèle mathématique théorique. Cette étude a révélé qu'il existait trois types de résonance de chaîne : la résonance transversale du brin ; la résonance longitudinale couplée chaîne-pignon et la résonance d'onde de contrainte longitudinale de chaîne.

Pour faciliter les calculs et des analyses complexes qu'exige l'élaboration de ces modèles avancés, Ford a utilisé le logiciel mathématique Maple de MapleSoft dont les puissants solveurs mathématiques symboliques et numériques ont servi à la modélisation du système physique nécessaire à la compréhension du comportement vibratoire. La résolution des équations différentielles partielles utilisées dans le modèle s'est déroulée rapidement et sans problème grâce aux fonctions spécialisées de Maple. L'analyse des résultats, par exemple les fonctions propres qui représentent les modes correspondant aux fréquences de résonance naturelles, n'aurait pas été possible sans les fonctions étendues de représentation graphique de Maple. En outre, grâce aux fonctions uniques de documentation de Maple, Ford a pu publier des feuilles de calcul et des rapports intégrés pour assurer une diffusion simple et pratique de ces résultats dans l'ensemble de l'entreprise.

En utilisant Maple, Ford a été en mesure de valider les prédictions du modèle mathématique par rapport à un modèle construit avec Abaqus/CAE et à des résultats de tests expérimentaux. Le constructeur automobile a également créé un outil de conception prédictif destiné à l'élaboration de modèles analytiques et à la prévision de la dynamique propre aux systèmes de transmission par chaîne en utilisant les composants intégrés (Embedded Components) de Maple, et notamment les curseurs, afin de modifier interactivement les variables de conception. Cet outil de conception permettra à d'autres techniciens d'effectuer rapidement et en toute simplicité des prévisions concernant les résonances des transmissions par chaîne.

Identifier précisément la source des bruits

« Nous avons été extrêmement surpris par la puissance de Maple. Sa puissance d'analyse et ses fonctions de modélisation nous ont garanti le niveau de précision que nous souhaitions obtenir » explique Jack Liu. « J'ai apprécié tout particulièrement les composants intégrés et le rôle qu'ils jouent dans la conception des interfaces graphiques pour l'utilisateur. La capacité de Maple en matière de mathématiques symboliques dépasse celle des autres outils d'IAO dans les domaines où nous l'avons utilisé ».

L'équipe Ford a ainsi réussi à identifier avec précision l'origine de la source de bruit de fréquence 1 800 Hz et du pic sonore qui posait problème. En associant les fréquences propres transversales et longitudinales, les modèles analytiques ont prévu la résonance de chaîne longitudinale à 1 800-1 900 Hz qui a été observée dans les données de test de chaîne. L'équipe en a conclu que pour concevoir des systèmes de transmission par chaîne silencieux et équilibrés, les ingénieurs doivent parfaitement maîtriser tous les types de résonance. Ford prévoit actuellement d'élaborer des modèles analytiques capables de faire des prévisions concernant la mécanique des systèmes d'entraînement par chaîne en utilisant Maple.

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : http://www.maplesoft.com

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