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Renault évite les grippages avec Maple

Jean-François Preveraud
Renault évite les grippages avec Maple

Estimer l'évolution de la température du film d’huile en fonction du temps

© DR

Le constructeur automobile utilise ce logiciel mathématique pour estimer les risques de grippage de ses moteurs prototypes.

La Direction de la Mécanique de Renault a développé un modèle prédictif de grippage, de type 0D-1D, en s’appuyant sur le logiciel Maple de l’éditeur MapleSoft. Le constructeur automobile évite ainsi les surcoûts, estimés entre 1 et 2 millions d’euros, lorsque le premier prototype d’un moteur présente un comportement de grippage.

Le phénomène de grippage peut intervenir dans de nombreux systèmes mécaniques complexes. Il résulte d’un déséquilibre thermique fort entre l’énergie fournie et l’énergie dissipée et se matérialise sous différentes formes, comme par exemple : une augmentation brutale du coefficient de frottement ; l’échauffement et la destruction des pièces mécaniques en contact ; et/ou le blocage des mouvements du système mécanique.

Eviter ce type de défaillance constitue un enjeu majeur pour les concepteurs de moteurs thermiques, chez les constructeurs automobiles, car le premier prototype présente un comportement de grippage, cela engendre des retards et des coûts supplémentaires très importants.

Les causes du grippage d’un système peuvent être multiples : jeu trop faible ; jeu trop fort ; surface agressive ; pollution de l’interface… Une chose est sûre, un modèle permettant de prédire le grippage et d’aider à faire des recommandations sur la conception est un atout critique pour le concepteur.

Décrire le comportement en fonction du temps

L’objectif de ce modèle, est de décrire le comportement physique global d’un système mécanique lubrifié, en calculant le comportement du système en un nombre de points limité et pour les quantités physiques nécessaires à la prédiction du grippage.

Ce type de modélisations, aussi appelées modélisations 0D-1D, se concentre sur la description du comportement physique en fonction du temps. Pour être plus rigoureux nous devrions parler de systèmes dynamiques. Contrairement aux modélisations détaillées, telles que les éléments finis, elles permettent une bonne interprétation physique des résultats et offrent également des possibilités d’optimisation bien plus puissantes et plus rapides. 


                                

                  Modèle 3D de l'assemblage tourillon de vilebrequin/bielle 
            qui a servi de support pour mettre au point le logiciel d'évaluation.


Le modèle développé par Renault est constitué de deux parties. La première partie sert à constituer des tables de données à partir d’une modélisation déjà existante de la lubrification. La seconde partie traite des aspects relatifs à la thermique en s’appuyant sur les tables mentionnées précédemment. Physiquement l’ensemble des modélisations, considère deux surfaces mécaniques cylindriques en situation de lubrification mixte.

Les phénomènes physiques en jeu sont très complexes :
 

  • Lubrification (Equations films rugueux minces visqueux à faible nombre de Reynolds) ;
     
  • Cavitation (Changement de phase dans le film d’huile) ;
     
  • Fluides non Newtoniens (piezo-viscosité et effet du taux de cisaillement) ;
     
  • Couplage élasticité paroi ;
     
  • Cisaillement d’huile (échauffement) ;
     
  • Microcontacts engendrant du frottement (échauffement par microcontacts) ;
     
  • Conduction et convection forcée (Thermo fluide). 

Le modèle est construit en décrivant l’ensemble de ces phénomènes à partir de leurs équations dans le logiciel Maple. A ce titre une partie des équations décrivant la thermique sont illustrées sur la figure 2. L’écriture des équations est largement facilitée avec l’interface document technique de Maple, qui permet l’écriture naturelle d’expressions mathématiques. 


                                   

                                Une partie des équations de comportement thermique 
                                       dans les différents constituants du système.
 

Le modèle paramétrique construit avec Maple permet de prévoir les risques de grippage et de mieux comprendre son mécanisme. La ‘‘surchauffe’’ et le grippage qui s’ensuit interviennent en un temps très court, mais il est aussi important de bien connaître les conditions qui mènent à la ‘‘surchauffe’’ parfois sur de longues durées. Egalement le modèle 0D/1D construit avec Maple permet de construire des cartographies du grippage en fonction de multiples paramètres. Plus généralement il permet de prédire le comportement au grippage en fonction d’un jeu donné de paramètres.

« Le modèle paramétré construit avec Maple permet d’appréhender plus de physique dans les modélisations de phénomènes et ainsi apporter des réponses là où les codes classiques n’apportent rien » rapporte Jean-Louis Ligier, Responsable R&D à Direction de la Mécanique chez Renault. « Cette approche permet de faire des itérations rapides pour construire des cartographies ou des analyses de sensibilité et à répondre, dans des délais très courts, aux nouveaux challenges que tout développement industriel concurrentiel doit relever ».

Jean-François Prevéraud

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

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