Appareil pour tester les pneus des voitures de course

Author(s):
Russell Aldridge - Brigham Young University
B. Taylor Newill - Brigham Young University

Industry:
Automotive, University/Education, Transportation, Research

Products:
DIAdem, LabVIEW, CompactRIO

The Challenge:
La connaissance des paramètres des pneus est primordiale pour le succès des voitures de course et l'achat de ces données à des fournisseurs tiers est très coûteux. L'équipe "Courses automobiles" de l'Université de Brigham Young a eu besoin de construire un système d'acquisition de données robuste, polyvalent et économique pour tester les paramètres clés des pneus dans des conditions de test difficiles.

The Solution:
En utilisant le matériel NI CompactRIO et le logiciel NI LabVIEW, nous avons été en mesure de construire une machine de test de pneus qui nous a fait économiser des milliers de dollars tout en nous donnant une longueur d'avance sur la concurrence.

 

Comment une équipe SAE universitaire peut-elle fabriquer une machine pour tester les pneus capable de fonctionner dans des conditions réelles (températures extrêmes, vibrations constantes, humidité et poussière), et tout en narguant, par son petit prix, les machines traditionnelles à un million de dollars ? Ils y parviennent en utilisant correctement le matériel de National Instruments. La machine pour tester les pneus conçue et construite par l'équipe de l'Université de Brigham Young est remorquée derrière un camion ou un 4x4 en utilisant la barre d'attelage. Ainsi, c'est aux ingénieurs automobiles de gérer l'alimentation des pneus. Un programme prédéfini permet de faire pivoter le pneu de gauche à droite d'un angle de 30° pendant que des jauges de contrainte et des thermocouples à infrarouge mesurent les forces en mouvement et les gradients de température résultants. NI CompactRIO constitue le cœur du système, piloté par le logiciel NI LabVIEW. Cette combinaison gagnante offre une solution robuste et économique à un problème épineux. 

Les données collectées sont utilisées pour générer un modèle mathématique de pneu complet. Ce modèle simule les performances d'un pneu de voiture de course et sert à définir la géométrie du véhicule et à prédire les caractéristiques des performances. Des facteurs de conception comme l'amortissement, la géométrie du train avant, les rebonds, la position du centre de gravité et les paramètres du pneu comme le carrossage et la chasse sont établis en utilisant des informations provenant du modèle du pneu. Quand on sait que la différence entre les temps de passage des meilleurs pilotes ne dépasse pas 0,2 %, on comprend que l'importance d'un testeur de pneu et d'un modèle de pneu précis est primordiale.  

Avantages du système

L'un des principaux avantages du testeur de pneus remorqué est la possibilité de tester des pneus dans des conditions réelles. Les machines de test de pneus coûteuses sont situées dans un bâtiment et utilisent une piste continue pour simuler la route avec un coefficient de friction extrêmement élevé. Les conditions ambiantes comme la température, les radiations solaires et le type de surface ne peuvent pas être prises en compte dans ce type de test. Le testeur remorqué est suffisamment robuste pour rassembler des données provenant de conditions réelles.

Le testeur que nous avons conçu est suffisamment simple et robuste pour pouvoir être utilisé par un(e) étudiant(e) moyen(ne) et suffisamment polyvalent pour être remorqué par son véhicule, quel qu'il soit. La fonctionnalité Web de la cible CompactRIO Real-Time le permet. N'importe qui, avec un PC portable et un navigateur Web, peut lancer le testeur en se connectant via un routeur sans fil au CompactRIO. La large gamme de tensions d'entrée du CompactRIO (de 11 à 30 V) permet au testeur d'être alimenté par n'importe quel véhicule en utilisant un attelage standard à 7 broches. 

Chaque fois que le testeur est connecté à une nouvelle source d'alimentation, il réétalonne automatiquement son système de mesure. La configurabilité du système permet à l'utilisateur de lancer toute une variété de programmes de tests ou de générer son propre cycle de test, permettant ainsi au système de personnaliser des modèles de pneus.

Conception du système

L'automatisation, la mesure et l'acquisition de données sont contrôlées par le CompactRIO de la manière suivante : lorsque le véhicule roule en suivant une ligne droite, l'angle de glissement varie en utilisant un actionneur linéaire contrôlé par un module relais de 4 voies. Le retour du système en boucle fermée est obtenu grâce à un potentiomètre linéaire.  Le potentiomètre est alimenté via une carte de sortie analogique (±10 Vdc), et la différence de tension est mesurée en utilisant l'une des quatre voies d'une carte d'entrée analogique (±80 mV). La tension de sortie provenant du potentiomètre, étalonnée par un timer, permet de faire pivoter le pneu dans sa gamme de mouvement, entre deux butées de fin de course. La tension à chaque butée est enregistrée et l'angle du pneu est calculé en utilisant un nœud LabVIEW MathScript qui convertit ce signal de tension en une mesure de degré. 

Les jauges de contrainte mesurent les forces appliquées par le pneu à différents angles de glissement dans des directions latérale ou longitudinale.  La tension d'excitation est fournie par une carte de sortie analogique (±10 V) vers deux ponts de Wheatstone complets et un demi-pont. Les différentiels de tension entre les ponts sont mesurés en utilisant une carte d'entrée analogique à 4 voies (±80 mV). 

Une carte d'entrée analogique basse tension mesure également les différentiels de tension créés par les thermocouples à infrarouge. Ces thermocouples enregistrent la température sur la bande de roulement et la bande latérale du pneu. Un système GPS transmet la vitesse, la distance et la direction au CompactRIO via un port série RS-232 communiquant à 19 200 kbps. 

La cible FPGA a été programmée avec quatre boucles synchrones parallèles et 32 E/S. La cible temps réel a été programmée de la même façon et était chargée du conditionnement de signaux. Au niveau temps réel, le seul aspect qui devait être contrôlé de façon déterministe était la boucle d'enregistrement de données.  Le déterminisme de l'enregistrement de données était nécessaire pour visualiser les effets delta sur les paramètres essentiels. Une boucle cadencée fonctionnant à 50 Hz a été ajoutée pour atteindre cet objectif. Les chaînes de données générées sont concaténées avec un GPS et un système d'horodatage, puis écrites en mémoire flash, avant d'être récupérées via le serveur FTP CompactRIO. Les fichiers de données sont enregistrés au format CSV et les données sont ensuite analysées et font l'objet d'un rapport en utilisant le logiciel DIAdem. 

Une petite interface utilisateur graphique avec onglets (700 x 400 pixels) donne à l'utilisateur un accès rapide aux paramètres essentiels comme la température du pneu, les mesures de force, la vitesse et la position. L'utilisateur est aussi capable de contrôler quels programmes de test sont lancés, à quel moment l'enregistrement de données commence, ainsi que le nom du fichier de données. Tous ces systèmes fonctionnent ensemble pour réaliser une plate-forme de test de pneus fiable, capable de mesurer avec précision les paramètres des pneus des voitures de course.

Construire un testeur de pneus semblable aux machines utilisées par les sociétés de tests de pneus professionnels avec un budget limité aurait été impossible. Avec l'aide du logiciel et de l'équipement NI, l'équipe "Courses automobiles" de l'Université de Brigham Young a créé un testeur de pneus automatisé en faisant des économies suffisantes pour pouvoir construire une voiture de course.

Novembre 2007

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Russell Aldridge
Brigham Young University
486 CTB,
Provo, UT 84604
russellaldridge@gmail.com

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