Épreuve E4 - BTS CPI - Sous-épreuve U42 - juin 2022

Mise en situation

Le E-SPIDER développé par la société SWINCAR est un véhicule tout terrain électrique permettant de se déplacer sur des chemins très escarpés. Ce véhicule pendulaire a pour vocation la pratique de la randonnée motorisée en milieu montagnard pour le grand public et facilement accessible aux personnes à mobilités réduites (PMR).

Le principe de la pendularité se résume en deux points :

1 - L’ensemble de la nacelle, sur laquelle le pilote prend place, est articulé autour d’un axe de rotation situé au dessus du centre de gravité. Ainsi, tout naturellement, la nacelle voudra se positionner verticalement à faible vitesse et s’incliner dans les virages pour ne pas faire subir les effets d’inerties au pilote (Fig. 4).

L’axe d’inclinaison des roues doit passer sous le point de contact entre la roue et le sol afin de permettre à cette dernière de s’incliner dans le même sens et parallèlement au plan médian de la nacelle (ce parallélisme est légèrement modifié suivant le nivellement du terrain et éventuellement le rayon de braquage en virage). La réaction du sol sur le véhicule est ainsi dirigée vers l’intérieur du véhicule (Fig. 4). Cet effet génère un braquage induit.

Pour corriger ce braquage induit sur l’organe de direction, la commande du volant s’effectue autour de l’axe de rotation longitudinal, rendant ainsi indépendant l’inclinaison du véhicule et le braquage. Le pilote conserve ainsi les sensations de pilotage d’une automobile (Fig. 5).

Le E-SPIDER fonctionne suivant 5 axes (voir Fig. 7) :

• axe longitudinal de la nacelle : axe de la liaison pivot entre la nacelle et les traverses centrales (AV et AR) ;
• axe pivot de direction : axe de la liaison pivot entre les traverses et les jambes cintrées ;
• axe pivot inclinaison de roue : axe entre la jambe cintrée et l’organe de suspension ;
• axe de suspension (ici un ROSTA) : axe entre le composant de suspension et le bras de roue ;
• axe de roue : axe de rotation de la roue par rapport au bras de roue.

Le véhicule est mis en mouvement par des moteurs brushless qui sont des moteurs-roues en fonderie d’aluminium dont les rayons constituent les ailettes de refroidissement.
En version 4 roues motrices, une puissance nominale de 1kW par moteur est délivrée pour un couple maxi de 80 N.m (par moteur).

Les contrôleurs électroniques de puissance permettent notamment la gestion :

• de l'inversion de sens (marche arrière) ;
• du frein moteur et la récupération d'énergie en descente ;
• du paramétrage de la vitesse et du couple.

Les batteries utilisées sont en LiFePo4 (accumulateur lithium fer phosphate) et sont intégrées dans le châssis de la nacelle (sous l’assise). Elles délivrent une tension de 48 V et ont une capacité d’environ 80 Ah permettant de délivrer les 4 kWh nécessaires au fonctionnement du véhicule. Elles sont rechargeables en 2h. Leur autonomie permet de réaliser un parcours en montagne de 3h30min avec un dénivelé de 1000 m positif (montée) sur un parcours de 50 km.

Composition du sujet

Le sujet comporte 7 parties

Partie 1 : Analyse de la structure préliminaire du E-SPIDER
Partie 2 : Respect du rayon de braquage
Partie 3 : Étude d’optimisation du secteur denté de la direction
Partie 4 : Vérification de l’autonomie du véhicule
Partie 5 : Étude comparative de la suspension
Partie 6 : Optimisation de la traverse
Partie 7 : Re-conception de la liaison pivot entre l’ensemble nacelle et la traverse avant