Prévention des risques de surchauffe des systèmes de freinage automobiles
Contexte et Objectifs
Ce projet a été réalisé dans le cadre du TIPE (Travaux d’Initiative Personnelle Encadrés) au cours de mes deux années de classe préparatoire. Le thème imposé cette année-là était « Santé et Prévention », et mon projet devait s’articuler autour de ce sujet tout en utilisant les concepts enseignés, notamment dans mon cas en thermodynamique.
Mon objectif principal était de prévenir les risques de surchauffe des disques de frein, un problème critique dans le domaine de l’automobile, en combinant théorie et expérimentation. Cela impliquait de confronter les résultats expérimentaux avec des modèles numériques, d’affiner ces derniers, et de valider les solutions.
Démarche et Méthodologie
Pour mener à bien ce projet, j’ai suivi une démarche en plusieurs étapes mêlant expérience pratique, modélisation numérique, et simulation informatique.
Dans un premier temps, une expérience physique a été réalisée sur un quart de disque en aluminium (AU4G). Ce choix permettait de travailler avec un matériau dont les propriétés thermiques sont connues. Une résistance chauffante, alimentée par un variateur de puissance, simulait l’échauffement du disque. Des capteurs de température, reliés à un Arduino, étaient disposés en différents points pour mesurer l’évolution thermique. Les données récoltées ont été traitées avec Python avant d’être sauvegardées et analysées dans Excel.
Ensuite, une modélisation numérique a été effectuée à l’aide de SolidWorks. Cette étape visait à vérifier les résultats expérimentaux en simulant les transferts de chaleur dans le disque. Cependant, SolidWorks n’étant pas adapté aux simulations dynamiques, les températures obtenues étaient irréalistes pour des puissances élevées, car les calculs se faisaient au régime stationnaire.
Pour surmonter cette limite, j’ai développé un modèle de simulation dynamique en Python. En utilisant une discrétisation de l’équation de la chaleur, j’ai créé une simulation en 2D dans un premier temps, puis en coordonnées polaires pour mieux représenter la géométrie circulaire du disque. Les résultats se sont rapprochés des données expérimentales, bien que des écarts subsistaient en raison de simplifications (absence de flux de chaleur, conditions aux limites idéalisées, modèle 2D au lieu de 3D).
Enfin, l’objectif ultime était de tester des solutions pour améliorer la dissipation thermique, telles que l’optimisation des matériaux, la ventilation des disques, ou des modifications géométriques. Cependant, par manque de temps, ces optimisations n’ont pas pu être réalisés.
Résultats
L’expérience pratique a permis de collecter des données fiables sur la montée en température d’un disque de frein soumis à des charges thermiques variables. Les modèles numériques ont confirmé en partie ces résultats, bien que des ajustements aient été nécessaires pour réduire les écarts entre théorie et réalité.
La simulation dynamique a apporté une compréhension plus fine des phénomènes thermiques dans le disque, malgré certaines limitations :
Les divergences entre les résultats expérimentaux et les simulations, dues à l’absence de flux de chaleur et aux simplifications géométriques.
Des conditions aux limites qui auraient mérité d’être affinées pour correspondre plus précisément à la réalité.
Ce projet a permis d’identifier plusieurs axes d’amélioration pour prolonger le travail :
Amélioration du modèle numérique : Intégration des flux de chaleur, passage à la 3D, et conditions aux limites plus réalistes.
Optimisation des disques de frein : Étude des matériaux et de la géométrie pour maximiser la dissipation thermique.
Conclusion
En combinant expérimentation et modélisation, ce projet a montré qu’il est possible de modéliser de manière réaliste les transferts thermiques dans un disque de frein. Bien que des améliorations soient nécessaires pour affiner les résultats, cette étude a permis de poser les bases d’une optimisation thermique des systèmes de freinage.
Accéder aux Ressources
Pour en savoir plus sur ce projet, vous pouvez consulter :
Le MCOT, qui détaille les objectifs et la méthodologie du projet.
La présentation complète, comprenant les résultats expérimentaux, les modèles SolidWorks et Python, ainsi que les conclusions.
Le code Python utilisé pour la simulation est également inclus en annexe de la présentation.