Etude Du Concept De Suspensions Actives : Applications Aux Voitures Ferroviaires
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ECOLE DOCTORALE DE MCAMQUE DE LYON ECOLE CENTRALE DE LYON Année 1999 N° d'ordre: 99/12 Mémoire de Thèse pour obtenir le grade de DOCTEUR spécialité Mécanique présentée et soutenue publiquement par Julien VINCENT le 29 janvier 1999 Etude du concept de suspensions actives -Applications -aux voitures -ferroviaires Jury: M. BATAILLE, Président M. BOURQUIN, Rapporteur M. GAUTIER, Examinateur M. HEBRARD, Examinateur M. ICHCH0U, Examinateur M. JEZEQUEL, Directeur de Thèse M. LACÔTE, Examinateur M. SCA yARDA, Rapporteur Voiture et Suspension CORAIL Y32 ' Remerciements REMERCIEMENTS Je tiens à remercier tout particulièrement les personnes suivantes Le jury de thèse Les rapporteurs et les examinateurs, pour la lecture du mémoire et l'analyse critique, l'intérêt exprimé et développé durant la soutenance. M.BATAILLE, Directeur de l'Ecole Doctorale de Mécanique de LYON M.BOURQUIN, Directeur de Recherche CNRS, LCPC M.GAUTIER, Chargé de Mission Recherche Amont, à la Direction de la Recherche de la SNCF M.HEBRARD, Chef de Département Véhicules Produits, à la Direction de la Recherche de RENAULT M.ICHCHOU, Maître de Conférence au Laboratoire de Mécanique des Solides de l'Ecole Centrale de LYON M.JEZEQUEL, Professeur et Directeur de Recherche au Laboratoire de Mécanique des Solides de l'Ecole Centrale de LYON M.LACÔTE, Directeur de la Recherche à la SNCF M.SCAVARDA,ProfesseuretDirecteurdeRechercheauLaboratoire d'Automatique Industrielle de l'INSA LYON La hiérarchie SNCF Pour m'avoir accueilli au sein des équipes de recherche, avoir proposé et soutenu la thèse et les projets l'accompagnant M.LACÔTE, Directeur de la Recherche et de la Technologie de la SNCF M.MOULIN, Adjoint au Directeur, en charge des Unités de Recherche M.GAUTIER, Chargé de mission en Recherches Amont M.CASTEL, Responsable de l'Unité de Recherche Interactions Véhicules Infrastructures Les équipes SNCF Pour leurs apports techniques et personnels, en toutes circonstances: M.QUETLN, de la Direction de la Recherche et de la Technologie, en charge des études systèmes à l'unité IVI Mlle.GUERIN, de la Direction de la Recherche et de la Technologie, en charge des études voies à l'unité IVI M.GREGOIRE, de la Direction de la Recherche et de la Technologie, en charge des études aérodynamiques à l'unité IVI M.MASMOUDI, prestataire de recherche à la Direction de la Recherche et de la Technologie, participant aux études de dynamique ferroviaire à l'unité IVI Remerciements Mme.GUERRAND, de la Direction de la Recherche et de la Technologie, responsable de l'Unité de Recherche Environnement Confort u M.PERREZ, M.BESSON, M.CHOR, du service informatique de la Direction de la Recherche et de la Technologie M.GAB0RFr;de la Direction du Matériel et de la Traction, Département Bogie u M.BERGOIN, de la Direction du Matériel et de la Traction, Département Bogie u M.COLAS, de la Direction du Matériel et de la Traction, Département Essais M M.DEMARET, de l'établissement du Périgord M.FABREGUES, de l'établissement du Périgord M M.THOMMERET, de la Direction du Matériel et de la Traction, Département Bogie Les stagiaires Pour leurs participations actives aux projets CONFDY et SAGT, et les travaux menés en commun: M. LANTA M. POTIN M. FLEURY M. TUR VALIENTE Les personnes de I'ECL Pour l'encadrement de la thèse, les suivis théoriques et les échanges techniques M.JEZEQUEL, Directeur de thèse, Directeur du Département de Mécanique des Solides M.ICHCHOU, Maître de conférence au laboratoire - U M.PERRARD, Ingénieur de Recherche, Responsable du banc d'essais M.JEANPIERRE, Responsable des études mécaniques M.CHARLES, Technicien Les personnes de GIAT Industries Pour leurs aides actives dans la construction de l'actionneur: M.CHEYREZY, Responsable du bureau d'étude de GIAT Industries à TARBES U M.GUILLOUX, Ingénieur mécanicien M.DE OLIE VERA, Ingénieur électronicien M.LIABEUF, Charge d'affaires M.SIMON, De la Direction du Développement Les proches Pour leur aide quotidienne: R Mlle DUSSART U Ma famille Les connaissances d'ARGENTEUIL 11 Résumé Dans des contextes conjoints de mutations du monde ferroviaire, et d'expansion de l'asservissement et du contrôle actif, cette thèse de doctorat de mécanique propose une réflexion sur leconcept de suspensions actives et leurs applications aux voitures ferroviaires. Ces études, menées en collaboration entre le Département de Mécanique des Solides de l'Ecole Centrale de LYON et la Direction de la Recherche et de la Technologie de la SNCF, ont permis de développer diverses approches du problème: approches théoriques par recherche de lois de contrôle, approches numériques par simulations des effets de suspensions actives sur des modèles réalistes de véhicules ferroviaires et quantification du confort, approches techniques par la définition de spécifications de choix de technologiques et approches expérimentales par la conduite de phases d'essaisetla connaissance du comportement dynamique du véhicule. Les apports majeurs de ce travail résident en des synthèses de lois de contrôle (lois optimales et lois optimales non linéaires), la génération de nouveaux concepts comme le contrôle global (contrôle simultané des mouvements transversaux et mouvements verticaux de la voiture), et le contrôle multilois (contrôle adaptatif utilisant une combinaison linéaire de lois optimales, la combinaison linéaire étant assurée au moyen de pondérations issues d'un calcul de logique floue). La connaissance du système ferroviaire et la volonté de construire des modèles réalistes ont permis l'établissement de simulations indiquant des gains potentiels de confort notoires. Le choix de nouvelles technologies - actionneur électromécanique - est lui aussi innovant dans cette gamme de puissance destinée au contrôle de mouvement de grosses structures mobiles. Les essais à venir devraient être riches en enseignements et leur diffusion intéressera certainement la communauté des chercheurs. En attendant, ce mémoire, conçu dans un esprit didactique, se limite à une synthèse actualisée. Mots clé: Suspensions actives, Dynamique ferroviaire, Confort vibratoire, Voitures ferroviaires Robustesse, Multilois, Contrôle global Actionneur Electromécanique 111 Résumé In unitedcontexts of railway changes and expansion of active control, this PhD thesis in mechanical engineering deals with thepurposes of active suspensions and their applications to railway coaches. Studies have been carried out between Department of Mechanical Engineering of the engineers' school Ecole Centrale de LYON and Department of Research and Technology from the French railway company SNCF. These studies have been developed following different ways : theoretical research of control laws, numerical approaches for simulations of dynamical behaviors for realistic models and calculation of comfort indexes, technical point of view with specifications and choices of technologies; experimental components by testing actuators. Major contributions for this work lie in synthesis of control laws (optimal ones and, non linear and optimal ones), definition of new concepts such as global control (simultaneous control for both transversal and vertical motions of coaches) and multilaws control (adaptive control using linear combination of optimal control laws, and weights computed as outputs of a fuzzy logic treatment). The knowledge of the railway system and the wish for building realistic mechanical models induce the establishment of simulations and analysis of subsequent comfort improving. The choice of technologies - such as electromechanical actuators - is innovating too for this range-power and the control of such moving great structures. Tests, which will next take place, will bring many lessons for the researchers' community. This report has been written to be used by as many people as possible, and is a description of the beginning of this railway project. Key words: Active suspensions, Railway dynamics, Vibratory comfort, Railway coaches Robustness, Multilaws control, Global control Electromechanical actuator iv Sommaire Remerciements i Résumé et Abstract iii Sommaire y Avant propos i 1. PARTIE iIntroduction de la problématique 1.1. Objet d'étude : la voiture ferroviaire 5 1.1.1. Description physique d'une voiture Corail 5 1.1.2. Approche systémique 6 1.1.3. Les Suspensions passives 6 1.1.3.1. Fonctions remplies par les suspensions passives 6 1.1.3.2. Nature des suspensions aujourd'hui utilisées 8 1.2. Le Confort 10 1.2.1. Définition du confort 10 1.2.1.1. Caractère subjectif du confort 10 1.2.1.2. Confort global 10 1.2.1.2.1. Facteurs prépondérants 10 1.2.1.2.2. Indices de confort global 12 1.2.1.3. Confort dynamique 12 1.2.2. Appréciation du confort dynamique 13 1.2.2.1. Norme ISO 2631 13 1.2.2.2. Confort et vibrations 13 1.2.2.3. Origine physique de l'inconfort, Confort et mal des transports 14 1.2.2.4. Les indicateurs du confort 14 1.2.2.4.1. Les indicateurs classiques de confort 15 1.2.2.4.2. Les autres indicateurs du confort 15 1.2.3. Les origines de l'inconfort dynamique 15 1.2.3.1. Le profil des voies 16 1.2.3.2. Les défauts de voie 16 1.2.3.3. Le contact roue-rail 17 1.2.3.4. Les suspensions 18 1.2.3.5. Les équipements transportés par le véhicule 18 1.2.3.6. Les effets aéro-dynamiques 18 1.2.3.7. Les oscillations et vibrations du véhicule : réponse temporelle et comportement modal 19 1.2.4. Les Remèdes : solutions proposées pour accrôître le confort 20 1.2.4.1. Exemple de remède global 20 1.2.4.2. Les remèdes passifs 20 1.2.4.3. La pendulation 21 1.2.4.4. Les suspensions actives 21 V Sommaire 1.3. Le contexte du travail de recherche 22 1.3.1. Le contexte de recherche en contrôle actif 22 1.3.1.1. Développements généraux 22 1.3.1.2. Applications diverses 23 1.3.1.3. Applications aux suspensions actives 23 1.3.2. Les développements ferroviaires (Approche bibliographique) 23 1.3.2.1. Le contexte ferroviaire 23 1.3.2.2.