Appuyer sur la pédale de l'innovation avec la simulation
Les progrès rapides dans le domaine de l'ingénierie et de la conception des vélos sont en grande partie liés aux nouvelles approches du processus de développement des produits, s’appuyant sur la modélisation numérique et l'utilisation en amont d'outils de simulation. Connues également sous le nom de "simulation-driven engineering", ces méthodes jouent un rôle essentiel chez Radiate Engineering & Design, où les ingénieurs et les concepteurs améliorent la conception, les performances et la sécurité des futurs systèmes de vélos.
Juste en face du nouveau et imposant centre de police et de justice de Zurich, peint en gris anthracite, se trouve encore un vestige du passé industriel de la ville. C'est dans ce bâtiment au charme industriel que l'on travaille avec passion à façonner l'avenir du vélo et de la mobilité urbaine. Radiate Engineering & Design conçoit des idées qui vont bien au-delà du simple bricolage : des concepts innovants sont développés, conçus et calculés, testés et transformés en produits industrialisables. Très tôt, Radiate s'est appuyé sur l'intégration des technologies de simulation dans le processus de développement, ce qui s'est avéré être un véritable bond en avant. L'utilisation d'outils et de technologies d'ingénierie avancés permet de réduire considérablement les délais et les coûts du processus de conception, tout en renforçant l'innovation et en réduisant les incertitudes - des avantages très appréciés par les clients de Radiate.
Défis et solutions pour une toute nouvelle catégorie de vélos électriques
MLes vélos électriques modernes vont bien au-delà de la fonctionnalité d'un vélo classique à usage récréatif. En fait, la catégorie des vélos électriques a connu une diversification sans précédent des modèles avec des fonctionnalités et des cas d'utilisation différents au cours des dernières années. Les frontières entre les vélos et les véhicules sont de plus en plus floues. Pensez par exemple aux SPAC (Speed Pedelecs) et aux Cargo Bikes : grâce aux progrès technologiques, ces modèles sont de plus en plus considérés comme une alternative aux voitures et aux autres moyens de transport dans l'environnement urbain. Mais les vélos électriques modernes, comme les S-Pedelec et les Cargo Bikes, posent de nouveaux défis en matière de conception. Il est nécessaire de repenser les éléments de conception et les exigences structurelles. En effet, leurs cadres sont exposés à des charges plus importantes que les vélos traditionnels.
Non seulement les cadres et les composants doivent supporter un poids plus important, mais ils doivent aussi gérer les forces dynamiques accrues exercées lors des trajets à grande vitesse et des arrêts brusques, ainsi que les charges supplémentaires dues au transport de marchandises. Le défi de l'industrie ne consiste pas seulement à réimaginer la conception, mais aussi à s'assurer que ces conceptions respectent les normes de sécurité et de performance.
C'est là que les normes existantes, telles que l'ISO 15194 et la DIN 79010, semblent insuffisantes. Bien qu'elles fournissent une base, elles n'englobent pas entièrement les nuances et les complexités requises pour le développement de systèmes de vélos électriques avancés. Les ingénieurs de Radiate sont confrontés à cette situation et doivent relever le défi de mettre en œuvre les souhaits des clients finaux et des fabricants. Comment y parvenir ?
Analyse structurelle menée parallèlement au développement
Le Speed Pedelec "OPIUM" de la marque suisse Revolt Zycling en est un exemple. L'OPIUM est un vélo électrique haute performance à longue portée avec une capacité de batterie de 1600Wh au-dessus de 280 km d'autonomie, un moteur de moyeu d'une puissance nominale de 930 W et une vitesse maximale résultante de 45 km/h. La marque OPIUM est promue avec le slogan " #Yournextcar " avec un objectif très clair : faire partie de la transition de la mobilité en offrant aux pendulaires, allant de la maison au travail quotidiennement, une alternative à la voiture qui soit rapide, fiable et respectueuse de l'environnement. Le développement d'OPIUM s’est basé sur des délai de mise sur le marché courts, sur la fiabilité et la robustesse du produit. Le calendrier du projet était extrêmement court et il n'a fallu que quelques mois entre l'idée et le lancement sur le marché. Un délai aussi ambitieux ne permet pas de réaliser de grandes boucles prototype - essai - amélioration, et les premiers prototypes doivent produit au stade le plus avancé du développement afin d'éviter des itérations coûteuses en temps et en argent avec les fournisseurs.
Ainsi, dès la phase de conception du projet, un modèle flexible 3D et la simulation ont été mis en place, dans lesquels tous les concepts ont pu être directement testés pour leur influence structurelle et leur faisabilité. Au fur et à mesure du développement de l'OPIUM, des analyses structurelles du cadre et des composants structurels (pièces ajoutées) ont été menées simultanément. Les conclusions et les résultats ont été continuellement intégrés dans le processus de développement et d'optimisation.
L'environnement de simulation polyvalent d'Ansys permet de mettre facilement en œuvre les cas de charge standard et, en outre, des cas de charge de conception spécialement définis pour cartographier numériquement l'ensemble du cycle d'essai d'homologation à l'avance. De cette manière, il a été possible de s'assurer que même les premiers prototypes de cadres ont passé l'ensemble de la série de tests sans aucune défaillance et en se passant de boucles de prototypage intensives.
Dans le même temps, les exigences structurelles ne sont pas les seules à être extrêmement importantes, les performances le sont également. Quelles les sensations de conduite offre le vélo ? Quelle est sa rigidité ? S’il est assez rigide, est-il suffisamment souple et donc confortable ? Toutes ces questions peuvent trouver une réponse au cours du développement grâce à l'environnement de simulation flexible qui accompagne le développement.
À titre d'exemple, l'intégrité structurelle du support de changement de vitesse, très sollicité par la fatigue du cyclisme, est essentielle.
À l'aide d'Ansys Mechanical, une exploration détaillée de la conception du composant a été réalisée dans le but de trouver la géométrie optimale qui résiste à tous les cas de charge critique et qui respecte les exigences de poids du composant.
Jonas Schmid, Member of the Executive Board and Head of the Bike DivisionEn utilisant le logiciel de simulation structurelle avancé d'ANSYS, nous pouvons analyser et prédire la performance de n'importe quel composant de vélo dans une variété de scénarios. Nous pouvons alors ajuster la conception en conséquence pour améliorer la stabilité, la durabilité, la sécurité et les performances globales de la vélo.
Pour ce faire, il est essentiel de disposer d'un environnement de développement flexible dans lequel il est possible d'itérer extrêmement rapidement entre le modèle 3D en CAO et l'environnement de simulation. L'environnement ANSYS Workbench répond parfaitement à cette exigence.
étude des paramètres pour la définition des épaisseurs de paroi des tubes
Un autre exemple dans la catégorie des vélos cargo compacts est le "Toolbike No 01" de la marque zurichoise MONoPOLE. Ce vélo cargo électrique, développé en Suisse, soudé et assemblé à la main dans les Pyrénées françaises, se veut plus qu'un simple outil pour la vie urbaine.
Lorsque Radiate a été approché par son client, le développement du produit était déjà avancé et il existait des données CAO en 3D du concept de cadre actuel ainsi qu'un premier prototype fonctionnel. L'équipe MONOPOLE a toutefois dû relever le défi d'améliorer la structure de la géométrie donnée, car les premiers prototypes n'étaient pas aussi performants que prévu en cas de charge extrême. Le vélo n'avait pas la conduite souple prévue à l'origine : une fréquence naturelle de 17,6 Hz a été mesurée pour un prototype qui vibrait lorsqu'il roulait avec un porte-bagages entièrement chargé.
Les ingénieurs de Radiate ont entrepris d'effectuer une analyse et de prendre des mesures possibles pour des itérations d'optimisation afin d'améliorer la structure. L'objectif était d'améliorer les performances de conduite et d'obtenir un cadre rigide tout en maintenant le poids le plus bas possible. Pour ce faire, une étude des paramètres a été réalisée, en calculant et en testant différentes variations de l'épaisseur de la paroi du tube en fonction de deux cas de charge critiques : Stand / Impact et BB cycling fatigue.
L'analyse a montré que l'épaisseur de la paroi du tube pouvait effectivement être optimisée. En augmentant légèrement l'épaisseur de la paroi de certains tubes de 0,5 mm, il est possible d'obtenir une fréquence naturelle plus élevée de +20% et un cadre globalement plus rigide.
Timothy Habermacher, membre du conseil d'administrationChez Radiate Engineering and Design, notre collaboration avec CADFEM et son logiciel sophistiqué ANSYS est essentielle. Elle nous permet d'élever les normes de développement des vélos grâce à une IAO et une analyse par éléments finis rigoureuses, garantissant que nos conceptions ne sont pas seulement à la pointe du progrès, mais aussi méticuleusement conçues.
![[Translate to French:] Improvement of Critical Eigenfrequencies by 20%](/fileadmin/_processed_/3/b/csm_Articles_Swiss-brand-Revolt-Zycling-Improvement-of-Critical-Eigenfrequencies_783bad1fcc.jpg)
L'évaluation approfondie de la structure du cadre principal et les itérations d'optimisation ont abouti à des cycles d'amélioration rapides de la géométrie et des performances de conduite. Le cadre optimisé du Toolbike No 01 présente non seulement une intégrité structurelle robuste et durable, mais offre également une sensation de douceur lors de la conduite. En conséquence, ce vélo innovant a été récompensé par le prestigieux "Startup Award" lors de la dernière édition de l'EUROBIKE en juin 2023.
La dynamique de Radiate Engineering & Design est indéniable. Compte tenu des bases que l'entreprise a jetées grâce à l'intégration de l'"ingénierie axée sur la simulation", l'équipe est prête à réaliser d'autres innovations transformatrices dans le domaine du cyclisme et de la mobilité urbaine au cours des prochaines années. En associant les prouesses de l'ingénierie à l'excellence de la simulation, Radiate est prête à redéfinir les normes et les attentes et à repousser les limites du possible en matière de conception de vélos.
