Carénage souple auto-gonflable

[guillermo]

Je démarre ce sujet pour parler d’un type de carénage souple que nous souhaitons implémenter sur deux prototypes sur lesquels nous travaillons actuellement dans l’équipe @VADZAIH.

Nous savons que d’autres équipes s’intéressent à un carénage souple également, notamment l’équipe @MosquitOS qui a déjà publié des informations concernant le choix du tissu et un modèle CAO sur la page du véhicule. Notre approche diffère par son côté auto-gonflable, mais on partage des points communs, et c’est l’occasion d’identifier d’autres acteurs intéressés pour s’entraider (notre approche est totalement opensource).

Le concept a été implémenté avec succès dans des sellettes de parapente et actuellement la majorité de fabricants l’ont adopté dans leurs équipements de performance. Voici à quoi ça ressemble:

Figure 1: gauche) sellette de parapente classique, centre) sellette haute performance avec carénage avant et arrière gonflable (le tissu autour des jambes est tendu), droite) sellette compétition entièrement gonflable (crédit: supair, skywalk, ozone)

Les particularités de cette technique sont que:

• c’est le vent apparent créé par le déplacement de l’objet qui gonfle le carénage (il n’a que très peu de parties rigides)
• c’est extrêmement léger
• ca prends très peu de volume une fois replié

Pour illustrer l’ordre de grandeur du gain aérodynamique que ceci représente voici les coefficients de friction d’un corps abrupte non caréné, et du même caréné à l’avant, puis à l’avant et à l’arrière:

Figure 2: Coefficient de friction, Cd, d’un : gauche) rectangle, milieu) rectangle avec carénage avant, droite) rectangle avec carénage avant et arrière (source: Leishman, J. G., 2023. Bluff Body Flows)

Je me permets de nuancer ces ‘gains’ (réduction du Cd par 20) car ils ne concernent que la traînée avec l’air (pas la résistance au roulement); que ces coefficients ne sont pas ceux d’un véhicule fini et que les vitesses des VELIs sont inférieures à celles des voitures (dont l’influence a l’air est plus prépondérante). Et enfin, c’est rare de voir des véhicules à propulsion humaine avec vocation à rouler un peu vite aussi anguleux et abruptes. Cependant, cela illustre bien le propos.

Afin d’optimiser, les vélomobiles ont un carénage très profilé (en forme de goutte d’eau), au détriment d’une fabrication relativement complexe (formes à développer avec une double courbure) et coûteuse pour un supplément de poids non négligeable et des volumes intérieurs utiles réduits. Un exemple opposé, ce sont les camions, avec une partie arrière très abrupte, le surplus d’énergie nécessaire est compensée par la puissance du moteur. Par exemple, un camion roulant à 110km/h utilise environ 70% de sa puissance pour vaincre cette trainée aérodynamique (Canada, T., 2018. Review of Aerodynamic Drag Reduction Devices for Heavy Trucks and Buses. AHEC). Voici une illustration qui montre la perturbation crée par un camion dans son sillage:

Figure 3: Simulation de l’écoulement du flux d’air autour d’un camion en déplacement (source: Canada, T., 2018.)

Pour nous, l’idée du carénage souple gonflable semble intéressante afin de nous affranchir de la contrainte aérodynamique dans notre conception. On attend que ceci nous apporte:

• protection des intempéries et du froid
• gagner en aérodynamisme (et donc en autonomie)
• gagner en poids (et donc en autonomie) par rapport à un carénage rigide
• gagner en visibilité face aux autres usagers
• limiter la longueur du véhicule à l’arrêt
• protection impacts (airbag passif)
• simplicité dans la fabrication du reste du véhicule
• maximiser l’espace utile intérieur
• diminution de pièces sur-mesure (et donc diminution des coûts)

Bien-sûr, nous avons un travail considérable devant nous avant que ce soit fonctionnel, et nous allons devoir expérimenter pour surmonter des difficultés éventuelles (notamment l’influence du vent traversier sur le carénage). Cependant, nous sommes confiants et nous allons nous inspirer des conceptions qui ont déjà fait leurs preuves dans le parapente.

Je vous partage les image du concept design qu’on envisage d’appliquer différemment a deux modèles de véhicules, les @GFG101 (avec une carenage gonflable avant-arriere en jaune, le reste n’etant pas gonflable) et le et @GFG201 (dont l’integralite du carenage serait gonflable).

Figure 4: Carénage souple du GFG101 (gauche) et du GFG201 (droite).

Merci de noter que ce sont des ‘concept design’ assez tôt dans notre étape de prototypage, et que nous allons certainement apporter des modifications en cours de route. Cependant, on partage notre état d’esprit actuel afin de trouver d’autres acteurs intéressés pour travailler ensemble dans ce sens.

[stravacooli]

Excellent billet et démarche!

Le carénage complet gonflable par l’air de la vitesse, « retomberait » donc a l’arrêt a un feu de signalisation?
(donc pour la protection aux intempéries, il faudrait rajouter cette contrainte de la position temporaire immobile, non?)

[nov]

Passionnant! Merci pour le partage! Le moskitOS et sa documentation étant désormais relativement aboutis je pense attaquer la question du carénage très vite! Je vous ferai aussi part de nos avancées

[guillermo]

Merci @stravacooli pour cette question très pertinente. En effet, le mouvement relatif de l’objet engendre une augmentation de la pression à l’avant du profil, ce qui provoque le gonflement de notre carénage. Il est donc essentiel que notre entrée d’air soit positionnée au point où la pression dynamique atteint son maximum, c’est-à-dire au point d’arrêt aérodynamique, indiqué en rouge :

Figure 1 : Pression d'un flux d'air autour d'un profil symétrique.

Lorsque nous nous arrêtons, la pression extérieure diminue, et l’air à l’intérieur a tendance à s’échapper par le point d’entrée (le reste étant fermé) afin d’atteindre un équilibre. Vous avez donc bien compris, cela pourrait rendre notre carénage mou lors d’un arrêt, voire le faire “retomber” après un certain temps ou sous le poids de la pluie. C’est effectivement un problème à résoudre.

Pour remédier à cela, nous avons la possibilité d’intégrer des dispositifs qui entravent le retour de l’air à travers le point d’entrée. Un exemple pertinent serait les entrées d’air des ailes à caisson en kitesurf, où cet élément est fabriqué en tissu et se referme sur lui-même dès que l’air tente de s’échapper. Cela est important en kitesurf pour maintenir la forme de l’aile pendant quelques minutes si elle tombe à l’eau, facilitant ainsi le redécollage. Une autre option serait d’installer une valve anti-retour.

Nous débuterons par le prototypage du carénage partiel, plus facile à réaliser, qui nous fournira plein d’enseignements avant d’attaquer le carénage intégral.

[stravacooli]

et pourquoi l’aérodynamisme ça compte vraiment au dessus de 25km/h, pour avoir un véhicule efficient:

[guillermo]

Ces données mesurées sont d’un grand intérêt ! Elles illustrent parfaitement l’importance de l’aérodynamisme pour nos VELIs, dont l’objectif n’est pas d’augmenter la vitesse, mais d’apporter une économie d’énergie. Cela ouvre la possibilité de concevoir des véhicules plus légers tout en maintenant une autonomie équivalente (étant donné que la batterie représente souvent le composant le plus lourd). Le bilan écologique est aussi avantagé, car moins de matière implique un impact plus faible.

De plus, un aspect particulièrement intéressant est que si le véhicule est équipé d’un système de récupération d’énergie, comme c’est le cas pour de nombreux VELIs, l’amélioration de l’aérodynamisme augmente également la quantité d’énergie récupérée lors des descentes sur des parcours avec dénivelé (grâce à la réduction de la traînée).

Toutefois, il convient de noter que cela entraînera une sollicitation supplémentaire du moteur, avec une élévation de la température en cas de longue descente prononcée, un facteur à considérer lors du dimensionnement. Il conviendrait également de surdimensionner le système mécanique de freinage en cas de dysfonctionnement moteur.

Je me permet de rappeler (chose que tout cycliste roulant dans des conditions venteuses a vécu dans sa peau) que c’est la vitesse-air qui est déterminante, et non la vitesse par rapport au sol. Par exemple, en roulant à 45 km/h avec un vent de face de 20 km/h, la traînée aérodynamique équivaut à celle d’une vitesse-sol de 65 km/h par vent nul. Juste pour illustrer que nous pouvons donc nous retrouver face à des traînées aérodynamiques bien plus importantes que celles correspondant à la vitesse cible de nos véhicules.

[guillermo]

Petite mise à jour, nous avons lancé la création des premiers prototypes pour le carénage à l’échelle 1:6. Cela ne concerne pas l’ensemble de l’architecture du véhicule, c’est pourquoi nous avons opté pour une base de 230x65x65 cm pour nos premiers essais.

Pour réaliser des tests représentatifs sur l’écoulement de l’air, il serait nécessaire d’augmenter la vitesse de l’air par un facteur de 6 (afin d’obtenir le même nombre de Reynolds). Étant donné que notre vitesse cible est de 45 km/h, cela signifie qu’il nous faudrait atteindre 6x45=270 km/h, ce qui est réalisable dans une vraie soufflerie. Pour simplifier les choses, et étant donné que notre situation le permet, nous effectuerons les essais aérodynamiques sur des modèles à l’échelle 1:1. En attendant, nous avons réalisé des tests avec des ventilateurs domestiques.

La portée de ces tests est donc limitée, mais cela nous permet de valider le logiciel de modélisation, la découpe au laser, l’assemblage, etc. Voici quelques images des modèles réalisés en papier et en Porcher Skytex 38 (un tissu de parapente assez courant) :

Figure 1 : Prototype de carénage en papier à l'échelle 1:6. a) vue intérieure, b) vue de profil en ‘soufflerie domestique’, c) perspective du carénage avant.

Figure 2 : Prototype de carénage en Skytex 38 à l'échelle 1:6. a) vue de profil avec carénage replié, b) perspective du carénage avant, c) vue de profil en ‘soufflerie domestique’.

Et surtout, voici une vidéo ‘gif’ qui illustre le gonflage (le ventilateur simule le mouvement du véhicule) :

[prax]

Sympa, c’est curieux que l’avant se gonfle. Est-ce ça marcherai toujours si tu fais une ouverture sur le dessus pour le passage d’un pilote?

[guillermo]

Bonjour @prax, merci pour ton commentaire ! Pour que le carénage se gonfle correctement, il est essentiel que l’avant et l’arrière soient en ‹ surpression › par rapport à l’air ambiant.

Dans ce prototype, les deux sections sont connectées par une boîte assez ‹ hermétique › à l’air, ce qui remplit cette condition. Si nous créons une ouverture pour permettre le passage d’un pilote (qui doit être suffisamment large), l’air s’échappera, rendant le gonflage difficile, comme tu l’as bien remarqué.

Afin de résoudre le problème, trois solutions peuvent être envisagées :

1. Établir une connexion entre le carénage avant et arrière à l’aide d’un conduit (sous forme de tube par exemple) dont la section peut être relativement réduite. Cela permettra de dissocier la pression du carénage de celle de l’habitacle, en offrant la possibilité d’intégrer autant d’ouvertures que nécessaire.

2. Isoler complètement l’avant de l’arrière, ainsi que de l’habitacle. Cette approche garantit un gonflage optimal du carénage avant, mais impliquerait l’ajout de prises d’air latérales pour l’arrière, ce qui détériore l’aérodynamisme.

3. Maintenir l’habitacle hermétique. Cette option est également valable, car l’augmentation de pression serait faible et probablement imperceptible pour l’utilisateur. Cela nécessiterait que le carénage soit entièrement fermé, avec une gestion de l’aération assurée par des ouvertures dans l’habitacle. Certains vélomobiles adoptent ce principe pour réguler l’aération.

Pour illustrer, voici des sellettes de parapente qui mettent en œuvre ces trois possibilités différentes :

Figure 1 : Sellettes de parapente autogonflables : a) avec un tube reliant l’avant et l'arrière (crédit : Kortel), b) avec des prises d’air latérales pour le carénage arrière (crédit : Skywalk), c) avec le cockpit en surpression (crédit : Gin).

[prax]

Merci pour ta réponse, très intéressant. Pour l’arrière je trouve cela pertinent, mais pour l’avant, il ne faudrait pas que ça se dégonfle et s’emmêle dans le pédalier…

[guillermo]

Nous sommes d’accord, il ne faut pas que ça se nous emmêle dans les pattes . Nous souhaitons que le carénage avant puisse se dégonfler pour créer un airbag low-tech!

Néanmoins, le pédalier (et toute autre partie mobile comme les roues, par exemple) doit être physiquement hors de portée du tissu lorsqu’il est dégonflé (par exemple en utilisant une plaque rigide en bois). Dans ce proto 1:6 nous avons choisi d’agrandir l’ouverture (par laquelle le tissu peut rentrer du coup) pour enlever des pertes de pression d’air dans le tuyau (qui en 1:6 aurait une section très faible). Voici une image de la plaque avec le trou en gardant les proportions:

Figure 1 : a) Plaque rigide du carénage avant en bois avec un trou pour le passage de l’air, b) Joncs en nitinol sur le bord d’attaque d’un parapente.

Une autre option serait de renforcer le carénage avec des joncs. Cela permettrait au carénage de conserver sa forme « gonflée » même à l’arrêt, tout en offrant la possibilité de le plier à la main lors du stationnement pour gagner de la place (car les joncs sont très élastiques, ce qui leur permet de se déformer considérablement et de retrouver leur forme d’origine par la suite).

[virgilebourlet]

Et appliqué au cyclistes ça donnerait quoi ? RAF 1 Pioneering Bike Backpack

[guillermo]

Génial! Merci Virgile pour le lien de cette initiative. C’est très cool de voir une adaptation au vélo qui fonctionne déjà! Leurs choix sont assez pertinents. Leur objectif étant purement d’améliorer l’aérodynamisme, ils cherchent uniquement à profiler l’arrière, ce qui rapporte le gain en Cd le plus important. Étant donné que l’avant et la partie basse de jambes contiennent beaucoup de parties mobiles, ce serait compliqué de l’adapter à ces endroits sur un vélo droit. Les prises d’air latérales facilitent le gonflage presque par toute situation et la surface exposée supplémentaire qu’elles représentent est largement compensée par le gain en Cd. Au feeling, en faisant le bilan euro/euro et gram/gram, c’est certainement un bon investissement (pour ceux qui veulent faire du chrono) par rapport au surcoût de certains composants vélo haut de gamme. Après, il faut adhérer à l’approche et accepter le style .

En vrai, sur les vélos, il y a eu des initiatives géniales toutes carénées avec du tissu (voici une que j’apprécie particulièrement d’il y a plus de 20 ans !) Lightning F-40 — World’s Fastest Production Bicycle

Figure 1: Vélo Lightning F-40 avec un carénage intégrale en tissu (source: Lightning Cycle Dynamics)

C’est peut-être le style, ou le prix, ou les règles en compétition, ou la sensation d’être enfermé sur un engin à 2 roues (instable à l’arrêt… même s’il y a des ouvertures dans le tissu pour sortir les jambes) qui n’a pas permis à l’approche d’être adoptée plus largement… Mais l’efficacité pour l’aérodynamisme était indiscutable!

Et pour les news de notre côté : cette semaine on a travaillé la partie avant! En faisant des petites simulations, nous avons quantifié qu’à partir d’un angle de vent relatif d’environ 20 degrés, on pourrait avoir des soucis de dépressurisation partielle. Pour remédier à ceci, on a décidé d’explorer 3 solutions combinées :

1. l’utilisation de joncs, pour garder la forme;
2. choisir un profil modifié pour diminuer la variation de la pression à l’entrée d’air lorsque le point de stagnation se déplace. L’approche est basée sur la proposition de ‘shark-nose’ par Ozone en 2011 et c’est bien expliqué dans ce document;
3. l’utilisation d’une valve anti-retour en tissu ET d’une forme qui peut se replier sur elle-même pour bloquer l’air (pour faire ceinture et bretelle).

Figure 2: a) 1/3 avant du profil NACA 0050, b) 1/3 avant du profil NACA 0050 avec modification style ‘shark-nose’, c) modélisation 3d du carénage en 8 facettes avec profile style ‘shark-nose’ en OpenSCAD, d) modèle papier avec 16 facettes en taille réelle (80cm)

Je vous présente donc le proto ‘méduse’ à échelle 1:2. Les photos ci-dessous montrent différentes configurations dépliées/ repliées. Dans les jours à venir, nous allons l’adapter sur un vélo pour le tester en conditions réelles.

Figure 3: Photo du prototype de carenage avant ‘méduse’ : a) de l'intérieur avec la valve anti-retour d’air, b) de le l’exterieur déplié, c) de l'extérieur fermé pour bloquer la sortie d’air, d) de l'extérieur replié à plat pour minimiser l’encombrement.

Voici une animation du dépliage, le vent relatif lors du déplacement du véhicule le gonflerait davantage en lui donnant le profil que nous avons choisi. Nous apprécions particulièrement les formes que cela génère, car cela participerait à la ‘désirabilité’ et l’acceptation de l’objet une fois fini (après, notre avis est peut-être biaisé, merci de partager vos avis aussi!).

[arnaudvemoo]

Bonjour,
j’étais aussi très attiré par nos techno parapente, pour les mêmes raisons. Mais :
Tissus parapente ne valent rien pour un véhicule qui stationne dehorss tous les jours (qq centaines d’heures pour un parapente), donc il faut revoir le tissu. Il faudrait s’orienter idéalement vers des tissus de capote auto/bateau : [Tissu alpaga Sonnenland | Matériel | Eurotop], [Tissus nautique, tissus automobile et papiers peints d'éditeurs Cole & Son, Nobilis, Miss Print], [https://cotte-martinon.com/]
Mais les principes de supportage et mise en forme partielle par jonc sont à ‹ revoir › totalement pour des tissus plus lourd, avec des raideurs différentes. Donc le travail sur des tissus légers est quasi perdu (a part la comm° peut être ).
Bref, nous avons abandonné l’hypothèse des tissus légers très vite.
Le bon tissu a plein d’avantage effectivement, mais les coûts de confection en France sont difficiles a vendre si en +, on veut faire le chassis en France par exemple… Vivement la série pour réduire les cout de châssis .
Arnaud.

[guillermo]

Merci Arnaud pour ton commentaire. Je vois que vous avez déjà travaillé sur le sujet, est-ce que vous auriez des ressources à partager? Nous venons de commencer nos prototypages, votre expérience peut aider à nous orienter . Merci!

Vis à vis du tissu, certes le tissu de parapente est vulnérable aux UV, on en est conscients. Pour ceux qui sont intéressés, l’équipe @MosquitOS a fait une étude très intéressante des tissus légers, certains avec de bien meilleures tenues aux UVs que le skytex.

Choix-tissus-carenage-MosquitOS.pdf

Nous avons fait ce choix de tissu pour les premiers prototypes pour se mettre dans la facilité, avancer rapidement et valider les grands principes. Par la suite, on envisage de tester d’autres matières et se confronter aux autres difficultés. Parmi celles-ci certaines biosourcés (de la soie, du coton, voir du lin), enduits si la porosité le requiert.

Nous développons ce carénage gonflable pour faire 2 prototypes:

1. le @GFG101 : robuste, auto constructible, accessible et le plus bio-source possible
2. le @GFG201 : plus léger et performant

Des tissus synthétiques plus épais (donc lourds) peuvent être envisagés. Nous allons probablement faire des essais dans le futur aussi.

Les joncs, d’après nos tests préliminaires, ne seront peut-être pas forcément nécessaires pour notre usage! Voici des tests en taille réelle du carénage souple SANS aucune partie rigide)… Cela se gonfle très bien.

Figure 1: a) Pilotes test à l'arrêt (avec le carénage souple dégonflé), b) pilotes tests en déplacement (avec le carénage souple gonflé)

Voilà la vidéo du gonflage:

Et juste pour la comm° (et le ‘fun’), voici un ‘crash-test’ aussi!

[mat]

c’est super que vous exploriez d’autres pistes que la simple toile tendue en croisant avec les technos parapentes !!
et franchement les images et vidéos du dernier post sont excellentes y compris l’accident de poubelles !

[prax]

Bravo les gars, je n’y croyais pas trop mais votre démonstration est convaincante. Ne lâchez rien!

[guillermo]

Voici le récapitulatif des travaux de carénage de la semaine.

Nous avons souhaité explorer la possibilité d’utiliser des tissus plus lourds. Les propriétés du skytex 27 sont très intéressantes (légèreté, résistance mécanique, imperméabilité, étanchéité à l’air), mais il a aussi ses défauts (durabilité, vulnérabilité aux UV, non-compostable), comme bien d’autres constructeurs l’ont relevés.

Nous pensons qu’avec un usage raisonnable, ce même tissu peut être adéquat pour l’utilisation dans un VELI (peut-être en le couvrant quand le véhicule est à l’arrêt en limitant donc l’exposition aux UV). Cependant, et afin de permettre un usage plus large (et peut-être d’encourager d’autres équipes à considérer cette technologie), nous avons pris le tissu le plus résistant aux UV et costaud que nous avions sous la main. Il s’agit d’une bâche de piscine récupérée en PVC, avec un grammage de 576/m2, donc environ 21 fois plus lourd que le tissu de parapente!

Pour info, cette bâche a vécu plus d’une dizaine d’années en tant que bâche de piscine, puis a eu une deuxième vie en tant que dôme géodésique, puis maintenant en tant que carenage de VELI… Ceci permet de montrer aussi la possibilité de promouvoir l’économie circulaire en utilisant de matériaux d’une autre filière.

Figure 1: Photographie de : a) dôme géodésique en bâche de piscine, b) poids sur la balance d’un carré de 33x33cm c) carénages avant et arrière 80cm en bâche de piscine.

Donc voilà, nous avons construit avec cette bâche un carénage octogonal d’une largeur de 80cm. Nous avions prévu un nouveau test grandeur nature sur le vélo. Cependant, la météo en a décidé autrement. On a dû se contenter d’un gonflage ‘à la soufflette’.

La vitesse cible de notre VELI (45km/h) suffira-t-elle pour créer une pression d’air suffisante pour surmonter le poids additionnel du tissu et gonfler le carénage? Nous mêmes avons un petit doute, mais gardons de l’espoir🤞.Plus de nouvelles la semaine prochaine si on réussit à faire l’essai… Nous voulons bien avoir vos impressions si vous voulez lancer des paris.

[nov]

Comment faites-vous pour couper le tissus? Impression des formes avec un plotter sur papier et découpe et les utilisant comme modèle/pochoir?

[guillermo]

Nous utilisons autant que possible la découpe laser (pour la précision et la rapidité). La plupart des machines domestiques sont adaptées car la puissance requise est assez faible. Ceci nous permet de passer de la modélisation aux essais en à peine quelques heures, avec une reproductibilité excellente.

Par contre, ce n’est pas adapté à toutes les matières, c’est bon pour le skytex, cependant non adapté pour la bâche en PVC, car le traitement thermique dégage des chlorures nocifs pour la santé. D’autres matières (par exemple, nous avons tenté de découper un carénage en coton de couleur blanche) n’absorbent pas la longueur d’onde de notre laser (445nm). Dans ces deux cas, nous avons adapté la technique modèle/pochoir avec découpe aux ciseaux. C’est certes plus laborieux, mais pour quelques prototypes ponctuels (ou l’autoconstruction), ça reste une option très low-tech et disponible partout .

Figure 1: Photographie de : a) découpe laser sur du skytex 27, b) découpe aux ciseaux avec une technique de modèle/pochoir sur la bâche PVC.