Amélioration de la conception des connecteurs pour véhicules électriques grâce à l'analyse par éléments finis Abaqus

Les connecteurs sont omniprésents dans notre vie quotidienne : appareils électroniques et électroménagers, machinerie industrielle et véhicules électriques, par exemple. Les concepteurs de produits doivent maîtriser les forces mécaniques qui se développent lors du branchement et du débranchement. Une conception inadéquate peut entraîner une usure excessive, une utilisation difficile, voire des dommages plus importants. Dans le cas des véhicules électriques, de nombreuses prises de recharge sont conformes à la norme nord-américaine SAE J1772, qui précise les dimensions, les dispositifs de sécurité et les protocoles de communication entre le véhicule électrique et le dispositif de recharge.

Pour illustrer une analyse courante et utile dans ce domaine, j'ai repensé le connecteur de la prise SAE J1772 afin qu'il se verrouille solidement par pression plutôt que par enfoncement d'un levier, conciliant ainsi facilité d'utilisation et exigences de performance. En optimisant les forces d'insertion et d'extraction, j'ai pu m'assurer que le connecteur conserve le niveau de robustesse et de fiabilité requis, tout en offrant une expérience utilisateur satisfaisante et fonctionnelle.

La solution

J'ai construit un modèle basé sur la conception du connecteur SAE J1772 et développé trois conceptions supplémentaires. J'ai effectué l'analyse à l'aide du solveur dynamique. Abaqus/Explicit, afin d'étudier les forces d'insertion-extraction. À partir de ces essais, j'ai extrait les valeurs normalisées des forces lors de l'insertion/extraction pour évaluer et comparer les performances de chaque conception.

Résultat de la simulation

En utilisant Abaqus Pour cette simulation, j'ai calculé les forces nécessaires pour insérer et retirer la fiche de sa prise. J'ai identifié une analyse particulière qui s'est avérée très proche de la limite et j'ai pu conclure avec certitude quel modèle était le meilleur candidat pour des tests supplémentaires.

Détails du modèle

En observant le dessin initial, il est évident que l'élément à ajuster est la languette qui fait partie du boîtier (voir ci-dessous).

Le connecteur est composé de trois parties principales : la poignée (rouge), le boîtier ou insert (bleu) et le loquet (beige). La partie mâle du connecteur s'insère dans le boîtier femelle (gris). Veuillez noter que certains composants du dessin CAO ont été supprimés ou simplifiés pour cette étude afin de faciliter le maillage, car ils ne contribuent pas à l'intégrité structurelle de la structure.

J'ai concentré mes efforts sur la fonctionnalité d'onglet, car je voulais comprendre les forces d'insertion et d'extraction qui s'accumulent lors de ces opérations.

Matériaux

Tous les composants du connecteur, ainsi que le boîtier de la prise, sont fabriqués en alliage d'aluminium A6061 T-6. L'aluminium 6061 est un matériau relativement léger, ce qui en facilite la manipulation. De plus, il permet de réduire le coût des composants et de simplifier leur transport et leur installation. Finalement, l'aluminium 6061 présente une excellente résistance à la corrosion, ce qui lui confère une durabilité exceptionnelle même à l'extérieur et dans des conditions environnementales difficiles.

Le modèle de matériau par éléments finis (MEF) comprenait les propriétés élastiques (module d'élasticité et coefficient de Poisson), la limite d'élasticité et le comportement à l'écrouissage. Cependant, pour cette analyse, aucune des conceptions n'a atteint une contrainte supérieure à la limite d'élasticité et toutes sont restées dans le domaine élastique ; il aurait donc suffi de définir un matériau purement élastique linéaire. Le tableau ci-dessous résume les propriétés du matériau en aluminium 6061 :

Propriété	Valeur	Unités
Module de Young	68,9	GPa
Limite de contraintes	276	MPa
Densité	2.7	g/cm 3
Coefficient de Poisson	0,33	-
Coefficient de frottement	0,3	-

Interactions et connexions

Le connecteur, composé de trois parties (comme mentionné précédemment), a été considérablement simplifié. Cela signifie que certains composants ont été enlevés, car jugés superflus pour assurer une intégrité structurelle suffisante. Cette simplification facilite aussi l'assemblage et évite la formation d'éléments déformés. L'insert (partie bleue) est relié à la poignée (partie rouge), comme illustré sur la figure ci-dessus.

En réalité, la liaison entre les deux pièces est un assemblage boulonné, mais là encore, on peut l'approcher ou la simplifier en utilisant une liaison par un simple lien. Un modèle plus complet pourra être élaboré ultérieurement pour étudier, par exemple, la déformation ou la pression de contact le long de la surface de l'insert et de la poignée.

Concernant la liaison entre le loquet (partie beige) et la poignée, un élément de charnière a été modélisé au lieu de modéliser explicitement l'axe traversant la poignée et le loquet. En définissant une charnière, on modélise essentiellement la relation cinématique entre les deux pièces et on force le loquet à pivoter autour de l'emplacement où se trouvait l'axe.

D'autres comportements peuvent être modélisés, comme l'élasticité, l'angle de référence (pour introduire une rigidité initiale), et bien plus encore. Une valeur de rigidité, non mentionnée ici, a été définie pour le connecteur de charnière et reste constante pour toutes les autres conceptions. Voir la figure ci-haut pour plus de détails sur la définition du connecteur. Notez que les lignes violettes représentent les couplages cinématiques.

L'assemblage comprend des interactions de contact lorsque les composants ne sont pas étroitement liés entre eux par un domaine de contact général. Pour ces interfaces de contact, le coefficient de frottement était de 0,3.

Conditions aux limites

Le boîtier de la prise, dans lequel la fiche s'insère, est fixé dans tous ses degrés de liberté par quatre trous situés aux coins. Ceci est réalisé en assemblant les quatre trous et en fixant leur point de référence afin de simuler une fixation boulonnée.

Concernant la prise, un système de liaison a été créé sur la poignée, couvrant l'empreinte de la main lors de la prise en main. Un déplacement est ensuite défini sur le nœud de référence de ce système, selon l'axe Z. La poignée ne peut pas pivoter autour des axes X, Y et Z, mais peut se déplacer librement selon les axes Y et X. Cela permet d'éviter tout jeu ou pivotement indésirable lors de l'insertion. D'ailleurs, en pratique, la poignée est saisie fermement et insérée sans rotation, selon un mouvement relativement rectiligne selon l'axe Z. Voir la figure ci-dessous pour plus de détails sur les conditions aux limites.

Analyse

La simulation se déroule en deux étapes. La première étape consiste à insérer le connecteur dans son logement. La deuxième consiste à extraire ce connecteur de la même distance.

Comme cet événement se produit assez rapidement et doit être traité comme dynamique, on utilise Abaqus/Explicit. Cela dit, ce même solveur dynamique, Abaqus/Explicit, peut être utilisé pour modéliser l'insertion et l'extraction comme si elles se déroulaient assez lentement, les effets d'inertie étant négligeables par rapport à l'énergie interne du système. Autrement dit, on aurait pu modéliser cela par une analyse quasi-statique.

Outre le premier modèle, trois autres modèles de boîtier de douille seront étudiés. Bien que numérotés de deux à quatre, ils ne sont présentés dans aucun ordre particulier.

Dans les premier et deuxième modèles, la languette présente des facettes planes bien définies. Pour le premier modèle, la facette supérieure est beaucoup plus profonde (axe Z) et moins haute (axe Y) que pour le deuxième modèle, mais les facettes inclinées de chaque côté, pour les deux modèles, forment des angles égaux avec la base.

Concernant les modèles 3 et 4, les bords de la face supérieure des modèles 1 et 2 ont été arrondis avec un rayon de 10 mm pour obtenir respectivement les modèles 3 et 4. L'arrondi des bords de la face supérieure devrait faciliter grandement l'insertion et l'extraction du connecteur. La rondeur et la douceur des surfaces pourraient également améliorer la durée de vie du connecteur, en évitant tout contact avec des arêtes vives lors de son utilisation.

Toutefois, une étude distincte sur la fatigue devrait être menée afin d'évaluer et de confirmer l'hypothèse susmentionnée.

Résultats

Après avoir effectué l'analyse pour les quatre modèles, les résultats sont résumés dans le graphique ci-dessous. Ce graphique représente la force normalisée d'insertion et d'extraction en fonction du temps.

Lors de l'insertion (à gauche de la ligne pointillée verticale), la force augmente graduellement, atteint un pic, puis se stabilise. Le modèle 2 (en rouge) présente la force de pointe la plus élevée, ce qui signifie qu'il exige le plus d'effort pour l'insertion. Lors de l'extraction (à droite de la ligne pointillée verticale), la force atteint à nouveau un pic, le plus élevé de tous les modèles. Cela signifie que retirer le connecteur de la prise demande le plus d'efforts, même supérieur à celui fourni lors de l'insertion.

Le modèle 3 (ligne orange) présente une force de pointe nettement inférieure, ce qui facilite l'insertion et le retrait. Cependant, il peut sembler un peu fragile et le mécanisme de verrouillage peut facilement se détacher. Le modèle 4, dont la puissance de pointe est comparable à celle du premier modèle, semble être le plus performant. Regardons maintenant chaque modèle plus en détail.

Figure 1 : Animation du dessin 1

Voici le premier prototype en action. L'animation est composée de quatre sous-vidéos. Les deux premières montrent le processus d'insertion et d'extraction sans courbes de contrainte, illustrant le mouvement global du connecteur et le glissement du loquet sur la languette. L'animation en bas à gauche est symétrique à celle en haut à gauche, mais inclut la courbe de contrainte de von Mises superposée. La limite supérieure de la légende des couleurs correspond à la limite d'élasticité du matériau, en l'occurrence un alliage d'aluminium 6061.σ _oui = 276 MPa.

De plus, la force de réaction normalisée du bouchon est représentée graphiquement en fonction du temps, mesurée en secondes. La force normalisée a été calculée à partir de la force maximale mesurée pour tous les modèles, que ce soit lors de l'insertion ou de l'extraction.

Figure 2 : Animation du modèle 2

Concernant le deuxième modèle, la hauteur de la languette a été augmentée afin de rendre le loquet plus sécuritaire et moins fragile lors de l'insertion ou de l'extraction. Ici, le loquet pivote de manière significative, ce qui soumet le connecteur à une force importante avant son insertion complète dans le logement. En raison de sa forme asymétrique, le loquet subit une force plus importante lors de l'extraction. En effet, si vous observez la valeur de la force maximale lors de l'extraction, vous constaterez qu'il s'agit de la valeur la plus élevée subie par le connecteur dans tous les modèles. J'ai peut-être surestimé cette force et je vais devoir la réduire.

Figure 3 : Animation du dessin 3

Pour le troisième modèle, la languette du premier est remplacée par une forme plus arrondie et plus lisse grâce à un chanfreinage des bords supérieurs. Cela pourrait contribuer à prolonger la durée de vie globale du connecteur en évitant tout contact avec des arêtes vives.

En observant le graphique de la force de réaction, on constate que la force maximale représente environ 66,6 % de celle du premier prototype. Cela signifie que j'ai sous-estimé la valeur et obtenu une force inférieure à celle du prototype initial, ce qui est inacceptable. Veuillez noter que le pic visible au centre du graphique est artificiel, un effet secondaire du filtrage du signal.

Figure 4 : Animation du modèle 4

Passons au quatrième modèle : les bords supérieurs du deuxième modèle ont été arrondis avec le même rayon que celui du troisième modèle. La seule différence est que la languette du quatrième modèle est plus haute que la languette arrondie du troisième modèle.

Sur le graphique de réaction, les forces d'insertion et d'extraction maximales sont légèrement supérieures à celles du modèle original. Toutefois, le plus important est que la languette est maintenant arrondie, ce qui contribue à la longévité du connecteur. Comme sur le graphique précédent, le pic central est artificiel et dû au filtrage du signal. Pour revenir au premier graphique présenté dans la section des résultats, qui résume et superpose la force de réaction des quatre modèles, le modèle 4 s'est avéré le plus performant, tant en termes d'amplitude des forces maximales que de rondeur et de régularité de la languette.

Par conséquent, la conception 4 est jugée appropriée pour le moment, mais une analyse plus poussée serait nécessaire pour quantifier pleinement ses performances. Le maillage des deux surfaces de contact du loquet et de la languette peut être affiné afin d'examiner plus précisément la pression de contact.

Conclusion

Les essais du système de verrouillage du connecteur pour véhicules électriques ont permis de mieux comprendre les forces mécaniques en jeu lors de l'insertion et de l'extraction. Plusieurs modèles ont été développés afin de démontrer que la forme et la surface lisse de la languette ont un impact crucial sur la facilité d'utilisation et la durée de vie du connecteur. Le quatrième modèle, avec ses bords de languette arrondis, a présenté les performances les plus équilibrées, affichant des valeurs de force maximale satisfaisantes et une durabilité accrue.

Bien que, pour les besoins de cette analyse comparative, nous ayons présenté des valeurs de force normalisées, il est essentiel d'obtenir les valeurs absolues des forces. En raffinant davantage les modèles (données exactes sur les matériaux, simplifications moindres lors de l'assemblage et du chargement, etc.), nous serions en mesure d'estimer avec précision les forces réelles d'insertion et d'extraction. Cela permettrait d'améliorer l'efficacité des recommandations de conception et de faciliter la prise de décision en tenant compte du contexte global et des résultats finaux attendus.

Cela étant dit, des analyses plus approfondies, telles que l'affinage du maillage ou des études de fatigue, doivent être effectuées afin d'optimiser et de valider la robustesse de la conception pour une utilisation à long terme. Une fois le travail d'analyse initial effectué, ces tâches peuvent être menées à bien relativement rapidement, avec une espérance raisonnable d'obtenir des résultats concluants pour la conception retenue.

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