étude de cas

La qualité sonore comme nouvel indicateur pour les vélos électriques grâce au Fuel EXe primé

Trek Bicycle utilise les solutions de test de Simcenter pour diagnostiquer et améliorer l'acoustique des moteurs de vélos électriques

La qualité sonore comme nouvel indicateur pour les vélos électriques grâce au Fuel EXe primé

Trek Bicycle

Fondée en 1976, l'entreprise Trek Bicycle (Trek) est implantée à Waterloo, dans le Wisconsin. Trek conçoit et fabrique différents types de vélos, notamment des VTT électriques, des vélos de route et de ville, ainsi que d'autres accessoires.

https://www.trekbikes.com/us/en_US/

Siège social:
Waterloo, Wisconsin, United States
Produits:
Simcenter 3D Solutions, Simcenter Testing Solutions
Domaine d'activité:
Produits de grande consommation et Distribution

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L'utilisation de Simcenter SCADAS XS et du logiciel Simcenter Testlab Neo m'a permis de moins me concentrer sur la façon d'obtenir les bonnes réponses et davantage sur les enseignements qu'elles m'apportaient.
Paul Harder, Ingénieur principal R&D, Trek Performance Research Group, Trek Bicycle

Introduction

Fondée en 1976, l'entreprise Trek Bicycle (Trek) est implantée à Waterloo, dans le Wisconsin. Trek conçoit et fabrique différents types de vélos, notamment des VTT électriques, des vélos de route et de ville, ainsi que d'autres accessoires. L'entreprise vise l'innovation continue et la performance de pointe dans toute sa gamme de produits.

Trek Bicycle repousse les limites de l'innovation avec le Fuel EXe, un vélo révolutionnaire lancé en
juillet 2022. Le Fuel EXe est un VTT électrique haute puissance conçu pour offrir aux cyclistes une expérience plus silencieuse. Le Fuel EXe propose un design Trek de haute qualité, des composants de haut niveau, un cadre plus léger mais résistant et un moteur électrique complet conçu pour améliorer l'expérience sonore des cyclistes. Trek s'est imposé comme pionnier de l'acoustique des vélos électriques et se distingue par son groupe d'ingénierie innovant, réunissant des experts en VTT et des analystes spécialisés qui apportent une approche quantitative et des mesures précises à de nouveaux critères de performance, notamment acoustiques.

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Acoustique des VTT électriques

Trek innove en plaçant la qualité sonore parmi les critères de référence des VTT électriques, alors que ce sujet reste au cœur des préoccupations de l'industrie.

"En tant qu'expert en tests et analyses acoustiques chez Trek, un poste qui était non seulement nouveau pour moi mais aussi pour l'industrie du vélo tout entière, j'avais pour objectif d'amener les compétences acoustiques de Trek vers de nouveaux sommets, notamment en appliquant de nouvelles méthodes de test et d'analyse au cycle de développement du Fuel EXe", explique Paul Harder, ingénieur principal en recherche et développement (R&D) au sein du
Performance Research Group de Trek.

"C'était une entreprise ambitieuse, avec de nombreuses innovations simultanées."

Les ingénieurs R&D du Performance Research Group de Trek se consacrent principalement à l'expérimentation et à la simulation, en testant de nouveaux prototypes et en menant des expériences pour acquérir de nouvelles connaissances en matière de physique du vélo et de performance humaine. Cette quête de nouvelles connaissances a conduit l'équipe dans le domaine de la qualité sonore.

"Au fil des ans, l'industrie a fait d'énormes progrès pour rendre les systèmes de moteur et de batterie des vélos électriques plus compacts, plus légers, mieux intégrés et plus naturels au pédalage", déclare M. Harder. "Mais le bruit inhérent aux moteurs électriques et aux systèmes de transmission restait souvent un inconvénient majeur. Avec le Fuel EXe, nous avions l'opportunité unique d'améliorer cette dernière pièce du puzzle et de
concevoir un vélo électrique sans aucun point faible."

Pour produire ce vélo électrique, Trek s'est associé à Siemens Digital Industries Software, afin d'utiliser le logiciel Simcenter™ dans le processus de conception pour donner vie au Fuel EXe. Simcenter fait partie de la plateforme Siemens Xcelerator, qui comprend des logiciels, du matériel et des services.

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Inspiré par les véhicules électriques

L'équipe s'est inspirée de l'industrie des véhicules électriques. Elle a constaté que, comme aux débuts des véhicules électriques automobiles, le domaine de l'acoustique des vélos électriques offrait de nouvelles opportunités. L'équipe de Trek a bouclé la boucle en matière d'acoustique lors de l'étude des options pour le Fuel EXe, tant pour l'expérience sonore que pour les bruits indésirables. Il s'agissait notamment d'étudier des mesures acoustiques inédites pour le secteur des vélos électriques, telles que la tonalité et l'indice d'articulation.

"Comme je roule presque toujours avec d'autres personnes, tout bruit qui gêne la conversation me dérange. Cela est lié à l'indice d'articulation", ajoute M. Harder. "L'utilisation de la tonalité comme indicateur principal pour évaluer le désagrément sonore découle d'importantes recherches et explorations sur les nombreux critères de qualité acoustique couramment appliqués aux moteurs électriques."

Intégrer la science acoustique à l'ingénierie de pointe

L'équipe d'ingénierie VTT de Trek et M. Harder savaient que l'expérience acoustique du Fuel EXe dépendait fortement du moteur électrique. L'équipe travaillait avec le moteur HPR120 de TQ, un moteur puissant mais relativement bruyant. Elle recherchait une version plus compacte et plus silencieuse du moteur. Elle a découvert que la technologie d'anneau à broches harmoniques de TQ, avec un minimum de pièces mobiles et un engrenage unique, pourrait contribuer à la création d'un nouveau moteur plus silencieux.

"Nous avons un partenariat exclusif avec notre fabricant de moteurs électriques, TQ, ce qui nous permet de collaborer efficacement lors de la création des spécifications et des tests de nos moteurs électriques", explique M. Harder. "Cette collaboration a donné naissance au moteur électrique HPR50, qui équipe les modèles Fuel EXe et Domane+."

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L'équipe Trek s'est tournée vers Simcenter Testlab pour traduire concrètement ce qu'un "son vraiment réussi"
signifiait sur le plan des tests et de l'ingénierie acoustique.

Faire forte impression dès le départ

Après les allers-retours habituels entre Trek et TQ, les prototypes équipés du HPR50 étaient fin prêts pour les tests sur les sentiers. Les testeurs de Trek ont trouvé que les prototypes équipés du
moteur électrique HPR50 produisaient un son très agréable. C'était une excellente nouvelle, mais M. Harder savait qu'il restait encore du travail à faire.

"Notre équipe avait développé de solides capacités de test et d'analyse acoustiques, mais nous devions encore déterminer comment quantifier ce que signifiait un son vraiment réussi dans le contexte d'un vélo électrique", précise M. Harder. "L'acoustique était un objectif clé pour le nouveau moteur TQ, et nous avons utilisé l'analyse pour la quantifier, la comprendre et la suivre tout au long des nombreuses itérations de prototypes pendant le processus de développement."

Des opinions subjectives aux mesures objectives

L'équipe a commencé par mesurer le niveau sonore et a découvert que le Fuel EXe était presque deux fois plus silencieux que les autres vélos électriques, mais les testeurs ont subjectivement estimé que ces mesures ne reflétaient pas pleinement la réelle supériorité de son acoustique.

"C'est à ce moment que nous avons réalisé à quel point la qualité sonore est essentielle à l'expérience du vélo électrique, et combien la tonalité est une mesure clé pour quantifier l'agrément du bruit du moteur électrique", explique M. Harder. "Nous devions trouver une approche plus intelligente pour quantifier ces descriptions sonores. Nous nous sommes donc intéressés à l'aspect qualité sonore, qui offre une multitude
d'options. Nous avons examiné de près l'environnement acoustique des véhicules électriques où nous savions que la tonalité était une bonne pratique."

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Réaliser des tests sur les chemins et en studio

Après les tests initiaux en conditions réelles, l'équipe avait besoin de données acoustiques plus concrètes sur lesquelles travailler. Elle s'est déplacée au studio acoustique du siège social de Trek à Waterloo, dans le Wisconsin, où se trouvent les chemins privés de VTT de Trek, afin de réaliser des analyses acoustiques plus approfondies. Ces analyses
intégraient des mesures de puissance acoustique et des indicateurs de qualité sonore, tels que la sonie, la tonalité et l'indice d'articulation, obtenus à l'aide des solutions de test Simcenter, notamment le matériel Simcenter SCADAS™ XS et le logiciel Simcenter Testlab™ Neo, la plateforme logicielle de nouvelle génération dédiée à l'ingénierie des performances multidisciplinaires basée sur les tests.

"Le Simcenter SCADAS XS est très simple à utiliser pour les tests sur le terrain car il tient dans la poche d'un maillot de vélo, s'intègre parfaitement au casque binaural et peut être contrôlé sans fil avec l'application Simcenter Testlab Scope sur une tablette à l'extérieur", ajoute M. Harder. "Pendant les tests sur les chemins, nous avons également utilisé un GPS et une caméra d'action pour visualiser les données dans Simcenter Testlab Neo."

L'installation de test en laboratoire comprenait le Simcenter SCADAS XS, des microphones professionnels, un home-trainer isolé acoustiquement, réglé sur une résistance totale de 300 W et, bien sûr, le Trek Fuel EXe réglé sur son mode d'assistance maximale. L'équipe de Trek a utilisé Simcenter Testlab Neo conformément à la norme ECMA-74 :2019 pour calculer la tonalité.

"Après avoir étudié différentes mesures de qualité sonore, il est devenu évident que la tonalité était la plus représentative de ce qu'entendaient nos utilisateurs", affirme M. Harder. "Grâce à l'utilisation de Simcenter Testlab, nous avons pu facilement explorer d'autres indicateurs pertinents comme le ratio de proéminence et l'indice d'articulation. Rien n'est plus frustrant que de passer des jours à coder un algorithme manuellement pour finalement réaliser que la mesure n'est pas utile pour ce test."

L'équipe de M. Harder a fourni des retours tout au long du processus de prototypage, aboutissant à la création d'un ensemble avancé de méthodes pour diagnostiquer et améliorer l'acoustique des moteurs de vélos électriques. Pour finir, l'équipe a vérifié les résultats sur le terrain et en laboratoire sur le moteur de production final pendant deux jours dans une chambre anéchoïque. Les résultats finaux ont démontré que l'utilisation de Simcenter lui a permis de concevoir le Fuel EXe avec un son cinq fois plus agréable et près de deux fois plus silencieux que celui d'autres VTT électriques populaires.

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L'avenir de l'acoustique des vélos électriques

Lors de la mise en production des modèles HPR50 et Fuel EXe, le Trek Performance Research Group a réalisé qu'il développait une acoustique de pointe pour les vélos électriques.

"La quantification de la perception humaine du son est extrêmement complexe", déclare M. Harder. "L'utilisation de Simcenter SCADAS XS et du logiciel Simcenter Testlab Neo m'a permis de me concentrer moins sur la façon d'obtenir les bonnes réponses et davantage sur les enseignements que ces réponses m'apportaient. La capacité de tester rapidement différents indicateurs et de visualiser, filtrer et relire les données de manière interactive nous a permis d'obtenir des conclusions plus rapides et plus fiables, ce qui aurait été impossible autrement." M. Harder ajoute : "Ce qui est vraiment passionnant, c'est que nous pouvons désormais exploiter ces outils et ces connaissances acoustiques encore plus tôt dans les futurs projets de R&D de moteurs électriques et de vélos électriques."

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Le Simcenter SCADAS XS a été utilisé pour les tests sur le terrain ainsi que les configurations de test en laboratoire.

Le Simcenter SCADAS XS est très simple à utiliser pour les tests sur le terrain car il tient dans la poche d'un maillot de vélo, s'intègre parfaitement au casque binaural et peut être contrôlé sans fil avec l'application Simcenter Testlab Scope sur une tablette à l'extérieur", ajoute M. Harder.
Paul Harder, Ingénieur principal R&D, Trek Performance Research Group, Trek Bicycle