AUTOMOBILE - Technologie

AUTOMOBILE - Technologie

Le mot «automobile», assemblant une racine grecque et une racine latine, a été créé à la fin du XIX^e siècle pour désigner les nouvelles voitures sans chevaux. D’abord adjectif qualifiant tout véhicule se propulsant à l’aide d’un moteur (voiture, bateau), le mot devint ensuite un substantif désignant l’ensemble des engins à moteur qui se déplacent sur la terre ferme à l’aide de roues. On peut diviser ces engins en deux catégories: les voitures particulières (on ne dit plus «de tourisme»), conçues pour le transport de deux à neuf personnes, et les véhicules utilitaires , conçus pour le transport en commun des personnes (autocars, autobus) ou pour le transport des marchandises et matériaux (camions, camionnettes, tracteurs, véhicules spéciaux, etc.).

La découverte du moteur à combustion interne, réalisée de 1860 à 1890, est à l’origine de l’automobile moderne, comme la locomotive était née, un siècle plus tôt, de la machine à vapeur de Watt. Le pneumatique, apparu peu avant 1900, a joué un rôle essentiel dans le développement de l’automobile en rendant possible l’accroissement de la vitesse.

Les premiers inventeurs de l’automobile ont travaillé essentiellement par intuition et expérimentation; ils avaient toute liberté dans le choix des solutions. De nos jours, la conception automobile met en œuvre les technologies les plus avancées et bénéficie de moyens informatiques très puissants pour le calcul scientifique et le dessin (conception assistée par ordinateur, C.A.O., et conception et fabrication assistées par ordinateur, C.F.A.O.). Elle s’étend sur une période de trois à cinq ans modulée en fonction du degré de renouvellement et du réemploi des organes et des moyens industriels.

Composée de 30 000 à 40 000 pièces élémentaires, l’automobile fait appel aux activités industrielles les plus diverses telles que la métallurgie, la mécanique, l’électricité, l’électronique, le textile et la chimie où sont élaborés les matériaux tels que l’acier, l’aluminium, le caoutchouc, les matières plastiques, les tissus, les revêtements et les peintures.

L’automobile est un produit de grande série dont les cadences journalières peuvent atteindre plusieurs milliers d’exemplaires.

1. Organisation générale d’un véhicule automobile et impératifs de conception

Dans le cas le plus général, un véhicule automobile moderne est constitué d’une partie carrosserie, d’une partie mécanique et d’une installation électrique complexe. La carrosserie comprend une structure, éventuellement complétée d’un châssis (cas surtout des véhicules utilitaires); des équipements chargés d’assurer le confort, l’esthétique intérieure et la sécurité d’utilisation. La partie mécanique est composée d’un moteur avec ses auxiliaires et ses commandes, d’organes de transmission et de leurs commandes, d’organes de suspension, de direction et de freinage. Fréquemment, le moteur et les parties embrayage et boîte de vitesses de la transmission forment un ensemble appelé «groupe motopropulseur» (G.M.P.), et la suspension est organisée en un «train arrière» et un «train avant», ce dernier supportant le G.M.P. (photo). La figure 1 montre la disposition des organes dans le cas classique d’une voiture à traction avant. La figure 2 donne les différentes organisations possibles du groupe motopropulseur et des organes de transmission pour une voiture à moteur avant.

La structure

La structure est généralement constituée d’éléments en tôle d’acier emboutie assemblés par soudage; les matières plastiques sont toutefois de plus en plus utilisées, en particulier pour les éléments rapportés.

La structure de la caisse doit assurer un bon compromis entre: rigidité en flexion et en torsion, protection des passagers lors de collisions, habitabilité et légèreté. Une caisse nue de voiture moyenne a un poids de l’ordre de 200 kilogrammes.

Les équipements

Souvent qualifiés d’«accessoires» dans les débuts de l’automobile, les équipements sont devenus essentiels pour assurer le confort, l’agrément et la sécurité d’utilisation du véhicule. On peut citer, en particulier: les sièges, les instruments de bord, les garnissages intérieurs, les essuie-glaces, l’éclairage, la climatisation, l’insonorisation.

Le moteur

Le moteur doit fournir la puissance nécessaire au déplacement du véhicule. Il est en général du type à combustion interne: moteur à allumage commandé ou moteur Diesel. Certains véhicules spéciaux sont mus par l’électricité, soit que le véhicule transporte lui-même sa source d’énergie au moyen d’accumulateurs, soit qu’il soit tributaire d’une ligne conductrice (trolleybus).

Les organes de transmission

Les organes de transmission sont chargés de transmettre la puissance fournie par le moteur aux roues motrices, de faire varier la démultiplication entre moteur et roues, et d’assurer leur accouplement progressif pour les démarrages.

On distingue des transmissions à commande manuelle, des transmissions semi-automatiques et des transmissions automatiques.

Dans le cas des voitures particulières, les roues avant sont souvent choisies comme roues motrices pour des raisons relatives au critère compacité/poids des organes mécaniques et au comportement du véhicule sur sols peu adhérents.

Les organes de suspension

Les organes de suspension doivent assurer:

– la sustentation verticale de la caisse, avec filtration des inégalités du sol (fonction «suspension»);

– le guidage latéral du véhicule (fonction «tenue de route»);

– la transmission à la caisse des efforts moteurs et freineurs.

Ils font appel à des mécanismes articulés, à des éléments élastiques et à des amortisseurs.

Les organes de direction

Les organes de direction sont chargés de faire varier avec précision, et de manière agréable pour le conducteur, l’orientation des roues avant en fonction de son action sur le volant; ils doivent aussi assurer l’absence de braquages parasites nuisibles à la tenue de route, ce qui implique une étude de l’épure cinématique et des déformations menée en liaison étroite avec celle de la suspension.

Les organes de freinage

Les organes de freinage sont chargés d’assurer les décélérations du véhicule et son immobilisation à l’arrêt sous l’action appliquée à la pédale de frein. Ils doivent permettre une bonne facilité de dosage pour le conducteur, l’utilisation optimale de l’adhérence disponible et le respect des réglementations en vigueur.

Les impératifs de conception

Le marché

Le cahier des charges d’une automobile moderne se situe dans le contexte d’un marché de concurrence mondiale. Le style et la présentation, extérieurs et intérieurs, de la voiture sont des éléments primordiaux.

La production d’un modèle excède rarement dix ans et nécessite souvent deux ou trois évolutions (restyling ou facelift ) pendant la vie du modèle.

Pour assurer la compétitivité sur le marché et la rentabilisation des investissements, les constructeurs doivent offrir, pour une même voiture, un large choix de modèles, qui fait évoluer le plus souvent le moteur (cylindrée, nombre de cylindres, injection, suralimentation, diésélisation, boîte de vitesses automatique) et surtout le niveau des équipements de carrosserie. Ce constat implique des études préliminaires très soignées pour conserver une bonne standardisation des éléments de structure qui devront être compatibles avec les organes mécaniques très variés qu’il est indispensable d’implanter.

La nécessité d’offrir aux utilisateurs un habitacle spacieux, accompagné d’un grand volume disponible pour les bagages, a nécessité un compactage toujours plus grand des organes mécaniques. C’est ainsi que, sur les petites voitures européennes, se généralise la disposition du moteur transversal placé à l’avant avec une suspension type «MacPherson» ou «pseudo-MacPherson». À l’arrière, on trouvera des essieux de faible encombrement avec bras tirés pour garder un plancher arrière plat.

Le compactage des organes mécaniques doit néanmoins préserver une bonne accessibilité pour la réparation.

La réglementation

Exigée par les différents pays pour commercialiser un modèle d’automobile, variable selon les pays, la réglementation constitue un impératif dont il faut tenir compte dans la conception des modèles.

Les constructeurs doivent garantir une conformité des modèles en production après avoir présenté aux services d’homologation – et avant commercialisation – les prototypes accompagnés d’un dossier technique comprenant une description précise et les résultats d’essais pour les divers tests réglementaires.

L’homologation doit s’effectuer dans chaque pays, et toute modification fait l’objet d’une nouvelle présentation. On notera essentiellement pour les réglementations: les règlements de Genève établis dans le cadre de l’Organisation des Nations unies mais dont l’application est laissée à la discrétion des pays; les directives de Bruxelles pour les pays de la C.E.E.; les spécificités suisses, suédoises, autrichiennes; la réglementation des États-Unis, avec ses particularités pour l’État de Californie; la réglementation japonaise.

Toutes les disciplines de l’automobile sont concernées par la réglementation. Les principaux aspects sont: la sécurité secondaire (comportement de la structure lors de divers types de chocs et protection des occupants); la pollution (présence à l’échappement de composants nocifs pour l’environnement); le bruit émis par la voiture en phase d’accélération; la consommation d’essence selon divers cycles de conduite ou en régime stabilisé; le freinage; l’éclairage; le champ de vision; le chaînage des roues.

La normalisation

Les diverses professions de l’automobile et les constructeurs appliquent, chaque fois que faire se peut, une normalisation des composants (dimensionnement des pièces et des assemblages tels que vis, écrous, clips) et des méthodes d’essais qui permettent d’exprimer des caractéristiques techniques sous une forme normalisée (puissance et couple moteur, distance de freinage, etc.). La normalisation est le point de départ nécessaire avant toute démarche de réglementation.

En l’absence de normalisation, les constructeurs appliquent des standards qui leur sont propres ou communs à plusieurs constructeurs et à leurs fournisseurs.

La normalisation I.S.O. tend à se généraliser, mais est encore loin de couvrir la totalité des besoins de l’automobile; les standards D.I.N., Afnor, B.N.A., S.A.E. sont encore largement appliqués en Europe.

Le coût d’entretien et la réparabilité

La voiture particulière fait maintenant partie de la vie quotidienne des utilisateurs qui n’acceptent plus de voir leur véhicule immobilisé pour l’entretien ou les réparations. C’est ainsi que l’espacement des vidanges du moteur a dû être allongé: les boîtes de vitesses mécaniques sont maintenant graissées «à vie»; les articulations de suspension, de direction ou de commande de vitesses sont également conçues pour éviter les opérations de graissage.

L’entretien tel que le changement de cartouche ou de filtre a été rendu plus aisé et ne nécessite plus d’outils spéciaux. Des progrès importants ont été faits sur la fiabilité et la durabilité de l’allumage, et les fréquences d’intervention se sont largement espacées. Les véhicules ont été équipés de «prises de diagnostic» qui permettent au réparateur de déterminer rapidement et précisément l’élément défaillant. Pour les matériels électroniques sophistiqués, un système d’autodiagnostic est incorporé.

Enfin, les incidents dus aux collisions à faible vitesse en ville étant une source de réparations fréquentes, des tests normalisés permettent aux assurances de classer les voitures en fonction du coût de réparation.

Les moyens industriels

La concurrence implique des réductions drastiques de prix et un niveau de qualité et de fiabilité très élevé. Cela est rendu possible par des investissements industriels très performants en productivité, en précision et en fiabilité.

Les machines-transfert d’usinage se sont largement développées depuis quelques décennies. Il apparaît maintenant une généralisation de l’emploi des robots pour toutes les tâches répétitives complexes telles que soudure, peinture, assemblages et montages variés. Ces divers éléments interviennent dans la conception des pièces, organes et sous-ensembles qui constituent une automobile. La tâche essentielle des bureaux d’études d’industrialisation est de rendre compatibles tous les composants avec les moyens prévus pour les fabriquer, et d’assurer ainsi le juste compromis qualité-prix.

Une conséquence directe en est la généralisation de la conception modulaire. Elle permet l’assemblage de la voiture en ligne de montage à partir de sous-ensembles ou de modules préparés et complètement vérifiés dans d’autres usines ou sur des lignes de montage spécifiques.

L’utilisation des véhicules

Les conditions dans lesquelles va être utilisé le véhicule déterminent ses caractéristiques de conception. Nous citerons simplement quelques facteurs d’utilisation importants: les conditions climatiques qui conditionnent le démarrage, le fonctionnement à froid, le fonctionnement à chaud, le refroidissement du moteur et de son environnement, le chauffage, la ventilation et la réfrigération de l’habitacle (les véhicules actuels sont prévus pour un fonctionnement normal par des températures ambiantes de 漣 18 ⁰C à + 35 ⁰C et, pour certains pays, de 漣 30 ⁰C à + 45 ⁰C).

L’état du réseau routier conditionne directement le choix des pneumatiques, les réglages de suspension et la corrosion de structure. L’utilisation dans des lieux poussiéreux ou sur les chantiers de travaux publics, nécessite des dispositions particulières.

Le trafic, les limitations de vitesse, le comportement des conducteurs, certaines pratiques locales telles que l’arrêt du moteur au feu rouge sont autant de facteurs qui vont intervenir sur le dimensionnement et le choix des composants automobiles pour satisfaire le fonctionnement, l’usure et la résistance mécanique.

Le chargement des véhicules et le remorquage conditionnent la suspension, le refroidissement du moteur et celui des freins.

L’automobile est toujours un compromis difficile entre les diverses contraintes auxquelles elle doit satisfaire. Certaines d’entre elles ont permis et même facilité le développement, d’autres constituent encore un frein au progrès. L’automobile a cependant toujours fait preuve d’une adaptabilité étonnante.

2. Carrosserie

La structure

Hormis le cas des véhicules utilitaires, la structure est, de nos jours, une structure «autoportante». Elle reçoit directement les efforts transmis par les trains roulants, sans l’intermédiaire d’un châssis.

Elle doit faire preuve:

– de bonnes rigidités en flexion, en torsion et à la déformation «en parallélogramme» (cas des véhicules à grande ouverture arrière). Ces rigidités peuvent être mesurées sur des installations appropriées;

– de certaines caractéristiques de résistance-déformabilité aux chocs;

– d’une forme intérieure assurant l’habitabilité maximale dans les dimensions fixées;

– d’une forme extérieure assurant, en plus du style recherché, un bon «coefficient de pénétration aérodynamique».

La formule de résistance à l’avancement d’un véhicule (cf. infra , chap. 6) montre l’importance de ce coefficient Cx aux vitesses élevées. On admet qu’un gain de 15 p. 100 sur un Cx de 0,4 permet un gain de 1 litre aux 100 kilomètres sur la consommation à 120 kilomètres par heure d’une voiture moyenne à essence. Pour cette raison, la détermination d’une nouvelle carrosserie ne se fait plus, actuellement, sans de nombreux essais en soufflerie.

Le coefficient Cx n’est pas seulement fonction de la forme des parties visibles de la caisse; la circulation de l’air de refroidissement du moteur, par exemple, y joue un rôle important. Les voitures modernes ont des valeurs de Cx comprises entre 0,27 et 0,40.

Les mesures en soufflerie permettent aussi, notamment: d’optimiser l’emplacement des entrées et sorties de l’air de climatisation, afin d’en obtenir une circulation «naturelle»; d’étudier les autres forces aérodynamiques appliquées à la caisse et qui peuvent influer sur la tenue de route (portance, sensibilité au vent latéral).

La constitution d’une caisse moderne tout acier est représentée sur la figure 3. Elle comporte environ 300 pièces en tôle emboutie, assemblées par points de soudure électrique et parfois par collages.

La conception d’un tel ensemble au moindre poids compatible avec les objectifs de résistance fixés est rendue possible par l’utilisation de procédés modernes de calcul des structures. Par exemple, la méthode du calcul par «éléments finis» permet de déterminer, à partir du dessin, les contraintes et déformations en tout point d’une structure sous des sollicitations extérieures données. La rapidité de calcul offerte par l’informatique permet, en peu de temps, d’optimiser la géométrie des pièces constitutives (conception assistée par ordinateur). L’utilisation de calculateurs de plus en plus puissants permet d’étendre aujourd’hui ces applications du calcul de structure au comportement des véhicules par rapport au choc.

La tendance au remplacement de l’acier par des alliages légers ou des matériaux en plastique se confirme par la réalisation de grandes pièces de carrosserie (capot avant, volet arrière, etc.). Elle permet la réduction du poids des carrosseries, donc de la consommation de carburant.

Les vitres sont de plus en plus réalisées à partir de verres de sécurité genre «Triplex», constitués de plusieurs couches encollées dont la rupture n’entraîne pas la formation d’éclats dangereux; les vitres fixes (pare-brise, lunette arrière) participent à la rigidité de la caisse.

La protection contre la corrosion est assurée par de nombreux traitements (électrophorèse) et revêtements d’apprêt; la peinture finale est réalisée par pulvérisation et cuisson d’une couche de laque dont l’épaisseur est de l’ordre de 40 microns.

La plupart des modèles de voiture sont proposés avec une option «toit ouvrant», basée soit sur un panneau opaque coulissant vers l’arrière après effacement, soit sur un panneau semi-transparent pouvant être entrebâillé. L’actionnement peut être manuel ou électrique.

Il existe également des carrosseries «découvrables» par le repliage d’une capote souple, généralement en toile plastifiée, montée sur des arceaux. Cette disposition rend nécessaire un renforcement de la structure dans sa partie basse, pour conserver à la caisse des rigidités suffisantes.

La structure et la sécurité secondaire

Quand «l’accident primaire», qui met en relation le véhicule et l’obstacle, ne peut être évité, il importe de réduire au minimum l’énergie mise en jeu dans «l’accident secondaire» qui met en relation le véhicule et le passager.

Le calcul montre qu’une voiture roulant à 30 kilomètres par heure et subissant en choc frontal sur un mur fixe un écrasement de 30 centimètres soumet ses passagers à une décélération de 12 g , c’est-à-dire qu’ils sont plaqués vers l’avant avec une force de 12 fois leur poids. Pour 50 kilomètres par heure et 50 centimètres, ce chiffre passe à 20 fois.

Il est donc essentiel de rechercher une structure «écrasable» dans ses parties avant et arrière, tout en minimisant la déformation de l’habitacle (fig. 4) et les agressions par déplacement des organes mécaniques. Là encore, des réglementations interviennent: limitation du recul du volant en cas de choc avant par exemple. Il s’ensuit, pour le constructeur, la nécessité de pratiquer des simulations d’accidents, dans des conditions bien définies. Cela permet d’analyser le mode de déformation des structures, de mesurer les efforts appliqués aux éléments de retenue (ceintures) et les sollicitations subies par les passagers remplacés par des mannequins.

Les équipements

Les équipements sont essentiellement: les garnissages intérieurs, les sièges, les instruments de contrôle et d’aide à la conduite, la climatisation, l’insonorisation, l’éclairage et le réseau électrique, sans oublier les essuie-glaces et lave-glaces ainsi que les mécanismes de portières. Leur conception conditionne, pour une large part, le confort et la sécurité d’utilisation du véhicule.

Les garnissages intérieurs font largement appel aux matières plastiques. Le choix des formes, des matériaux et des couleurs conditionne l’ambiance qui règne à l’intérieur de l’habitacle.

Les sièges doivent assurer un bon confort statique (ou «postural») et dynamique (filtration des secousses et vibrations). Leur réussite est liée à de nombreux facteurs tels que la forme de l’assise et du dossier, la souplesse et la texture des matériaux utilisés, les possibilités de réglage; ils doivent en outre conserver leurs caractéristiques après des années d’utilisation. La recherche de la «moindre fatigue» a conduit à des études approfondies du corps humain, pour en déterminer les positions optimales en station assise et la sensibilité aux diverses vibrations. L’apparition des matériaux plastiques «moussés» a permis de grands progrès dans la sellerie automobile.

Les instruments de contrôle sont les différents indicateurs groupés sous les yeux du conducteur, pour lui procurer en permanence: d’abord des informations concernant la sécurité (vitesse, bon état du circuit de freinage, absence d’anomalie grave sur le moteur) et, ensuite, d’autres informations utiles (niveau de carburant dans le réservoir, témoin d’allumage des phares, témoin de frein à main, kilomètres parcourus, heure, etc.).

De plus en plus, ces instruments font appel aux techniques modernes d’affichage par diodes ou cristaux liquides et constituent des éléments du style intérieur du véhicule.

Les instruments d’aide à la conduite donnent au conducteur des informations propres à lui permettre de conduire économiquement. Ils peuvent être sommaires («éconoscopes» sensibles seulement à la dépression à l’admission moteur), ou sophistiqués comme les «ordinateurs de bord» qui permettent de faire des calculs de consommation, de vitesse moyenne et d’autonomie à chaque instant. Il existe aussi des régulateurs de vitesse qui déchargent le conducteur de l’obligation de surveiller sa vitesse après l’avoir ajustée au maximum autorisé.

La climatisation a pour but de créer et de maintenir à l’intérieur de l’habitacle une ambiance «climatique» agréable, dans tous les cas d’ambiance extérieure et de vitesse de la voiture. Quelques chiffres: pour un bon confort, le degré hygrométrique doit se situer entre 40 et 60 p. 100, la vitesse relative de l’air peut aller de 0,15 à 0,25 mètre par seconde et la neutralité thermique vis-à-vis du corps semble se situer entre 20 et 25 ⁰C.

Pour les pays tempérés, on admet qu’entre 漣 10 ⁰C et + 20 ⁰C la climatisation peut être assurée par un ensemble simple. Les calories nécessitées par le chauffage et le dégivrage sont fournies par le moteur.

Pour les pays froids, des appareils complémentaires (sièges chauffants) sont alors nécessaires.

Pour les pays chauds, le refroidissement de l’habitacle nécessite de l’air réfrigéré; pour cela, on utilise les frigories produites par l’évaporation d’un fluide à bas point d’ébullition (fréon), que l’on condense ensuite par compression comme dans le cas des réfrigérateurs statiques.

Les systèmes de climatisation automobiles, avec ou sans réfrigération, constituent des ensembles complexes qui demandent à être prévus en même temps que l’habitacle; en effet, la disposition des organes sous le capot doit tenir compte de leur présence.

L’insonorisation est étudiée lors de la conception du véhicule; le constructeur s’efforce d’amener au plus bas possible le niveau sonore à l’intérieur de l’habitacle:

– par une conception adéquate des liaisons entre la mécanique (moteur, roues) et la caisse;

– par une conception de la caisse évitant au maximum les bruits aérodynamiques et les «trous acoustiques» entre moteur et habitacle;

– par l’utilisation de matériaux insonorisants, de «barrage» ou d’«absorption».

L’éclairage de la route par les projecteurs fait l’objet de normes précises. Il doit assurer une fonction «feux de route» et une fonction «feux de croisement», cette dernière étant destinée à assurer l’éclairage maximal sans éblouissement des conducteurs venant en face. On utilise généralement des lampes à deux filaments associées à des réflecteurs paraboliques et à des transparents convenablement striés, en verre ou en matière plastique. L’apparition de projecteurs dont les réflecteurs font appel à des surfaces dites complexes au lieu des paraboles traditionnelles permet, par une optimisation des flux lumineux, une amélioration notable des performances d’éclairement, notamment en «feu de croisement».

La lampe à halogène, apparue en 1965, a marqué un grand progrès en assurant à la fois une puissance lumineuse et une durée de vie très supérieures à celles de la lampe classique. Son efficacité est fondée sur une régénération continue du filament, par dépôt de l’halogénure de tungstène qui se forme à partir du tungstène du filament volatilisé par la température. On peut alors porter ce filament à une température bien plus élevée sans le détruire rapidement, d’où le gain de luminance.

Le style est un des éléments importants de la carrosserie. C’est ce qui caractérise les véhicules les uns par rapport aux autres. On distingue le style extérieur et le style intérieur. En plus du côté purement affectif lié au volume et aux formes, le style doit prendre en compte les contraintes techniques suivantes: l’implantation d’organes mécaniques donnés, la mise en place des passagers et un coefficient aérodynamique performant.

3. Moteur

Les véhicules automobiles sont, dans leur grande majorité, équipés de moteurs thermiques à «combustion interne» fonctionnant selon le cycle Beau de Rochas à quatre temps.

La généralisation du moteur thermique est liée aux facilités de stockage et d’emploi des carburants: il est tout à fait aisé d’embarquer les 50 litres de gazole, soit une masse totale carburant + réservoir de 48 kg, qui permettent aux quatre occupants d’un véhicule de tourisme d’aller de Paris à Barcelone à la vitesse moyenne de 90 km/h.

En revanche, le moteur électrique, qui présente de nombreux avantages sur le moteur thermique (rendement, silence, absence de pollution), n’a jamais été utilisé à grande échelle par l’industrie automobile, faute de parvenir à stocker, au moindre coût et au moindre poids, une quantité suffisante d’électricité.

C’est en 1862 que Beau de Rochas imagina le cycle thermodynamique dit à «quatre temps» et vers 1870 que l’Allemand Nikolaus August Otto développa son application aux moteurs thermiques.

Le moteur thermique à quatre temps

Le moteur thermique à quatre temps se compose essentiellement (fig. 5) d’un carter comportant un certain nombre de cylindres, généralement deux à douze. Dans chaque cylindre peut coulisser un piston qui oscille entre deux positions extrêmes appelées point mort haut et point mort bas; une bielle, articulée à l’une de ses extrémités au piston et à l’autre à un arbre coudé appelé vilebrequin, permet de transformer le mouvement rectiligne alternatif du piston en un mouvement de rotation. La chambre de combustion, délimitée par le piston et le cylindre, est fermée dans sa partie supérieure par la culasse. Cette pièce est équipée de soupapes dont le mouvement alternatif, synchronisé à la rotation du vilebrequin, gère la circulation des gaz au travers du moteur dans la chambre de combustion. Le moteur est souvent caractérisé par sa cylindrée, exprimée en litres ou en centimètres cubes. Celle-ci est égale au volume balayé par le piston, multipliée par le nombre de cylindres.

On appelle «cycle» l’ensemble des opérations qui se répète périodiquement. Un temps correspond à une course de piston dans le cylindre. Le cycle à quatre temps met en œuvre quatre courses de piston (deux aller et retour) et correspond donc à deux tours de l’arbre vilebrequin. Son déroulement diffère selon le type de carburant utilisé: essence ou supercarburant dans le moteur à allumage commandé, gazole dans le moteur Diesel.

Le moteur à allumage commandé

Le cycle à quatre temps se déroule de la façon suivante:

– admission : la ou les soupapes d’admission s’ouvrent; le piston, partant du point mort haut, descend dans le cylindre en aspirant un mélange air-essence préalablement élaboré par un système approprié;

– compression : les soupapes se referment; le piston remonte du point mort bas en comprimant le mélange gazeux;

– explosion , détente : une étincelle électrique déclenche la réaction chimique de combustion; l’énergie déployée par la détente des gaz repousse le piston vers le point mort bas; c’est le temps moteur;

– échappement : la ou les soupapes d’échappement s’ouvrent; le piston remonte du point mort bas en chassant les gaz brûlés.

Le bon fonctionnement du moteur à allumage commandé est fondé sur la précision du dosage et l’homogénéité du mélange air-essence. Pour que la combustion soit complète, il faut adapter la quantité d’essence à la quantité d’air aspiré à tous régimes et aux différentes charges du moteur, mélanger intimement l’air et l’essence et répartir ce mélange également entre tous les cylindres.

Pour répondre à toutes ces conditions, deux dispositifs permettent de préparer et de répartir le mélange air-essence: le carburateur, l’équipement d’injection d’essence.

Le carburateur : le carburant est aspiré et pulvérisé grâce à la vitesse d’écoulement de l’air d’admission au travers du carburateur. Le débit d’air, qui crée une dépression variable lors de son passage dans une buse ou un venturi, contrôle le débit d’essence aspiré. Au sein de cette buse s’effectuent à la fois le dosage et la pulvérisation. Un volet, placé en aval de la buse et activé par la commande d’accélérateur, permet de régler le débit de mélange carburé admis et, par conséquent, la puissance du moteur. Les carburateurs modernes sont équipés de circuits et dispositifs auxiliaires qui modulent la richesse en carburant du mélange lorsque le moteur fonctionne dans des conditions particulières: ralenti, faibles charges, variation brutale de charge (reprise), etc.

L’équipement d’injection d’essence : le carburant est introduit dans le circuit d’admission au moyen d’injecteurs-pulvérisateurs fonctionnant à une pression inférieure à 5 bars. L’injection dite monopoint utilise un seul injecteur placé en amont de la séparation des conduits.

Dans l’injection multipoint, chaque cylindre est alimenté par un injecteur qui débouche généralement très près de la soupape d’admission. Comme dans le cas du carburateur, la charge du moteur est commandée par un volet placé dans le circuit d’admission. De plus en plus de moteurs sont équipés de systèmes dans lesquels la quantité de carburant à injecter est gérée électroniquement. Le signal électrique de commande des injecteurs est généré par un calculateur qui analyse les paramètres de fonctionnement du moteur: régime de rotation, débit d’air aspiré (mesuré par un débit-mètre ou calculé à partir de la pression d’admission), température du moteur, position du volet de charge, etc.

Sans aller plus loin dans la description du fonctionnement du moteur à allumage commandé, nous nous bornerons à définir son rendement et ses courbes caractéristiques.

– Le rendement est le rapport entre le nombre de calories que la masse de carburant aspiré à l’admission peut produire et le nombre de calories transformées effectivement en énergie mécanique. D’après le principe de Carnot (la source chaude étant la chambre de combustion et la source froide l’atmosphère), le rendement théorique augmente avec le taux de compression (rapport entre les volumes du mélange gazeux au point mort bas et au point mort haut), selon la formule:

où 塚 est le rapport entre les chaleurs massiques à pression constante et à volume constant du fluide. On est donc conduit à augmenter le plus possible le taux de compression, sans néanmoins atteindre la pression de la masse gazeuse qui produit une combustion anormale.

Ce phénomène de combustion anormale, généralement appelé cliquetis, résulte d’une auto-inflammation de la partie de la charge non brûlée, c’est-à-dire placée en avant du front de flamme. Il s’ensuit une augmentation locale de pression qui déclenche une vibration intense de la masse gazeuse. En plus du bruit métallique désagréable qu’il génère, le cliquetis, lorsqu’il se produit à haut régime, entraîne généralement la destruction des parois de la chambre de combustion. Il est donc important de détecter, au plus tôt, la naissance du phénomène afin d’agir sur les paramètres (principalement ceux qui fixent l’instant d’allumage de la charge dans le cycle) capables de le faire disparaître. Une technique de détection fiable et de mise en œuvre aisée consiste à implanter un accéléromètre sur la culasse ou le bloc moteur et à filtrer le signal en sélectionnant la fréquence (de 5 000 à 8 000 Hz) correspondant effectivement au cliquetis.

Cette limite impose aux moteurs modernes un taux de compression maximal de l’ordre de 9, qui conduit à un rendement thermodynamique de 0,50 et à un rendement pratique de l’ordre de 0,25 à 0,28 seulement.

– Les courbes caractéristiques principales du moteur sont rappelées à la figure 6; elles caractérisent un moteur et sont fondamentales pour étudier son adaptation au véhicule. Ce sont, d’une part, les courbes de puissance et de couple maximaux en fonction de la vitesse de rotation (ces courbes se déduisent l’une de l’autre selon la formule W = CN), avec la consommation correspondante; d’autre part, les courbes de consommation en fonction de la puissance ou du couple et de la vitesse de rotation (dites courbes d’isoconsommation, fig. 7).

Le moteur Diesel

Le déroulement du cycle à quatre temps du moteur Diesel diffère quelque peu de celui du moteur à allumage commandé. C’est de l’air – et non un mélange carburé – qui est introduit dans le cylindre lors de la phase admission. Le rapport volumétrique étant de l’ordre de 22 à 23, la pression de l’air dans le cylindre, en fin de compression, atteint 35 bars et sa température de 550 à 600 ⁰C. Le gazole est alors injecté sous forme de fines gouttelettes, soit directement dans la chambre de combustion (injection directe), soit dans une préchambre turbulente destinée à favoriser sa combustion au contact de l’air chaud (injection indirecte). Les temps de détente et d’échappement sont les mêmes que ceux du cycle à allumage commandé. Le dosage de la quantité de gazole et sa pulvérisation dans la chambre de combustion sont assurés par une pompe distributrice haute pression et des injecteurs. Alors qu’en théorie la masse d’air nécessaire à la combustion de 1 g de gazole est égale à 15,84 g (mélange dit «stoechiométrique»), le dosage appliqué au moteur Diesel est de 25 g d’air pour 1 g de gazole. Ce travail en «excès d’air» est nécessaire pour obtenir un meilleur brassage et donc une combustion complète. S’il conduit à la diminution de la puissance spécifique, il réduit en revanche considérablement, par rapport au moteur à essence, les émissions de gaz polluants à l’échappement.

Aspects technologiques. Le moteur et son installation dans le véhicule

Sans revenir de façon détaillée sur l’architecture du système piston-bielle-vilebrequin, dont le fonctionnement a été sommairement décrit au début de cet article, il paraît intéressant de présenter certaines technologies propres au moteur et à son installation dans le véhicule.

– La distribution : c’est la clé de la «respiration» du moteur. L’ouverture et la fermeture des soupapes conditionnent le remplissage et la vidange des cylindres. Les soupapes sont maintenues fermées par un ressort de rappel. Leur ouverture est commandée par un arbre à cames, directement ou par l’intermédiaire d’un basculeur. L’arbre à cames tourne à demi-vitesse par rapport au vilebrequin qui l’entraîne au moyen d’une chaîne ou d’une courroie crantée. C’est bien souvent l’incapacité des soupapes à s’ouvrir et à se fermer suffisamment vite qui limite la vitesse maximale de rotation du moteur. Il est donc intéressant de repousser cet «affolement» en diminuant l’inertie et donc la masse des soupapes et de leur système de commande. Pour ce faire, la soupape unique d’admission ou d’échappement est remplacée par deux soupapes plus petites. Cette disposition présente, en outre, l’avantage d’améliorer la perméabilité des conduits dans la culasse et donc d’augmenter la puissance du moteur à haut régime. Il peut être également intéressant d’adapter la loi d’ouverture des soupapes au régime du moteur afin d’optimiser le remplissage. Cette disposition particulière appelée «distribution variable», de réalisation technologique complexe, reste peu utilisée.

– La suralimentation : il est également possible d’améliorer les performances d’un moteur de cylindrée donnée en le suralimentant par un dispositif compresseur disposé sur l’admission. Cette technologie s’est surtout développée dans le domaine des moteurs Diesel, dont la puissance spécifique est plus faible que celle des moteurs à essence.

Le dispositif le plus utilisé est, de nos jours, le turbocompresseur (appelé aussi «turbosoufflante» ou plus simplement «turbo»), dont la partie turbine est entraînée par les gaz d’échappement du moteur. L’augmentation de puissance obtenue est du même ordre que l’augmentation de pression à l’admission, soit de 40 à 80 p. 100 environ pour les véhicules d’usage courant.

Pour tirer le meilleur profit de la suralimentation, il y a lieu de refroidir l’air après compression au moyen d’un échangeur appelé «intercooler». La suralimentation est applicable à tous les types de moteurs à pistons. Il est toutefois nécessaire d’adapter, en particulier pour le moteur à allumage commandé, le taux de compression afin de tenir compte de la pression initiale de l’air d’admission.

– La lubrification : non seulement elle a pour but de faciliter le glissement des pièces en mouvement par l’interposition d’un film d’huile, mais elle permet aussi d’évacuer des calories produites par le frottement.

L’huile de graissage est envoyée sous pression aux différentes parties du moteur par la pompe qui débite principalement vers le vilebrequin (percé de canaux intérieurs) et vers les bielles, l’arbre à cames, les poussoirs, les culbuteurs, etc. Après avoir arrosé les parois du cylindre, l’huile retombe dans le carter d’où elle est puisée et remise en circuit par la pompe.

– Le refroidissement : la température des gaz à certains moments du cycle pouvant atteindre 2 000 ⁰C, le refroidissement de la chambre de combustion est nécessaire. Il est donc essentiel de limiter la température des pièces (pour conserver leurs propriétés mécaniques), la température des parois soumises au frottement et celle de l’huile (l’huile doit rester à une température inférieure à 140 ⁰C pour conserver un bon pouvoir lubrifiant).

Le refroidissement de la grande majorité des moteurs est assuré par un mélange d’eau et de dérivés d’éthylène glycol. Ce fluide possède, à la fois, un point de congélation très bas, une bonne résistance à la corrosion et un point d’ébullition supérieur à 100 ⁰C. Propulsé par une pompe entraînée par le vilebrequin, il circule dans des «chambres d’eau» qui enveloppent la chambre de combustion et les cylindres. Hors du moteur, le fluide est dirigé vers un radiateur dans lequel il transmet sa chaleur à l’air. Sa température est régulée par un ajustement thermostatique du débit; de plus, un ventilateur (généralement électrique) active, quand nécessaire, le refroidissement du radiateur.

– La suspension du moteur dans la caisse : le moteur, ou l’ensemble du groupe motopropulseur, est fixé à la caisse par des supports élastiques qui assurent deux rôles fondamentaux: d’une part, supporter le poids statique du G.M.P. et toutes les réactions dynamiques qui lui sont appliquées, particulièrement en traction avant (couple aux roues) et, d’autre part, filtrer les vibrations propres du moteur, source de bruit dans l’habitacle en particulier avec les moteurs à quatre cylindres en ligne et les moteurs Diesel.

Pour résoudre ces différents problèmes, de nombreux dispositifs de suspension du moteur font appel à des supports dits hydroélastiques, dont les caractéristiques de rigidité et d’amortissement varient de façon contrôlée en fonction de la fréquence à filtrer.

Autres types de moteurs

Le moteur rotatif (système Wankel) est un moteur à quatre temps à allumage commandé, et pour lequel le piston est remplacé par un rotor excentré en forme de triangle équilatéral curviligne partageant, à chaque instant, en trois chambres l’enceinte dans laquelle il tourne. Il a l’avantage d’être compact, de présenter moins de pièces en mouvement et moins de vibrations; mais son rendement n’est pas excellent, aussi sa consommation relativement élevée a limité sa diffusion.

On peut encore citer le moteur à deux temps à allumage commandé, avec lequel les admissions et échappements se font par des lumières dans le cylindre, ouvertes et fermées par le mouvement alternatif du piston. Ce type de moteur, de construction très simple, a l’inconvénient d’avoir un rendement médiocre et de nécessiter, pour son graissage, un mélange d’huile dans l’essence. Il n’est pratiquement utilisé que pour des voiturettes.

Enfin, des turbines à gaz ont également été adaptées à des véhicules automobiles.

Le moteur et les contraintes de l’environnement

La grande concentration de véhicules automobiles utilisés dans certaines zones, comme les grandes villes, a fait apparaître des problèmes de nuisances dues, en particulier, à la dilution dans l’atmosphère des gaz brûlés dans les moteurs. Les principaux polluants ont été recensés, et leur taux de rejet soumis à réglementation. La législation porte sur: le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC), les oxydes d’azote (NOx ), polluants gazeux auxquels il faut ajouter, pour le moteur Diesel, les résidus solides de combustion (particules).

À titre d’exemple, le tableau supra présente l’évolution de la réglementation en Europe (règlement 15) et aux États-Unis (norme américaine) pour un véhicule de tourisme de 900 kg, équipé d’un moteur de cylindrée égale à 1 600 cm³.

La réduction des émissions de polluants est obtenue, en premier lieu, par un affinage des réglages qui déterminent le dosage et l’homogénéité du mélange air/carburant, quelles que soient la charge et la vitesse de rotation du moteur. La forme de la chambre et la position de la bougie d’allumage sont également optimisées afin d’améliorer la combustion. De plus, des dispositifs annexes sont nécessaires, soit pour éviter la formation de certains polluants, soit pour les éliminer dans le système d’échappement. On peut citer les dispositifs de recirculation à l’admission d’une partie des gaz brûlés qui abaissent les températures en fin de combustion et limitent ainsi la formation des NO^x . Une injection d’air dans l’échappement permet également d’y compléter la combustion du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés.

Les meilleurs résultats de dépollution du moteur à allumage commandé sont obtenus par oxydo-réduction des trois polluants gazeux dans un catalyseur dit «trifonctionnel» (fig. 8). Le taux de conversion du catalyseur, c’est-à-dire sa capacité à oxyder ou réduire les polluants, est optimal lorsque le moteur brûle un mélange stoechiométrique ( = 1) [fig. 9]. Cette fenêtre de réglage entre manque d’air et excès d’air peut être détectée par une sonde, dite «sonde», placée dans les gaz d’échappement en amont du catalyseur et qui délivre un signal électrique variable selon qu’elle est en présence ou non d’oxygène. Ce signal électrique est utilisé pour réguler les paramètres de richesse en carburant du mélange et donc pour placer le catalyseur dans les conditions de fonctionnement les plus favorables.

Une autre nuisance, le bruit émis par les véhicules automobiles, est également strictement réglementée. Si l’abaissement du niveau sonore nécessite un travail minutieux d’optimisation en de nombreux points du véhicule, c’est sur l’insonorisation du dispositif d’échappement que porte l’essentiel des efforts.

Le respect de l’environnement et la réduction des pollutions tant chimiques que sonores sont désormais des éléments primordiaux, intégrés dans la conception du moteur et de son adaptation à un véhicule automobile.

4. Carburants et lubrifiants

Les carburants et les lubrifiants utilisés pour l’automobile sont des produits provenant le plus souvent du raffinage de pétrole brut, mais aussi du traitement chimique d’autres hydrocarbures naturels, de houille ou de biomasse (carburants et huiles de «synthèse»).

Le raffinage du pétrole brut, consiste fondamentalement en une distillation, à pression atmosphérique ou sous vide, permettant de séparer: les gaz, les produits légers (où sont sélectionnés les carburants essence et gazole), puis les huiles et les produits lourds, ceux-ci pouvant eux-mêmes être traités (cracking) pour redonner une partie de produits légers.

Les carburants sont, pour les moteurs à allumage commandé, des mélanges de produits légers (essences) additionnés de différents «dopes», en particulier le plomb utilisé comme antidétonant. Ils sont caractérisés par leur «indice d’octane», qui reflète leur résistance au cliquetis, et par leur volatilité, qui conditionne le fonctionnement du moteur dans les ambiances chaudes. Les recherches menées aux États-Unis puis en Europe sur la toxicité des alkyles de plomb et le fait que ce métal détruise les catalyseurs destinés à traiter les polluants gazeux ont progressivement amené les législateurs à interdire son utilisation dans l’essence. C’est ainsi qu’en Europe les nouveaux véhicules devront pouvoir utiliser le carburant sans plomb, dit «eurosuper».

Il est également possible d’ajouter à l’essence des alcools en proportion variable, ou même d’utiliser des alcools purs. Dans ces deux derniers cas, comme dans celui de l’emploi des gaz de pétrole liquéfiés (GPL), des adaptations particulières des moteurs sont nécessaires.

Pour les moteurs Diesel, on emploie les gazoles. Ils sont caractérisés par leur indice d’auto-inflammation, dénommé «indice de cétane», et par leur comportement à froid, en particulier leur point de trouble, leur température limite de filtration et leur point d’écoulement ^{[cf. CARBURANTS]}.

Les lubrifiants sont nécessaires pour permettre le frottement sans grippage des pièces entre elles et pour limiter l’usure et les échauffements. Ils sont utilisés partout où les pièces en mouvement ne sont pas autolubrifiantes.

La lubrification du moteur (cf. fig. 5) nécessite des huiles de grande qualité, assez fluides à froid, conservant des propriétés de lubrification à chaud, et se dégradant peu au cours de l’utilisation. Ce sont des mélanges d’huiles de distillation du pétrole (dites minérales), ou d’huiles minérales et de synthèse, ou des huiles synthétiques pures. Elles sont «dopées» par des additifs améliorant leurs propriétés physiques, par exemple pour les rendre «multigrades», c’est-à-dire assez fluides à froid, mais suffisamment visqueuses à chaud. On améliore également leur pouvoir dispersant vis-à-vis de toutes les impuretés de combustion; c’est la «détergence», qui aide à éliminer les dépôts dans les moteurs. Enfin, on cherche à les rendre stables face aux agressions chimiques résultant des élévations importantes de température et de la dilution des résidus de combustion. Elles doivent cependant être vidangées périodiquement.

Un classement international caractérise les huiles en fonction de leur viscosité. Il a été élaboré par la S.A.E. (Society of Automotive Engineers), d’où les appellations SAE 5 à SAE 50 qui définissent des grades de viscosité à 100 ⁰C des huiles pour moteur, en allant de la plus fluide à la plus épaisse. Les «multigrades» sont des huiles dont la viscosité est définie à deux températures: 100 ⁰C (par le 2^e chiffre), et une température comprise entre 漣 30 ⁰C et 漣 5 ⁰C (par le 1^er chiffre, suivie d’un W comme Winter); le premier chiffre définit également des conditions de comportement au pompage.

Les huiles pour transmission (gear-oils ) font l’objet d’une classification distincte qui utilise une échelle allant de SAE 75 à SAE 250. Dans la plupart des automobiles modernes, les boîtes de vitesses ne nécessitent que des vidanges très espacées ou sont lubrifiées à vie.

Les graisses sont des produits semi-fluides, résultant de la dispersion d’un agent épaississant dans un lubrifiant liquide; les graisses utilisées en automobile sont généralement composées d’une huile de pétrole épaissie par un savon (sodium, calcium, lithium, aluminium complexe, etc.) auxquels on ajoute des additifs pour augmenter la résistance à la corrosion, la capacité de charge, le point d’écoulement, ou pour réduire les variations de viscosité à chaud ou à froid.

La qualité des lubrifiants et des étanchéités est telle que les organes d’articulation d’une automobile moderne (rotules, roulements de roue, axes de bras, transmissions, etc.) sont graissés par le constructeur, et ne nécessitent aucun entretien.

5. Équipement électrique du moteur

L’équipement électrique d’un véhicule automobile doit assurer: le démarrage du moteur et son allumage, l’éclairage du véhicule et de la route, le fonctionnement d’appareils divers. Il comprend en conséquence:

– une batterie d’accumulateurs;

– un générateur de courant avec un système de régulation;

– un démarreur;

– un système d’allumage (moteurs à allumage commandé);

– des équipements «consommateurs» et aussi un ensemble de faisceaux électriques.

L’un des événements les plus notables de ces dernières années est le développement considérable de l’électronique dans l’automobile; de véritables ordinateurs assurent le contrôle centralisé des paramètres moteur et celui des équipements.

La batterie d’accumulateurs

Les batteries d’accumulateurs utilisées sont généralement des accumulateurs au plomb ^{[cf. PILES ET ACCUMULATEURS]} de tension normalisée à 12 volts (voitures particulières) ou 24 volts (véhicules utilitaires et véhicules militaires français).

L’accumulateur au cadmium-nickel, dit alcalin, n’est guère utilisé que pour des applications très particulières (par exemple, quelques véhicules à traction électrique).

La batterie est le réservoir d’énergie qui doit à chaque instant être capable d’actionner le démarreur et, en même temps, d’assurer l’allumage et, s’il y a lieu, l’injection du moteur, quels que soient l’état d’usure de ce dernier et la température extérieure.

Pendant le démarrage, l’accumulateur doit débiter plusieurs centaines d’ampères; la tension à ses bornes diminue mais doit rester suffisante pour assurer l’allumage et l’injection.

La capacité d’une batterie est la quantité d’électricité, exprimée en ampères-heures, que peut restituer la batterie lorsqu’elle débite à intensité sensiblement constante pendant un temps donné (20 heures pour les batteries au plomb à une température d’environ 20 ⁰C).

L’intensité nominale d’une batterie est la valeur du courant qu’elle peut débiter à la température de 漣 18 ⁰C pendant au moins 90 secondes. Cette caractéristique est très importante car une forte intensité permet au démarreur de fournir un couple d’entraînement important pour le lancement du moteur.

L’accumulateur au plomb se compose essentiellement de grilles de plomb supportant une matière active plongeant dans un électrolyte, une partie des plaques étant reliée au pôle positif et l’autre partie au pôle négatif.

La charge de l’accumulateur doit être conduite sous une tension limitée afin d’éviter un dégagement gazeux (oxygène et hydrogène) aux électrodes. Pendant la décharge, la batterie ne restitue qu’une partie de l’énergie de charge, le rendement étant d’autant plus faible que l’intensité débitée est plus élevée et que la température ambiante est plus faible.

Notons enfin l’existence de batteries dites «sans entretien» qui se caractérisent par une consommation d’eau négligeable.

Les cotes d’encombrement des différents types de batteries ont été normalisées afin de permettre leur interchangeabilité.

Le générateur de courant

Le générateur de courant permet de transformer une partie de l’énergie mécanique disponible sur l’arbre du moteur en énergie électrique, pour alimenter l’installation du véhicule et recharger la batterie d’accumulateurs.

Le générateur est le plus souvent entraîné par une courroie trapézoïdale. Il suit donc les variations de vitesse du moteur depuis le ralenti de 600 à 800 tours par minute jusqu’à 6 000 tr/min et davantage.

Le générateur est le plus souvent un alternateur, muni d’un régulateur de tension pour qu’il puisse fonctionner dans la plage de vitesse du moteur.

Les enroulements induits sont solidaires du stator. Le bobinage est soit monophasé (intensité inférieure à 30 A environ), soit triphasé avec couplage en étoile ou en triangle. Le courant alternatif est redressé par un pont de diodes qui est généralement inclus dans l’alternateur.

L’enroulement d’excitation est en général solidaire du rotor, d’où la nécessité de l’alimenter au moyen de balais. L’excitation est hétéropolaire (de l’ordre de 12 pôles) à pôles «enchevêtrés».

Le régulateur de tension coupe l’excitation lorsque la tension aux bornes de l’alternateur devient trop élevée, et rétablit le courant d’excitation lorsque la tension devient trop faible. Il peut être soit électromagnétique à lame vibrante, soit électronique, une solution qui se généralise. La tension de fin de charge des batteries étant plus faible par temps chaud que par temps froid, une compensation thermique diminue automatiquement la valeur de la tension régulée lorsque la température augmente (d’environ 漣 10 mV⁰C). Certains régulateurs électroniques sont équipés de dispositifs permettant l’allumage d’une lampe témoin en cas de défaillance de l’ensemble alternateur-régulateur. Une tendance actuelle est l’incorporation du régulateur dans l’alternateur.

La courbe de débit de l’alternateur, en fonction de la vitesse, sous tension constante, est déterminée de sorte que l’appareil débite une intensité notable pour la vitesse correspondant à celle du ralenti moteur et que la saturation apparaisse pour des vitesses relativement petites (4 000 à 5 000 tr/min à l’alternateur).

Le démarreur

Le démarreur comprend un moteur électrique qui, alimenté par la batterie d’accumulateurs, doit faire tourner le moteur à une vitesse suffisante pour permettre son démarrage même à basse température. Ce moteur est généralement du type «excitation série» afin de développer un très fort couple lors de sa mise en action. L’engrènement du pignon du démarreur avec la couronne dentée portée par le volant du moteur se fait généralement par une commande électromagnétique. Une roue libre permet, lors du démarrage du moteur, de désaccoupler le pignon du moteur électrique.

De plus en plus, les voitures particulières sont équipées de démarreurs à réducteur, ce qui permet d’optimiser le moteur électrique. Ce dernier commence à avoir des aimants permanents pour l’excitation. Il résulte de tout cela, à performances égales, une diminution du poids.

L’allumage

Le rôle de l’allumage est de provoquer à l’aide d’une étincelle électrique la combustion du mélange gazeux au moment voulu dans chaque cylindre du moteur.

Différents dispositifs d’allumage existent. Tous utilisent l’énergie électrique de la batterie d’accumulateurs (ou du générateur de courant) et comprennent:

– des bougies , à raison d’une (ou parfois deux) par cylindre; elles comportent des électrodes entre lesquelles éclate l’étincelle produite par le courant à haute tension provenant du secondaire de la bobine. La partie isolante est souvent à base d’alumine; ce produit possède des qualités diélectriques remarquables tout en étant un bon conducteur de la chaleur;

– une ou plusieurs bobines constituées d’un noyau magnétique, ouvert ou fermé, et de deux bobinages, l’un formant le circuit primaire à petit nombre de spires en fil de grande section et l’autre formant le circuit secondaire à grand nombre de spires de petite section (le rapport des nombres de spires est de l’ordre de 80). Lorsqu’un courant varie brusquement dans le primaire, il se produit aux bornes du secondaire une tension qui est celle du primaire multipliée par le rapport de transformation.

Les dispositifs d’allumage se distinguent par la façon de commander le courant primaire de la bobine, de déterminer le moment de l’étincelle et de distribuer la haute tension aux bougies.

L’allumage classique «par rupteur »

L’allumage «par rupteur» a été universellement utilisé et reste encore très employé. L’allumeur, entraîné par l’arbre à cames du moteur, remplit trois fonctions. La première est d’établir et de couper à l’aide d’un rupteur commandé par une came le courant dans le circuit primaire de bobine (la coupure crée une surtension aux bornes du primaire et par suite la haute tension désirée au secondaire). Ce rupteur utilise des contacts en tungstène, parfois appelés à tort «vis platinées». La deuxième fonction est d’effectuer la coupure au moment voulu: cela s’obtient par des moyens mécaniques qui provoquent, en général, le déplacement angulaire de la came par rapport à l’axe de l’allumeur. L’avance à l’allumage en fonction de la vitesse, dite centrifuge, est obtenue par des masselottes, et l’avance en fonction de la charge du moteur, dite à dépression, est obtenue par une capsule reliée de façon pneumatique au circuit d’admission du moteur. Enfin, la troisième fonction est de distribuer la haute tension aux bougies par l’intermédiaire d’un doigt tournant dans une tête de distribution. Dans le cas des moteurs à deux cylindres, on peut faire l’économie du distributeur en alimentant les deux bougies simultanément au moyen d’une bobine avec enroulement secondaire à deux sorties (une étincelle sur deux se produit à la fin du temps d’échappement, sans inconvénient pour le fonctionnement).

L’allumage «transistorisé»

L’allumage «transistorisé» (fig. 10) permet de remédier à deux inconvénients du dispositif précédent: l’usure des contacts du rupteur et la baisse de l’énergie d’allumage aux grandes vitesses.

Le rupteur est remplacé par un capteur magnétique détectant le passage des dents d’une roue polaire et commandant un module électronique qui permet de maintenir sensiblement constante la durée d’établissement du courant dans le primaire de la bobine.

L’allumage «électronique intégral»

L’allumage «électronique intégral» (fig. 11) permet, par rapport aux précédents, de s’affranchir des systèmes mécaniques pour la détermination de l’instant de l’allumage.

Dans ce dispositif un calculateur numérique détermine avec une très grande précision, à partir de signaux fournis par des capteurs, et suivant des lois pratiquement aussi complexes qu’on le désire, le moment de l’étincelle. (Il est possible de saisir d’autres informations, par exemple une détection de cliquetis, au moyen de capteurs appropriés, et de les exploiter par le calculateur.)

Dans le cas des moteurs à quatre cylindres, on utilise soit un distributeur, soit deux bobines à deux sorties secondaires, le calculateur assurant la commutation.

Afin de diminuer les perturbations radio-électriques créées par les étincelles d’allumage, des dispositifs dits antiparasites sont utilisés. Ils peuvent être du type «à résistance concentrée», et sont alors placés dans les capuchons de bougie et dans l’allumeur; ou, plus généralement, du type «à résistance répartie»: dans ce cas, c’est l’âme des câbles conducteurs reliant l’allumeur aux bougies et la bobine à l’allumeur qui est traitée d’une façon spéciale.

Il convient de noter la tendance actuelle à regrouper en un seul dispositif électronique (voir ci-dessous) l’allumage et l’injection (un certain nombre de capteurs sont communs aux deux systèmes). Ainsi est obtenu un contrôle centralisé du moteur dont un exemple de réalisation est donné figure 12.

6. L’électronique de l’automobile

Les matériels décrits jusqu’à présent sont communs à tous les véhicules. Des nécessités techniques et réglementaires ont conduit à l’utilisation de dispositifs électroniques pour assurer des fonctions complexes et primordiales (cf. supra , l’exemple de l’allumage).

Au début de l’utilisation de l’électronique, celle-ci n’a été employée que pour des équipements annexes tels que l’autoradio, la montre de bord, le compte-tours, dont la défaillance n’entraînait pas de panne du véhicule. Dans ces applications de confort, compte tenu des progrès réalisés, l’électronique se développe: ensemble du tableau de bord, ordinateur de bord, climatisation régulée et, à présent, dispositifs d’aide à la conduite.

Il a fallu, pour les fonctions primordiales, assurer un fonctionnement fiable, en qualité et en durée, malgré des contraintes d’environnement très défavorables à l’électronique:

– tension d’alimentation variant de 6 V (qui est la tension de démarrage, et pour laquelle au moins l’allumage et l’injection doivent fonctionner) jusqu’à 16 V;

– plage de température comprise entre 漣 30 ⁰C et + 100 ⁰C, voire davantage;

– vibrations importantes, jusqu’à des accélérations de 500 m/s² sur le moteur;

– humidité importante, même dans l’habitacle, et projections possibles d’eau ou d’autres fluides dans le compartiment moteur;

– parasites conduits sur l’alimentation par l’équipement électrique du véhicule (moteurs électriques, commutations, etc.); ces parasites, quoique de faible durée (300 猪s), peuvent atteindre des tensions de 300 V;

– parasites induits, sur toutes les lignes, par des éléments rayonnants, soit internes au véhicule (notamment par l’allumage), soit externes, artificiels ou naturels (émissions radio-électriques, foudre, etc.), dont le champ électrique peut dépasser 100 V/m et le champ magnétique 40 A/m;

– microcoupures sur toutes les lignes, pouvant durer jusqu’à 10 ms, et dues aux vibrations des connexions électriques;

– risque de fausses manœuvres, telles que l’inversion de la tension de la batterie ou la mise à la masse ou au plus de chacune des bornes;

– enfin, dernière contrainte, mais qui n’est pas la moindre, le coût qui doit être du même ordre de grandeur que celui de l’électronique «grand public».

Seule l’électronique, par ses aptitudes à traiter avec précision des fonctions complexes en des durées très brèves, a permis d’apporter des solutions satisfaisantes pour résoudre les problèmes de pollution, de consommation, de sécurité, etc. D’où le développement considérable des dispositifs électroniques pour l’allumage et l’injection du moteur (fig. 12), l’antiblocage de roues (fig. 13), la commande des boîtes de vitesses automatiques, de la suspension du véhicule (fig. 14), etc.

Dispositifs électroniques

Tout dispositif électronique (fig. 15) comprend des capteurs, des actionneurs et un calculateur, qui sont raccordés par des liaisons électriques.

Les capteurs

Le rôle des capteurs est de fournir une valeur électrique représentative d’un état ou d’une grandeur physique. Ils sont classés en deux grandes catégories qui font l’objet de traitements différents dans le calculateur: les capteurs numériques et les capteurs analogiques.

Les capteurs numériques donnent des informations du genre «tout ou rien», ou servent au comptage et aux opérations qui en découlent. Les principaux types sont les suivants.

Les contacts électriques sont soit à la disposition du conducteur (par exemple, le commutateur «ferme-moelleux» pour les dispositifs de suspension variable, le commutateur «conduite sportive-conduite normale» pour le choix des lois de changement de rapport pour les commandes de boîte de vitesses automatique, etc.; sans être des capteurs proprement dits, ils donnent des informations analogues), soit solidaires d’organes mécaniques dont ils indiquent l’état (par exemple, les contacteurs «papillon fermé» et «papillon grand ouvert» pour la commande d’admission d’air). Signalons également l’utilisation de manocontacts (pression d’huile moteur, pression de freinage, etc.).

Les capteurs électromagnétiques sont généralement constitués d’une ferrite aimantée autour de laquelle est bobiné un enroulement et sont placés devant des plots ou des couronnes dentées ferromagnétiques. Ils sont utilisés pour déterminer la vitesse des roues (antibloqueur), la vitesse et la position du vilebrequin (allumage, injection), la vitesse du véhicule (applications multiples), etc. Certes, le signal qu’ils délivrent est, entre autres choses, fonction de la vitesse, mais cette caractéristique n’est pas exploitée, et seule est utilisée l’information du passage d’un plot ou d’une dent devant le capteur; c’est pourquoi ils sont classés parmi les capteurs numériques.

Les véhicules commencent à être équipés de capteurs complexes qui comportent leur propre électronique. Tel est le cas, par exemple, des capteurs optoélectroniques constitués de diodes électroluminescentes, émettrice et réceptrice, entre lesquelles passent les dents d’une roue opaque, et comportant leurs propres circuits d’alimentation et de mise en forme des signaux, ainsi que les protections électriques nécessaires. Ils présentent l’avantage, par rapport aux capteurs électromagnétiques, de fournir des signaux (état 0 ou état 1; en général 0 et 5 V) en l’absence de vitesse et sont utilisés, par exemple, pour déterminer la position du volant de direction (roue dentée solidaire de l’axe du volant), la hauteur de la caisse du véhicule (roue dentée entraînée au moyen d’un système bielle-manivelle par la barre antiroulis) dans les dispositifs de suspension. Relativement fragiles, ils ne peuvent remplacer les capteurs électromagnétiques, soumis à des vibrations importantes dans leurs applications citées ci-dessus.

La sonde à oxygène est un capteur spécifique aux dispositifs d’injection (fig. 16). Constituée de céramique et d’électrodes en platine, elle fonctionne comme une pile à concentration d’oxygène. Placée dans les gaz d’échappement, elle fournit un signal d’environ 1 V en absence d’oxygène (mélange trop riche) et de 0 V en sa présence (mélange trop pauvre).

Les capteurs analogiques délivrent un signal qui est une fonction continue représentative d’une grandeur physique. Les principaux sont les suivants:

Les thermistances, constituées de matériau semi-conducteur, en général dopé d’impuretés pentavalentes, ont une résistance fonction de la température. Elles sont utilisées, par exemple, pour la mesure des températures d’air, d’eau (allumage et injection), etc. Les potentiomètres donnent un signal en tension qui est fonction du déplacement, en général angulaire, de leur curseur. Si ce dernier est solidaire de l’axe du papillon, le signal fourni est fonction de l’angle d’ouverture et donne une image approximative de la charge du moteur; s’il est solidaire d’un volet placé dans la veine d’air d’admission, le signal fourni sera celui d’un débitmètre (dispositifs d’injection), etc.

La nécessité de connaître de façon précise la pression dans la tubulure d’admission pour certains systèmes d’injection et d’allumage conduit à utiliser des capteurs complexes comportant leur propre électronique d’alimentation, d’amplification, de calibration, avec les protections électriques nécessaires. Ces capteurs sont en fait des ponts d’extensométrie dont l’une des résistances, placée sur un support déformable sous l’effet de la pression, varie avec cette dernière.

Les signaux émis par les capteurs sont envoyés aux entrées du calculateur.

Les actionneurs

Le rôle des actionneurs est de fournir un mouvement rectiligne ou rotatif à un organe mécanique lorsqu’ils sont alimentés électriquement.

– Les électrovannes servent à permettre ou à interdire (ou vice versa) le passage d’un fluide lorsqu’elles sont alimentées ou non (le passage d’un courant dans un solénoïde permet d’obtenir le déplacement d’un noyau ferromagnétique). Les électrovannes sont utilisées dans les dispositifs d’injection pour le carburant (elles portent alors le nom d’injecteurs); pour l’air des circuits d’admission ou de dépollution, dans les dispositifs d’antiblocage pour le liquide de frein, dans les dispositifs de suspension hydraulique, etc.

– Les moteurs ^{[cf. MOTEURS ÉLECTRIQUES]} sont utilisés dans les dispositifs de suspension pour agir sur les tiges d’amortisseurs, dans les dispositifs d’injection (pompes à carburant; celles-ci sont alors souvent commandées par l’intermédiaire d’un relais), etc.

Les actionneurs sont alimentés par les sorties du calculateur. C’est pourquoi, dans les systèmes groupés d’allumage-injection, on donne parfois ce nom abusivement aux bobines d’allumage.

Le calculateur

Le calculateur électronique est le cerveau du dispositif. Son rôle est, à partir des informations fournies par les capteurs et suivant des programmes déterminés, de commander le fonctionnement des actionneurs. Il doit également assurer la sécurité du dispositif.

Extérieurement, il se présente sous la forme d’un boîtier de protection, avec des éléments de fixation et un connecteur de plusieurs dizaines de voies.

Intérieurement, il comporte généralement un circuit imprimé, parfois plusieurs, constitué d’une plaque de matériau isolant (l’époxy-fibre de verre tend à remplacer le carton bakélisé) sur laquelle sont déposées des pistes conductrices en cuivre, sur une ou deux faces, permettant d’établir les liaisons électriques entre les composants électroniques qui lui sont implantés.

Pendant longtemps n’ont été utilisés que des composants à sorties axiales qui étaient insérés dans le circuit imprimé (fig. 17). Une nouvelle technologie se développe actuellement, celle des composants montés en surface (C.M.S.), qui a permis de concevoir de nouveaux supports constitués d’une plaque d’aluminium, formant une face du boîtier électronique, recouverte d’un matériau isolant sur lequel sont déposées les pistes conductrices. Cette technologie permet une meilleure tenue mécanique du support et des composants, améliore les échanges thermiques avec l’extérieur et donc diminue l’échauffement interne du calculateur, ce qui est un important facteur de durabilité (la durée de vie des composants électroniques est approximativement divisée par deux lorsque la température augmente de 10 ⁰C); enfin, dans une certaine mesure, elle augmente l’immunité aux parasites rayonnés.

Les progrès réalisés dans les technologies électroniques ainsi que l’accroissement des quantités à produire permettent la réalisation de circuits intégrés spécifiques (particulièrement pour le traitement des signaux), qui remplacent jusqu’à plusieurs dizaines de composants discrets (résistances, condensateurs, diodes, transistors, etc.). Il en résulte, à fonctions égales, une diminution des dimensions des calculateurs et une meilleure qualité.

Les étages de sortie sont généralement à base de transistors et de Darlington, auxquels sont associés des éléments permettant de les protéger, notamment contre les courts-circuits. Cependant apparaissent à présent des composants en technologie M.O.S. (métal oxyde - semi-conducteur) qui, ayant une chute de tension inférieure à celle des composants bipolaires précités, permettent, à puissance dissipée égale, de faire passer un courant plus important. De plus, ces nouveaux composants sont dotés de protections internes et sont à même de fournir un signal en cas d’anomalie, d’où leur nom de C.P.I. (composants de puissance intelligents). Ils sont appelés, sans aucun doute, à remplacer les composants actuels dans un proche avenir.

Les microprocesseurs utilisés ont des caractéristiques très variables suivant les applications, mais ils sont généralement de technologie M.O.S., qui a pratiquement éliminé la technologie bipolaire (moins grande consommation électrique, d’où échauffement moindre). Pour des dispositifs tels que l’injection ou l’antiblocage, des microprocesseurs 8 bits, quelquefois de 16 bits, de 16 kilo-octets de mémoire sont souvent employés. Il est envisagé, notamment pour les systèmes groupés d’allumage injection, d’atteindre 32 kilo-octets.

Un quartz piézo-électrique de quelques mégahertz donne la base de temps. Les résonateurs ne sont plus guère utilisés que pour les systèmes simples n’exigeant pas de grandes précisions sur les durées.

Il convient de noter une tendance à regrouper, en un seul composant, plusieurs éléments. C’est ainsi qu’il existe des microprocesseurs comportant des convertisseurs analogique-digital, des mémoires de types variés: mémoire «morte» contenant toutes les données fixes du programme; mémoire vive volatile pour les grandeurs variables et les calculs (une telle mémoire est dite sauvegardée lorsqu’elle est alimentée directement par la batterie: elle peut alors servir pour des fonctions telles que l’autodiagnostic ou l’autoadaptativité) et à présent des mémoires non volatiles reprogrammables électriquement qui permettent de modifier des réglages pour tenir compte, par exemple, de l’usure des moteurs. Elles servent également pour l’autodiagnostic et pour conserver le code du dispositif d’antidémarrage codé par lequel on ne peut avoir de l’injection ou de l’allumage que lorsque le conducteur a introduit son code au moyen d’un clavier mis à sa disposition dans le poste de conduite.

Enfin, des mémoires mortes reprogrammables sont utilisées pour la mise au point. Là encore, les progrès sont constants et rapides.

Fonctionnement : les signaux émis par les capteurs numériques sont calibrés (forme, amplitude, durée) et adressés au microprocesseur. Ceux qu’émettent les capteurs analogiques sont convertis en numérique (la conversion analogique-digital se fait généralement sur 8 bits, c’est-à-dire que l’étendue de mesure de la fonction continue est remplacée par 256 valeurs) pour être exploités par le microprocesseur. Ce dernier effectue les calculs prévus, et, en fonction des résultats, suivant des logiques déterminées, commande les étages de sorties qui font fonctionner les actionneurs. La programmation est souvent effectuée en assembleur, parfois en langage évolué. Les fonctions à remplir par les calculateurs devenant de plus en plus nombreuses et délicates, les logiciels augmentent en complexité et leur élaboration exige des méthodes particulières de réalisation afin qu’ils soient de qualité, au moindre coût et avec un minimum d’occupation de mémoire.

Un dispositif à la fois matériel et logiciel, appelé «chien de garde» (watch-dog ), surveille en permanence le bon déroulement du programme et, en cas d’anomalie, empêche le calculateur de rester dans un état stable de non-fonctionnement en provoquant la réinitialisation du microprocesseur. En effet, malgré les protections contre les parasites, les perturbations ne peuvent être exclues, et il convient d’y remédier.

Les calculateurs des dispositifs d’antiblocage, pour lesquels la sécurité est primordiale, contiennent deux microprocesseurs, soit qui effectuent les mêmes calculs, soit que l’un exécute les calculs principaux dont l’autre surveille la validité. La pression de freinage ne peut être relâchée que si les deux microprocesseurs donnent des résultats cohérents.

De plus en plus souvent, les calculateurs sont pourvus d’une fonction d’autodiagnostic du dispositif, c’est-à-dire que le bon fonctionnement électrique des capteurs, des actionneurs et, dans la mesure du possible, du calculateur lui-même est surveillé. Cela bien que les dispositifs soient de plus en plus fiables.

Pour les capteurs en général, la plausibilité des signaux est vérifiée. Par exemple, une thermistance ne peut avoir une résistance nulle (cas d’un court-circuit) ni une résistance infinie (cas d’une liaison électrique coupée): il est donc fixé deux seuils en deçà ou au-delà desquels la thermistance est réputée défaillante. La cohérence entre les informations fournies par différents capteurs est aussi contrôlée: par exemple, lorsqu’un moteur thermique fonctionne, la pression dans la tubulure d’admission ne peut rester proche de la pression atmosphérique si le papillon est fermé. Cette méthode de contrôle par cohérence présente l’avantage de se faire par le logiciel, donc sans surcoût notable et sans adjonction de composants qui pourraient rendre le produit moins fiable. Cependant, les conditions de plausibilité sont parfois difficiles à établir.

Pour les actionneurs, en général, il sera vérifié, au moyen d’un shunt, que le courant électrique circule effectivement lorsque l’ordre en est donné et que sa valeur n’est pas anormale.

L’autodiagnostic a trois objectifs:

– Tout d’abord d’assurer la sécurité des occupants du véhicule. Par exemple, en cas de détection d’une anomalie dans un dispositif d’antiblocage, le dispositif sera mis hors service, tout fonctionnement aberrant pouvant être dangereux. Un témoin s’allumera au tableau de bord pour avertir le conducteur qu’il ne dispose plus que du système de freinage normal du véhicule.

– Ensuite, d’éviter les pannes autant que faire se peut. Pour reprendre les exemples précités de défaillance de capteurs, dans un dispositif d’injection, en cas d’anomalie de la thermistance de température d’eau, le microprocesseur fera automatiquement ses calculs à partir d’une valeur fixe choisie pour permettre au moteur de tourner; si le capteur de pression est défectueux, le calculateur prendra l’information donnée par le potentiomètre de papillon, lequel ne sert normalement qu’à déterminer les enrichissements en reprise. Le fonctionnement sera évidemment dégradé mais le conducteur pourra joindre un garage.

– Enfin, de faciliter le dépannage: les défauts sont gardés en mémoire dans le calculateur et une liaison informatique série, disponible sur un connecteur, permet d’interroger le microprocesseur et de recevoir l’indication de l’organe défectueux. La remise en état se fait rapidement et sûrement, et donc à moindre coût.

Liaisons électriques

Les liaisons électriques raccordent au calculateur les alimentations, les capteurs et les actionneurs. Il est souhaitable que ces liaisons soient le plus courtes possible, non seulement pour des problèmes électriques de chutes de tension, mais aussi et surtout parce que les conducteurs forment antenne et captent les parasites rayonnés, ce qui peut avoir pour conséquence principale de perturber les signaux fournis par les capteurs et par suite d’engendrer un fonctionnement défectueux du dispositif électronique.

C’est une des raisons pour laquelle la tendance actuelle est de placer dans le compartiment moteur les calculateurs commandant les organes mécaniques (implantés jusque-là dans l’habitacle), voire de les accoler à ces organes, le néologisme de «mécatronique» désignant cette nouvelle façon de faire (ensemble formé par le calculateur et le bloc hydraulique d’un antibloqueur par exemple).

Lorsqu’il n’est pas possible de réduire la longueur des conducteurs (par exemple, les capteurs de vitesse pour les antibloqueurs sont placés près des roues du véhicule), lorsqu’on ne peut filtrer efficacement sans annihiler le signal lui-même, des câbles blindés sont utilisés (capteurs électromagnétiques, sondes à oxygène, notamment).

Les capteurs et leurs fils de liaison sont éloignés le plus possible des sources de perturbation connues telles que les faisceaux d’allumage haute tension. De plus, les capteurs, et notamment les capteurs analogiques, sont isolés de la masse (il peut exister des différences de potentiel de quelques dixièmes de volt entre les différents points d’un véhicule, ce qui donnerait des informations erronées); si un capteur ne peut être isolé, sa masse servira alors de masse à l’ensemble du dispositif.

Enfin, des améliorations importantes sont apportées par les constructeurs à la connectique; celle-ci devient en effet un facteur notable de la qualité des véhicules, compte tenu de l’accroissement quantitatif des équipements électriques et électroniques.

Multiplexage

L’augmentation constante du nombre des équipements électriques et électroniques conduit à un foisonnement considérable des liaisons électriques (complexité croissante des faisceaux).

Le multiplexage peut apporter une solution à ce problème et fait actuellement l’objet de quelques applications sur véhicules.

Il consiste en l’envoi, par une unité centrale, de messages codés correspondant soit à un événement (par exemple, l’allumage des projecteurs par le conducteur), soit à un paramètre (par exemple, l’information donnée par un capteur) à un ensemble de stations terminales (placées près des appareils et alimentées par une seule ligne); une de ces stations, à la réception du code concernant un appareil, commande ce dernier par l’intermédiaire de C.P.I. (composants de puissance intelligents) [fig. 18].

Il apparaît nécessaire de prévoir plusieurs réseaux de multiplexage:

– un premier, correspondant aux actions du conducteur (éclairage, signalisation, essuyage, lavage, etc.) – pouvant remplacer le faisceau électrique traditionnel du véhicule –, qui peut avoir un grand nombre de stations (jusqu’à 100) et un débit lent ou moyen (de 1 à 100 kbits par seconde);

– un autre pour la mise en commun de capteurs, etc., entre différents dispositifs électroniques avec un nombre de stations limité à 10 et un débit moyen (de 10 à 100 kbits par seconde);

– enfin, un dernier pour la communication inter-calculateurs électroniques en temps réel, avec tout au plus 10 stations et un débit rapide (de 100 kbits à 1 Mbits par seconde).

Il est vraisemblable que les premières applications en grande série seront du premier type, car il couvre des fonctions communes à tous les véhicules (rentabilité des investissements), alors que le second type correspond souvent à des équipements optionnels. Enfin, actuellement, il n’est pas établi de réseau de troisième type mais, lorsque cela est nécessaire (antipatinage et injection par exemple), on effectue une liaison informatique de calculateur à calculateur.

7. Utilisation de la puissance

L’automobile se déplace sur le sol par l’intermédiaire de ses roues dont, en général, deux sont motrices.

L’énergie fournie par le moteur est transmise aux roues motrices par les organes de transmission (cf. infra , chap. 8) et est utilisée pour vaincre les efforts résistants s’appliquant au véhicule.

Au niveau d’une roue motrice, l’énergie fournie par le moteur se traduit par l’application à la roue d’un couple moteur C^M, donc au niveau du point de contact du pneumatique avec le sol d’un effort F:

L étant la circonférence de roulement du pneumatique utilisé.

Par réaction, il apparaît la force ^M, égale et opposée à F, appliquée à l’axe de la roue, qui constitue l’effort moteur ou «poussée» (fig. 9). [Pour l’application des formules indiquées dans ce texte, les grandeurs doivent être exprimées en unités légales.]

Adhérence

Si P est le poids du véhicule appliqué sur la roue et f le coefficient de frottement de glissement du pneumatique sur le sol, l’effort F ne pourra être transmis au sol que dans la mesure où il sera inférieur ou égal à l’effort maximal ^R=f P (fig. 9).

Dans le cas contraire, l’effort moteur ne pourra pas être utilisé entièrement et on aura glissement de la roue sur le sol (patinage). Il en serait de même au freinage pour un effort de freinage supérieur à la même limite.

Le coefficient de frottement f dépend de la nature des surfaces en contact, c’est-à-dire du pneumatique et de l’état du sol. Il peut varier, pour un pneumatique courant en bon état, de 0,9 environ sur bon sol adhérent, à moins de 0,1 sur sol très glissant (boueux, verglacé, etc.).

Énergie motrice

Pour une certaine dépense d’énergie primaire (carburant), et à un régime de rotation donné N, le moteur fournit un couple C.

Le produit de ce couple C par la vitesse de rotation N constitue la puissance W fournie par le moteur.

Si on exprime le couple C en mètres décanewtons (mdaN), la puissance W en kilowatts (kW) et le régime moteur en tours par minute (tr/mn), on a la relation:

Le tracé des courbes de puissance et de couple du moteur en fonction du régime de rotation permet de faire ressortir les valeurs de puissance maximale W^max et de couple maximal C^max et les régimes correspondants (fig. 6). Ces valeurs donnent une bonne indication de la faculté du moteur à fournir une puissance élevée dans une large plage de régimes de rotation (plage d’utilisation).

Le rendement du moteur, c’est-à-dire son aptitude à fournir une puissance élevée pour une faible dépense en carburant, peut être chiffré par les valeurs de consommation spécifique C^s , généralement encore exprimées en grammes de carburant utilisés pour fournir 1 ch pendant 1 heure (g/ch/h). L’ancienne unité de puissance «cheval vapeur» valait 0,735 kW.

On peut représenter graphiquement ces consommations par un réseau de courbes appelées courbes d’isoconsommations, donnant en fonction du régime moteur les valeurs de puissance ou de couple pouvant être délivrées par le moteur pour des consommations spécifiques données.

La puissance moteur est transmise aux roues, aux pertes près, dans les organes de transmission. Le rendement de ceux-ci, généralement de l’ordre de 0,9, varie en fonction de la puissance transmise et de la vitesse de rotation.

Le couple aux roues C^M vaut:

où C est le couple moteur, 福 le rendement des organes de transmission et D le rapport de démultiplication total.

Efforts résistants

Pour que le véhicule puisse se mouvoir, il faut que l’effort moteur à la roue soit supérieur à la somme des efforts résistants s’appliquant au véhicule. Ceux-ci sont principalement:

– La résistance au roulement . Les pneumatiques exercent au contact du sol un effort résistant R^r , fonction de leur nature, de leur pression de gonflage, de l’état du sol, de la vitesse du véhicule et de la charge verticale appliquée sur la roue. On peut écrire pour chaque roue:

où f ^r est le coefficient de frottement de roulement (ordre de grandeur 15 daN par tonne de charge) et P^r la charge verticale sur la roue.

– La résistance aérodynamique . L’air dans lequel se meut le véhicule exerce sur celui-ci un effort résistant R^a fonction des dimensions et de la forme du véhicule, de sa vitesse v et de la masse volumique de l’air. On peut écrire:

où 猪 est la masse volumique de l’air, S la surface frontale du véhicule (ou maître-couple), et C^x le coefficient de résistance aérodynamique, variant avec la forme du véhicule et pouvant être mesuré en soufflerie.

– La résistance due à la pente de la route . Pour une pente p = tg 見 ( 見 = angle de la pente), on a une résistance:

(P = poids du véhicule).

– La résistance aux efforts d’inertie . Pour une accélération 塚 du véhicule, on a:

(g = accélération de la pesanteur).

– La somme de ces résistances constitue la résistance à l’avancement du véhicule:

La puissance résistante W^R à vaincre pour mouvoir le véhicule à la vitesse v se déduit alors par la formule: W^R = Rv.

Pour un véhicule donné, et pour une pente et une accélération données, on peut représenter cette puissance en fonction de la vitesse sur un graphique appelé courbe d’utilisation du véhicule (courbe U de la fig. 20).

À titre d’exemple, la puissance nécessaire à une Citroën AX pour avancer à une vitesse constante de 120 kilomètres à l’heure est de 17 kilowatts (23 ch). Une «Traction» de 1934 demandait 41 kilowatts; la différence est surtout due à l’amélioration du coefficient C^X .

Adaptation moteur-transmission au véhicule

La connaissance des efforts résistants susceptibles de s’exercer sur un véhicule ainsi que des qualités que l’on veut donner à ce véhicule (performances, consommation, conditions particulières d’utilisation, etc.) permet de déterminer les caractéristiques du moteur dont il doit être équipé et de choisir les démultiplications à utiliser pour les organes de transmission.

Les constructeurs disposent maintenant de programmes de calcul sur ordinateur leur permettant de mener rapidement cette étude, et en particulier de prévoir avec précision les performances (vitesse maximale, accélérations, aptitudes en côte, etc.) et les consommations du véhicule étudié.

Le principe de ces calculs consiste toujours en une comparaison de la courbe d’utilisation du véhicule avec la courbe de puissance disponible à la roue (performances) ou avec le réseau de courbes de consommation du moteur (fig. 7 et 20).

Considérons par exemple un véhicule dont on a fixé les caractéristiques du moteur et dont on cherche à déterminer le rapport de démultiplication sur le rapport de boîte de vitesses le plus élevé.

Ce rapport de démultiplication «global» du moteur au pneumatique peut s’exprimer par la vitesse à laquelle roulerait le véhicule pour un régime moteur de 1 000 tr/mn. Plus cette vitesse à 1 000 tr/mn est grande, plus le rapport de démultiplication est dit «long».

Pour deux rapports de démultiplication possibles, D¹ «long» et D² «court» par exemple, on peut tracer sur un graphique (fig. 11), en fonction de la vitesse v du véhicule: les courbes des puissances disponibles à la roue avec les deux rapports ( 臨¹ et 臨²), et les régimes moteurs correspondants, puis la courbe d’utilisation U du véhicule en palier (indépendante du rapport de démultiplication).

Sur ce graphique, on peut lire pour chaque vitesse v l’écart entre courbe d’utilisation et courbe de puissance disponible (AB pour D¹, AC pour D²), écart représentant l’excédent de puissance disponible par rapport à la puissance strictement nécessaire pour faire rouler le véhicule à la vitesse constante v et traduisant donc une possibilité d’accélération ou de gravissement de pente qui peuvent être déduits par le calcul.

La vitesse maximale que pourra atteindre le véhicule en palier correspond au point où la courbe d’utilisation coupe la courbe de puissance (H pour D¹, E pour D²).

La consommation à chaque vitesse v peut être facilement calculée en reportant le point d’utilisation A en puissance et régime moteur sur le réseau d’isoconsommations, d’où on déduit le débit d’essence consommée et donc la consommation en litres pour 100 kilomètres.

L’examen de la figure 11 montre que le rapport court permettra de meilleures accélérations ou de meilleures aptitudes en côte (excédent de puissance plus grand), avec par contre un régime moteur plus élevé, donc une consommation en général plus importante qu’avec le rapport long.

On voit donc que le choix des rapports de démultiplication consiste en fait à chercher, en fonction du caractère que l’on souhaite donner au véhicule, un compromis entre des exigences de performances, de consommation, de possibilités d’utilisation dans des conditions particulières, et de contraintes diverses (notamment réglementaires, puissance administrative, normes de bruits ou autres...).

L’adaptation ainsi obtenue peut être représentée sur un graphique où on trace, en fonction de la vitesse du véhicule et pour chacun des rapports de boîte de vitesses, les courbes de pente maximale gravissable ou d’accélération possible (fig. 21). Ce sont respectivement les courbes d’aptitude en côte et d’accélération qui résument graphiquement le comportement global du véhicule, en faisant apparaître l’influence du choix des rapports intermédiaires et de leur répartition (étagement de la boîte de vitesses).

Puissance administrative

Depuis le 1^er janvier 1978, le calcul de la puissance administrative des véhicules vendus en France fait intervenir les démultiplications de transmission, cela dans le but de favoriser les véhicules à adaptation moteur-transmission de type économique (rapports longs).

La puissance administrative P^a est donnée pour les véhicules particuliers de moins de 9 places à moteur thermique quatre temps par la formule suivante:

avec m égal à 1 pour les moteurs à essence ou à 0,7 pour les moteurs Diesel, où C est la cylindrée du moteur en cm³ et K la moyenne des vitesses exprimées en km/h pour 1 000 tr/mn au moteur. Soit, pour les cas les plus fréquents:

– boîte de vitesses à 4 rapports:

– boîte de vitesses mécanique à 5 rapports:

ou:

– boîte de vitesses automatique ou semi-automatique à 3 rapports:

– boîte de vitesses automatique ou semi-automatique à 4 rapports:

– pour les véhicules utilitaires, la formule de calcul de la puissance administrative est différente:

avec m égal à 1 pour les moteurs à essence ou à 0,7 pour les moteurs Diesel, où C est la cylindrée du moteur en cm³ et 行 est égal à 20, 25 ou 30 selon que le poids du châssis nu du véhicule est respectivement supérieur à 2 250 kg, compris entre 1 250 et 2 250 kg ou inférieur à 1 250 kg;

– pour les véhicules particuliers de plus de 9 places, c’est également cette formule qui est utilisée, avec 行 égal à 30.

8. Transmission

La transmission d’un véhicule automobile est constituée par l’ensemble des organes qui transmettent aux roues l’énergie mécanique produite par le moteur (fig. 22). Cette transmission a deux rôles principaux:

– réaliser la liaison entre le moteur et les roues motrices;

– démultiplier la vitesse de rotation du moteur afin que, quelle que soit la vitesse du véhicule, le régime de celui-ci puisse être situé dans sa plage d’utilisation.

Pour assurer ces deux fonctions, plusieurs solutions sont appliquées: les transmissions classiques (embrayage monodisque à sec et changement de vitesse manuel), les transmissions semi-automatiques (embrayage automatique et changement de vitesse manuel) et les transmissions automatiques (à séquences, avec ou sans lock-up, à variation continue). Celles-ci étant ensuite associées à un ou plusieurs différentiels, puis à des arbres et joints de transmission.

L’agencement de ces différents organes constitue la chaîne cinématique de la transmission.

Cinématiques de transmission de puissance

Les deux roues motrices

Elles représentent la grande majorité des véhicules. Ceux-ci peuvent être soit de type traction (roues avant motrices), soit de type propulsion (roues arrière motrices). La propulsion a été longtemps prédominante. Elle présente en particulier l’avantage de dissocier les roues motrices des roues directrices, au bénéfice d’une plus grande simplicité des joints de transmission. Elle s’adapte également parfaitement à une architecture avec moteur central ou arrière, aujourd’hui réservée aux véhicules de conception ancienne ou aux voitures de sport; l’intérêt pour ces dernières étant de charger au maximum les roues motrices par une répartition de masse prépondérante sur l’arrière, et de bénéficier du report de charge à l’accélération, le tout privilégiant la motricité. À ces avantages vient se greffer l’inconvénient, sur une propulsion avec moteur à l’avant, d’y associer une transmission longitudinale et un pont à carter séparé, ce qui pénalise le prix et le poids du véhicule.

La traction est aujourd’hui le principe de transmission le plus utilisé, car il permet un encombrement, un prix et un poids minimaux associés à un comportement plus sécurisant. La dualité roues motrices-roues directrices a été rendue possible par le développement des joints de transmission homocinétique de grande capacité angulaire. La traction a également l’avantage d’une plus grande sécurité d’utilisation sur sols glissants, par rapport à une propulsion qui devient difficilement contrôlable dès que le couple transmis par le moteur dépasse la limite d’adhérence de l’essieu. L’avantage qu’amène la propulsion en motricité a longtemps incité les constructeurs à adopter ce mode de transmission pour leurs véhicules à fortes motorisations, ce qui, avec les progrès réalisés en matière de suspension, est de moins en moins le cas aujourd’hui.

Les quatre roues motrices

D’abord réservée aux véhicules tout terrain, la transmission de couple par les quatre roues (4 憐 4) est aujourd’hui également retenue par des véhicules particuliers, les vocations et possibilités de ces deux types d’utilisateurs étant bien sûr différentes. L’intérêt des 4 憐 4 se trouve effectivement à deux niveaux:

– Motricité . Toute roue soumise à un couple moteur subit un glissement par rapport à la route, ce glissement est d’autant plus important que le couple moteur est élevé et que l’adhérence du sol est faible. Dès lors, le fait de répartir le couple sur deux essieux permet de diminuer ce glissement et, par là même, d’améliorer la motricité. Le gain est double: la meilleure motricité autorise la progression même sur très basses adhérences et permet en permanence une utilisation plus complète de la puissance moteur.

– Comportement en virage . La roue est alors soumise à un effort transversal. Si c’est une roue motrice, elle subit également un effort longitudinal. Pour que le pneu continue d’assurer sa fonction de guidage latéral, la somme de ces efforts doit rester à l’intérieur d’une courbe enveloppe définie pour un pneumatique, un revêtement et une charge donnée (fig. 23). Il apparaît donc que, pour un couple moteur identique, l’effort moteur sur chaque roue étant plus faible, l’effort transversal maximal admissible sans sortir de cette zone d’adhérence est plus important sur le véhicule à quatre roues motrices. Cet avantage est d’autant plus significatif que la courbe enveloppe est réduite, sur de faibles adhérences par exemple. Le 4 憐 4 permet donc d’améliorer la motricité et le comportement en courbe du véhicule; il présente néanmoins quelques contraintes.

En courbe, les roues intérieures parcourent moins de distance que les roues extérieures, et donc tournent moins vite. Il en va de même entre les roues avant et arrière, la vitesse moyenne des roues avant étant supérieure à la vitesse moyenne des roues arrière.

La chaîne cinématique, qui transmet l’énergie du moteur à chacune des roues motrices, doit donc permettre ces vitesses différentielles, sous peine de créer d’importantes contraintes dans la transmission, qui iraient jusqu’à compromettre la maîtrise du véhicule. C’est le rôle du différentiel que de répartir le couple entre ses deux sorties tout en leur autorisant des vitesses de rotation différentes.

Tous les 4 憐 4 possèdent au moins deux différentiels, un par essieu pour permettre des vitesses différentes entre roues extérieures et roues intérieures.

Les 4 size=4憐 4 occasionnels

Certains 4 憐 4 ne possèdent que ces deux différentiels, il n’y a donc pas de compensation entre avant et arrière et, dès lors, sur haute adhérence, surtout sur route sinueuse, ces véhicules ne peuvent être utilisés qu’en deux roues motrices. La répartition du couple moteur vers les quatre roues se fait au niveau de la boîte de transfert, située en bout de la boîte de vitesses. Celle-ci intègre également le système de crabotage qui permet, sur commande du conducteur, le passage en 4 憐 4.

L’intérêt de ce type de transmission se limite au gain en motricité sur routes enneigées, embourbées, voire en tout terrain, et se justifie par une grande simplicité technique et un coût minimal. Même si les 4 憐 4 occasionnels ne profitent pas en permanence des avantages de la transmission intégrale, ils subissent constamment ses inconvénients, c’est-à-dire un poids plus élevé et un rendement de transmission moins bon. En effet, même décrabotés, l’essieu non moteur ainsi que l’arbre longitudinal continuent d’être entraînés par les roues. Afin d’éviter cela, certains véhicules disposent en permanence sur leurs roues non motrices de moyeux débrayables, automatiquement ou manuellement.

Les 4 size=4憐 4 permanents

Afin de permettre le roulage en quatre roues motrices, quels que soient l’adhérence et le profil de la route, il est nécessaire d’intégrer un troisième différentiel, appelé différentiel central ou inter-ponts, chargé de compenser les vitesses différentes entre avant et arrière. Par rapport au 4 憐 4 occasionnel, l’avantage est double: une plus grande simplicité d’utilisation, puisque le conducteur n’a plus à déterminer le besoin ou non des quatre roues motrices, et le bénéfice, en permanence, de l’amélioration de comportement de son véhicule. On trouve principalement deux catégories de 4 憐 4 permanents: certains tous-terrains pour la simplicité d’utilisation forment la première; la seconde est constituée de berlines dérivées de deux roues motrices dont la vocation est soit de permettre un roulage quel que soit l’état de la route avec une sécurité active accrue, soit d’utiliser au mieux une motorisation très puissante. La chaîne cinématique des 4 憐 4 permanents se décompose ainsi: le différentiel central, situé en sortie de boîte de vitesses dans le carter de boîte de transfert, qui répartit le couple moteur vers le différentiel avant et vers le différentiel arrière via la transmission longitudinale. Le couple est ensuite réparti par ces deux différentiels vers les roues par l’intermédiaire des transmissions transversales (fig. 2). La répartition du couple entre les deux sorties d’un différentiel donné est théoriquement fixe. Elle est bien sûr symétrique entre gauche et droite pour les différentiels avant et arrière. Par contre, pour le différentiel central, il existe sur le marché les trois possibilités suivantes: prépondérance du couple sur l’avant, sur l’arrière ou symétrique. Le choix, fait par le constructeur en fonction du caractère qu’il souhaite donner au véhicule, conditionne le type de différentiel à utiliser.

Les autres 4 size=4憐 4

En dehors de ces deux grandes catégories, certains 4 憐 4 font appel à d’autres solutions:

– La régulation électronique . La cinématique comporte trois différentiels, mais la liaison entre le central et le deuxième essieu est pilotée par une unité électronique qui détermine le besoin ou non des quatre roues motrices.

– Le visco-coupleur . Il s’agit d’une capsule cylindrique dans laquelle sont placés des disques métalliques alternativement solidaires d’un moyeu central et du carter de la capsule. Le tout est rempli d’un fluide à base de silicones dont la viscosité augmente au fur et à mesure que la vitesse différentielle entre les disques croît. L’ensemble, interposé dans la transmission longitudinale reliant les différentiels avant et arrière, crée donc un transfert de couple vers le deuxième essieu dès qu’il y a amorce de patinage sur le premier, tout en permettant des vitesses différentes. Ce type de 4 憐 4 ne nécessite donc pas l’intervention du conducteur et ne crée pas de surtension dans la chaîne cinématique puisque le visco-coupleur fait office de différentiel central.

Transmissions classiques

L’embrayage

La fonction de l’embrayage est d’assurer le démarrage du véhicule après le lancement du moteur, et de rendre possibles les changements de vitesses.

En position embrayée , il transmet intégralement le couple moteur à l’arbre d’entrée de la boîte de vitesses. En position débrayée , il libère celle-ci du moteur. En position partiellement embrayée , en phase de démarrage, il permet de réaliser (par glissement du disque) une liaison progressive entre le moteur tournant à une vitesse relativement élevée et l’arbre d’entrée de la boîte de vitesses qui ne tourne pas au départ.

Qualités d’un embrayage

– La progressivité . Elle conditionne la facilité de dosage par le conducteur du couple appliqué aux roues en phase de démarrage.

– L’adhérence . L’accouplement une fois réalisé, l’embrayage ne doit pas glisser, il ne doit plus y avoir de mouvement relatif entre l’arbre moteur et l’arbre d’entrée de la boîte de vitesses. L’embrayage doit donc pouvoir transmettre un couple supérieur au couple moteur.

– L’équilibrage . Aucune poussée longitudinale ne doit s’exercer sur l’arbre moteur ou sur l’arbre d’entrée de la transmission lorsque la phase d’embrayage est terminée.

– L’inertie du disque . Celle-ci doit être faible afin de ne pas pénaliser le passage de vitesses (charge sur les synchroniseurs).

Description d’un embrayage à friction

On distingue deux parties principales (fig. 24): d’abord des pièces liées au volant moteur formant le mécanisme , où le plateau est soumis directement à la pression d’un diaphragme, puis une pièce liée à l’arbre d’entrée de la boîte de vitesses appelée disque d’embrayage, ou friction. C’est un disque recouvert sur deux faces d’une garniture fixée par rivets, muni d’un dispositif de progressivité et du «moyeu amortisseur» (fig. 25), système élastique en torsion qui filtre les vibrations et les irrégularités cycliques du moteur.

La garniture doit assurer un frottement régulier et une usure faible, même lors du dégagement de chaleur. Elle est le plus souvent constituée de matériaux sans amiante, cette dernière étant interdite par la législation de certains pays.

On utilise parfois sur de petits véhicules un embrayage centrifuge; celui-ci évite les manœuvres de la pédale d’embrayage à l’arrêt et au démarrage.

La boîte de vitesses

La nécessité de la boîte de vitesses résulte du manque de souplesse des moteurs à combustion interne, qui ne peuvent fonctionner que dans des limites de vitesses assez étroites; elle permet également, associée au «pont», de multiplier considérablement le couple moteur sur les rapports intermédiaires. Elle se compose le plus souvent de trois parties:

– Le compartiment embrayage : carter nécessaire pour loger le mécanisme d’embrayage et sa commande (butée, axe de commande, fourchette de débrayage).

– Le compartiment boîte de vitesses proprement dit : ensemble d’engrenages et de synchroniseurs équipant la ligne primaire (arbre d’entrée) et la ligne secondaire (arbre de sortie) permettant d’obtenir trois, quatre ou cinq rapports.

– Le compartiment pont : il comprend le réducteur final associé au différentiel.

Les boîtes de vitesses actuelles sont équipées d’engrenages à denture hélicoïdale, plus silencieux que les engrenages à denture droite (fig. 26). Les pignons fous de la ligne secondaire sont toujours en prise avec les pignons correspondants de la ligne primaire. La mise en prise d’une vitesse quelconque s’effectue par la solidarisation du pignon fou avec l’arbre secondaire au moyen de crabots, mais ce «crabotage» doit s’opérer quand les vitesses linéaires des crabots sont égales; à cet effet, on utilise des synchroniseurs . Un synchroniseur est un petit embrayage (souvent à cônes métalliques) combiné avec un système d’interdiction du crabotage tant qu’il est en glissement. Son temps de travail, lors des changements de rapport, est de quelques centièmes de seconde. Sur certains tous-terrains, la boîte de vitesse peut être accouplée à un réducteur qui permet au conducteur de disposer de deux gammes de rapports, une normale et une courte qui convient mieux à la conduite sur terrain accidenté.

Transmissions semi-automatiques

Les transmissions semi-automatiques permettent de supprimer la pédale de débrayage mais non le levier de vitesses. Bien que de nombreux dispositifs aient été imaginés, le plus classique comprend: un coupleur ou convertisseur de couple hydraulique (voir description infra ), un débrayage à commande électro-hydraulique à partir du levier de vitesses et une boîte de vitesses classique à trois rapports et marche arrière.

La possibilité de glissement introduite par le coupleur, ou convertisseur, permet de supprimer la fonction débrayage à l’arrêt; l’embrayage s’effectue par simple pression sur l’accélérateur, avec une grande progressivité. Des embrayages à commande électronique se développent. Ils sont constitués d’un ensemble «mécanisme-friction-butée d’embrayage» traditionnel.

Des capteurs miniaturisés de rotation et de déplacement, placés au niveau du levier de vitesse et des arbres de boîte (en entrée et en sortie), détectent ces paramètres qui sont enregistrés par un calculateur; celui-ci commande un moteur servant à réaliser le déplacement de la butée d’embrayage. Le calculateur dispose en mémoire les lois de couple nécessaire dans de multiples configurations (démarrage, passages de vitesses en montée et descente de rapports, etc.).

Transmissions automatiques à séquence

Déchargeant complètement le conducteur des manœuvres d’embrayage et de changement de vitesses, les transmissions automatiques ajoutent simplement aux précédentes l’automatisme des changements de rapports.

Les transmissions automatiques à séquence se composent toujours d’un convertisseur de couple hydraulique et d’une boîte de vitesses automatique à trains épicycloïdaux, à trois ou à quatre rapports.

Un convertisseur de couple est un dispositif capable de transmettre une puissance en introduisant, dans certains cas de fonctionnement, une démultiplication variable. Il en résulte un couple de sortie qui peut être supérieur au couple d’entrée (il y a, au rendement près, conservation du produit couple-vitesse). Son glissement, important aux basses vitesses, permet au moteur de tourner au ralenti, véhicule à l’arrêt et transmission en prise.

Ce convertisseur est constitué d’une pompe, ou impulseur, entraînée par le moteur, d’une turbine entraînant l’arbre récepteur et d’un réacteur relié au carter de boîte de vitesses par l’intermédiaire d’une roue libre qui permet sa rotation uniquement dans le sens moteur. La pompe, la turbine, le réacteur sont munis d’aubes convenablement orientées de façon à établir une circulation d’huile (fig. 27).

La masse fluide est envoyée sur les aubes de la turbine, y pénètre en cédant la plus grande partie de son énergie cinétique, puis en sort pour être redressée par les aubes du réacteur et amenée sous un angle constant dans l’impulseur pendant la phase de multiplication de couple. Lorsque la vitesse de la turbine est voisine de celle du moteur, la masse fluide sous un angle différent entraîne le réacteur dans le sens moteur, et le convertisseur fonctionne comme un coupleur hydraulique.

Ce système assure une progressivité et une souplesse remarquables et permet, grâce à son pouvoir de multiplication (2 environ, au maximum) d’utiliser une boîte mécanique à 3 rapports seulement. Il a, malheureusement, l’inconvénient de dissiper une partie de l’énergie en échauffement; pour pallier ce défaut, on adjoint de plus en plus souvent au convertisseur un «lock-up», système qui solidarise partiellement ou totalement la turbine à l’impulseur au-dessus d’une certaine vitesse et sur les rapports supérieurs.

Les «coupleurs» utilisés en transmissions semi-automatiques sont des convertisseurs simplifiés, sans aubages fixes, qui n’introduisent pas de démultiplication dans la transmission du couple.

Les trains épicycloïdaux ont l’avantage, sur des couples d’engrenages ordinaires, de donner plusieurs rapports de démultiplication par solidarisation avec les arbres d’entrée et de sortie, ou immobilisation, de chacun de leurs trois éléments tournants concentriques.

Des trains épicycloïdaux mis en œuvre par des freins et des embrayages permettent d’obtenir quatre rapports avant et une marche arrière.

Les freins et embrayages sont à disques multiples, fonctionnant dans l’huile. Ils sont actionnés de façon appropriée par un «bloc hydraulique », qui opère en fonction de deux informations: la position de pédale d’accélérateur et la vitesse du véhicule.

Une pompe entraînée par l’impulseur du convertisseur assure l’alimentation en huile de ce dernier et du bloc hydraulique; un régulateur centrifuge module cette pression pour créer l’information vitesse.

Des ajutages sur les circuits de commande déterminent la progressivité d’action des freins et des embrayages et la qualité des changements de rapports.

La gestion électronique des changements de rapports de vitesse pour les transmissions automatiques se développe fortement, et particulièrement pour les véhicules haut de gamme. Cette technologie offre l’avantage d’améliorer la qualité de raccordement des changements de rapports; de plus, le «pilotage» électronique permet de réaliser des boîtes automatiques disposant de plusieurs étagements de rapports de vitesse (étagement sport ou économique par exemple).

Transmissions automatiques à variation continue

Il existe:

– des transmissions hydrauliques : le moteur thermique entraîne une pompe alimentant un ou plusieurs moteurs hydrauliques (utilisées en poids lourds et engins spéciaux);

– des variateurs mécaniques , fondés sur l’utilisation de poulies à écartement variable reliées par une courroie souple (DAF) ou par une chaîne métallique (Van Doorne).

Avec un variateur mécanique, il est théoriquement possible au moyen d’une régulation appropriée (électronique) d’obtenir à chaque instant le régime moteur assurant la plus faible consommation compatible avec la puissance demandée.

Le pont

Un véhicule peut disposer d’un pont avant si c’est une traction, d’un pont arrière si c’est une propulsion, ou des deux si c’est un 4 憐 4. Le pont intègre le différentiel, ainsi qu’un engrenage à axes parallèles (traction à moteur transversal) ou perpendiculaires (traction à moteur longitudinal, propulsion), éventuellement non concourants; dans ce dernier cas, la denture est dite hypoïde et permet de décaler le centre du différentiel par rapport à l’axe du pignon d’entrée. Dans le cas le plus fréquent aujourd’hui du véhicule à moteur et traction avant, le pont est intégré au carter de la boîte de vitesses.

Le différentiel

Comme nous l’avons déjà vu, le rôle principal du différentiel est de répartir son couple d’entrée entre ses deux sorties, tout en leur autorisant des vitesses de rotation différentes. Cette répartition est de rapport fixe pour un différentiel donné. Donc, quand les deux sorties n’opposent pas le même effort résistant (charges ou adhérences dissymétriques), c’est le plus faible qui fait la limite du couple transmis par le différentiel. Par exemple, pour une propulsion en virage serré dont la roue arrière intérieure est complètement déchargée, le couple maximal transmissible par l’essieu moteur ne sera que deux fois celui qui est nécessaire pour faire patiner cette roue, le couple lui-même étant faible.

Ce même type de raisonnement peut s’appliquer à une traction, ou à un 4 憐 4. Afin d’éviter ce phénomène de patinage de la roue la moins adhérente et de limitation du couple total transmis, il est possible de limiter, voire de stopper, le glissement du différentiel. Cette limitation peut être réalisée par un système de frottement entre les sorties, ou une des sorties et l’entrée du différentiel. Ce frottement impose un couple relatif minimal entre les deux sorties pour qu’il y ait écart de vitesse entre elles. Ainsi, même lorsque le couple résistant sur une des sorties est faible, voire nul, ce couple minimal est au moins transmis sur l’autre. La limitation peut aussi être réalisée par un système de type visco-coupleur, installé de la même manière, qui tende à égaliser les vitesses des sorties dès qu’elles commencent à différer.

D’autres systèmes existent. L’efficacité d’un différentiel à glissement limité se mesure par le ratio 猪 exprimé en pourcentage:

où C est la différence de couple entre les deux sorties, et C, la somme des couples transmis par les sorties (soit le couple total transmis par le différentiel).

Le blocage complet du différentiel peut également être réalisé, les deux sorties tournent alors à la même vitesse, le couple transmissible est limité par l’adhérence de l’essieu complet, et non plus par la roue la moins adhérente.

Ce type de système est utilisé principalement sur les 4 憐 4, où il permet une efficacité maximale, mais temporaire, puisqu’il supprime complètement l’effet différentiel.

Ces différentes solutions ont l’inconvénient de gêner certains systèmes d’antiblocage de roue au freinage. De ce fait, les transferts de couple qu’ils créent, pouvant aller jusqu’au blocage complet d’un essieu, forcent les constructeurs à rendre leurs systèmes d’anti-bloqueurs plus sophistiqués, ou à diminuer l’efficacité des limiteurs de glissement.

Les principaux types de différentiels sont les suivants:

– Le différentiel à pignons coniques (cylindrique ou sphérique). C’est le plus connu. Il équipe pratiquement toutes les tractions et la grande majorité des propulsions. La répartition de couple est symétrique entre les deux sorties.

– Le différentiel à train épicycloïdal . La répartition peut varier en fonction de la géométrie des planétaires et satellites constitutifs, ce qui explique leur utilisation en différentiel central sur les 4 憐 4 à répartition de couple dissymétrique. Leur faible encombrement justifie également leur emploi dans certaines applications.

– Le Torsen . La répartition de couple est symétrique, le différentiel Torsen est parfaitement libre en virage, mais permet, en cas d’adhérence dissymétrique, un transfert de couple très important vers la roue la plus adhérente. Il peut donc se passer de système limiteur de glissement. Il a également le gros avantage d’être compatible avec les systèmes antibloqueurs.

Pour un véhicule à quatre roues motrices, le choix des différentiels et de leurs limiteurs de glissement éventuels est variable selon les véhicules (fig. 28), les constructeurs pouvant privilégier un prix de revient bas, un comportement sportif et efficace, ou une grande simplicité d’utilisation.

Transmissions transversales

Leur rôle est de transmettre le couple moteur des sorties des différentiels avant ou arrière vers les roues. Elles sont constituées de deux joints de transmission (côté roue et côté pont), reliés par un arbre intermédiaire (fig. 29). Les joints sont homocinétiques, c’est-à-dire que les vitesses de l’entrée et de la sortie du joint sont toujours identiques quel que soit leur angle relatif, pour ne pas engendrer de vibrations ou de remontées dans la direction. Afin de permettre le braquage des roues, le joint côté roue des tractions est nécessairement de grande capacité angulaire. Les débattements relatifs du moteur, du pont et des roues sont également absorbés par une fonction de coulissement intégrée au joint côté pont. Les principaux types de joints de transmission sont le joint tripode et le joint à billes de type R’zeppa, ceux-ci étant centrés dans leurs applications côté roue et coulissant quand ils sont côté pont.

Transmission longitudinale

Le moteur étant pratiquement toujours placé à l’avant du véhicule, une transmission longitudinale est nécessaire dès qu’il s’agit de transmettre du couple vers l’essieu arrière (propulsion, 4 憐 4).

Cette transmission est constituée de deux joints, l’un côté pont, l’autre côté moteur, reliés par un arbre de transmission. Ce dernier est en général scindé et guidé par un palier fixé sur la caisse afin d’éviter les problèmes de vibrations générées par une masse importante en rotation (fig. 30). Les joints utilisés peuvent être de même type qu’en transmission transversale, mais, en général, la faible angularité de la transmission longitudinale autorise l’emploi de joints non homocinétiques de type cardan. Dans ce cas, la fonction de coulissement, nécessaire pour absorber le mouvement relatif entre moteur et pont, peut être intégrée à l’arbre de transmission sous la forme de cannelures coulissantes, ou d’un joint élastique de type flector.

Sur certaines applications, le pont arrière est relié rigidement à l’ensemble moteur-boîte par l’intermédiaire d’un tube de poussée. L’absence de mouvements relatifs ainsi obtenue entre pont et moteur permet une simplification de l’arbre de transmission situé à l’intérieur du tube de poussée.

Les arbres de transmission sont généralement en tube d’acier, le développement de la technique des matières composites permet aujourd’hui la réalisation d’arbres plus rigides, la vitesse de rotation peut alors être augmentée et le palier peut même parfois être supprimé (fig. 30).

9. Suspension

Le comportement routier du véhicule

Celui-ci constitue un des aspects fondamentaux de la sécurité active du véhicule, tout en étant un élément important d’appréciation de l’agrément de conduite. Sa mise au point est souvent délicate, car de très nombreux paramètres interviennent aussi bien au niveau de la structure (rigidité en torsion de la caisse, qualité des ancrages des essieux, etc.) que des éléments de liaison entre le sol et le véhicule (pneus, essieux, amortisseurs, etc.). Grâce au développement du calcul scientifique, de nombreuses simulations peuvent être réalisées sur ordinateurs, ce qui permet de ne recourir à l’expérimentation pratique sur des véhicules que pour entériner les choix de conception déduits des résultats informatiques. Une telle démarche apporte un gain substantiel en temps et en qualité par rapport à la méthode traditionnelle d’expérimentation effectuée sur de nombreux prototypes dont l’élaboration ne découlait pas d’une étude scientifique de la dynamique du véhicule aussi rigoureuse.

L’étude porte sur les réactions du véhicule lorsqu’il est soumis à des sollicitations extrêmement variées, comme les poussées aérodynamiques, les transferts de charge longitudinaux (accélération, freinage, etc.) ou transversaux (virage, etc.), les ondulations de la route. Le concepteur s’attache à ce que le véhicule présente, dans chaque cas et dans chacune des combinaisons possibles de ceux-ci, une grande stabilité et une fidélité de réponse aux commandes du conducteur. Le comportement, lorsque les limites physiques d’adhérence sont atteintes, est également analysé avec attention; dans ces conditions, les réactions du véhicule doivent être aussi progressives que possible.

Afin de garantir l’ensemble de ces qualités, on optimise le travail du pneu. Toute force latérale agissant sur un pneu qui roule se traduit par un glissement latéral suivant le même axe, et la trajectoire résultante présente un angle dit de «dérive» avec le plan de la roue. Cet angle dépend de la conception du pneu et des forces horizontales et verticales qui sont appliquées. Il apparaît donc clairement que les variations de géométrie du plan de roue ainsi que les modifications de charge subies par la roue sont, avec le pneu, les éléments qui déterminent fondamentalement le comportement du véhicule. Suivant la répartition de l’augmentation de la dérive en fonction de la vitesse entre l’avant et l’arrière, on distingue trois attitudes en virage: lorsque la dérive avant croît plus rapidement que la dérive arrière, on parle de sous-virage; inversement, lorsque la dérive arrière est prépondérante, le véhicule est dit survireur; lorsqu’il y a équilibre entre l’avant et l’arrière, on qualifie le véhicule de neutre.

La conception des éléments porteurs, les degrés d’amortissement, la répartition de raideur entre l’avant et l’arrière, le choix des pneumatiques et de leur pression sont autant de paramètres qui permettent de privilégier une des attitudes ci-dessus afin de donner au véhicule le tempérament désiré.

Les rôles de la suspension

Les éléments de suspension doivent supporter la structure (ou le châssis), assurer un bon travail du pneu et procurer un confort satisfaisant.

La parfaite maîtrise des angles géométriques qui déterminent le plan de roue est essentielle pour conférer au véhicule un bon comportement routier mais ne porte ses fruits qu’à condition que le contact entre le pneu et la route soit toujours assuré dans de bonnes conditions. L’amortissement des rebonds de la roue soumise aux irrégularités de la route doit, de ce fait, être très rigoureux afin qu’en aucun cas le pneu ne quitte, de manière répétitive ou prolongée, le sol. De tels phénomènes auraient des conséquences très nuisibles sur la stabilité du véhicule et sur ses performances en accélération et au freinage.

La suspension doit également préserver le confort des occupants, d’une part en transmettant à la caisse la partie la plus restreinte qui soit des irrégularités de la route et, d’autre part, en filtrant efficacement les bruits générés par le contact entre le sol et le pneu. En outre, les mouvements résultant de la caisse doivent être le moins incommodant possible pour l’organisme humain. L’obtention d’un bon confort est facilitée par l’insertion d’éléments filtrants en caoutchouc au niveau des essieux et par une suspension autorisant de grands débattements de la roue, en association avec une flexibilité importante de l’élément élastique et une loi d’amortissement adaptée.

Les constituants

Les essieux

Un essieu est constitué d’un ensemble de pièces qui relie la roue à la caisse (ou au châssis) et permet les mouvements relatifs de l’une par rapport à l’autre. Il comprend notamment le ou les bras de suspension, le pivot (qui porte le moyeu et permet le braquage de la roue) et le moyeu (sur lequel vient se fixer la roue). L’agencement relatif des différents constituants entre eux et par rapport à la caisse confère ses caractéristiques à l’essieu. Afin que la souplesse de la suspension n’induise pas de mouvements de caisse de trop grande ampleur en virage (roulis), au freinage (plongée) ou à l’accélération (cabrage), on emploie des essieux de conception particulière: pour diminuer le roulis, on cherche à positionner le centre instantané de rotation de la roue par rapport à la caisse de telle sorte que le centre instantané de rotation de la caisse par rapport au sol (qui est résultant) soit le plus proche possible du centre de gravité du véhicule; pour atténuer la plongée et le cabrage, on incline vers l’avant de quelques degrés l’axe d’articulation du bras de suspension.

Parmi les données géométriques remarquables d’un essieu, on distingue (fig. 31):

– L’angle de chasse, qui est défini par la verticale et la projection de l’axe de pivotement de la roue sur un plan vertical parallèle à l’axe longitudinal de la voiture. La chasse est dite positive lorsque la projection de l’axe de pivot coupe le sol devant le point de contact entre le pneu et le sol. Elle participe activement à la stabilité en ligne droite, car la force de résistance à l’avancement qui s’applique sur le pneu tend à faire revenir la roue dans sa position d’équilibre. La chasse induit également un couple de rappel en virage. Par ailleurs, celle-ci apporte des variations de carrossage (voir plus loin) en braquage.

– L’angle d’inclinaison de pivot, qui est défini par la verticale et la projection de l’axe de pivot sur un plan vertical perpendiculaire à l’axe de la voiture. Les effets de l’angle d’inclinaison de pivot se combinent avec ceux de la chasse; ainsi, il y a également des variations induites du carrossage en braquage, et les roues ont tendance à revenir en ligne droite lorsqu’elles sont braquées. En raison des contraintes d’encombrement dans les roues, l’axe de pivot n’est généralement pas confondu avec l’axe de la roue. En inclinant ce dernier, il est alors possible de réduire le déport au sol qui est la distance séparant, sur un plan vertical perpendiculaire à l’axe de la voiture, le point P d’intersection de l’axe de pivot avec le sol et le point R d’intersection de l’axe de la roue avec le sol. On dit que le déport est positif lorsque P se trouve entre R et l’axe longitudinal de la voiture.

Le déport au sol est une grandeur qui a beaucoup d’importance dans la dynamique et la sécurité du véhicule. Plus sa valeur est élevée, plus les forces agissant sur la roue seront transmises dans la direction, et donc au volant si cette dernière est réversible. De ce fait, pour diminuer les réactions parasites au volant, il est favorable d’adopter une valeur réduite du déport, mais on réduit l’information transmise au conducteur. Le déport négatif présente la particularité de stabiliser le véhicule en cas d’adhérence dissymétrique lors des efforts de freinage (et de traction dans le cas des véhicules à roues avant motrices).

– Le carrossage est l’angle défini par le plan médian de la roue et le plan vertical passant par le point de contact avec la roue. Il est positif lorsque le point supérieur de la roue se projette au sol à l’extérieur du point de contact roue/sol par rapport à l’axe longitudinal du véhicule. Cet angle doit être optimisé pour permettre au pneu de travailler dans les conditions où son rendement est maximal.

Parmi les architectures d’essieux les plus courantes, on rencontre:

– L’essieu type MacPherson (fig. 32). Il comprend un bras inférieur oscillant qui relie le pivot à la caisse et une jambe ressort-amortisseur dont la partie inférieure est liée au pivot et la partie supérieure à la caisse. Le maintien longitudinal du bras inférieur est réalisé grâce à la barre antiroulis (MacPherson intégral). Pour parfaire son guidage, on peut utiliser un tirant qui relie celui-ci à la caisse. Il est également possible de remplacer le bras par un triangle venant s’ancrer en deux endroits sur la caisse; il est alors nommé «pseudo-MacPherson».

– L’essieu à bras ou triangles superposés (fig. 33); le pivot est maintenu par un triangle supérieur et un triangle inférieur sur lequel prennent appui le ressort et l’amortisseur qui sont liés en partie haute à la caisse. Cette disposition permet un excellent contrôle des paramètres géométriques de l’essieu lors de ses mouvements.

– L’essieu rigide (fig. 34) est constitué d’une traverse reliant les deux moyeux et suspendue à la caisse par des ressorts. Cette technique, qui fut la première employée en automobile, est simple et peu onéreuse, mais l’amortissement du rebond est difficile en raison du poids important. En outre, la garde au sol est limitée.

– Les trains à bras tirés ou obliques (fig. 35). Les bras sont articulés sur une traverse (ou directement sur la caisse) dont l’axe est en avant de celui qui relie les centres des roues. Pour gagner de la place, on emploie parfois des barres de torsion (à la place des ressorts) et des amortisseurs inclinés. Un dérivatif de cette architecture consiste à supprimer les articulations des bras sur la traverse afin de réaliser un ensemble rigide dont le fonctionnement s’apparente à celui d’une barre antiroulis.

– L’essieu multi-bras a été développé afin d’obtenir un contrôle optimal des inclinaisons de la roue lors de ses débattements. D’architecture relativement complexe, son efficacité est liée à un choix particulièrement soigné des différents angles géométriques et des différentes longueurs qui le caractérisent.

– L’essieu arrière directeur . Par rapport aux systèmes ci-dessus, il élargit les possibilités de contrôle des inclinaisons des roues postérieures, en agissant directement sur le braquage de ces dernières par le biais de systèmes mécaniques ou hydrauliques régulés, dans certains cas, électroniquement. Pour les véhicules de tourisme, les angles maximaux atteints sont de quelques degrés. Afin d’améliorer la maniabilité (faibles vitesses, grands angles au volant), les roues de l’essieu arrière braquent dans le sens opposé à celui qui est imposé à l’avant et, inversement, pour assurer une bonne stabilité (vitesses élevées, angles au volant faibles), le braquage s’effectue dans le même sens à l’avant et à l’arrière. Les véhicules ainsi équipés sont appelés véhicules à quatre roues directrices.

Les éléments des suspensions traditionnelles

Les ressorts permettent de suspendre la caisse à une altitude adéquate et de contrôler la fréquence et l’amplitude de ses déplacements. Plus la fréquence de suspension est faible, plus le véhicule est confortable. Toutefois, pour ne pas incommoder les occupants, il ne faut pas obtenir une fréquence trop faible, et les ressorts sont généralement choisis de telle sorte que la fréquence de suspension (f ) soit comprise entre 0,8 Hz et 1 Hz. Celle-ci est en effet une notion plus représentative de l’adéquation de la suspension que la flexibilité seule, car elle fait intervenir à la fois la raideur du ressort (K) et la masse suspendue (M):

Les types les plus employés sont:

– les ressorts hélicoïdaux (parfois également appelés ressorts à boudins) présentent l’avantage d’être à la fois légers et économiques;

– les barres de torsion sont constituées d’un barreau cylindrique que l’on fait travailler en torsion (leur principal intérêt réside dans leur encombrement réduit et leur poids limité);

– les ressorts à lames ont été progressivement abandonnés sur les véhicules de tourisme en raison notamment de leur poids (l’apparition des matériaux composites très légers pourrait leur redonner cependant de l’intérêt); dans la technologie traditionnelle, le champ d’application est essentiellement au niveau des véhicules utilitaires ou tout terrain où leur robustesse est appréciée;

– les ressorts pneumatiques utilisent la propriété de compressibilité des gaz; ils sont constitués d’un corps déformable qui renferme le gaz; sous l’action d’une force extérieure, le corps se déforme comprimant ainsi le gaz dont l’élasticité tend à faire revenir le corps à sa position d’équilibre.

Les amortisseurs sont les compléments indispensables des ressorts, car ils permettent de freiner les mouvements résultant de la caisse et des roues, et d’éviter ainsi que le véhicule ne soit animé de réactions désordonnées et continues qui pourraient être dangereuses. L’amortisseur réagit en fonction de la vitesse de déplacement qu’on lui impose, alors que le ressort fournit un effort en fonction de l’amplitude du déplacement.

Les amortisseurs les plus utilisés sont hydrauliques avec ou sans pression de gaz (fig. 36). On distingue l’amortisseur monotube et l’amortisseur bitube. Ce dernier comprend une chambre de travail et un espace de réserve qui renferme environ deux tiers d’huile et un tiers d’air, dont le rôle est d’absorber les variations de volume engendrées par les mouvements de la tige de piston. La chambre de travail renferme une partie de la tige de piston, le piston et les systèmes de clapets au travers desquels l’huile passe nécessairement lors des mouvements du piston qui se trouvent ainsi freinés. Il existe une variante de l’amortisseur bitube qui consiste à remplacer le volume d’air de l’espace de réserve par un gaz sous une pression de quelques bars. Cette surpression rend l’amortisseur beaucoup plus sensible aux mouvements de faibles amplitudes, même très rapides, et améliore donc notablement le travail du pneumatique dans ces conditions. L’amortisseur monotube est constitué d’un tube divisé en deux chambres par un piston séparateur mobile. La chambre de travail comprend une partie de la tige de piston et les systèmes de clapets, la seconde étant remplie de gaz sous une pression assez élevée (de l’ordre de 30 bars). La compensation du volume de la tige lors de ses débattements est assurée par des mouvements correspondants du piston séparateur.

Les butées servent à limiter les débattements extrêmes des suspensions tout en assurant un arrêt progressif. Leur raideur est importante, et le point de raccordement avec le ressort principal doit être particulièrement soigné afin de ne pas altérer le confort. Généralement, les butées sont réalisées en caoutchouc ou en polyuréthane (éventuellement cellulaire), mais il existe des éléments plus sophistiqués qui utilisent des systèmes hydrauliques.

Le système antiroulis le plus usité est constitué d’une barre cylindrique reliant la suspension gauche à celle de droite et maintenue par des paliers solidaires de la caisse. Cette barre est sollicitée en torsion lorsque le véhicule prend du roulis, et permet donc de limiter l’angle atteint. De ce fait, les suspensions travaillent dans un champ où les épures peuvent être mieux respectées. Ainsi, les passagers sont soumis à des déplacements de moins grande ampleur. Le choix relatif du diamètre des barres entre l’avant et l’arrière et, plus généralement, la répartition de roulis entre l’avant et l’arrière ont une influence importante sur l’équilibre du comportement routier du véhicule.

La suspension hydropneumatique (fig. 37)

Chaque roue est reliée à la caisse par un bras de suspension sur lequel un piston vient prendre ancrage; lorsque le bras débat, le piston coulisse dans un cylindre et agit sur un liquide dont le déplacement comprime un gaz inerte enfermé dans une chambre étanche séparée du liquide par une membrane déformable. Le gaz joue le rôle de ressort, et un système à clapets, qui lamine le liquide lorsque le piston se déplace, permet la fonction amortissement. Avec un tel dispositif, il est possible de réguler la quantité de liquide dans le circuit de suspension et de corriger ainsi automatiquement la hauteur du véhicule en fonction de la charge. En outre, la raideur de l’élément élastique varie en fonction du cas de chargement, ce qui autorise l’emploi de flexibilités favorables au confort sans dégrader le comportement du véhicule.

Suspensions à pilotage électronique

On peut décomposer les suspensions à pilotage électronique (fig. 14) en deux grandes familles: la première famille est constituée par les systèmes dérivés de ceux qui sont exposés ci-dessus et se caractérisant par le fait qu’une centrale électronique puisse déterminer plusieurs états de suspension en sélectionnant différentes valeurs pré-définies de l’amortissement et parfois de la raideur pour les systèmes les plus évolués. La commutation entre ces différents états est réglée par un logiciel, qui réagit en fonction des conditions de roulage qui sont transmises au calculateur par divers capteurs (accélération, freinage, mouvement de caisse, angle au volant, etc.). La seconde famille comprend des systèmes plus évolués, qui se distinguent des précédents par leur capacité à moduler en continu les forces résultantes agissant entre la caisse et la roue. Les systèmes les moins sophistiqués ne régulent que l’amortissement, alors que les plus complexes font appel à un actuateur, qui remplace à la fois l’amortisseur et l’élément élastique. Ces ensembles sont qualifiés de semi-actifs pour les plus simples et d’actifs pour les plus élaborés. Il faut observer que la dépense énergétique nécessaire au bon fonctionnement d’un système actif pur est importante et, à ce jour, les seules applications pratiques se sont limitées au domaine de la compétition.

10. Direction

Le système de direction doit permettre au conducteur de faire virer son véhicule sans en altérer le comportement.

Lors de forts braquages, tels que ceux qui sont pratiqués durant les manœuvres de parking, il est nécessaire d’éviter que la roue intérieure, qui décrit un cercle de rayon plus faible que celui qui est décrit par la roue extérieure, ne glisse latéralement sur le sol. Une disposition du système de direction, telle que les axes des roues avant coupent l’axe des roues arrière au centre du virage, permet d’éviter le ripage. Une telle épure est dite de Jantaud ou d’Ackermann. En fait, on ne cherche à respecter cette épure que lors des braquages extrêmes, et on s’attache, pour les angles plus réduits, à ce que les braquages induits par le système de direction soient favorables au comportement. En particulier, on examine les variations de l’angle défini par les plans des roues d’un même essieu (si ces plans convergent vers l’avant, on dit qu’il y a pincement; dans le cas contraire, il y a ouverture; enfin, s’ils ne convergent pas, on parle de parallélisme parfait). Dans un virage à grand rayon de courbure, l’angle de braquage réel des roues est du même ordre de grandeur que ceux que provoquent les braquages induits qu’il faut donc parfaitement maîtriser, faute de quoi le véhicule serait incontrôlable.

Pour donner satisfaction, une direction doit permettre une maîtrise rigoureuse des épures de direction afin de concourir à l’obtention d’un bon comportement routier, mais elle doit également être précise, démunie de réactions parasites – mais sans masquer les informations au conducteur –, légère en parking et suffisamment ferme à haute vitesse.

Afin de respecter ces qualités, tout en préservant la sécurité, de nombreux principes ont été développés. Les systèmes les plus fréquemment rencontrés peuvent se classer en deux familles (fig. 38).

Les directions mécaniques

Progressivement abandonnés pour les véhicules de tourisme, les mécanismes à vis ne sont plus guère employés que sur certains véhicules utilitaires, car il est difficile de réaliser un ensemble sans jeu, si ce n’est au prix d’une très grande qualité de réalisation. Une vis commandée par la rotation du volant actionne un galet, un secteur denté ou un écrou. Afin de minimiser les frottements, les vis et galets sont montés sur des roulements; les mécanismes vis-écrou font appel à une recirculation de billes. La technologie la plus utilisée à l’heure actuelle fait appel à un système pignon-crémaillère. Le pignon est solidaire du volant et, lorsqu’il tourne, il fait coulisser la crémaillère sur laquelle il engrène; cette dernière agit sur le pivot par l’intermédiaire de bielles, qui sont fixées soit à chacune des extrémités de la crémaillère, soit à une chape solidaire de celle-ci.

Les efforts à exercer au niveau des bielles pour faire braquer les roues dépendent des conditions dans lesquelles s’opère la manœuvre et des caractéristiques du véhicule. Ces efforts varient de quelques dizaines de newtons à plusieurs milliers de newtons. Pour que le conducteur soit toujours apte à braquer les roues, il a été nécessaire d’adopter des systèmes permettant une démultiplication importante entre les roues et le volant. Il n’est cependant pas souhaitable de dépasser des valeurs de démultiplication de 1 pour 25 autour de la ligne droite (c’est-à-dire qu’il faut tourner le volant de 25⁰ pour braquer les roues de 1⁰); en effet, une valeur excessive nuirait à la précision et à la sécurité de conduite. Il existe des techniques de réalisation d’engrenages qui permettent de faire varier le rapport de démultiplication entre le pignon et la crémaillère le long de cette dernière (directe autour de la ligne droite, et plus démultipliée aux extrémités). Cependant, la variation de ce rapport entre le centre et les extrémités de la crémaillère ne s’effectue pas dans des proportions suffisantes pour donner une loi d’effort satisfaisante dans le cas de véhicules dont le train directeur est fortement chargé. C’est pourquoi, pour permettre de rester dans des valeurs de démultiplication proche de 1 pour 15 autour de la ligne droite, tout en limitant les efforts au volant, des procédés d’assistance ont été développés.

Les directions assistées (fig. 39)

Sur les véhicules de tourisme, l’apport d’énergie supplémentaire est généralement réalisé à partir d’un liquide sous pression, bien que d’autres dispositions soient réalisables (énergie pneumatique, électrique, etc.). Dans le cas le plus courant, un vérin comprenant deux chambres séparées par un piston mobile, relié à la timonerie de direction, est monté en série ou en parallèle sur le mécanisme de direction. Lorsqu’on tourne le volant, un distributeur (souvent une valve rotative) est actionné, et les forces agissant sur le vérin sont déséquilibrées par augmentation de pression dans l’une des chambres; le piston se déplace alors dans le vérin, et sa poussée sur la timonerie de direction facilite le braquage. Afin de préserver l’information du conducteur, il est intéressant que cet effort de poussée évolue de la même manière que celui qui est réellement requis pour actionner les roues. La loi d’assistance doit être soigneusement élaborée afin qu’il y ait un bon équilibre entre les efforts à haute vitesse et les efforts lors des manœuvres de parking. Avec les systèmes traditionnels, il ne peut s’agir que d’un compromis entre ces deux situations extrêmes; il existe désormais des systèmes plus sophistiqués (parfois à régulation électronique) qui assurent une variation de la loi d’assistance en fonction de la vitesse et contribuent ainsi à rendre la conduite à haute vitesse (accroissement de l’effort au volant) plus aisée tout en préservant un très bon confort lors des manœuvres de parking (faible effort au volant).

11. Freinage

Un véhicule en mouvement possède une énergie cinétique, fonction de la masse et de la vitesse, soit E = 1/2 m v². Le rôle des freins est d’arrêter (ou de ralentir) le véhicule avec un maximum d’efficacité en transformant cette énergie cinétique en énergie calorifique, qui doit être évacuée rapidement pour assurer le bon fonctionnement du système de freinage.

Selon la fonction remplie, on distingue:

– Le frein de service ou frein principal. Il agit sur les quatre roues (cas des voitures à deux essieux); il est destiné à ralentir ou à arrêter le véhicule. Le temps et l’intensité d’utilisation peuvent être très variables (obstacle imprévu: freinage intense de courte durée; descente de col: freinage léger de longue durée).

– Le frein de parking. Il agit en général sur un seul essieu, déterminé en fonction de la répartition de charge du véhicule sur ses essieux; il est destiné à maintenir à l’arrêt un véhicule en stationnement, même sur une pente. Sa commande doit être distincte du freinage principal.

– Le frein de secours. Il est destiné à arrêter, dans des conditions prescrites par la réglementation, le véhicule en cas de défaillance d’une partie du frein principal. Le freinage de secours peut être obtenu soit à partir de la partie non défaillante du frein principal, soit à partir du frein de parking.

– Le frein de ralentissement. Équipant surtout les poids lourds, il est susceptible de fonctionner pendant des temps très longs, mais inapte à arrêter le véhicule. Il s’échauffe de façon constante, et doit donc évacuer la chaleur également de façon constante (ralentisseur électromagnétique, par exemple, utilisant les courants de Foucault [ cf. MÉTALLOGRAPHIE, Essais non destructifs ]).

Étude théorique du freinage

Le coefficient d’adhérence f des pneus sur le sol est fonction de l’état du sol. Par exemple: f = 0,8 à 0,95 (sol sec), f = 0,4 à 0,6 (sol mouillé) et f = 0,1 à 0,3 (sol verglacé).

Si le freinage des roues va jusqu’à leur blocage, ce n’est plus le coefficient d’adhérence qui est en jeu, mais le coefficient de glissement des pneus sur le sol, qui est toujours inférieur au premier. Aussi, pour obtenir un freinage efficace, faut-il chercher à éviter le blocage des roues, tout en restant à la limite d’adhérence. La distance d’arrêt la plus réduite qu’il soit possible d’obtenir pour un véhicule donné est celle qui correspond à l’effort retardateur maximal juste avant le blocage simultané des quatre roues. Pour un coefficient d’adhérence f donné, cet effort maximal est égal au produit du poids du véhicule par f ; la décélération correspondante est 塚 = f 憐 g (g: accélération de la pesanteur), et la distance d’arrêt à partir de l’actionnement effectif des freins vaut v²/(2fg ). Par exemple, pour une vitesse v de 30 m/s (108 km/h) et un coefficient f de 0,5, la distance d’arrêt minimale possible est 30²/(2 憐 0,5 憐 9,81), soit 91,7 m, la décélération valant alors 4,9 m/s² (fig. 40).

Ce cas de figure, dit de freinage intégral (les quatre roues sont simultanément à la limite du blocage), ne peut être obtenu que si les efforts de freinage sur chaque essieu sont dans le rapport des charges respectives de ces essieux. Ce rapport n’est pas constant, car pendant la phase de freinage le véhicule subit un transfert de charge de l’essieu arrière vers l’essieu avant dépendant des caractéristiques du véhicule (le poids, les empattements, la hauteur du centre de gravité du véhicule par rapport au sol) et directement proportionnel à la décélération.

En pratique, ce freinage idéal ne peut être approché qu’au moyen de systèmes appelés communément «antibloqueurs». De tels systèmes permettent également d’assurer la stabilité et la dirigeabilité du véhicule pendant la phase de freinage, même en cas d’adhérence non homogène. Il existe des réalisations faisant appel à une régulation de type uniquement hydro-mécanique mais les distances d’arrêt sont moins bonnes que celles qu’on obtient avec des systèmes à régulation électronique qui, malgré un coût plus élevé, sont les plus répandus. À partir de différentes informations fournies par des capteurs, le calculateur détermine le glissement et la variation de vitesse de chacune des roues sur lesquelles s’opère la régulation. Le calculateur agit alors sur une commande (généralement une électrovalve) chargée de moduler la pression dans le circuit de freinage de la roue considérée. Suivant l’état de la chaussée, il peut se produire plus de 10 cycles de régulation par seconde. Il existe de nombreuses logiques de calcul et de multiples dispositions des capteurs; la plus répandue pour les véhicules de tourisme consiste en quatre capteurs (un par roue) et un circuit permettant de réguler, indépendamment, les roues avant et, en bloc, les roues arrière suivant un mode «select low»; ce principe impose la même loi de régulation pour chacune des deux roues arrière en prenant comme base de référence la roue arrière se trouvant sur la plus basse adhérence. On garantit ainsi une stabilité optimale de l’essieu arrière au freinage, même dans le cas d’une adhérence fortement dissymétrique entre droite et gauche.

Les systèmes antibloqueurs permettant, d’une part, d’accéder aux informations sur les vitesses des roues et leurs variations et, d’autre part, de moduler l’effort de freinage, il a été possible moyennant quelques aménagements d’ajouter à la fonction antibloqueur la fonction antipatinage des roues motrices. Lorsqu’une roue a tendance à s’emballer (par exemple en cas d’accélération trop brutale sur un sol peu adhérent), le système agit sur le circuit de freinage de celle-ci et évite le patinage. Les systèmes les plus sophistiqués agissent également sur le moteur pour limiter le couple transmis.

Sachant que le blocage des roues arrière est le plus dangereux (il induit un couple tendant à mettre le véhicule en tête à queue), les répartitions de freinage des véhicules équipés de systèmes classiques sont étudiées de telle manière que la prépondérance de l’action de freinage se porte sur l’essieu avant; quels que soient l’état de charge du véhicule et l’état du sol, ce sont les roues avant qui doivent impérativement se bloquer les premières, quand on fait croître la pression sur la pédale.

Une telle répartition peut être obtenue par un choix des freins avant et des freins arrière dans un rapport déterminé dépendant des caractéristiques du véhicule, et par l’utilisation d’organes permettant de limiter («limiteur») ou de diminuer suivant une loi déterminée («compensateur») la pression d’utilisation des freins arrière. Ces organes peuvent agir pour des valeurs de pressions constantes (limiteur et compensateur fixe) ou variables en fonction de la charge (limiteur et compensateur asservi à la charge). Cet asservissement à la charge peut être obtenu mécaniquement par liaison avec le mouvement vertical des roues arrière, ou hydrauliquement par référence des pressions de suspension dans le cas des véhicules à suspension hydraulique.

Frein à tambour

Le plus utilisé est le frein à tambour dit à «mâchoires flottantes». Ce frein a été créé pour permettre aux mâchoires de se centrer automatiquement en toute liberté et de porter contre le tambour sur toute la longueur de l’arc de garniture.

Ce type de frein est en général un frein à commande hydraulique; il se compose de deux mâchoires actionnées par un petit vérin double appelé «cylindre de roue». On appelle «mâchoire comprimée» celle qui s’arc-boute, c’est-à-dire celle dont le point d’appui est en aval de la mâchoire par rapport au sens de rotation du tambour; l’autre dont le point d’appui est en amont est appelée mâchoire tendue. Elle porte une garniture de friction dont le frottement sur le tambour engendre le couple de freinage.

Les freins à tambour (fig. 41) peuvent être équipés d’un levier relié à la commande de frein à main par un câble pour assurer la fonction frein de parking et parfois frein de secours.

En fonctionnement, la distance entre tambour et mâchoire, c’est-à-dire le jeu au repos, augmente à mesure que la garniture et le tambour s’usent. Ce jeu ne doit pas dépasser un certain maximum, afin d’éviter une trop grande course à vide de la pédale et d’obtenir une attaque assez rapide des freins. Pour rétablir le jeu normal entre la mâchoire et le tambour, il est nécessaire de procéder à un réglage périodique au niveau des segments (système à came ou excentrique). De nos jours, les freins à tambour modernes sont équipés d’un système mécanique de rattrapage automatique d’usure.

Frein à disque

Le frein à disque se caractérise par l’application des forces de serrage dans le sens axial, c’est-à-dire parallèle à l’axe de rotation. Il se compose de deux éléments principaux: un disque tournant solidaire de l’arbre d’une part, un étrier en forme de «U» d’autre part, porteur des garnitures de friction. Il est solidaire d’un élément fixe (pivot par exemple) et chevauche le disque sur un secteur limité afin de pincer celui-ci pendant la phase de freinage. La partie du disque en dehors de ce secteur est exposée à l’air libre et de ce fait possède de bonnes caractéristiques de refroidissement pendant et après le freinage. S’il est nécessaire d’accroître ces conditions de refroidissement, on peut utiliser des disques ventilés. Ils sont essentiellement constitués par deux disques espacés et reliés entre eux de façon à ce qu’une ventilation forcée puisse être établie entre les disques.

L’étrier est une pièce rigide en «U», solidaire de l’essieu, il coiffe le disque sur une portion d’arc. L’étrier porte de part et d’autre du disque un élément de friction communément appelé «plaquette de frein» dont la poussée contre le disque peut être obtenue suivant deux principes: celui de l’étrier fixe ou à pistons opposés (fig. 42), et celui de l’étrier flottant , soit à cylindre fixe et deux pistons dos à dos, soit à cylindre mobile et un piston unique (type le plus usité, fig. 43).

Lorsque l’action du freinage cesse, le desserrage du frein est obtenu de façon naturelle par le recul du ou des pistons de quelques dixièmes de millimètres, recul provoqué par l’élasticité du joint d’étanchéité qui se déforme légèrement pendant la phase de freinage. La course d’approche des plaquettes reste ainsi constante quelle que soit l’usure des garnitures: il n’y a pas de réglage à effectuer.

Lorsque cela est nécessaire, un frein à disque peut comporter également la fonction frein de parking. Elle peut être obtenue:

– par actionnement mécanique du frein principal. Ce principe n’est, pratiquement, compatible qu’avec les étriers flottants; il implique un mécanisme de réglage automatique dans chaque étrier;

– par utilisation de plaquettes de friction indépendantes, mises en action par un ensemble de bras de levier formant pince sur le disque;

– par utilisation de petites mâchoires, installées à l’intérieur du bol du disque de friction, qui remplit la fonction tambour.

Avec les deux derniers systèmes, les garnitures du frein de parking s’usant très peu, on se contente généralement d’un système de réglage manuel.

Garnitures de friction

Les garnitures de friction actuellement employées sont à base d’amiante, de métaux, de résine, le tout maintenu par un «imprégnant» qui joue un rôle considérable dans la régularité du coefficient de frottement et de l’usure. Les garnitures sont fixées sur leurs supports par des rivets (garnitures de freins à tambour) ou collées. Les trois grandes qualités d’une garniture sont: un coefficient de frottement le plus stable possible en fonction de la température, un taux d’usure le plus faible possible et l’absence de bruits lors du freinage.

Pour des problèmes de réglementation future visant à interdire l’utilisation de produits contenant de l’amiante, on voit apparaître des garnitures sans amiante ou «semi-métalliques», dans lesquelles les fibres d’amiante ont été remplacées par des fibres métalliques ou synthétiques. Elles ont en général de bonnes caractéristiques en usure, mais offrent une conductibilité thermique élevée qui peut entraîner des échauffements excessifs du liquide hydraulique.

La commande de freinage

Dans le système de commande hydraulique employé aujourd’hui dans les voitures de tourisme, l’effort de la pédale est transmis aux garnitures de friction par l’intermédiaire d’un liquide incompressible.

La pression créée par le déplacement de la pédale dans une pompe ou «maître-cylindre» est transmise aux cylindres et pistons récepteurs qui actionnent les freins. Le maître-cylindre est alimenté par un petit réservoir comprenant un flotteur qui allume un voyant lumineux en cas de fuite ou de rupture d’une partie du système de freinage principal. Pour accroître la sécurité et répondre à la réglementation, on utilise le double circuit de freinage. Dans ce cas, le maître-cylindre, dit «tandem» (fig. 44), se compose de deux pistons indépendants, qui déterminent deux pompes de refoulement distinctes ayant chacune son alimentation et ses clapets, l’alimentation étant assurée par un réservoir à double compartiment. On utilise différentes façons de séparer le système de freinage en deux parties: les freins avant sur un circuit, les freins arrière sur l’autre (double circuit classique), les freins avant gauche et arrière droit sur un circuit, les freins avant droit et arrière gauche sur l’autre (double circuit en «X»), ou bien la moitié des freins avant sur un circuit, l’autre moitié plus les freins arrière sur l’autre (double circuit en «I + H»). En cas de défaillance d’un circuit, on conserve ainsi une partie du freinage, moyennant une course et un effort à la pédale augmentés.

Afin d’accroître l’agrément de freinage en diminuant l’effort à la pédale, on utilise fréquemment des servo-freins , utilisant une source d’énergie auxiliaire. Les plus répandus sont les servo-freins à dépression, qui utilisent la dépression existant dans le collecteur d’admission des moteurs à essence, ou fournie par une «pompe-à-vide» dans le cas des moteurs Diesel. On prévoit une réserve de dépression d’un volume suffisant, avec un clapet de retenue, permettant de disposer de l’assistance, même si le moteur est arrêté (réserve correspondant à environ trois freinages assistés).

Pour les véhicules possédant une centrale hydraulique à haute pression, l’ensemble maître-cylindre plus servo-frein peut être remplacé par un distributeur hydraulique à deux circuits utilisant la source de haute pression de la centrale hydraulique et délivrant la pression dans les freins proportionnellement à l’effort appliqué sur la commande. Contrairement à ce qui se passe avec une assistance classique, la puissance de freinage disponible avec un tel système n’est pas fonction de la course de la pédale de frein, ce qui permet de conserver une efficacité totale même dans le cas d’une consommation d’huile plus importante, consécutive par exemple à du vapor lock (formation de poches de vapeurs par ébullition du liquide de freins).

Les liquides hydrauliques pour circuits de frein

Les liquides hydrauliques doivent posséder deux propriétés essentielles: tout d’abord une faible compressibilité, ensuite un point d’ébullition élevé, pour éviter la formation de bulles gazeuses dans les parties du circuit soumises à échauffement (phénomène du «vapor lock»).

Il existe deux types principaux de liquides de freins:

– Les liquides dits «synthétiques» , à base d’alcools et de glycols. Ils ont un point d’ébullition de l’ordre de 200 ⁰C. Dans certains cas, ils doivent être vidangés périodiquement, car ce point d’ébullition s’abaisse dans le temps sous l’effet d’une certaine absorption d’humidité.

– Les liquides «minéraux» (L.H.M.), qui sont doués de propriétés lubrifiantes et sont, pour cette raison, utilisés dans les systèmes de freinage du type «haute pression». Leur point d’ébullition est très élevé et stable. (À noter, dans tous les cas, l’importance d’une parfaite purge des circuits et organes hydrauliques.)

12. Roues et pneumatiques

Les roues

Une roue comprend deux parties conçues pour répondre, chacune, à une fonction précise: la jante qui assure la liaison avec le pneumatique et le disque (voile) qui permet de fixer la roue au véhicule. Ces deux parties sont généralement solidaires, soit qu’elles aient été assemblées définitivement par soudure dans le cas des roues en tôle d’acier, soit qu’elles viennent directement de fonderie dans le cas des roues en alliage d’aluminium par exemple.

La bonne géométrie de la jante doit lui permettre de transmettre à l’enveloppe les couples d’accélération et de freinage et les efforts latéraux de guidage du véhicule tout en assurant la meilleure sécurité possible dans le cas d’une baisse brutale et importante de pression (déjantage). La généralisation des pneumatiques tubeless (pneus sans chambre) impose à la jante une contrainte supplémentaire: l’étanchéité. C’est, enfin, celle-ci qui reçoit les masses destinées à parachever l’équilibrage de l’ensemble tournant, ainsi que la valve, accessoire permettant le gonflage.

Le disque est la pièce intermédiaire qui permet de réunir la jante et le moyeu du véhicule. Il est rendu solidaire de celui-ci par l’intermédiaire de vis ou d’écrous sur goujons dont il est très important de veiller au bon serrage. Il participe de plus à l’esthétique du véhicule par sa forme plus ou moins stylisée ou par sa décoration. Dans tous les cas, sa conception prend en compte la présence d’organes de freinage, de direction et de transmission.

La régularité géométrique de l’ensemble pneu-roue contribue au bon comportement du véhicule et donc à l’agrément de conduite. Pour la roue, les paramètres particulièrement contrôlés sont le faux-rond (excentration par rapport à l’axe de la roue) et le voile (écart par rapport au plan médian de la roue).

Le poids de la roue, s’il est relativement faible par rapport au poids total du véhicule, intervient cependant d’une manière non négligeable au sens où il augmente la masse des éléments non suspendus. Les gains les plus intéressants dans ce domaine peuvent être obtenus par utilisation de matières plastiques (résine renforcée par exemple) ou d’alliage léger.

Les pneumatiques

Le pneumatique se compose de plusieurs éléments dont les principaux sont la chambre à air et l’enveloppe.

La chambre à air permet de conserver la pression à l’intérieur de l’enveloppe. C’est un réservoir continu, circulaire qui se monte à l’intérieur de l’enveloppe et contient l’air sous pression. Bien que la chambre à air seule ne puisse résister à des pressions considérables, elle peut supporter toutes les pressions compatibles avec l’enveloppe lorsqu’elle est montée dans cette dernière. Sa fabrication fait appel à des mélanges élaborés d’élastomères. La chambre à air est extrudée à l’aide d’une machine spéciale qui lui donne dès le départ une forme torique. La valve est ensuite fixée à un point de sa circonférence intérieure. Il faut cependant souligner que, depuis de nombreuses années, on fabrique des pneus à chambre incorporée, dits tubeless .

L’enveloppe est l’élément principal de l’ensemble pneumatique à qui elle confère la majorité de ses caractéristiques. Quelles que soient les particularités de sa structure interne et la qualité des matériaux qui la compose, on distingue dans une enveloppe trois parties principales: la carcasse, la bande de roulement et les bourrelets. C’est la carcasse, mise en tension par la pression de gonflage, qui supporte la charge du véhicule. Elle est constituée par une ou plusieurs nappes formant l’armature du pneumatique: chaque nappe est formée de câbles textiles ou métalliques juxtaposés. La liaison entre ceux-ci est assurée par des mélanges de caoutchoucs. Aujourd’hui, les carcasses sont généralement radiales, c’est-à-dire que chaque câble, qui va de tringle à tringle, est contenu dans un plan passant par l’axe de rotation de la roue. Cette technique radiale, inventée par Michelin et développée aujourd’hui par l’ensemble des manufacturiers, constitue, par rapport aux structures à nappes croisées d’autrefois, un progrès considérable en tenue de route, en résistance à l’usure, en confort et en diminution de la résistance au roulement, donc de la consommation du carburant.

La bande de roulement assure la transmission des efforts de traction de guidage et de freinage. Elle présente généralement des sculptures appropriées destinées à augmenter l’adhérence sur sols glissants. Dans le cas des pneumatiques radiaux, une ceinture constituée d’au moins deux nappes croisées est interposée entre la carcasse et la gomme de la bande de roulement. Comme pour les nappes de la carcasse, celles de la ceinture sont constituées de câbles parallèles textiles ou métalliques. Le choix des angles des nappes de ceinture procure à l’enveloppe ses propriétés de tenue de route et de résistance à l’usure tout en conservant le confort procuré par la carcasse radiale.

Les bourrelets sont formés par les nappes de la carcasse repliées autour d’une ou de plusieurs tringles pour constituer un ancrage. Ce sont eux qui assurent la fixation de l’enveloppe sur la jante et contribuent à l’étanchéité dans le cas de la solution (tubeless ).

Les mélanges sont élaborés à partir de caoutchoucs naturels ou synthétiques, de charges de renforcement (noir de carbone, silice), d’agents de vulcanisation et de protection. Plusieurs mélanges, dont les caractéristiques varient selon la position qu’ils occupent dans le pneumatique, sont nécessaires pour obtenir les propriétés essentielles d’adhérence, de résistance et d’endurance. Le concepteur utilise une large gamme de matières premières pour obtenir le meilleur compromis entre des exigences multiples et parfois contradictoires telles que adhésion, module d’élasticité, propriétés hystérétiques, résistance à l’abrasion, résistance aux agressions chimiques et thermiques, stabilité des performances sans oublier les coûts de mise en œuvre des matériaux.

Fonctionnement du pneumatique

Le pneumatique fonctionne comme un élément élastique, grâce à sa souplesse ou flexibilité. La flèche qui apparaît est fonction à la fois de la charge et de la pression. Pour une pression donnée, chaque pneu est caractérisé par un diagramme charge-déformation. Un défaut de pression ou une surcharge importante conduit à des flexions exagérées des constituants du pneumatique, ce qui affecte son endurance et ses caractéristiques.

Une qualité essentielle du pneumatique est son adhérence, qui permet d’utiliser l’énergie motrice de la voiture, d’absorber la force vive au moment du freinage et d’assurer la direction du véhicule. Pour une charge déterminée, le glissement entre le pneumatique et le sol caractérise son adhérence.

Les caractéristiques macro- et micro-géométriques du sol, la présence éventuelle de dépôts (eau, huile, caoutchouc, terre...), la nature de la bande de roulement, la mécanique de son contact avec le sol sont autant de paramètres qui déterminent les capacités d’adhérence d’un pneumatique donné.

En particulier, la réduction de la hauteur de sculpture, liée à l’usure normale du pneumatique, diminue naturellement la capacité du pneumatique à évacuer l’eau.

Encyclopédie Universelle. 2012.