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Caractéristiques fonctionnelles du pneumatique Par Thierry Halconruy. 1 LE TORSEUR DES EFFORTS 2
1.1 EFFORT DE DERIVE 3
1.2 MOMENT D AUTOALIGNEMENT 4
2 APPRÉCIATION DES PERFORMANCES 5
2.1 LES FACTEURS D'INFLUENCE 7
a LE GLISSEMENT 7
b LE CARROSSAGE 7
c LA CHARGE VERTICALE 7
d COUPLAGE ENTRE LES EFFORTS LONGITUDINAUX ET TRANSVERSAUX. 7
e NATURE DE LA SOLLICITATION 7
f AUTRES PARAMÈTRES 7
g SYNTHÈSE 7
Le comportement mécanique du pneumatique est très complexe en raison d'une
part de la non-linéarité des lois qui le caractérisent et d'autres part, de
la non-indépendance de ces lois entre elles. Chaque pneumatique présente
des caractéristiques spécifiques et résultant de sa conception propre. On
peut néanmoins mettre en évidence des lois de comportement générales et
communes à presque tous les pneumatiques. La bonne compréhension de ces
lois est indispensable pour l'analyse des phénomènes dynamiques du
comportement du véhicule.
[pic] LE TORSEUR DES EFFORTS Le pneumatique peut être considéré comme une « boîte noire » qui serait
caractérisée par les échanges physiques qu'elle aurait avec son
environnement. Ces échanges peuvent être décrits au travers de forces et de
moments décomposés suivant les trois axes canoniques ; c'est ce que l'on
appelle le torseur des efforts. Le trièdre considéré est composé d'un axe
vertical z et de deux axes horizontaux (x,y). L'axe y est transversal et
représente l'axe de rotation du pneumatique. L'axe x est longitudinal (voir
fig 2.34). Les forces s'opérant selon la direction de x sont les forces de traction et
de freinage. Les forces suivant l'axe z résultent de la charge verticale
supportée par le pneumatique et de son élasticité dans cette direction. Les
forces suivant l'axe y sont appelées forces transversales de poussée du
pneumatique. Ces forces peuvent être la conséquence de la structure du
pneumatique ou de défauts d'assemblage (plysteer, serpentage). Elles sont
aussi, et de manière beaucoup plus fondamentale, les forces qui vont
permettre le guidage du véhicule. Elles dépendent de la position du
pneumatique par rapport à la chaussée mais aussi de l'angle entre le plan
de roue et la direction du mouvement.
1 EFFORT DE DERIVE Cette découverte à été faite en 1920 par l'ingénieur Broulhiet qui a mis en
évidence qu'un pneumatique, roulant de telle sorte que la direction du
mouvement fasse un angle non nul avec le plan vertical médian de la roue,
générait un effort transversal. Cet effort est appelé effort de dérive.
Plus précisément, on appelle angle de dérive l'angle entre le vecteur
vitesse V du point de contact de la bande de roulement avec le sol et le
vecteur X portant la droite située à l'intersection du plan médian de la
roue avec le sol (voir fig 2.35). L'existence de cet angle de dérive (noté
d) engendre un effort transversal perpendiculaire à X et de sens opposé à
d.
L'effort de dérive est l'effort qui permet de diriger le véhicule. Prenons
l'exemple d'un véhicule roulant en ligne droite. Lorsque le conducteur
tourne le volant il crée une rotation des roues. A ce moment l'angle d qui
était initialement nul croît. Il y a établissement d'un effort de dérive
qui fait dévier le véhicule du côté où les roues ont été tournées. Il ne
faut pas confondre l'angle de braquage, qui est l'amplitude de la rotation
des roues, et l'angle de dérive. D'une manière simplifiée on peut mettre en
correspondance l'angle de braquage avec la direction selon laquelle
s'exercera la force et l'angle de dérive avec l'intensité de cette force.
En effet pour les angles de dérive faibles (en général inférieur à 10°) il
y a proportionnalité entre l'effort de dérive et l'angle de dérive. Dans
cet intervalle la relation s'écrit :
Fd=(Kd).d
Où Fd est l'effort de dérive, d l'angle de dérive et Kd un coefficient
caractéristique du pneumatique. Kd est appelé rigidité de dérive et
s'exprime en N/° ou en N/rad. Au-delà de la zone linéaire la courbe
représentant Fd en fonction de d atteint un maximum puis décroît (voir fig
2.36).
[pic]
L'observation de la figure conduit à distinguer trois zones qui traduisent
un comportement différent :
- dans la première zone la courbe est linéaire croissante ; c'est le
domaine d'adhérence du pneumatique. Plus on augmente l'angle de dérive
plus l'effort transversal croît. La directivité est totale.
- Dans la deuxième zone la courbe est croissante mais non linéaire et
finit par atteindre un maximum. Plus on augmente l'angle de dérive
moins l'effort transversal croît. Une partie de l'aire de contact
glisse. C'est une zone de transition. La saturation du pneumatique,
c'est à dire l'obtention de l'effort transversal maximal qu'il peut
délivrer, délimite l'extrémité de la zone de transition.
- Dans la troisième zone l'effort transversal diminue au fur et à mesure
que l'angle de dérive croît. Il y a glissement du pneumatique.
Supposons que ce phénomène survienne au niveau des pneumatiques avant
d'un véhicule. Cela se traduit par une perte de directivité, le
véhicule ne parvenant pas à s'inscrire sur la trajectoire voulue par
le conducteur. Si à ce moment le conducteur augmente le braquage des
roues en accroissant l'angle au volant, il provoque une augmentation
de l'angle de dérive dont la conséquence immédiate est une baisse de
l'effort transversal généré par le pneumatique. Plus le conducteur
braque, moins la voiture tourne ! Dans ce type de dérapage il ne faut
donc surtout pas surbraquer sous peine de rendre la situation encore
plus critique.
Jusqu'à présent nous avons commenté une courbe représentant Fd en
fonction de l'angle de dérive d. En fait nous verrons dans la suite que
cette courbe n'est pas unique car elle dépend de plusieurs paramètres
comme la charge verticale, l'effort longitudinal etc. Il est donc plus
exact de parler de faisceau de courbes. 2 MOMENT D AUTOALIGNEMENT L'analyse du torseur des actions entre le pneumatique et le sol doit être
complétée par l'examen des moments s'exerçant autour des trois axes
précédemment cités. Le moment autour de l'axe transversal caractérise la
résistance au roulement. Le moment de renversement s'exerce autour de
l'axe longitudinal. Enfin on appelle moment d'auto-alignement le moment
qui s'exerce autour de l'axe vertical.
Les effets liés à l'apparition du moment d'auto-alignement sont très
importants pour l'étude du comportement dynamique du véhicule et des
réactions du conducteur. Le moment d'auto-alignement apparaît en
concordance avec l'effort de dérive et tend à réduire l'angle de dérive.
Cette action de rappel se traduit par une variation des efforts au niveau
des organes de guidage de la roue. En particulier au niveau du système de
direction il y a modification des efforts de réaction et donc évolution
du couple au volant dans le cas de systèmes réversibles. Les systèmes
réversibles étant les plus répandus, le conducteur pourra donc
appréhender les modifications de la dérive des pneumatiques avant, grâce
à l'évolution des perceptions ressenties au niveau du volant. Pour
pouvoir juger de l'éventuel intérêt de ce retour d'information il est
nécessaire de comparer les courbes représentant l'effort de dérive et le
moment d'auto-alignement en fonction de l'angle de dérive.
En observant la figure 2.37
[pic]
on constate d'emblée que la loi donnant le moment d'auto-alignement Mz en
fonction de l'angle de dérive d est fortement non-linéaire. Cette loi
fait apparaître une première zone où il y a croissance simultanée de Mz
et de l'effort de dérive Fd. La courbe atteint ensuite un maximum puis
décroît brusquement jusqu'à l'annulation de Mz. Si l'angle de dérive
continue à augmenter alors le signe du moment d'auto-alignement
s'inverse. La superposition des courbes donnant Mz et Fd permet de noter
que Mz atteint son maximum avant Fd. La chute du moment d'auto-alignement
est en fait reliée à l'entrée du pneumatique dans la zone de transition.
Concrétement la diminution du couple au volant consécutive à la
décroissance brutale de Mz est une indication donnée au conducteur que le
train avant est en limite d'adhérence. Cette propriété est tout à fait
remarquable car au moment où la diminution de couple est ressentie au
volant le pneumatique est dans la zone de transition, ce qui signifie que
le véhicule peut encore être contrôlé ; en clair, il n'est pas trop tard
pour agir et modifier à bon escient la charge du moteur ou l'angle de
rotation du volant. La variation du moment d'auto-alignement joue donc le
rôle d'alerte préventive vis à vis de l'adhérence du pneumatique. APPRÉCIATION DES PERFORMANCES On pourrait être tenté de se baser sur la lecture des courbes donnant
l'effort de dérive et le moment d'auto-alignement en fonction de l'angle
de dérive pour appréhender directement les performances en virage des
pneumatiques et faciliter ainsi une présélection entre différentes
confections. Il faut cependant prendre garde à deux choses :
-Premier point il est essentiel de ne pas se contenter de comparer entre
eux les maximums atteints par les différentes conceptions en lice, mais
de porter également une attention soutenue à la forme des courbes dans la
zone de transition. En effet, celle-ci influence directement les
perceptions ressenties par le conducteur et concourt donc à la notion
d'alerte.
Il a été notamment souligné l'importance de réaliser un véhicule tolérant
et progressif. Dans cet esprit on privilégiera le pneumatique présentant
une zone de transition large et une décroissance faible de l'effort de
dérive dans la zone de glissement. Sur la figure 2.38
[pic]
deux pneumatiques ont été caractérisés au travers dès courbes Fd en
fonction de d. L