Technique : La dynamique du véhicule

Le mouvement d'une voiture est déterminé par les réactions (forces) qui lui sont appliquées de l'extérieur. Ces forces sont de deux types, puisque le contact que la voiture peut avoir avec l'extérieur est double : avec l'air et avec le sol.

On parlera donc de forces aérodynamiques et de forces d'adhérence. Chacune pourra être considérée comme résultante de plusieurs composantes. Pour la force d'adhérence, par exemple, on distinguera une composante longitudinale et une composante transversale (par rapport à la voiture). Pour la force aérodynamique, on distinguera la traînée, la portance et la dérive. Le mouvement que pourra prendre la voiture dans le cas le plus général est toujours une composante des mouvements simples suivants :

- Mouvement en ligne droite à vitesse constante :

- Mouvement en ligne droite en accélération ou en freinage :

- Mouvement en virage à vitesse constante :

- Entrée en virage (transition du mouvement rectiligne au moment curviligne).

MOUVEMENT LIGNE DROITE A VITESSE CONSTANTE

Un véhicule qui se déplace en ligne droite à une certaine vitesse est soumis, si l'on fait abstraction des résistances au roulement, à certaines forces aérodynamiques, dont la plus importante, la traînée (R), s'exerce dans la direction du déplacement. Pour vaincre cette résistance, le pilote doit, en agissant sur l'accélérateur, faire en sorte que le moteur fournisse un couple C auquel correspond, au sol, une force de traction T égale à R.

Si l'on ne considère pas le rendement, on a :

C = Pb x Pp x R x r

Pb = rapport de transmission de la boite de vitesses

Pp= rapport de transmission du pont

r = rayon de roulement de la roue.

Le pilote peut obtenir cet équilibre sur diverses combinaisons, c'est-à-dire pour diverses valeurs du rapport de transmission de la boite de vitesses Pb : ce qui fait varier le couple C que doit fournir le moteur (et, par conséquent, la position du papillon des gaz), mais également la vitesse de rotation du moteur (en effet, les rendements n'étant pas considérés ici, la puissance est toujours la même).

Par exemple, sur une combinaison plus basse, seconde au lieu de quatrième, l'admission du moteur est plus réduite, mais il fonctionne à un régime plus élevé. Le choix d'une combinaison est laissé à la discrétion du pilote.

S'il cherche des performances élevées, il lui faudra utiliser des combinaisons basses (pour disposer de couples plus grands) : si, au contraire, il cherche de faibles consommations, il lui faudra utiliser des rapports élevés (l'admission du moteur étant moins étranglée, son rendement est meilleur).

Il faut aussi signaler le fait que la résistance R croit comme le carré de la vitesse (R = k v2) si l'on néglige toujours le rendement du moteur, on voit qu'il est préférable de voyager à faible allure. En effet, le temps t nécessaire pour parcourir une certaine distance S à la vitesse v est S/v : la puissance étant P=Rv, le travail nécessaire s'écrira : W= Pt = Rvt = kv2 x (vS/ v) = kv2S

Le travail croit donc avec le carré de la vitesse, ainsi que la consommation de carburant, qui est, si l'on ne tient pas compte des rendements, proportionnelle au travail.

MOUVEMENT EN LIGNE DROITE EN ACCELERATION OU EN FREINAGE

Pour augmenter ou réduire la vitesse, il faut créer des forces extérieures dirigées dans l'axe longitudinal du véhicule. Celles-ci sont également nécessaires pour vaincre les forces d'inertie.

Dans ces cas, le pilote doit créer ces forces dans le plan de la chaussée en comptant sur l'adhérence, exactement comme un homme qui, en marchant, met en action des forces internes musculaires afin de provoquer de la part du sol des réactions extérieures d'adhérence (si le coefficient de frottement est presque nul, comme par exemple sur le verglas, une personne ne peut pas avancer).

Si le pilote veut accélérer, il doit augmenter le couple C fourni par le moteur en appuyant davantage sur l'accélérateur.

MOUVEMENT EN VIRAGE A VITESSE CONSTANTE

La voiture est soumise à une force centrifuge - donc transversale par rapport à la voiture - qui doit être équilibrée par des forces transversales d'adhérence. Un pneumatique fournissant un effort transversal subit une déformation qui modifie sa trajectoire d'un angle de dérive.

Celui-ci est d'autant plus petit que le pneumatique a une plus forte rigidité transversale et que la force verticale est plus grande.

Si l'on augmente la pression des pneumatiques, ou encore la charge, la dérive diminue.

De l'angle de dérive dépend le comportement caractéristique de la voiture. Il peut être sous-vireur, surviveur ou encore neutre (dérive nulle).

L'angle de braquage nécessaire pour suivre un virage circulaire de rayon donné varie d'une voiture à l'autre et, pour une même voiture, il dépend de la vitesse (nous entendons par angle de braquage celui des roues : l'angle au volant étant directement proportionnel).

On peut déterminer la relation entre l'angle de braquage [&], le rayon de courbure R de la trajectoire et l'empattement E de la voiture en fonction des angles de dérive avant [a1] et arrière [a2].

On trouve : [&] = x (E / R) x (180°x 3.14) + (a1 - a2)

Quand les angles de dérive avant et arrière sont semblables, l'angle de braquage (égal à E / R) dépend uniquement de paramètres géométriques : en ce cas. on dit que la voiture est neutre.

Quand la dérive à l'avant est plus grande qu'à l'arrière, l'angle de braquage nécessaire pour parcourir un virage de rayon donné est plus grand que celui requis pour une voiture neutre, on dit alors que la voiture est sous- vireuse. Le contraire se produit si l'angle de dérive est plus petit à l'avant qu'à l'arrière (voiture survireuse).

Quand on augmente la vitesse, dans une courbe de rayon constant, les réactions transversales des pneumatiques et, par conséquent, les angles de dérive, s'élèvent également. Il existe une relation précise, mais compliquée, entre un virage de rayon donné, la façon dont il est parcouru et l'angle de braquage que le pilote doit réaliser. L'estimation de cette corrélation est laissée à la sensibilité et à l'habileté de ce dernier.

Généralement, les voitures présentent une tendance sous-vireuse plutôt accentuée, destinée à leur conférer une certaine stabilité. Au fur et à mesure que le survirage augmente, les angles de braquage requis diminuent jusqu'à une valeur très faible, ce qui constitue évidemment une situation d'instabilité. Si le sous-virage est préférable, il ne doit cependant pas être excessif, car, dans ce cas, il diminuerait la maniabilité (angles de braquage importants).

CAUSES PRINCIPALES DE SOUS-VIRAGE

- Pneumatiques avant et arrière différents. En général, ceci ne se produit que sur les voitures de compétition: dans les voitures de série, on utilise presque toujours des pneumatiques identiques qui sont seulement gonflés à des pressions différentes pour les deux essieux (cette différence est supérieure à celle qui résulterait d'un gonflage proportionnel aux charges verticales exercées sur ces essieux).

Le fait de gonfler davantage les pneumatiques arrière a pour conséquence d'avoir des angles de dérive plus grands à l'avant qu'à l'arrière, ce qui rend la voiture sous-vireuse.

- Travail des pneumatiques avant et arrière. En virage, la force centrifuge appliquée au centre de gravité de la voiture à une certaine distance au-dessus du sol donne naissance à un couple de renversement avec, pour conséquence, un transfert de charge des roues intérieures sur les roues extérieures.

De la même façon, à l'accélération ou au freinage, un transfert peut s'opérer sur l'essieu avant ou arrière qui modifiera aussi les angles de dérive. Pour obtenir un comportement sous-vireur, il faudra dans tous les cas répartir le transfert en donnant la prépondérance à l'essieu avant.

- Le type de traction. Si l'essieu avant est moteur. les angles de dérive causés par la force centrifuge sont plus importants à l'avant. Une traction avant sera donc sous-vireuse Par ailleurs, du fait de la propulsion, on note un transfert de charge vertical du train AV sur le train AR. quel que soit le type de traction adopté.

En définitive, on distingue : deux effets sous- vireurs pour la traction avant, un effet sous- vireur et un effet survireur pour la traction arrière (pour des forces de traction élevées, ce second effet sera prépondérant et on aura ce que l'on appelle du sous-virage de puissance).

Dans les deux cas, le constructeur cherchera à stabiliser au maximum la voiture pour toutes les situations. Par exemple, pour diminuer le sous-virage excessif d'une traction avant, on augmentera la pression des pneumatiques avant et on réduira le transfert de charge en virage sur la roue avant extérieure avec une barre antiroulis montée à l'arrière.

Il faudra aussi augmenter le pourcentage de charge statique sur le train avant en avançant le centre de gravité. Nous n'avons indiqué que les causes les plus communes qui peuvent avoir une influence sur la tendance survireuse ou sous-vireuse d'une voiture: ces causes sont nombreuses et variables (il suffit de penser à la position du centre de gravité. qui varie avec le nombre de passagers).

ENTREE EN VIRAGE

Lorsqu'il veut orienter son véhicule, le pilote donne un angle de braquage qui commence par être un angle de dérive pour les roues directrices. Il en résulte une force transversale et un moment par rapport au centre de gravité ; la voiture commence à tourner.

On remarque que le véhicule ne prend pas immédiatement la valeur de braquage choisie, mais obéit au commandement de la direction avec un certain retard. La rapidité de réponse est un point important pour la sécurité : les facteurs qui ont le plus d'influence sur elle sont :

- la rigidité à la dérive du pneu :

- le moment d'inertie par rapport à l'axe vertical passant par le centre de gravité.

La voiture sera d'autant plus rapide à répondre que les pneumatiques seront plus rigides (plus forte pente du diagramme de la force latérale en fonction de l'angle de dérive) et que le moment d'inertie sera plus petit.

Pour un même moment d'inertie. la rapidité de réponse augmente également avec l'empattement. L'un des avantages des voitures à moteur central est précisément d'avoir une faible valeur du moment d'inertie par rapport à l'axe vertical.