Les pneus

4 - La tenue de route

La tenue de route dépendra principalement de la qualité des pneumatiques et des suspensions. L’influences des suspensions est expliquée dans la section LA SUSPENSION; voyons maintenant l’influence des pneumatiques en général.

L’adhérence d’un pneumatique résulte d’un ensemble d’éléments qui dépendent de la nature des surfaces en contact et d’un grand nombre de variables, sur lesquelles on s’efforce d’agir pour améliorer la tenue de route. Pour un même coefficient de frottement, l’adhérence en fonction de la charge verticale, de l’étendue de la surface de contact et, dans le cas d’un véhicule en mouvement, de la constance de ces éléments.

Puisque l’adhérence au sol d’un pneumatique en mouvement ne constitue pas une liaison rigide, l’application d’une force transversale (vent latéral ou force centrifuge) provoque un léger glissement latéral. Il résulte que la trajectoire parcourue tend à s’écarter de la direction médiane en donnant lieu à un angle de dérive qui augmente avec la force latérale appliquée.

Pendant le mouvement, les forces latérales qui agissent sur le véhicule, provoquent une augmentation progressive de la dérive des pneumatiques jusqu’à ce que les conditions d’équilibre soient atteintes; autrement dit, pour une charge verticale constante, le pneumatique prend une certaine dérive jusqu’à ce qu’apparaisse une force transversale égale à la sollicitation.

Seule la première portion de la ligne est assimilable à une droite; par contre, au fur et à mesure qu’on s’approche de la déformation maximale du pneu, une augmentation même considérable de dérive n’entraîne pas d’amélioration appréciable de l’adhérence latérale, tout en provoquant simultanément la perte à peu près totale du pouvoir directionnel de la roue.

Un autre aspect fondamental de l’interaction pneumatique-sol concerne les variations d’adhérence en fonction de l’augmentation de la charge verticale. Théoriquement, pour un coefficient de frottement identique, l’adhérence (impliquant la force latérale susceptible d’être supportée) est directement proportionnelle à la charge verticale; mais il en est tout autrement en condition réelle. Et même lorsque l’angle de dérive est très petit, il se produit, avec l’augmentation de la charge, une diminution de l’adhérence latérale. Cela provient de la déformation du pneu qui entraîne une modification et une distorsion de la surface de contact au sol, ce qui favorise les glissements latéraux. En outre, une fois atteinte la valeur maximale d’adhérence, le pneumatique n’est plus influencé par une nouvelle surcharge.

En conclusion, lorsque l’on projette la construction d’un véhicule, le choix du type de pneumatique doit tenir compte de l’intervalle de charge à l’intérieur duquel il doit travailler.

4.1 - Les transferts de charge

Il est important de comprendre que les quatre pneus d’une voiture travaillent dans des conditions différentes et concourent différemment à l’adhérence transversale. Si on considère les deux roues d’un même essieu; dans des conditions statiques elles exercent sur le sol une charge à peu près identique, cela signifie que l’adhérence totale de l’essieu est égale au double de l’adhérence de chaque roue.

Ces deux graphiques montrent les différentes variations d’adhérence d’un pneumatique avec l’augmentation de la dérive, en fonction de la pression de gonflage (à gauche) et du type de carcasse (à droite). Dans les deux cas, la charge verticale est considérée comme constante. À cause de cela, si les deux pneumatiques ont une même convergence nulle, ils doivent présenter la même dérive dans un virage, mais ils auront des charges verticales différentes.

Remarque importante : lorsque des charges verticales identiques pèsent sur les deux pneumatiques, leurs adhérences sont égales, et l’adhérence totale correspondra au double de cette valeur; s’il se produit un transfert dynamique de charge, le pneumatique le plus chargé verra son adhérence augmenter, tandis que l’autre se trouvera dans la situation inverse.

4.2 - L’effet de la variation de la charge verticale

Examinons le schéma suivant :

La conclusion qui s’ensuit est que l’adhérence d’un essieu est d’autant plus grande que les transferts de charge entre les roues sont moins importants. Dès lors, il devient évident que pour limiter les variations dynamiques, il faut, pour une force centrifuge égale, abaisser le centre de gravité ou élargir la voie (empattement). C’est ce que l’on fait pour les voitures du type Formule 1. Le meilleur exemple est le type de voiture conçu pour Indianapolis car ils ont conservé pendant de longues années, une structure de l’empattement asymétrique (centre de gravité déplacé à gauche et demi-voie droite plus large qu’à gauche) afin de limiter la surcharge des roues extérieures, l’anneau de vitesse n’ayant que des virages à gauche.

4.3 - Les effets aérodynamiques

Les poussées aérodynamiques verticales améliorent la tenue de route puisqu’elles augmentent la charge verticale sans modifier la poussée centrifuge (qui est uniquement fonction de la masse du véhicule); on obtient ainsi une meilleure adhérence ou une moindre dérive. C’est dans le domaine des voitures de compétition que l’on remarque plus ce phénomène, à cause du but recherché. En fait, l’avenir en compétition, comme par exemple en Formule 1, dépendra de l’interaction entre les améliorations des pneumatiques et l’approfondissement des études aérodynamiques, sans oublier la suspension, en ce qui concerne la tenue de route.

5 - L’équilibrage des roues

Si la roue était parfaitement homogène et si sa masse était répartie uniformément autour de l’axe de rotation (centre de gravité sur l’axe), les forces élémentaires agissant en chaque point de la roue s’équilibreraient mutuellement : la roue serait équilibrée. Cette condition idéale ne se rencontre pas dans la pratique pour des raisons de construction (excentricité des pneumatiques, décentrage radial ou latéral de la jante, position de la valve), ou d’utilisation (usure irrégulière).

	Un poids P concentré en un point de la roue déplace son centre de gravité qui ne se trouve plus sur l’axe de rotation. On dit que le corps a du «balourd».
	Lorsque la roue tourne, le poids P engendre une force centrifuge qui fait vibrer ou osciller la roue dans la direction autorisée par les bras de suspension.
	Avec une masse d’équilibrage C on peut éliminer le balourd et obtenir un équilibre indifférent de la roue. Il suffit pour cela que le produit Pr1 soit égal au produit Cr2.

Pour éliminer ce déséquilibre, on place, dans le sens diamétralement opposé à la masse déséquilibrante, un contrepoids créant la même force centrifuge par rapport à l’axe de rotation de la roue. Le centre de gravité de cette dernière sera alors situé sur l’axe de rotation, et par conséquent, la résultante des forces centrifuges sera nulle. Mais l’opération réalisée n’est pas suffisante. En effet, les contrepoids étant fixés sur les bords de la jante, les forces centrifuges dues à ceux-ci et à la masse déséquilibrante, ne s’exerceront pas nécessairement dans un même plan, mais en général dans des plans différents, ce qui donnera lieu à un couple déséquilibrant qui déportera la roue latéralement et qui provoquera une oscillation communiquée au volant.

La roue doit donc être équilibrée de deux façons : par rapport aux forces centrifuges (déséquilibre de poids) qui donne lieu aux oscillations; et par rapport aux couples centrifuges qui donnent lieu au débordement latéral.

Les deux opérations se nomment respectivement équilibrage statique et équilibrage dynamique. Une roue peut être équilibrée statiquement (équilibre des moments par rapport à l’axe de rotation) et présenter un déséquilibre dynamique lorsqu’elle est mise en rotation, puisque la résultante des moments engendrés par les forces centrifuges n’est pas nulle.

Le poids P et le contrepoids C donnent lieu à une force centrifuge égale et directement opposée à celle engendrée par le déséquilibre, mais s’exerçant à une distance b (figure 1). Le couple Fb provoque la vibration de la roue (figure 2). Pour l’annuler, il faudra disposer de deux contrepoids C1 et C2 (figure 3).

Un technicien s’affaire à tester l’équilibre de la roue qui est fixée par une bride sur un arbre tournant; puis il applique des contrepoids afin d’atteindre un équilibrage optimal de la roue. Actuellement, spécialement sur les voitures de compétition, on a l’habitude de coller des poids avec des adhésifs très puissants en les disposant sur la bande intérieure de la jante.

Un déséquilibre sur les roues arrières se remarque habituellement moins; cependant, il pourra comme pour l’avant, donner lieu à une usure anormale des pneumatiques et à des organes mécaniques (bagues, roulements, etc.).

Il est également très important de vérifier si la roue est bien fixée sur l'essieu car si ce n'est pas le cas, les écrous vont subir plus de pression et devront compenser le manque de stabilité. Dans bien des cas, ils ne pourront pas compenser entièrement et cela provoquera des vibrations de plus en plus marquées au fur et à mesure que la vitesse augmentera. Ce phénomène est surtout sensible pour les roues avant et le conducteur peut penser que la source du problème vient d'ailleurs.