Direction (automobile)

La direction d'une automobile ou d'un véhicule routier en général, est l'ensemble des organes qui permet de modifier l'orientation de sa trajectoire et donc de prendre des virages.

Sur un véhicule à roues, en agissant sur le volant, le conducteur fait varier l'angle de dérive (angle entre le plan de roue et la trajectoire de la roue) des roues directrices (ou de la roue directrice). L'effort ainsi créé entre la route et la bande de roulement fait tourner le véhicule.

C'est également en faisant varier l'effort différentiel entre les deux côtés d'un véhicule que l'on fait tourner un véhicule à chenilles.

Essieu rigide

Pour obtenir un vrai système de direction, le choix d'une seule roue orientable a été fait assez tôt mais au détriment de la stabilité. En fait le système de direction le plus répandu pendant plusieurs siècles fut celui où l'essieu directeur du véhicule est rigide et articulé autour d'un pivot central vertical : la « cheville ouvrière ». Le système a été appliqué aux premières automobiles comme les Clément-Panhard.

Un autre système assez peu répandu consistait à avoir un véhicule articulé en son milieu, chaque partie étant supportée par un essieu.

Essieu brisé (roues couplées)

La direction à cheville ouvrière n'étant pas satisfaisante pour la stabilité en virage, l'idée de désolidariser les fusées des roues se fit rapidement jour, même pour les véhicules hippomobiles. Différents modes de couplage plus ou moins complexes furent utilisés.

Un système original fut celui utilisé sur le véhicule à vapeur d'Amédée Bollée-père : les deux roues directrices étaient couplées par une chaîne à une roue dentée (elliptique) solidaire du volant.

La formalisation géométrique de la direction par l'épure de Jeantaud conduit assez rapidement à utiliser une barre de direction qui relie rigidement des biellettes de direction. C'est de ce système que sont dérivées toutes les directions automobiles.

4 roues directrices (4RD)

Les deux modes d'une direction à 4 roues

(en anglais : 4 wheel-steering4WS )

Pour améliorer les capacités d'évolution du véhicule classique à 4 roues, on imagina assez rapidement un système où les quatre roues seraient directrices et motrices. Certains tracteurs militaires de l'artillerie de la Première Guerre mondiale étaient ainsi équipés.

Les 4 roues directrices peuvent être braquées en sens inverse sur une même courbe (rayon de giration du véhicule réduit) ou dans le même sens : on dit que le véhicule « marche en crabe ». Compte-tenu des capacités de manœuvre ainsi obtenues, ce système est largement répandu sur certains tracteurs agricoles, véhicules de travaux publics et beaucoup de véhicules de manutention.

Sur le véhicule de tourisme, lorsque Honda proposa un tel système sur sa Prélude en 1979, la plupart des constructeurs furent prêts à considérer que c'était une innovation majeure. Parmi les avantages avancés, celui de l'amélioration de la tenue de route à grande vitesse semblait le plus prometteur : un braquage identique des deux essieux permettait un déport latéral avec une vitesse delacet plus faible qu'un véhicule ordinaire. Quelques-uns comme Mazda, Toyota et Mitsubishi proposèrent des systèmes 4WS pilotés par hydraulique en option, mais la solution de Honda restait originale car entièrement mécanique bien que s'adaptant à la vitesse du véhicule. Le succès ne fut pas au rendez-vous car le comportement du véhicule fut considéré comme « déroutant » malgré ses qualités.

En 1991, Honda propose à nouveau ce système sur son coupé Prelude (2.2Vtec BB1 et 2.3i BB2). Cette fois ci le système est entièrement géré électroniquement et asservi à la vitesse et à l'angle du volant. Il n'est donc plus "purement" mécanique comme sur la génération précédente. L'effet immédiat reste la discrétion de cette seconde génération de 4WS, qui tout en restant efficace, efface le côté déroutant de la première génération. Ce système sera reconduit sur les Prelude de 5ème génération (2.2Vtec BB6) fabriquée jusqu'en 2001, date de l'arrêt de la gamme Prelude.

Le système avec électronique fait encore partie des options proposées par certains constructeurs sur des véhicules haut de gamme ou 4x4. Par contre, monté sur des véhicules de sport, certains pilotes de rallye le considèrent comme extrêmement efficace. Le système est interdit en Formule 1.

En 2008, Renault remet au goût du jour un système 4RD actif sur la Laguna III GT, en le couplant au système de correction ESP, puis sur la Coupé. Le système s'appellera "Active Drive" puis "4Control". L'actionneur électrique et le calculateur fournis par AISIN permettent de faire tourner les roues arrières jusqu'à 3,5°. La stratégie adoptée par Renault est de braquer en sens inverse du train avant jusqu'à 60km/h puis dans le même sens au-delà.

Début 2009 BMW lance sa série 7 avec les quatre roues motrices et directrices.

Sur les véhicules récents, les effets favorables d'un tel système sont rendus, sans 4RD, à plus faible amplitude, par la géométrie et la flexibilité du train arrière. On obtient ainsi une orientation différenciée des roues arrières en appui dans un virage. Ce système prend selon les constructeurs divers noms : « essieu directionnel », « essieu arrière multibras », « braquage induit contrôlé », etc.

Technologie

Schéma d'une direction à crémaillère

Une direction traditionnelle à deux roues directrices comporte :

• le volant et l'axe du volant (ou colonne de direction),
• le boîtier de direction chargé de transformer un mouvement de rotation du volant en mouvement de translation,
• le bras de commande et d'accouplement qui peut être une crémaillère,
• les biellettes assurant la liaison entre la partie suspendue et la partie non suspendue du train directeur,
• les porte-fusées des roues directrices qui tournent autour d'un axe proche de la verticale.

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Différentiel

Un différentiel est un système mécanique qui a pour fonction de distribuer une vitesse de rotaion par répartition de l'effort cinématique, de façon adaptative, immédiate et automatique, aux besoins d'un ensemble mécanique.

Par exemple, il est très utile sur un véhicule automobile où il permet aux roues motrices de tourner à des vitesses différentes lors du passage d'une courbe : les roues situées à l'extérieur du virage tournent plus vite que celle situées à l'intérieur.

Différentiel monté sur l'axe arrière d'une automobile

Fonctionnement

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Sur ces deux images la motricité en provenance du moteur est représentée par la grande flèche rouge et s'exerce sur l'ensemble bleu qui entraine les deux arbres rouge et jaune à la même vitesse :

1. Sur l'image de gauche, les deux arbres de sortie (à gauche/rouge et à droite/jaune) tournent à la même vitesse. L'effort de rotation est donc réparti équitablement et lepignon intermédiaire vert (appelé satellite) ne tourne pas.
2. Sur l'image de droite, l'arbre rouge est ralenti. Le pignon intermédiaire est alors entraîné et transfère une rotation supplémentaire à l'arbre jaune qui tourne alors à une vitesse supérieure.

Le système fonctionne de manière adaptative : lorsqu'on freine « légèrement » un des deux arbres (pincement, frottement…) la vitesse de rotation de cet arbre se trouve ralentie et la vitesse de l'autre augmente d'autant.

Ce procédé présente le désavantage de transférer le couple, c'est-à-dire l'effort en rotation, dans le même sens. Dans la plupart des cas d'utilisation, il serait plutôt souhaitable d'appliquer un couple supérieur sur l'arbre opposant la plus grande résistance, par exemple lorsque l'autre roue est posée sur du verglas.

Sous sa forme la plus fréquente le différentiel est composé d'un pignon conique (solidaire de l'arbre moteur) entraînant perpendiculairement une couronne dentée conique supportant une cage de pignons satellites, ceux-ci entraînant deux pignons planétaires solidaires des arbres entraînés.

Le différentiel mécanique fut inventé en 1827 par le mécanicien français Onésiphore Pecqueur (1792-1852). Il fut employé dès 1860 sur les premiers véhicules routiers à vapeur.

Cas d'utilisation

Un différentiel (Porsche Cayenne)

Le cas d'utilisation le plus répandu est l'entraînement d'un véhicule. Dans un virage, la roue située à l'intérieur (du côté où l'on tourne), ayant une distance plus faible à parcourir, tourne moins vite que la roue située à l'extérieur. Grâce au différentiel, la motricité est maintenue tout en autorisant la différence de vitesse entre les roues. Il assure ainsi une meilleure tenue de route (sans différentiel, un véhicule tend à aller tout droit) et permet de limiter l'usure des pneumatiques. D'autre part, un différentiel central doit être utilisé dans les véhicules à permanente de manière à répartir le couple entre les essieux, qui peuvent eux aussi avoir des vitesses légèrement différentes, de la même manière qu'il le répartit dans sa position habituelle entre les roues.

Il a aussi existé des véhicules induit en virage est moins important que sur les automobiles ordinaires.sans différentiel, choix parfois dicté par l'économie de poids : la Voisin Laboratoire de 1923, l'Isetta de 1953. Dans ces deux cas, le problème était résolu par une voie arrière très réduite. Lekarting est un autre exemple de véhicule à quatre roues sans différentiel ; dans ce cas, le châssis doit être assez souple pour permettre à la roue arrière intérieure au virage de se soulever, de façon à ce que le kart puisse tourner. Les essieux sont étroits (140 cm), le défaut

Une autre solution est de ne motoriser qu'une roue. Toutefois, le véhicule risque de dévier un peu, et cette solution n'est quasiment utilisée que pour les jouets.

Différentiel à glissement limité mécanique

La faiblesse du différentiel ordinaire réside dans le fait que si une roue du train moteur n’adhère pas (par exemple roue sur la neige, dans la boue), l’ensemble de la transmission du couple se fait sur cette roue, et le véhicule n'avance plus correctement, voire plus du tout. Pour résoudre ce problème, certains différentiels sont conçus pour se limiter à partir d'un certain seuil de glissement (par exemple détectant un écart de couple entre les deux demi arbres fixés aux satellites), ce sont les différentiels à glissement limité (DGL en français ou LSD en anglais).

Les véhicules tout-terrain utilisent souvent ces dispositifs car ils sont prévus pour aller dans des terrains très meubles (boue, neige, etc.). Pour les véhicules puissants qui développent en général beaucoup de couple, il peut être nécessaire d'utiliser un (ou des) DGL, en particulier en sport automobile. Dans ce cas, le véhicule peut modifier son comportement en virage, et au lieu de déraper, il conserve son adhérence mais peut modifier sensiblement la trajectoire prévisible.

Il existe plusieurs marques de différentiels à glissement limité (DGL) mécaniques. De nombreux brevets sont encore actifs, les solutions du marché comportent donc des différences notables. Parmi les modèles les plus courants, on peut citer les différentiels :

• Torsen (Gleason Works fabriquant américain de pignons et engrenages, a déposé la marque Torsen, pour « TORque SENsing », utilisant une vis sans fin, principe inventé au milieu du XX^ème siècle par l'ingénieur américain Vernon Gleasman),
• Quaife (fabricant anglais, soit en OEM chez Ford notamment, soit en pièce de remplacement),
• GKN Driveline (fabricant japonais de DGL et de viscocoupleurs à glissement limité).

On dit souvent que le DGL est taré à x %, pour signifier qu'il tolère un écart de couple de 100-x % entre les demi arbres. Un DGL ne force pas les demi-arbres à être solidaires en cas de patinage d'une roue motrice, ce qui serait une opération mécaniquement très contraignante (risque de casse importante).

Autres systèmes complémentaires Il existe d'autres systèmes à glissement limité se plaçant en amont d'un différentiel. Un exemple en est le système Haldex, utilisé dans les groupes Volkswagen AG, Ford et General Motors, et qui repose sur un embrayage sophistiqué :le système Haldex Limited Slip Coupling de la société Haldex Traction AB, embrayage à disques multiples tournant dans un bain d'huile dont la pression est régulée électro-hydrauliquement par un système électronique.

Il permet de coupler partiellement ou totalement les essieux avant et arrière, par détection d'une différence des vitesses de rotation des arbres en amont (couplé à l'essieu avant) et en aval (essieu arrière) du dispositif. Cette architecture est performante et permet de gérer l'adhérence des quatre roues en compatibilité avec les ABS, EPS et autres systèmes électroniques. La performance essentielle du système réside dans son temps de réaction extrêmement court (une roue ne patine qu'environ un dixième de tour avant la réaction de l'embrayage), qui le rend comparable aux systèmes de transmission intégrale permanente. Ce système est aussi capable de prendre en compte, en temps réel, des paramètres subtils comme le diamètre différent de chaque roue (chaque pneu n'est jamais exactement du même diamètre, une « galette » roue de secours peut être utilisée)

La critique principale portée contre les systèmes du type Haldex est la consommation de puissance plus importante que dans les systèmes mécaniques sans fluide. Toutefois, contrairement aux systèmes mécaniques qui sont toujours actifs (et dissipent de ce fait toujours de la puissance), il peut ne pas être actif en condition normale et préserver un rendement moyen supérieur aux DGL.

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Dexron

Dexron est un ensemble de normes concernant les huiles pourtransmissions automatiques (ATF ou automatic transmission fluid en anglais).

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C'est une marque déposée par General Motors

Elles fixent des exigences parmi lesquelles : la viscosité à basse température, la résistance à l'oxydation, au cisaillement, à la température ainsi qu'à la formation de mousse. Chaque nouvelle norme (II, III) doit être compatible avec les précédentes.

Dexron Automatic Transmission

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Delco

Un Delco (nom déposé) est un dispositif d'allumage des moteurs à explosion. On l'appelle aussi allumeur ou distributeur.

Ce nom est le sigle de Dayton Engineering Laboratories COmpany

Il est habituellement composé d'un rupteur (ou vis platinées), d'un mécanisme d'avance à l'allumage et d'un distributeur, permettant de répartir les étincelles vers les bougies des différents cylindres.

Il en part des fils allant aux différentes bougies ainsi qu'un fil allant à l'unique bobine.

Relié à l'arbre à cames, le delco produit une impulsion électrique, créée par le contact sur une vis platinée sur la tête de delco, qui sert à faire jaillir une étincelle à la bougie d'allumage.

Utilisation

Dès que le nombre de cylindres d'un moteur à allumage commandé dépasse un, se pose la question de produire des étincelles pour les différents cylindres. Le Delco est une des réponses possibles.

Dans le domaine automobile, le Delco est largement utilisé. Il peut y en avoir plusieurs dans le cas de moteurs à grand nombre de cylindres.

Dans le domaine motocycliste, le Delco est rarement utilisé. Citons, par exemple, les Moto Guzzi à moteur V2. Dans ce domaine, on utilise plutôt le système à étincelle perdue (une bobine pour deux cylindres, avec étincelles à chaque tour de moteur), ou les bobines multiples (une par cylindre), voire une combinaison des deux (deux bobines pour 4 cylindres).

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Courants de Foucault

On appelle courants de Foucault les courants électriques créés dans une masse conductrice, soit par la variation au cours du temps d'un champ magnétique extérieur traversant ce milieu (le flux du champ à travers le milieu), soit par un déplacement de cette masse dans un champ magnétique constant. Ils sont une conséquence de l'induction magnétique.

Ce phénomène a été découvert par le physicien français Léon Foucault en 1851.

Principe

Le champ magnétique variable au cours du temps est responsable de l'apparition d'une force électromotrice à l'intérieur du milieu conducteur. Cette force électromotrice induit des courants dans la masse. Ces courants ont deux effets :

• ils provoquent un échauffement par effet Joule de la masse conductrice ;
• ils créent un champ magnétique qui s'oppose à la cause de la variation du champ extérieur (loi de Lenz).

Lorsque la variation de flux est due à un déplacement du milieu devant un champ magnétique constant, les courants de Foucault sont responsables de l'apparition de forces de Laplace qui s'opposent au déplacement, d'où l'effet de freinage observé.

Applications

• Des systèmes de freinage à courants de Foucault sont utilisés notamment sur les véhicules poids lourds et sur les autocars sous le nom de « ralentisseur », ou sous le nom commercial Telma, marque d'un important fabricant de ce système de freinage.

Le premier brevet de ralentisseur électromagnétique a été déposé par Steckel en 1903. Raoul Sarazin a réalisé en 1936 la première application pratique sur véhicule d'un ralentisseur utilisant le principe des courants de Foucault. Des disques solidaires des roues sont encadrés par des électroaimants fixés au véhicule. Lorsque ceux-ci sont mis sous tension, les courants de Foucault induits dans les disques vont générer un couple de freinage. Ces freins apportent confort, sécurité et rentabilité grâce à la rareté des réglages (pas de contact, pas de frottement mécanique). Enfin, ce type de freinage est d'autant plus efficace que la vitesse est élevée. Il ne peut en aucun cas permettre le blocage d'un véhicule à l'arrêt.

• Dans les chemins de fer, la rame à grande vitesse ICE 3 de la Deutsche Bahn utilise un système de freins à courant de Foucault comme système de frein de service sur certaines lignes nouvelles, et comme système de freinage d'urgence ailleurs.

• On utilise en outre les propriétés des courants de Foucault dans le contrôle non destructif ou dans les plaques de cuisson à induction, et même en métallurgie avec les fours à induction qui chauffent la masse métallique jusqu'à la faire fondre.

• On utilise les propriétés des courants de Foucault pour réaliser des capteurs de distance sans contact.Ils sont généralement constitués d'une bobine excitée à haute fréquence (200 kHz à 2MHz), la proximité d'une pièce conductrice en modifie l'inductance, la mesure de cette inductance permet de déterminer la distance de la pièce mesurée.

• Le moteur asynchrone est aussi basé sur ces courants, générés au rotor par le champ créé par le stator..

• Les compteurs de vitesse à aiguille utilisent également les courants de Foucault : un aimant est relié à une roue, cette roue est entourée par un tube métallique sur lequel est fixé une aiguille, le tube pivotant autour de son axe est retenu par un ressort en spirale, lequel est chargé de ramèner l'aiguille à zéro. Plus la roue tourne vite, plus la force exercée sur le ressort est grande, et plus l'aiguille s'éloigne de sa position initiale.

Les courants de Foucault sont aussi responsables de pertes (pertes par courant de Foucault) dans les circuits magnétiques des machines électriques alternatives et des transformateurs.

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Cotal

Cotal est le nom d'une boite de vitesses à commande électromagnétique construite en France et très utilisée sur des véhicules haut de gamme des années 1930 jusqu'aux années 1950. Le système à changement de vitesse à trains d'engrenages épicycloïdaux est semblable à celui de la boite Wilson mais il en diffère par le fait que le blocage des éléments est obtenu par des freins électromagnétiques au lieu de freins à ruban. Son poids et son prix élevé la réservaient aux véhicules de luxe comme les Delahaye,

Salmson, Delage, Hotchkiss, Voisin et Ford.

Cette boîte de vitesses a aussi été montée sur certains autorails construits dans les années 1930, en particulier ceux de Bugatti.

La conception

Cette boite est à commande électromagnétique.
Le type normal comprend deux trains épicycloïdaux disposées en série.

L'arbre moteur porte le planétaire P1 du premier train et un électro-aimant M1 logé dans un disque. Un autre électro-aimant F1 est monté fixe sur le carter de boite. Entre les deux faces se place la couronne C1 du premier train.

Les satellites S1 sont montés sur l'arbre de sortie.
Ce même arbre est solidaire de la couronne C2 du second train. L'arbre de sortie porte les satellites S2 et l'électro-aimant mobile M2.
C'est le planétaire qui est solidaire du plateau présent dans l'entrefer de l'électro-aimant fixe F2 et de M2.

L'excitation des bobinages s'effectue par des ensembles charbons et collecteurs disposés sur les arbres d'entrée et de sortie.

La sélection s'effectue au moyen d'un commutateur placé au volant (nommé "moutardier" sur les véhicules Salmson).

Pour la marche arrière, un inverseur à commande mécanique est disposé à l'entrée de la boite. Les satellites sont montés sur un baladeur qui peut être rendu solidaire de la couronne (marche avant) ou du carter (marche arrière). Il existe donc autant de rapport en marche avant qu'en marche arrière, mais ils sont alors plus démultipliés.

Le fonctionnement

Dans ce type de boite, les pignons sont toujours en prise, il n'y a pas de déplacement axial.
Les deux trains épicycloïdaux fournissent quatre rapports de démultiplication. Le premier train fournissant une démultiplication plus grande que le second.

• Première vitesse :

La couronne C1 est immobilisée par l'électro aimant F1 excité. L'arbre intermédiaire portant S1 et C2 tourne donc à vitesse réduite. Le planétaire P2 est également immobilisé par F2. L'arbre de sortie tourne avec une démultiplication supplémentaire.

• Seconde vitesse :

Le premier fonctionne comme en première mais le planétaire P2 est rendu solidaire de M2 est donc de l'arbre de sortie.

• Troisième vitesse :

Le premier train est en prise, la couronne C1 est rendue solidaire de l'arbre d'entrée et de P1 par excitation de M1. Le second train fonctionne en démultiplication.

• Quatrième vitesse :

Les deux trains fonctionnent en prise directe par excitation des électro-aimants mobiles M1 et M2.
L'activation des passages de rapport et l'immobilisation des plateaux est progressive et sans chocs.

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Convertisseur de couple

Un convertisseur de couple est une variante de l'accouplement hydraulique, qui est employé pour transmettre une puissance à partir d'un arbre moteur à la charge conduite tournante.

Tout comme un accouplement hydraulique, le convertisseur de couple remplace généralement un embrayage mécanique, en permettant à la charge d'être isolée de la source de puissance. Mais, à la différence d'un accouplement hydraulique, un convertisseur de couple peut aussi réaliser une démultiplication, c'est-à-dire augmenter le couple quand les vitesses de rotation d'entrée et de sortie sont différentes, en devenant alors l'équivalent d'un réducteur mécanique.

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