Fonctionnement de l'automobile
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Cette page décrit le fonctionnement général d'une automobile, 2008, ainsi que des différents organes et éléments constitutifs de celle-ci.
Une automobile est constituée des éléments suivants :
- Les roues qui supportent et permettent la mobilité du véhicule ;
- Le châssis et la carrosserie constituent un habitacle muni de sièges ;
- Les suspensions : réalisent la liaison élastique entre le châssis et les roues ;
- Le système de freinage ou freins assure le ralentissement et l'arrêt du véhicule ;
- Le moteur à combustion interne et / ou les moteurs électriques propulsent le véhicule ;
- Les organes de transmission transmettent le couple du moteur aux roues ;
- Les instruments de contrôle et les commandes (volant, pédales, compteurs, jauge, régulateur de vitesse...) permettent la conduite de l'automobile ;
- Le réservoir d'énergie : réservoir de carburant et / ou les batteries donnent une certaine autonomie au véhicule ;
- Les éléments de confort et de sécurité sont des accessoires en nombre toujours croissant.
Sommaire
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[modifier] Fonctionnement
[modifier] Moteur...
La fonction du moteur est de produire une force capable de mettre en mouvement le véhicule. Voir : Les articles de fond sur les moteurs.
[modifier] ... thermique
- Le moteur à combustion interne (appelé aussi à tort en langage courant « moteur à explosion ») consomme un carburant qui est mélangé avec de l'air et rejette des gaz résidus de la combustion. Son rendement bien qu'allant en s'améliorant est toujours bien faible - de l'ordre de 15 à 20 %.
- Il produit également beaucoup de chaleur, qui est évacuée dans l'air extérieur au travers d'échangeur de chaleurs air/eau, air/huile appelés radiateurs.
- Un pot d'échappement est utilisé pour réduire le niveau sonore du moteur ainsi que les émissions polluantes (gaz et particules) à un niveau conforme aux normes en vigueur.
- Le carburant liquide est amené du réservoir dans le moteur par une pompe électrique au travers d'une canalisation et d'un filtre. Quand le carburant est du gaz, celui-ci arrive au moteur à travers un détendeur.
- Le moteur entraîne, entre autres accessoires, un alternateur chargé de la production d'électricité basse tension. Celle électricité alimente tous les accessoires électriques du véhicule et, recharge en parallèle une batterie, qui elle fournit l'énergie électrique lors de l'arrêt du moteur et pour le démarrage de ce dernier.
- Il génère un mouvement circulaire ou couple sur son arbre de sortie.
[modifier] ...électrique
Le ou les moteurs électriques puisent leur énergie dans une batterie d'accumulateurs spéciale traction.
- Pendant les phases d'accélération les moteurs transforment l'énergie électrique en travail tandis que pendant les freinages ils transforment la force d'inertie du véhicule en énergie électrique rechargeant la batterie . Un système de régulation bi-directionnel gère les échanges entre les moteurs, générateurs et la batterie.
- Des variantes en cours de développement utilisent un système de pile à combustible pour fournir l'énergie électrique.
Ces montages permettent en principe un fonctionnement silencieux, moins polluant et très souple pour remplacer à terme les moteurs à explosions.
[modifier] ...mixte ou hybride
Article détaillé : Véhicule hybride.Les motorisations hybrides combinent les avantages des moteurs thermiques et ceux des moteurs électriques.
- Les deux types de moteurs sont montés sur le véhicule, un système informatique embarqué allié à une électronique de puissance gère la complémentarité des moteurs, ainsi que les ressources disponibles en fonction des demandes et des contraintes.
- Ce type de motorisation tout en étant plus complexe à concevoir et à fabriquer est particulièrement écologique (en théorie) par rapport aux systèmes classique thermique ou électrique. Il permet en particulier un rejet de CO nettement inférieur à celui d'un moteur thermique seul.
- L'avantage le plus évident est la non pollution par les gaz d'échappement des endroits où ces rejets sont les moins désirables, les villes, puisque le moteur thermique ne fonctionne qu'à partir d'une certaine vitesse, à moins bien sur que les batteries soient déchargées.
[modifier] Transmission
[modifier] Boîte de vitesses
La boîte de vitesses est l'organe qui permet de modifier la vitesse d'une voiture même si la vitesse de rotation du moteur est constante et surtout, dans le cas du moteur à explosion, d'adapter le couple moteur disponible aux besoins.
Une boîte de vitesses est un montage de pignons mobiles et fixes sur des axes, enfermés dans un carter étanche et lubrifié par barbotage, ou sous pression. Ce système permet de modifier le rapport de démultiplication indispensable entre les roues et le moteur, les moteurs à explosion n'ayant pas un couple suffisant disponible à tous les régimes de rotation.
Une boite de vitesses est normalement accouplée au moteur à l'aide d'un embrayage, ce dernier permet d'isoler la transmission du moteur.
Le rapport de démultiplication désigne la relation entre la vitesse de rotation du moteur et celle des roues motrices
Cette boîte de vitesse peut être manuelle, robotisée, automatique ou à variation continue :
- La boîte de vitesses manuelle comporte souvent cinq à six rapports en marche avant, (la mode est à sept), plus une marche arrière.
- Certains véhicules tout-terrain disposent d'une boîte de vitesses supplémentaire (boite de transfert), offrant une gamme de rapports plus courts destinée aux évolutions en tout-terrain. Ce type de boîte impose une rupture de la traction au changement en rapports courts et longs.
- Une boîte robotisée est une boîte manuelle actionnée par des moteurs ou actuateurs : hydrauliques ou électrotechniques. Les changements de rapport sont commandés par le conducteur ou gérés par un automate électronique.
- Une boîte automatique offre un confort supplémentaire, elle n'impose pas d'interruption de la traction pour changer de rapport. La gestion est confiée à un automate électronique au service de l'hydraulique.
- Un convertisseur de couple hydraulique placé entre le moteur à la boîte, augmente le couple disponible à bas régime et filtre les à-coups.
- Le convertisseur, ainsi que la boîte automatique, entraîne une légère surconsommation pour un confort de conduite non négligeable.
- Une boîte à variation continue (CVT) est constituée d'une courroie reliant deux poulies : une côté moteur, une côté différentiel, dont les diamètres varient automatiquement adaptant le couple fournit par le moteur à la demande.
- Elle offre une infinité de rapports sans à-coups, ni rupture de la propulsion et une adaptation constante entre le régime de rotation du moteur et sa charge instantanée.
- Malgré un rendement mécanique encore légèrement inférieur (mais en progression) à celui d'une boîte à pignons, la consommation moyenne de carburant en usage routier s'approche de celle d'une boîte mécanique avec un confort de conduite incomparable.
[modifier] Pont, différentiel et cardan
Un pont (souvent dans le même boîtier que la boîte de vitesses sur les tractions avant) permet de transmettre le mouvement aux deux roues d'un même essieu. Le pont est relié aux roues par deux arbres ou demi transmissions munies de cardans.
Un différentiel est intégré au pont, il permet la différence de vitesse de rotation entre la roue gauche et droite dans les courbes. Sans ce dispositif, il serait très difficile de prendre un virage sans rouler au pas. Sur les véhicules destinés au tout terrain un système de blocage du ou des différentiels autorise la traction dans des conditions d'adhérence nulle d'une ou de plusieurs roues.
[modifier] Traction
Sur une traction, le couple du moteur est transmis aux roues avant.
[modifier] Propulsion
Sur une propulsion, ce sont les roues arrières qui reçoivent le couple moteur. Si le moteur n'est pas situé à l'arrière, le mouvement est transmis grâce à un arbre de transmission. Le pont est positionné entre les roues arrières.
[modifier] 4x4
Sur un véhicule à transmission intégrale les deux systèmes coexistent, afin d'offrir le maximum de motricité surtout en tout terrain. Sur certaines implémentations, l'arbre reliant les essieux avant et arrière est munit d'un différentiel permettant de répartir dynamiquement le couple entre ces essieux.
[modifier] Freinage
[modifier] Ralentissement
Il existe trois manières de ralentir une automobile :
- Utilisation du frein moteur, technique consistant à utiliser le moteur pour freiner le véhicule, n'étant plus alimenté en carburant ce dernier offre une résistance certaine, en changeant de rapport sur la boîte de vitesses, ont met le moteur à un régime où offre plus de résistance.
- Un appui sur la pédale de frein déclenche le fonctionnement des freins, qui transforment en chaleur l'énergie cinétique accumulé par le véhicule.
- Un véhicule peut être immobilisé à l'aide du frein à main. Un levier ou une pédale actionne par un mécanisme spécifique (un câble) les freins avant ou plus souvent arrière bloquant ces dernières.
Les freins principaux sont la plupart du temps à commande hydraulique, mais commencent à apparaître les commandes électriques (encore très rares à ce jour).
[modifier] Fonctionnement des freins hydrauliques
- La pédale de frein actionne un amplificateur, lequel pousse des pistons coaxiaux dans un cylindre alimenté en huile spéciale grâce un réservoir situé au dessus.
- L'huile sous pression sort du cylindre dans deux circuits croisés ; l'un commande la roue avant gauche et la roue arrière droite, l'autre commande la roue avant droite et la roue arrière gauche. Ce système permet de préserver un minimum de freinage équilibré en cas de défaillance d'un des deux circuits.
- Les récepteurs (sorte de vérin) montés sur les roues reçoivent la pression hydraulique, ils poussent des pièces solidaire du véhicule contre une pièce fixée à la roue.
- Les partie fixes appelées garnitures ou plaquettes sont en matériau spécial s'usant progressivement, résistant à l'élévation de température et assurant un excellent contact mécanique.
- Les parties mobiles fixées sur les roues sont en acier renforcé, car elles doivent dissiper toute l'énergie thermique résultant de la perte d'énergie cinétique du véhicule.
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- Dans le cas du frein à disque, des plaquettes sont serrées sur les deux faces d'un disque par un ou plusieurs pistons hydrauliques. Le disque est auto-ventilé sur les véhicules sollicitant durement les freins.
- Dans le frein à tambour, les garnitures sont forcées contre la face intérieure d'un cylindre ou tambour par un piston hydraulique.
[modifier] Améliorations
- Le système ABS (Antiblockiersystem) supprime les blocages de roue lors de freinages violents et en condition de faible adhérence. Il relâche la pression dans le circuit de freinage d'une roue, dès la détection d'une vitesse de rotation plus faible que celle des autres roues. Ce dispositif permet au conducteur de garder le contrôle directionnel de son véhicule, le freinage étant alors légèrement atténué.
- Le système Aide au freinage d'urgence (AFU) permet de freiner à la puissance maximale dès les premiers instants d'un freinage d'urgence, détecté d'après la vitesse d'enfoncement de la pédale de frein. Il est nécessairement associé à un ABS.
- Le système ESP permet de corriger sensiblement la trajectoire en ayant une action combinée sur le système de freinage et sur le contrôle de la puissance du moteur.
[modifier] Contact avec le sol
Les roues sont au nombre de quatre, plus une roue de secours non montée. Cette dernière est parfois remplacée par un kit anti-crevaison ou, par une roue dotées d'un pneu réduit, (galette permettant de rouler à vitesse modérée jusqu'au prochain garage), pour des motifs d'encombrement.
- Chaque roue est formée de l'assemblage d'un pneumatique monté sur une jante. Cet ensemble forme un espace étanche, qui est gonflé, (emplit sous pression) d'air, parfois d'azote (pour une moindre déperdition).
- Les pneus jouent un rôle très important, car ils assurent à eux seuls le contact entre le sol et le véhicule, quelles que soient les circonstances. Pour cette raison, il est important de maintenir les pneumatiques en bon état, avec une pression de gonflage adapté. Il est conseillé de vérifier la pression de l'ensemble des roues, roue de secours comprise, environ tous les mois; le gonflage à l'azote permet d'allonger la périodicité de la vérification, mais ne la supprime en aucun cas.
[modifier] Suspensions
Un système de bras, associés à un ou plusieurs ressorts couplé à un amortisseur hydraulique, constitue une liaison élastique entre chaque roue et le châssis du véhicule.
Ce montage mécanique est de conception très variable en fonction des modèles et des constructeurs. Certains utilisent des systèmes hydro-pneumatiques complexes et assistés électroniquement. Mais le coût d'une telle suspension est tel qu'elle est réservée aux véhicules haut de gamme.
Il existe deux principaux types de suspensions :
- Indépendantes : chaque roue peut effectuer des mouvements sans influer l'autre roue du même essieu. C'est le type de suspension le plus utilisé pour les véhicules particuliers. Elle offre une bonne tenue de route et un bon confort.
- Rigides : Les roues d'un même essieux sont liées de manière rigide, les mouvements de l'une influent l'autre. Ce type de suspensions est utilisé pour les poids lourds car il permet de supporter de lourdes charges. Les essieux rigides sont aussi utilisés sur les véhicules tout terrain pour leur robustesse.
- La cabine de conduite, des véhicules poids lourds récents, est elle-même suspendue par rapport au châssis pour un meilleur confort des occupants de la dite cabine.
[modifier] Commandes
[modifier] Direction
Le système qui permet de diriger une automobile est composé de plusieurs parties :
- Le dispositif de commande, qui est généralement un volant circulaire, permet aux mains du conducteur d'appliquer un couple sur le système de direction. Le volant, situé face au conducteur, est en général réglable pour s'adapter au mieux à la morphologie et aux habitudes des conducteurs.
- Quand la voiture va en ligne droite les roues avant sont sur un même axe parallèle à celui des roues arrière mais lors d'un virage les roues avant ne sont plus parallèles car leurs axes et celui des roues arrière doivent être concourants.
- La transmission du mouvement imprimé par le conducteur se fait sur la colonne de direction fixée au centre du volant de commande ; elle transmet le couple aux biellettes de direction (agissant directement sur les roues) par l'intermédiaire d'un boîtier de direction.
- Le boîtier est soit un système pignon s'engrenant sur une crémaillère, soit un système à vis avec circulation de billes.
- L'assistance de la direction permet au conducteur de ne pas à avoir à fournir d'effort important sur le volant. Elle est généralement autoadaptive en amplifiant plus ou moins les forces imprimées au volant aux efforts nécessaires pour diriger le véhicule. Ces effort sont naturellement variables et inversement proportionnels à la vitesse du véhicule.
- L'assistance est traditionnellement hydraulique. Elle est généralement asservie à la vitesse, afin d'accroître la stabilité à haute vitesse, sans pénaliser la maniabilité à basse vitesse.
- Elle peut désormais être électrique. L'assistance par moteur électrique est plus économique, vue qu'elle est inactive en ligne droite, alors qu'un système hydraulique doit toujours être sous pression.
[modifier] Pédales
De droite à gauche :
- la pédale d'accélérateur permet de réguler la puissance demandée au moteur ;
- la pédale de frein transmet au système de freinage une force proportionnelle à la pression exercée sur cette pédale ;
- la pédale d'embrayage, (présente uniquement sur les véhicules à boîte manuelle), permet le changement de rapport dans la boîte de vitesses en désaccouplant cette dernière du moteur, induisant une rupture de la traction.
[modifier] Commande électrique
Le conducteur dispose de diverses commandes regroupées autour du volant, lui permettant de ne pas quitter des yeux la route et des mains le volant.
La disposition de ces commandes n'est pas standardisée, mais les constructeurs français ont adoptés la même disposition à peu de chose près :
- A gauche :
- On trouve un levier à plusieurs positions pour piloter l'éclairage et la signalisation extérieure (la mise en route de l'éclairage se trouve parfois commandée par un bouton à bascule sur le tableau de bord).
- A droite :
- Un levier permet la commande des essuie-glaces avant et arrière.
- Souvent, en retrait, un boîtier à commandes multiples permet de piloter l'autoradio.
- L'avertisseur sonore s'actionne en appuyant en bout d'un des leviers ou sur le centre du volant (selon le modèle du véhicule).
[modifier] Afficheurs
Sous une casquette intégrée au tableau de bord (protégeant le pare-brise des réflections lumineuses), généralement en face du conducteur et, parfois au centre du tableau de bord, mais tourné vers le conducteur
- Un indicateur de vitesse du véhicule, obligatoire, comporte un compteur ou odomètre, non réinitialisable, totalisant des kilomètres parcourus par le véhicule, ainsi qu'un compteur avec remise à zéro pour un usage journalier.
- Un indicateur de niveau de carburant.
- Des témoins lumineux sont disposés, sous la même casquette, rappelant au conducteur certains évènements : allumage des veilleuses, codes, phares, clignotants et éclairage et signalisation annexe.
- Des voyants d'alerte : défaut de pression d'huile, température excessive d'eau, défaut de charge de la batterie et, indicateur de fonctionnement de divers accessoires, sont regroupés dans le même espace.
- Un compte-tours indiquant le nombre de rotations du moteur par minute est souvent présent. Il comporte une zone délimitée en rouge indiquant la vitesse de rotation du moteur à ne pas dépasser.
- Une pendule permet de remplir efficacement un vide dans l'espace du tableau de bord.
- Différents indicateurs : température d'huile, température d'eau, température d'air, pression d'huile, pression de turbo, voltmètre, ampèremètre peuvent être ajoutés.
[modifier] Sécurité
[modifier] Protection des passagers en cas de choc
[modifier] Zones de déformation et cellule de survie
Les véhicules modernes sont conçus de façon qu'un choc soit amorti par la déformation des zones périphériques (capot moteur, coffre, flancs), pour préserver l'intégrité de l'habitacle qui lui bénéficie d'une structure renforcée.
Au niveau de la structure, des pièces sont dimensionnées pour se déformer. En cas de choc frontal, les efforts vont passer par les longerons d'une part, les côtés de caisse et le plancher. Pour un choc latéral, les voies d'effort sont le pied milieu, le plancher et le pavillon. Dans tous les cas, on essaie de faire passer le choc par les "trois voies d'efforts".
[modifier] Coussin de sécurité
Le coussin gonflable de sécurité se déclenche à partir d'un certain taux de décélération et d'une certaine vitesse initiale, afin de limiter le choc subi par les occupants du véhicule, en le répartissant sur une plus grande période de temps (la puissance du choc étant fonction de la différence de vitesse et du temps nécessaire pour changer de vitesse). Il peut sauver la vie jusqu'à environ 50 km/h au moment de l'impact sur un obstacle fixe.
[modifier] Ceinture de sécurité
La ceinture de sécurité permet de maintenir l'occupant d'un véhicule en mouvement sur son siège lors d'un choc. Elle évite son éjection hors du véhicule ou sa projection contre un partie de l'habitacle (tableau de bord, pare-brise, etc.). Équipée d'un prétensionneur et d'un limiteur d'effort, elle permet comme les coussins gonflables de sécurité de minimiser la puissance du choc, en transférant l'énergie du choc dans les attaches de la ceinture.
[modifier] Éclairage et signalisation extérieure
- Veilleuses ou feux de position aux quatre coins du véhicule, (en Europe : avant : blanc / arrière : rouge)
- Feux de croisement et des feux de route (blanc)
- Feux stop, positionné à l'arrière, allumés lors d'un appui sur la pédale de frein. (rouge)
- Feu(x) de recul, positionné(s) à l'arrière, allumé(s) lors du passage de la marche arrière. (blanc)
- Feux clignotants positionné aux quatre coin du véhicule servent à indiquer les changements de direction du véhicule aux autres usagers de la route. (orange)
- Feux de détresse servent à signaler un danger, (véhicule arrêté anormalement ou circulant à vitesse anormale). Feux clignotant des deux côtés en même temps. (orange)
- Indicateur de gabarit, allumés en permanence, ils rendent plus visible le véhicule dans de nombreux environnements. (orange)
- Feux de brouillard avant servent à améliorer la visibilité du conducteur par temps de brouillard. (blanc)
- Feu(x) de brouillard arrière améliore(nt) par temps de brouillard la signalisation du véhicule pour les autres usagers arrivant par l'arrière. (rouge)
[modifier] Avertisseur sonore
Les véhicules automobiles sont obligatoirement pourvus d'un avertisseur sonore, permettant au conducteur de prévenir d'un danger les personnes extérieures au véhicule.
Il est d'un usage réglementé, particulièrement en agglomération.
[modifier] Rétroviseurs
Les rétroviseurs sont des accessoires indispensables à la conduite d'une automobile. Ils sont constitués d'un miroir orientable permettant au conducteur de voir derrière lui sans se retourner.
[modifier] Rétroviseur intérieur
Généralement placé en haut du pare-brise et en position médiane face au conducteur, il permet au conducteur de visualiser ce qui se passe derrière son véhicule. Ce rétroviseur comporte deux positions : une pour le jour et, une pour la nuit, là un second miroir placé derrière un miroir sans tain permet de limiter l'éblouissement par les véhicules poursuivants.
[modifier] Rétroviseurs extérieurs
Les rétroviseurs extérieurs entraînent une surconsommation d'environ 3 % en raison des turbulences aérodynamiques qu'ils engendrent. Leur remplacement par un couple caméra-écran n'est pas autorisé par les normes techniques actuelles.
[modifier] Essuie-glace
Les essuie-glaces (appelés aussi essuie-vitres) sont des raclettes en caoutchouc, montées sur des bras actionnées par un moteur électrique commandé depuis l'habitacle, les bras plaquent les balais avec certaine pression sur le pare-brise.
Ils sont en nombre variable, suivant la taille du pare-brise et la conception de leurs bras. Ils permettent de nettoyer le pare-brise avant, ainsi que la vitre arrière, sans sortir du véhicule.
Ils sont obligatoirement associés à un système de lave glace : Une pompe électrique puise de l'eau additionné ou non d'un détergent dans un réservoir, le liquide sous pression est acheminé par un tube à des gicleurs qui le projette sur la surface à nettoyer.
[modifier] Confort automobile
Les principaux éléments de confort sont :
- Autoradio
- Chauffage et climatisation manuelle / automatique
- Toit ouvrant
- Lève vitre (électrique ou manuel)
- Allume cigare
- Régulateur de vitesse
- Sellerie automobile en cuir, réglable électriquement et chauffante
- Coffre à bagages
- parfumerie
