automobile.

automobile. 1 PRÉSENTATION automobile, véhicule routier à moteur, en général à quatre roues, utilisé pour transporter de deux à neuf personnes. Les véhicules plus grands, conçus pour davantage de passagers, sont appelés autocars ou autobus, tandis que ceux chargés de transporter du fret sont des camions. Parmi les véhicules automobiles, on compte également également certains véhicules spécialisés à usage industriel ou militaire. Voir aussi Automobile, industrie. 2 ÉLÉMENTS D'UNE VOITURE Une automobile se compose principalement des éléments suivants : le bloc-moteur, le système de transmission, le système de suspension, les organes de commande, les trains avant et arrière, les roues, le train de pneus et la caisse qui, sur la plupart des voitures actuelles, est autoporteuse car elle englobe à la fois la carrosserie et le châssis. En revanche, les automobiles tout-terrain (4 × 4) conservent une structure traditionnelle de carrosserie posée sur un châssis. 2.1 Bloc-moteur Le bloc-moteur comprend le moteur et ses accessoires : l'alimentation en carburant, les systèmes de carburation ou d'injection, d'allumage, de lubrification et de refroidissement, ainsi que le générateur de courant et le démarreur. 2.1.1 Moteur À quelques rares exceptions près (voitures électriques), la quasi-totalité des automobiles sont équipées d'un moteur à combustion interne, alimenté par de l'essence ou du gazole. La combustion s'effectue dans une chambre cylindrique fermée en haut par la culasse et en bas par le piston, animé d'un mouvement alternatif de translation (moteur à explosion) ou de rotation (moteur Wankel). Un moteur à combustion interne peut fonctionner selon un cycle à deux ou à quatre temps. Le cycle à deux temps n'est plus utilisé sur les automobiles mais reste en application sur les motos. Le moteur Diesel s'apparente au moteur à essence, mais s'en distingue par son absence de carburateur et de système d'allumage ( voir Moteur à combustion interne). 2.1.1.1 Moteur à explosion Le moteur à explosion à quatre temps nécessite quatre déplacements (courses) du piston par cycle. Dans le cas d'un moteur à essence, les courses du piston peuvent être décrites comme suit. La première course descendante remplit le cylindre d'un mélange d'air et d'essence, puis la première course montante comprime le cylindre, provoquant la combustion du carburant amorcée par le système d'allumage. La seconde course descendante, la course motrice, fournit la puissance, tandis que la seconde course montante évacue les gaz brûlés. Des soupapes d'admission et d'échappement contrôlent l'introduction du mélange d'air et d'essence dans le cylindre, ainsi que l'expulsion des gaz résiduels. L'ouverture de la soupape d'échappement libère ces gaz, qui sont alors détendus à travers un collecteur d'échappement jusqu'au pot d'échappement, qui les rejette dans l'atmosphère. La plupart des voitures sont munies d'un silencieux, dispositif chargé d'amortir les bruits occasionnés par l'évacuation des gaz. Les moteurs multicylindriques se composent de plusieurs cylindres sur une même ligne d'arbre, ce qui améliore la régularité et la souplesse de fonctionnement du moteur. Ils peuvent comprendre 4, 6, 8, 12 ou 16 cylindres, disposés généralement en ligne ou sur deux rangs formant un « V «. 2.1.1.2 Moteur Wankel Le moteur à piston rotatif, ou moteur Wankel, fut inventé en 1936 par l'ingénieur allemand Felix Wankel, mais ne fut construit qu'au début des années 1950. En 1970, la firme Citroën commença à produire ce moteur en grande série et en équipa la GS Birotor, mais arrêta brutalement la fabrication. Aujourd'hui, le constructeur japonais Mazda demeure le seul à produire des voitures équipées de ce type de moteur. Sur un moteur Wankel, le traditionnel piston cylindrique se déplaçant de haut en bas est remplacé par un rotor excentré tournant dans un carter de forme complexe. Ce système évite ainsi d'avoir à transformer le mouvement alternatif du piston en mouvement rotatif afin d'entraîner les roues du véhicule. Plus léger et plus compact qu'un moteur classique, le moteur Wankel comporte moins de pièces et offre une plus grande souplesse de fonctionnement. Cependant, ses pièces sont plus difficiles et plus coûteuses à réaliser, et il présente une consommation excessive en carburant. 2.1.2 Carburation et injection Sur un moteur à essence, le carburateur est destiné à vaporiser le carburant et à le mélanger à l'air, pour que l'essence puisse brûler dans les cylindres. Il se compose d'une cuve à niveau constant et d'une chambre de mélange ou de pulvérisation. Il est également muni d'accessoires (gicleurs, pompe de reprise, etc.) qui régulent automatiquement la proportion air / essence, en vue d'assurer un fonctionnement adéquat dans des conditions très variables. En effet, la conduite sur terrain plat à vitesse constante requiert un rapport essence / air moins élevé que celui nécessaire pour monter des côtes, accélérer, ou démarrer le moteur par temps froid. Ainsi, dans ce dernier cas, le moteur a besoin d'un mélange pauvre en air et riche en essence. Pour ce faire, un volet de starter situé à l'entrée du carburateur obture partiellement l'entrée d'air. Sur un moteur Diesel, le carburateur est remplacé par un injecteur, car l'air nécessaire à la combustion du carburant est déjà présent dans le cylindre avant l'introduction du gazole. Par ce système d'injection, le carburant est poussé à très haute pression au moyen d'une pompe à travers une fine tubulure, ce qui a pour effet de le vaporiser finement. L'injecteur se retrouve aussi sur les moteurs à essence modernes, car ce système est plus précis qu'un carburateur et peut être contrôlé par un microprocesseur. 2.1.3 Allumage Un moteur à explosion à essence est aussi appelé moteur à allumage commandé, car il nécessite la présence d'une étincelle électrique pour enflammer le mélange d'air et de carburant. Cette étincelle est délivrée par une bougie, qu'alimente un courant électrique de haute tension, fourni en général par une batterie et une bobine. En revanche, un moteur Diesel n'a pas besoin de système d'allumage, car l'inflammation du carburant se fait spontanément lors de l'injection du gazole dans les cylindres, en raison de la haute compression de l'air dans le moteur. 2.1.4 Lubrification Le système de lubrification se présente sous la forme d'une pompe qui envoie l'huile sous pression vers les paliers du vilebrequin, arbre chargé de transformer le mouvement alternatif du piston en mouvement rotatif. Dans certains cas, l'huile passe dans un orifice percé à travers la bielle jusqu'à l'axe du piston, avant d'être projetée sur les parois du cylindre. 2.1.5 Refroidissement Lors de l'inflammation du carburant, la température à l'intérieur du cylindre devient beaucoup plus élevée que le point de fusion de la fonte. Comme la combustion se produit 2 000 fois par minute, voire davantage, le moteur doit être équipé d'un système de refroidissement, afin que le piston ne se dilate pas et ne se soude pas au cylindre. C'est pourquoi on munit les cylindres de chemises dans lesquelles circule de l'eau, dont l'ébullition est stoppée grâce à un radiateur. Par temps froid, cette eau est généralement mélangée à un antigel adapté, de type alcool ou éthylène-glycol. Certaines voitures sont dotées d'un système de refroidissement par air, qui évacue la chaleur par un courant d'air forcé. 2.1.6 Démarreur Pour faire démarrer un moteur à combustion interne, il est nécessaire de l'entraîner sur au moins un cycle. La manivelle d'autrefois a été avantageusement remplacée par un moteur électrique de démarrage, qui reçoit du courant de la batterie. Ce moteur est d'un type spécial, car il doit fonctionner avec une forte surcharge et produire une puissance élevée pendant un temps très court. Sur les voitures modernes, le démarreur est actionné automatiquement lors de la mise du contact. 2.2 Système de transmission La puissance du moteur est dans un premier temps transmise à un volant d'inertie, organe servant à réguler la vitesse de rotation de l'arbre. Ce volant la transmet à son tour à l'embrayage, mécanisme chargé de désaccoupler ou d'accoupler l'arbre moteur et l'arbre de transmission, selon que l'on débraye ou que l'on embraye. La puissance passe donc par la boîte de vitesses, avant d'être transmise aux roues motrices par le biais d'un différentiel, qui peut modifier les vitesses des roues extérieures ou intérieures. 2.2.1 Embrayage Toute voiture possède un système d'embrayage, qui peut être automatique ou manuel, commandé alors par une pédale. Il existe deux types principaux d'embrayage, l'embrayage à friction et l'embrayage hydraulique. L'embrayage à friction, qui est tributaire d'un contact solide entre le moteur et la transmission, comporte un disque monté sur un moyeu cannelé, qui peut glisser sur l'arbre primaire du changement de vitesse. Lorsque l'embrayage est engagé, un plateau mobile presse le disque contre le volant d'inertie, communiquant ainsi un mouvement de rotation à l'arbre du changement de vitesse. L'embrayage hydraulique, appelé aussi coupleur, utilise le principe de transmission hydraulique. 2.2.2 Boîte de vitesses La boîte de vitesses est un dispositif agissant sur les rapports de démultiplication entre l'arbre moteur et les roues motrices. Deux grandes catégories de boîtes de vitesses sont couramment utilisées. La boîte de vitesses manuelle, qui nécessite l'intervention du conducteur pour changer de rapport, est aussi ancienne que l'automobile et demeure le système le plus utilisé en Europe. La boîte de vitesses automatique, très en vogue aux États-Unis, utilise généralement un convertisseur de couple hydraulique, associé à des trains d'engrenages. 2.2.2.1 Boîte de vitesses manuelle La boîte de vitesses manuelle comporte le plus souvent quatre ou cinq vitesses, plus une marche arrière. Elle se compose principalement d'un arbre primaire et d'un arbre secondaire, chacun portant des pignons de différents diamètres. Pour un rapport de vitesses donné, l'arbre primaire entraîne l'arbre secondaire en faisant tourner la paire de pignons appropriée. Pour la marche arrière, l'intervention d'un pignon supplémentaire fait tourner l'arbre secondaire en sens inverse de celui utilisé pour faire avancer le véhicule. Pour une vitesse de déplacement donnée du véhicule, l'utilisation d'un plus petit rapport (par exemple, première au lieu de seconde ou troisième) permet au moteur de tourner plus rapidement, le plaçant dans des conditions où il peut fournir une puissance supérieure. Ainsi, la boîte de vitesses permet de choisir un rapport de démultiplication adapté aux circonstances de fonctionnement : montée d'une côte, accélération à partir d'une vitesse relativement faible, etc. 2.2.2.2 Boîte de vitesses automatique Dans leur forme classique, les boîtes de vitesses automatiques sont composées d'un convertisseur de couple hydraulique et d'un planétaire à deux ou trois rapports, pignon monté directement sur l'arbre primaire de changement de vitesse. On préfère employer dans ce système un planétaire, d'un principe plus complexe que les boîtes à deux arbres, car il est possible de changer de rapport sans qu'il soit nécessaire de couper la puissance, ce qu'une boîte à deux arbres ne permet pas. Un système hydraulique, prenant en compte divers paramètres comme la vitesse de rotation du moteur et la position de l'accélérateur, sélectionne automatiquement le rapport adéquat. Le convertisseur de couple hydraulique remplit à la fois les fonctions d'embrayage automatique et de changement de vitesse. Cette dernière fonction dispose d'un nombre infini de rapports, ce qui correspond à un rapport de démultiplication pouvant varier de manière continue. Dans un carter contenant de l'huile, le convertisseur réunit sous forme très compacte, une pompe centrifuge, entraînée par le moteur, ainsi qu'une turbine hydraulique montée sur l'arbre de sortie. Lorsque le moteur tourne au ralenti, la pression développée par la pompe est si faible que la force exercée par la turbine est incapable de faire avancer la voiture : tout se passe comme si la transmission était débrayée. Lorsque l'on accélère, la pression fournie par la pompe entraîne alors la turbine et, par suite, la voiture. Apparues dans les années 1950, ces boîtes de vitesses automatiques ont actuellement tendance à être dotées de dispositifs électroniques, qui permettent de prendre en compte davantage de paramètres, et offrent des possibilités interdites aux boîtes automatiques traditionnelles. D'autres boîtes automatiques récentes sont d'une technologie très proche de celle des boîtes manuelles, à la différence près que leur commande est assurée par un microprocesseur. 2.2.3 Différentiel En virage, les deux roues opposées d'un même train avant ou arrière d'une automobile ne parcourent pas la même distance, la roue intérieure au virage roulant sur une distance plus courte que la roue extérieure. Pour qu'une automobile puisse tourner dans un virage, les roues opposées d'un même train doivent donc tourner à des vitesses différentes. Cela est rendu possible grâce à un dispositif mécanique appelé différentiel. Ce dispositif se compose d'une grande couronne dentée qui transmet le mouvement aux pignons sur lesquels sont fixés les arbres de roue gauche et droite, par l'intermédiaire d'un pignon satellite. 2.3 Système de suspension Le système de suspension comprend des éléments de guidage, des ressorts, des amortisseurs hydrauliques et des barres antiroulis. Les éléments de guidage contrôlent le débattement des roues, dû à la flexibilité de la suspension. Les ressorts sont, le plus souvent, des éléments métalliques déformables, mais il existe également des ressorts en caoutchouc ou en élastomère synthétique, ou encore des ressorts pneumatiques, dont l'élasticité est assurée par de l'air ou de l'azote. Les amortisseurs hydrauliques sont dotés d'un piston se déplaçant dans un cylindre rempli d'huile, dont le déplacement est freiné par des orifices étroits et des clapets élastiques. Ils ont pour fonction de réduire les oscillations de la suspension. Sur les voitures modernes, les roues sont suspendues à la caisse de façon indépendante, ce qui améliore le confort et la tenue de route, car ce type de structure élimine certaines vibrations parasites qui peuvent se produire lors du fonctionnement du véhicule -- en particulier à l'avant. Les barres antiroulis avant et arrière sont des barres d'acier coudées dont la partie centrale est articulée sur la caisse, et dont les extrémités sont reliées respectivement aux roues avant ou aux roues arrière. Si les roues avant montent ou descendent simultanément, la barre antiroulis avant tourne librement sur son articulation et n'introduit aucun effort. En revanche, si l'une des roues avant monte tandis que l'autre descend, la barre antiroulis avant se trouve tordue ; elle exerce alors un effort tendant à s'opposer à cette différence de débattement (même cas de figure pour la barre antiroulis arrière). Ainsi, les barres antiroulis s'opposent à une inclinaison excessive de la voiture en virage. En outre, en jouant sur les raideurs relatives de la barre antiroulis avant et de la barre antiroulis arrière, on peut modifier le transfert de poids d'une roue sur l'autre en virage et, par suite, l'équilibre de la tenue de route. 2.4 Organes de commande 2.4.1 Direction La direction du véhicule est commandée par un volant, monté sur une colonne inclinée. La direction assistée, introduite sur les automobiles dans les années 1950, est en général un mécanisme hydraulique utilisé en renfort qui réduit l'effort nécessaire pour manoeuvrer la direction (voir Hydraulique). 2.4.2 Systèmes de freinage La plupart des automobiles possèdent deux systèmes de freinage : le frein à main (ou frein de parking) et le frein à pédale. La commande des freins est confiée à un circuit hydraulique, excepté pour le frein à main qui demeure à commande mécanique par l'intermédiaire d'un câble. Généralement, le frein à main n'agit que sur les roues arrière, mais son action peut également s'étendre à l'arbre de transmission. En revanche, le frein à pédale agit toujours sur les quatre roues. Lorsque le conducteur du véhicule appuie sur la pédale de frein, celle-ci déclenche la poussée d'un piston qui soumet l'huile du circuit à une certaine pression. La force de pression pousse alors à son tour un ou deux pistons qui appliquent sur chaque roue la garniture de freinage, d'une force proportionnelle à la pression. 2.4.2.1 Servofrein Sur les véhicules bénéficiant d'un freinage assisté, l'action du conducteur est augmentée par celle d'un servofrein, qui utilise la dépression régnant au niveau de la tubulure d'admission des gaz. Cette dépression est faible, mais, en la faisant agir sur une surface considérable, on obtient un effort qui est loin d'être négligeable. La force que développe un servofrein est proportionnelle à l'effort exercé par le conducteur sur la pédale. Actuellement, l'installation des servofreins sur les voitures tend à se généraliser, même sur les modèles économiques. 2.4.2.2 Freins à tambour et à disque Il existe plusieurs systèmes de freinage, les plus courants étant les freins à tambour et les freins à disque. Un frein à tambour, appelé également frein à mâchoires, se compose d'un cylindre en fonte (tambour), de grand diamètre et de largeur relativement faible, qui demeure solidaire de la roue. Lors du freinage, deux mâchoires circulaires, garnies de matériau de friction et montées sur un disque fixe (flasque), viennent s'appliquer contre le tambour, créant une force de frottement qui s'oppose à la rotation du tambour et donc de la roue. Un frein à disque comprend un disque de fonte qui tourne avec la roue. Au freinage, ce disque se trouve pincé par deux plaquettes garnies de matériau de friction. Bien que les proportions soient différentes -- et la réalisation évidemment plus robuste --, le frein à disque fonctionne suivant le même principe qu'un simple frein de vélo. Les freins à disque présentent l'avantage de mieux résister à l'échauffement que les freins à tambour. En effet, ils possèdent une surface de contact avec l'air plus importante, ce qui facilite leur refroidissement. En outre, ils subissent une dilatation plus faible lorsque la température s'élève, dilatation qui peut provoquer sur les freins à tambour un allongement inopportun de la course de la pédale. À l'opposé, les freins à tambour demandent sensiblement moins d'effort sur la pédale que les freins à disque. Aujourd'hui, les automobilistes ont recours très fréquemment à leurs freins, en raison de la densité de la circulation et de la vitesse relativement élevée des véhicules. C'est pourquoi les freins à disque ont tendance à supplanter les freins à tambour, afin de répondre à cet usage intensif des systèmes de freinage. Voir Frein. 2.4.2.3 Choix des matériaux Lors du freinage, l'énergie cinétique de la roue est transformée en chaleur. Ce phénomène explique le choix de la fonte comme matériau de fabrication du tambour ou du disque. Contrairement à l'acier ou à l'aluminium, la fonte est en effet un métal qui, outre un coefficient de frottement très élevé, peut emmagasiner de grandes quantités de chaleur tout en s'échauffant modérément. Ces mêmes caractéristiques (coefficient de frottement très élevé et grande résistance à la chaleur) guident le choix des matériaux de friction garnissant les mâchoires de freins à tambour et les plaquettes de freins à disque. Encore récemment, ces mâchoires et ces plaquettes étaient constituées d'un mélange de fibres d'amiante et de fibres métalliques, mais en raison du pouvoir hautement cancérigène de l'amiante, on emploie désormais d'autres types de fibres ne présentant aucun danger. En effet, les garnitures de frein en amiante s'effritent à l'usure, libérant dans l'atmosphère des microparticules qui peuvent nuire à la santé de l'Homme. Sur les voitures de compétition, on utilise des freins à disque en carbone, dotés de plaquettes également en carbone. Même s'ils sont coûteux à fabriquer, ces freins en carbone associent des performances remarquables à un poids très faible. Ils supportent très bien la chaleur dégagée par le freinage, continuant en effet à fonctionner même lorsqu'ils sont portés au rouge par élévation de la température. 2.5 Carrosserie La carrosserie d'une voiture se compose principalement du toit, des portes, du capot avant et du coffre arrière. Autrefois exclusivement métallique, elle comporte aujourd'hui de nombreuses pièces à base de plastiques. Il existe cinq grands types de carrosserie automobile : le cabriolet, voiture décapotable généralement à deux portes, le coupé, qui ne comporte que deux portes, la berline, automobile à quatre portes, la limousine, qui possède plus de quatre portes latérales, et le break, doté de quatre portes latérales et d'un coffre arrière très allongé. 3 NOUVELLES TECHNOLOGIES 3.1 Économies d'énergie Pour faire face à la crise pétrolière de 1973 et à l'augmentation du prix du carburant qui s'ensuivit, les ingénieurs furent amenés à développer de nouvelles technologies : ils cherchèrent à améliorer la consommation des moteurs à essence existants, voire à remplacer ces moteurs par des modèles plus performants (voir Énergie, économies d'). Pour réduire la consommation de carburant, les constructeurs automobiles utilisèrent des aciers à haute résistance, de l'aluminium, des plastiques et du magnésium, afin de réduire la taille et le poids de leurs modèles. Dans le même but, les grandes firmes s'intéressèrent également à la conception de voitures électriques. Au début des années 1980, des travaux de recherche furent en outre entrepris sur les transmissions automatiques, dont le rapport de démultiplication peut varier de façon continue. Par ailleurs, des compteurs de vitesse numériques, des totalisateurs kilométriques et autres dispositifs électroniques furent intégrés à certaines voitures. Actuellement, des prototypes de voitures solaires sont également à l'étude (voir Solaire, énergie). 3.2 Moteurs d'avenir Parmi les solutions de remplacement au moteur à essence, les moteurs Diesel et les moteurs électriques apparaissent comme les plus prometteurs. En effet, le moteur à turbine, qui s'apparente au réacteur d'un avion, est bruyant, coûteux et trop dangereux, même s'il fut envisagé au début des années 1960 par plusieurs constructeurs. Le moteur Stirling fut étudié avec intérêt par la firme Ford dans les années 1970, car ce moteur à combustion externe possède le meilleur rendement de tous les moteurs thermiques existants, et présente un niveau de pollution très faible. Cependant, son adaptation à l'automobile demeure délicate, si bien que son utilisation a été abandonnée par la plupart des constructeurs, excepté Toyota qui continue à travailler dessus. Le moteur à vapeur, qui avait fait l'objet d'expérimentation sur des automobiles dans les années 1960 et 1970, s'est révélé inutilisable, tandis que le moteur à piston rotatif Wankel, pénalisé par sa consommation excessive, est resté confiné dans des gammes de hautes performances mais de faible production. 3.2.1 Moteur Diesel À la fin des années 1970, les grandes firmes automobiles commercialisèrent un nombre croissant de voitures équipées de moteurs Diesel. Ainsi, des V-8 Diesel apparurent à cette époque sur certaines voitures de General Motors, puis des moteurs Diesel à 4, 5 ou 6 cylindres sur des automobiles européennes, au début des années 1980. En 1996, en raison du prix avantageux du gazole, les moteurs Diesel équipent en France près de 50 p. 100 des voitures neuves. Ce type de moteur consomme en effet beaucoup moins qu'un moteur à essence (jusqu'à 25 p. 100 de moins). Cependant, il présente un certain nombre d'inconvénients. En effet, les véhicules dotés d'un moteur Diesel ne sont pas doués d'accélération très rapide, si bien que ce type de moteur ne se trouve pas adapté aux automobiles équipées de boîte de vitesses automatique. C'est pourquoi le moteur Diesel demeure peu employé dans des pays comme les États-Unis, où la plupart des automobiles sont munies d'une boîte de vitesses automatique. Par ailleurs, certaines études tendent à montrer que les gaz d'échappement des moteurs Diesel contiendraient des particules cancérigènes. Voir aussi Moteur à combustion interne. 3.2.2 Moteur électrique Actuellement, grâce aux progrès accomplis dans la technologie des batteries, on est capable de fabriquer des voitures électriques pouvant atteindre la vitesse de 80 km/h, et disposant d'un rayon d'action de 160 km ou plus. Mais le poids de batterie transportée par le véhicule demeure encore trop important, la recharge posant également bien des problèmes. Malgré ces inconvénients, de nombreux constructeurs automobiles proposent aujourd'hui des voitures équipées de moteurs électriques dérivés de moteurs thermiques. À ce jour, plusieurs firmes européennes comme Renault et Volvo étudient un modèle de moteur hybride. Ce moteur à l'essai comporte une petite turbine qui entraîne un générateur de courant. Le courant électrique alimente alors un ou plusieurs moteurs électriques chargé de faire tourner les roues. Une batterie à faible poids suffit alors pour assurer un minimum d'autonomie lorsque le moteur à turbine ne fonctionne pas. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.