Comment fonctionne une voiture ? – WUS#2

Bonjour à tous !

Dans ce blog, on va traiter des sujets plus ou moins techniques, appliqués ou abstraits, et ce sous différentes formes : billet « classique », fun facts, bestiaire, saga…

Du coup, aujourd’hui, premier billet d’une saga « Comment ça fonctionne ? », et on commence par s’intéresser au cas de la voiture !

Quelques observations

Première observation d’ordre lexical. Je ne devrais pas parler de voiture, mais d’automobile. Une automobile est un véhicule routier se déplaçant sous l’action d’un moteur et qui est utilisé pour transporter un conducteur et des passagers, alors que la notion de voiture peut désigner une automobile ou une voiture de train par exemple.

Passée cette question d’ordre lexical, on va maintenant décrire la manière dont on fait fonctionner une voiture, ce qui va nous amener à nous poser un certain nombre de questions. On considère le cas le plus répandu d’une voiture à moteur thermique à boîte de vitesse manuelle.

1) On met en marche le moteur.
2) On met le pied sur l’embrayage, on passe la première (ou la marche arrière), et pas l’inverse sous peine de caler ! On n’oublie bien évidemment pas d’enlever le frein à main (…) et là, on cherche le point de patinage en embrayant et en accélérant.
3) Une fois ce point de patinage trouvé, on embraye complètement, on accélère, on débraye, on met la deuxième et on ré-embraye de sorte à trouver le point de patinage.

Ces trois points peuvent nous amener à un certain nombre d’interrogations.
Quels types de moteur utilise-t-on pour motoriser une voiture ?
Qu’est-ce qu’un embrayage ? Pourquoi est-il nécessaire ?
Qu’est-ce qu’une boîte de vitesse ?

L’élément central : le moteur

Cette partie pourrait constituer un billet à part entière (ne me tentez pas, hein !), mais on va se limiter à présenter les principales caractéristiques des moteurs à combustion interne.

Les moteurs à combustion interne sont les moteurs les plus classiquement utilisés sur les voitures. Vu qu’on n’a pas encore introduit la thermodynamique (ça ne saurait tarder!), les cycles, les diagrammes (P,V), je vais essayer de vous présenter ces moteurs de manière relativement simple !

Un moteur fonctionne en cycles, c’est-à-dire qu’il effectue des opérations qui se répètent dans le temps et qui constituent son fonctionnement. Ici, on va parler des moteurs quatre temps : le cycle est composé de quatre opérations, que sont l’admission, la compression, la combustion et l’échappement.

Admission : On fait entrer de l’air dans le moteur à l’aide d’une soupape.
Compression : L’air est comprimé.
Combustion : On injecte du carburant, qui va se mélanger avec l’air dans la chambre de combustion. On fait ensuite exploser le mélange, qui va avoir tendance à se dilater.
Échappement : L’air est éjecté à l’aide d’une autre soupape.

Et on répète ces quatre étapes, encore et encore… En effet, ces étapes n’engendrent que deux rotations de l’arbre moteur, pas de quoi aller bien loin.

Le mieux pour comprendre le fonctionnement d’un moteur à combustion interne est encore de regarder cette animation (encore mieux que les .gif de 9gag !).

moteur

Issu de http://jl.cervella.free.fr/ressources/moteur.html

On peut faire plusieurs remarques sur ces moteurs.

Tout d’abord, on peut dire que la notion de cycle est un peu abusive. En thermodynamique, on dit qu’une transformation est cyclique lorsque le système qui subit la transformation (ici, l’air) revient à son état initial à la suite de la transformation. Ici, on ne peut pas vraiment dire que le système revient à son état initial, car à la phase d’échappement, l’air est mélangé au carburant et est plus chaud qu’à l’admission. Mais ce n’est pas l’air sortant qui va entrer à nouveau dans le moteur, mais l’air ambiant qui a toujours (en première approximation) les mêmes caractéristiques. Ce qui permet de justifier la notion de cycle.

Par ailleurs, il existe plusieurs types de moteurs à combustion interne, dont les moteurs essence et diesel. Cette différence apparaît au niveau de la combustion. Dans les moteurs essence, c’est l’allumage d’une bougie générant des arcs électriques qui provoque la combustion du mélange air+carburant. C’est pourquoi on dit que ces moteurs sont à allumage commandé. Dans les moteurs diesel, la combustion est directement provoquée par la pression qui règne dans la chambre de combustion. Si vous vous êtes déjà demandés pourquoi les moteurs diesel coûtent plus chers que les moteurs essence, vous avez là un élément de réponse ! La pression est plus importante dans un moteur diesel que dans un moteur essence, ce qui nécessite des matériaux plus résistants, et donc, plus chers. Par ailleurs, cette différence dans la façon d’initier la combustion se ressent dans le carburant utilisé par les moteurs : essence pour l’un, gazole pour l’autre.

On pourrait aussi parler de deux autres types de moteurs. Tout d’abord, les moteurs électriques, de plus en plus présents dans la motorisation des voitures avec les voitures hybrides, voire totalement électriques. Mais aussi les turboréacteurs. Quoi ? Des voitures motorisées à l’aide de turboréacteurs ?! Non non, je ne suis pas fou, regardez ! 🙂

ThrustSSC_voiture supersonique.jpg

Issu de https://fr.wikipedia.org/wiki/Thrust_SSC

Ceci est une photo du Thrust SSC, véhicule propulsé par deux turboréacteurs et premier véhicule roulant au sol à atteindre le mur du son ! (Notez qu’il s’agit bien d’une automobile, comme on l’a défini auparavant.)

Pas d’inquiétude, nous reviendrons sur ces deux types de moteurs dans un prochain billet !

Mécanisme de transmission de mouvement

Une voiture est entraînée par un moteur, qui produit un mouvement circulaire. Celui-ci va être transmis aux roues via une chaîne cinématique, notamment composée d’un embrayage, d’une boîte de vitesse.

Qu’est-ce qu’un embrayage ?

Il s’agit d’un dispositif de transmission de mouvement de rotation monté entre deux arbres qui ont un même axe de rotation et qui sont susceptibles de tourner à des vitesses différentes. Son rôle est donc d’accoupler ces deux arbres.

embrayage_schéma

Sur ce schéma, on voit bien que l’embrayage fait le lien entre le mécanisme menant (dans le cas de la voiture, l’arbre moteur) et le mécanisme mené (le reste de la chaîne cinématique, et en premier lieu, la boîte de vitesse) pouvant tourner à des vitesses angulaires \omega_{a} et \omega_{b} différentes, par l’intermédiaire de disques.

Lorsque les deux parties sont séparées, et donc qu’elles peuvent tourner librement indépendamment l’une de l’autre, on dit que l’embrayage est à l’état débrayé. Sinon, on dit qu’il est embrayé. Si l’embrayage est entre ces deux états, on dit qu’il est dans une phase transitoire de glissement : les arbres de la partie menant et de la partie menée ne tournent pas à la même vitesse, il y a donc glissement entre les deux les disques. Cette phase permet de solidariser progressivement  l’arbre moteur et la boite de vitesse. Mais cette étape entraîne une dissipation d’énergie qui provoque une usure des disques. On comprend pourquoi les moniteurs d’auto-école demandent, au-delà de la problématique du trafic, de trouver rapidement le point de patinage !

Pourquoi faut-il désolidariser le moteur du reste de la chaine cinématique ? C’est ce que l’on va voir avec la boîte de vitesse !

La boite de vitesse

Commençons par faire une analogie, et prenons l’exemple bien connu du vélo.

Prenons par exemple le cas d’un vélo qui ne possède qu’un seul plateau. Si en plus, le vélo ne dispose que d’un seul pignon, alors on aura beau pédaler très vite, on n’ira jamais très vite. Ce qui n’est pas le cas lorsque le vélo a plusieurs pignons. Lorsqu’on va d’un pignon à un autre plus petit, on remarque que, pour aller à la même vitesse, on a besoin de pédaler moins vite qu’avant, mais aussi qu’on a besoin de transmettre un effort plus important (c’est plus dur de pédaler !). Cet effort, c’est ce qu’on appelle un couple : c’est un effort en rotation.

Si on exprime ce phénomène en terme de puissance, on a P=C \times \omega, avec P est la puissance transmise par le cycliste, C est le couple transmis par le cycliste et \omega est la vitesse de rotation des pédales. On voit bien qu’à P constante, si C augmente, alors \omega diminue et inversement.

Le système plateau/pignon permet donc d’adapter l’effort et la vitesse de rotation des pédales à la vitesse à laquelle on veut aller.

Pour une voiture, c’est un peu la même chose que pour un vélo ! On remplace juste le cycliste par le moteur et le système plateau/pignon par la boite de vitesses. Une boite de vitesse est composée d’un arbre d’entrée et d’un arbre de sortie sur lesquels on trouve des roues dentés (qui jouent le rôle du plateau et des pignons), formant ainsi des engrenages.

Prenons l’exemple d’une boite de vitesse avec une roue d’entrée sur l’arbre d’entrée (roue 1) et deux roues sur l’arbre de sortie, une de la même taille que celle de l’arbre d’entrée (roue 2) et l’autre deux fois plus petite (roue 3).

boite_1

Ainsi, pour aller à une même vitesse, l’engrenage roue1/roue3 permet au moteur de tourner deux fois moins vite que l’engrenage roue 1/roue 2, mais en fournissant un couple deux fois plus grand. Ici aussi, on adapte la vitesse de rotation et le couple à la vitesse à laquelle on veut se déplacer.

On comprend aussi maintenant mieux l’utilité de l’embrayage. Il permet de découpler l’arbre d’entrée avec l’arbre de sortie pour pouvoir passer de l’engrenage roue 1/roue 2 à l’engrenage roue 1/roue 3.

boite_2

Bien évidemment, on ne s’est intéressé dans ce billet qu’à quelques éléments qui constituent une automobile, mais il y en a encore plein d’autres, et pas des moindres (je pense aux freins…).

J’espère que cette introduction au fonctionnement d’une voiture vous a plu, et que vous êtes maintenant impatient d’en découvrir plus sur la thermodynamique, les moteurs à combustion (oui, il y a encore plein de choses à voir), les turboréacteurs !

N’hésitez pas à poster vos questions et remarques en commentaire !

Sources

Roland LINDAS, 1987. Embrayages. Étude théorique et constitution. Techniques de l’Ingénieur.
René HULIN, 1989. Boîtes de vitesse. Techniques de l’Ingénieur.
Polycopié d’Énergétique de l’École Centrale de Nantes
https://fr.wikipedia.org/wiki/Thrust_SSC
http://direns.mines-paristech.fr/Sites/Thopt/fr/co/maci_1.html

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