Adhérence du pneu (Michelin)

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L ' a d h é r e n c e Le pneu
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Le pneu

Le pneuLadhrence

Editeur : Socit de Technologie Michelin 23, rue Breschet, 63000 Clermont-ferrandDpt lgal : janvier 2001 Socit de Technologie Michelin, 2001 ISBN 2-06-100011-8Ralisation Artice/Japa - Photos : photothque Michelin Imprim en France

Toute reproduction, mme partielle, toute traduction, toute reprsentation, toute adaptation, quel quen soit le support, est interdite sans autorisation pralable. Contact : Manufacture Franaise des Pneumatiques Michelin Service Groupe Communication/Technique Place des Carmes Dchaux - 63040 Clermont-Ferrand Cedex 09

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Les mcanismes de ladhrence sur routes4 5

Introduction Prambule

7

I La gomme & ladhrenceI.1 LA GOMME : UN MATRIAU VISCO-LASTIQUEs

21

II Influence du revtement routier sur ladhrenceII.1 CARACTRISATION DES REVTEMENTS ROUTIERSs s q s s

8 8 8 9 10 11 12

Quest-ce quun matriau visco-lastique ?

Pour en savoir plus sur le comportement des matriaux lastiques Pour en savoir plus sur le comportement des matriaux visqueux Pour en savoir plus sur le comportement des matriaux visco-lastiquess s

22 23 23 24 25 26

Mesure de la macrorugosit Mesure de la microrugosit Encart : notions sur les revtements routiers Mesure de la surface portante Caractrisation globale du coefficient de frottement dun couple sol/gomme

Do vient la visco-lasticit de la gomme des pneumatiques ? Le module de la gomme

13

I.2 INFLUENCE DE LA FRQUENCE DE SOLLICITATION

ET DE LA TEMPRATURE SUR LE COMPORTEMENT DE LA GOMME13 14 15 16s s s

27

II.2 INFLUENCE DES REVTEMENTS ROUTIERS SUR LE

COEFFICIENT DE FROTTEMENT28 29 30 30 30 31s s s s s

Influence de la frquence de sollicitation Influence de la temprature Equivalence frquence - temprature

Variations du coefficient dadhrence sur sols secs Variations du coefficient dadhrence sur sols humides ou mouills Importance relative du facteur gomme et du facteur sol dans ladhrence Et la neige ? Et la glace ?

Pour en savoir plus sur la loi WLFI.3 LES MCANISMES MIS EN JEU LORS DU FROTTEMENT

17 17 18 19

GOMME/SOLs s

Influence du revtement routier sur ladhrence : ce quil faut retenir

Le phnomne dindentation Le phnomne dadhsion

La Gomme et ladhrence : ce quil faut retenir

Page 1

33

III Gnration des forces dadhrence dans laire de contactIII.1 MCANISMES DE FROTTEMENT DUN PAIN

48 48 48 49 49 50 50 51 52 52

s s

La force de frottement transversale Le coefficient de frottement transversal

Pour en savoir plus sur le coefficient de frottement transversals

Effet du rayon sur la vitesse limite en virage

Pour en savoir plus sur la vitesse limite en virages

34

La loi de frottement transversal Y()

DE GOMME34 35s s

Pour en savoir plus sur le coefficient de frottement transversals s

Le cisaillement (ou pseudo-glissement) Le glissement

Gnration des efforts transversaux dans laire de contact Courbe Y() : analyse des phnomnes

Pour en savoir plus sur la longueur maximale de cisaillement +glissement

36 36 37 38 38 38 39 40 40 42 42 43 45

III.2 EN FREINAGE - LADHRENCE LONGITUDINALEs

Naissance du glissement

54

En virage - ladhrence transversale : ce quil faut retenir

Pour en savoir plus sur lapparition du glissement en freinages s

La force de frottement longitudinale Le coefficient de frottement longitudinal

55 55 55 57 57

III.4 EN ROULAGE : UN POTENTIEL PARTAGERs s s

Pour en savoir plus sur le coefficient de frottement longitudinals s

En roulage : des phnomnes coupls Un potentiel partager Fonctionnement de lABR

La loi de frottement longitudinal (G) Gnration des efforts de freinage dans laire de contact

Pour en savoir plus Lapparition du glissement est conditionnepar le cisaillement maximal du pain de gommes

Pour en savoir plus sur le fonctionnement de lABR

Ordres de grandeurs de glissement et de cisaillement en fonction du coefficient dadhrence et du taux de glissement

Pour en savoir plus sur la longueur maximale de cisaillement +glissements

59

IV Ladhrence sur sols mouillsIV.1 LA ZONE HYDRODYNAMIQUE : VACUATION

Courbe (G) : analyse des phnomnes

61

En freinage - ladhrence longitudinale : ce quil faut retenir61 62 62

ET DRAINAGE

Pour en savoir plus sur la vitesse dhydroplanages

46 46 46Page 2

III.3 EN VIRAGE - LADHRENCE TRANSVERSALEs s

Une forme dempreinte arrondie pour diminuer la pression quexerce le bourrelet deau sur le pneu

La force centrifuge La drive

Pour en savoir plus Une aire de contact arrondie repousselhydroplanage vers des vitesses plus leves

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63 64

q s

Encart : la problmatique du pneu large Des sculptures orientes pour drainer leau vers les cts

77

VI Les essais dadhrenceVI.1 TESTS DANALYSEs s

65

IV.2 LA ZONE VISCODYNAMIQUE : STOCKAGE DE LEAU

79 79 80

DANS LES CREUX DE SCULPTURE65 65 67q s

Rouleuses Vhicules analytiques

Ecrasement de leau par les pains de gomme

Pour en savoir plus sur le temps de transfert de leauvers les zones de stockage Encart : les lamelles et ladhrence sur sol mouill 81 82 83 84

VI.2 ESSAIS SUR VHICULESs

Essais dadhrence longitudinale

Pour en savoir plus sur le calcul du coefficient dadhrence s

69

IV.3 LA ZONE HUMIDE SCHE : RETROUVER

Essais dadhrence transversale

LE CONTACT SEC69 70s

Des artes pour transpercer le film deau87

Ladhrence sur sols mouills : ce quil faut retenir ...

VII Et la rsistance au roulement ?s s

8871

Do vient la rsistance au roulement ? Maximiser ladhrence et minimiser la rsistance au roulement : un vritable dfi la physique Deux domaines frquentiels distincts

V Ladhrence et le comportement du vhiculeV.1 LES TRANSFERTS DE CHARGEs

88 90

s

72 72 72 73 73

Le transfert de charge longitudinal

A, B, C91

Pour en savoir plus Observons la courbe X(Z)s

Index

Le transfert de charge transversal

Pour en savoir plus Observons la courbe Y(Z)V.2 SOUS-VIRAGE ET SURVIRAGEPage 3

74

Les mcanismes de ladhrence sur routeSi ladhrence nexistait pas, les voitures ne pourraient ni tourner, ni avancer : elles patineraient sur place... Ladhrence est ncessaire mme lorsque la route est droite et que la vitesse est stable. En effet, les vhicules doivent rsister aux forces naturelles qui tendent en permanence les dvier ou les freiner, comme le vent, le dvers de la route, la pente, les irrgularits du sol, la rsistance au roulement, etc. Cependant, pour le conducteur et les passagers, ladhrence se manifeste essentiellement en freinage ou en virage : il faut alors matriser sa trajectoire ou ralentir sans draper mme si la route est mouille. Dans tous les cas, adhrence est synonyme de scurit. Or ladhrence est assure par le pneumatique, organe ultime de contact entre le vhicule et la route. Cest lui qui permet dassurer les deux fonctions fondamentales de la conduite : guider, cest--dire maintenir le vhicule sur la trajectoire voulue ; transmettre, autrement dit, transfrer les couples, moteur et freineur, au vhicule.

Le pneumatique, vecteur essentiel de ladhrenceApparus en 1895, les pneumatiques pour automobiles ont rapidement supplant les roues rigides qui, avec laccroissement de la puissance et de la vitesse des vhicules, mettaient mal la mcanique et les passagers. Mais les pneumatiques napportent pas seulement un progrs en confort. Ils savrent fondamentalement suprieurs aux roues rigides par leur adhrence. En virage ou en freinage, la suspension, les freins et les pneumatiques doivent absorber une part de lnergie cintique du vhicule. Au bout de cette chane, les pneumatiques sont le seul point de contact avec le sol. Et cest la gomme du pneu qui, par ses extraordinaires proprits visco-lastiques, est lorigine des mcanismes dadhrence : il se produit dans laire de contact un fourmillement de phnomnes qui vont tous concourir lutter contre un glissement intempestif du vhicule.

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Prambule

Les deux paradoxes de ladhrenceLadhrence dun pneumatique en roulement peut sembler, premire vue, mystrieuse. Elle prsente en effet deux paradoxes.

2.Vvhicule Vvhicule

Limmobilit dans le mouvement !Lorsquun vhicule avance, laire de contact du pneu sur le sol est, la plupart du temps, immobile ! Pour dcrypter ce premier paradoxe, il convient de revenir la roue. Avant son invention, les hommes utilisaient le traneau. La charge transporter frottait donc terre. A moins dun sol glissant (neige, glace)

Trajectoire dcrite par un point de la roue

de gomme et le sol, globalement, laire de contact demeure instantanment immobile. De vritables glissements entre laire de contact et le sol vont seulement se produire en cas de freinage, dacclration ou de virage.

Glisser pour ne pas glisser !Les vritables glissements entre laire de contact et le sol se produisent uniquement en cas de freinage, dacclration ou de virage. Cest ici que rside le second paradoxe, tout aussi surprenant : pour ne pas glisser, il faut glisser. Gnrer de ladhrence consiste gnrer des forces de frottement qui sopposent au drapage du vhicule sur le sol. Si ce nest que, pour quil y ait frottement, il faut quil y ait glissement. En fait, nous verrons que ladhrence met en jeu des phnomnes de microglissements qui sopposent aux macroglissements du vhicule.

V=0

Au contact avec le sol, la vitesse horizontale instantane est nulle.

Force de traction

Rsistance l'avancement

Ces deux caractristiques sont vraies pour toute roue. Mais la rustique roue en bois ou en mtal, le pneumatique a apport des proprits spcifiques : il sapplatit au contact du sol, et ce nest plus un point qui touche le sol, mais toute une aire de contact dans laquelle lavance des pains de gomme seffectue un peu la faon dune chenille de bulldozer. Or, mme si laplatissement de laire de contact provoque en permanence des micro-mouvements relatifs entre les pains

ou amnag (utilisation de rondins de bois, lubrification), la rsistance lavancement tait leve, puisque le mouvement relatif au contact avec le sol tait gal la vitesse de dplacement de la masse, do un important frottement. Lapparition de la roue est une vritable rvolution : - les mouvements relatifs ne seffectuent plus entre la charge transporter et le sol, mais uniquement au niveau du moyeu ; - le point de contact de la roue est chaque instant immobile par rapport au sol, la vitesse horizontale instantane tant nulle.

2.Vvhicule

Vvhicule

Sol

Aplatissement dans l'aire de contact

V=0Page 5

L a d h r e n c e

I La gomme & ladhrenceLes pneus sont constitus de gommes, matriaux lastomriques auxquels ils doivent en grande partie leurs capacits dadhrence. Nous allons donc, dans un premier temps, rappeler les caractristiques particulires de ces matriaux. Puis nous dtaillerons les phnomnes qui entrent en jeu dans les frottements gnrateurs de ladhrence.

Page 7

I.1

La gomme : un matriau visco-lastiqueQUEST-CE QUUN MATRIAU VISCO-LASTIQUE ?Un matriau visco-lastique est un matriau dformable dont le comportement est intermdiaire entre celui du liquide visqueux et celui du solide lastique. Lorsquun corps parfaitement lastique, comme un ressort, par exemple, est soumis une force, il se dforme instantanment et proportionnellement la force applique, puis, ds que la force ne sapplique plus, il retrouve sa forme initiale. Il y a simultanit entre contrainte et dformation.

Pour en savoir plussur le comportement des matriaux lastiquesCOMPORTEMENT DUN RESSORT SOLLICITATION ALTERNE DUN RESSORTSi on applique une contrainte de type compression-traction, la contrainte et la dformation sont, chaque instant, proportionnelles : les deux signaux sont en phase.

Un fluide visqueux, comme leau ou lhuile, se comporte diffremment : lorsquon enfonce un piston dans un tube rempli dhuile, lavance du piston rencontre une rsistance dautant plus grande quon essaie de lenfoncer rapidement. Dautre part, lorsquon commence appuyer sur le piston, il faut un certain temps avant de percevoir un mouvement. Il y a dphasage entre contrainte et dformation : cest le phnomne dhystrse. La viscosit du fluide est due au frottement entre les molcules qui le composent. Cest lui qui freine son coulement.

J. Toutain

Plus on pousse fort sur le ressort, plus il se rtracte : il y a proportionnalit entre la force F et le dplacement X. F = k.X, o k est la constante de raideur du ressort.Force (ou contrainte)

Ds quon commence pousser sur le ressort, il se contracte, et, ds quon le relche, il reprend sa longueur initiale. Il y a simultanit entre la force (F) et le dplacement (X) (ou entre la contrainte () et la dformation ()) : F(t) = k. X(t) et (t) = . (t) Le retour instantan la position initiale montre que le ressort restitue toute lnergie fournie. Les pertes dnergie sont nulles.

Dplacement (ou dformation)

Notations et dfinitions :Contrainte (note ) : force par unit de surface. Dformation (note ) : allongement ou compression, rapport la longueur initiale. E : raideur intrinsque du matriau, appele module dlasticit.

Page 8

La gomme & ladhrence

Pour en savoir plussur le comportement des matriaux visqueuxCOMPORTEMENT DUN FLUIDE VISQUEUX Plus on pousse fort sur le piston, plus il rsiste lavancement. La force F fournir pour pousser le piston nest pas proportionnelle au dplacement, mais proportionnelle . la vitesse davance du piston . . F = . , o est la constante de viscosit du fluide. Lorsquon pousse brusquement sur le piston, il ne bouge pas instantanment. Il faut attendre quelques instants pour que le mouvement du piston devienne perceptible. Le mouvement du piston est en retard sur lapplication de la force : cest lhystrse. Lorsquon relche le piston, il ne revient pas sa position dorigine. Lnergie fournie nest pas restitue, mais dissipe dans le fluide : il y a perte dnergie.

Un matriau visco-lastique, comme un chewinggum... ou un lastomre, a un comportement intermdiaire entre celui du ressort parfait et celui du fluide visqueux. Un matriau visco-lastique que lon a dform retrouve sa forme initiale, mais seulement au bout dun certain temps (pas toujours perceptible pour lobservateur). Cest le phnomne dhystrse.

SOLLICITATION ALTERNE DUN FLUIDE VISQUEUXSi on applique une contrainte de type compression-traction, la dformation apparat en retard sur la contrainte. Les deux signaux sont en quadrature de phase (=/2) : lorsque la force est maximum, la dformation est minimum et inversement.

Ce retard saccompagne dune dperdition dnergie, sous forme de chaleur. Cest la perte.

Nous allons voir plus loin que le phnomne dhystrse, directement li au phnomne de perte, est lorigine des mcanismes dadhrence des pneumatiques.

Dphasage ( = /2) ou hystrse

Force (ou contrainte)J. Toutain

Dplacement (ou dformation)

Page 9

Pour en savoir plussur le comportement des matriaux visco-lastiquesCOMPORTEMENT DUN SOLIDE VISCO-LASTIQUE Un matriau visco-lastique peut-tre reprsent par un couple ressort + piston.

SOLLICITATION ALTERNESi on applique une contrainte de type compression-traction, la dformation est en retard sur la contrainte applique, mais le dphasage () est moins grand pour un matriau visco-lastique que pour un matriau purement visqueux.

Une grande varit dlastomres naturels et synthtiques entrent dans la fabrication des pneumatiques.

0

0

Perte = tan

Dphasage () ou hystrseJ. Toutain

Force (ou contrainte) Dplacement (ou dformation)

Il y a dissipation partielle de lnergie fournie. Cest la perte. Par rapport la contrainte applique, la compression puis le retour ltat initial seffectuent avec retard : cest le phnomne dhystrse.

Notations :Le dphasage angulaire est not ; il est directement li au dphasage temporel quest lhystrse. Le coefficient de perte, qui traduit laptitude du matriau dissiper de lnergie, est not tan . La fabrication dune gomme requiert de nombreux ingrdients, cest pourquoi les gommes qui composent les pneus sont appels mlanges. On voit ici des lastomres, du soufre, des anti-oxydants, de loxyde de zinc, un acclrateur de vulcanisation. On utilise aussi des charges renforantes (noir de carbone, silice).

Page 10

La gomme & ladhrence

DO VIENT LA VISCO-LASTICIT DE LA GOMME DES PNEUMATIQUES ?Les gommes qui constituent les pneumatiques sont des lastomres vulcaniss. Ces matriaux lastomriques sont constitus dun ou plusieurs polymres, cest--dire de longues chanes molculaires qui se placent spontanment en forme de pelotes et senchevtrent les unes aux autres. Pour fabriquer le pneu, ces matriaux sont vulcaniss, cest--dire cuits aprs incorporation de soufre. La cuisson provoque la cration dun certain nombre de ponts de soufre entre les chanes de polymres.

Ds quelle dispose dun point dancrage, une chane de polymre isole se comporte comme un petit ressort.

J. Toutain

Ponts de soufre

On pourrait donc croire, a priori, que le rseau de chanes polymriques issues de la vulcanisation constitue un rseau de ressorts dont le comportement est parfaitement lastique.Ponts de soufre

J. Toutain

Chaque chane molculaire est confine par son environnement, constitu des autres chanes, dans un espace que lon peut symboliser par un tube coud. Lorsquon tire puis quon relche la molcule, elle frotte sur les parois de ce tube, ce qui ralentit ses mouvements.

J. Toutain

J. Toutain

Cependant, en se dplaant, les segments de chanes compris entre les ponts de soufre frottent sur leur environnement constitu par les autres chanes. Cest ce phnomne qui confre au matriau sa composante visqueuse.Page 11

J. Toutain

Selon leur formulation, les mlanges lastomriques peuvent avoir des comportements diffrents. La viscosit du mlange obtenu varie principalement en fonction du choix des polymres (polyisoprne, polybutadine, butadine-styrne, etc.). Elle varie galement en fonction de la quantit de ponts de soufre crs par vulcanisation, ainsi que de la nature et de la quantit de charges renforantes. Outre la perte et lhystrse, la comprhension du comportement de la gomme fait intervenir une autre grandeur : la rigidit du matriau, qui est caractrise par son module.

LE MODULE DE LA GOMMELe module caractrise la rigidit dun matriau : un module faible caractrisera un matriau plutt mou, tandis quun matriau dur possdera un module lev.

Sollicitation alterne dun lastomreContrainte

Ce module est dfini comme le rapport de la contrainte sur la dformation (/). Pour ladhrence, la composition des gommes des bandes de roulement des pneumatiques est, en premire approche, choisie de telle sorte que leur module soit modr (comportement souple) et leur hystrse maximale. Cependant, nous allons voir maintenant que perte, hystrse et module varient non seulement dun mlange lautre, mais galement, pour un mlange donn, en fonction de la frquence de sollicitation et de la temprature.

0

0

Dformation Perte = tan

Dphasage () ou hystrseModule = 0/0 Mesure de rigidit dun matriau laide dune machine de traction.

Page 12

La gomme & ladhrence

I.2

Influence de la frquence de sollicitation et de la temprature sur le comportement de la gommeLe module, la perte et lhystrse dun matriau visco-lastique varient en fonction de deux paramtres : la frquence de sollicitation et la temprature qui exercent, lune par rapport lautre, des effets inverses.Domaine de fonctionnement des gommes de bande de roulement

Perte

A chaque fois que lon tire sur la chane molculaire, elle doit se dplacer dans son tube de confinement : ce moment-l, la chane se tend en certains endroits et se comprime en dautres.

INFLUENCE DE LA FRQUENCE DE SOLLICITATIONReprenons la reprsentation ressort + piston : A basse frquence, la vitesse de dformation est faible. La force fournir pour dplacer le piston est petite. Le piston offre peu de rsistance. Cest le ct ressort qui domine. Le matriau apparat plutt lastique. Son hystrse est faible. On dit que le matriau a un comportement caoutchoutique. Si la frquence augmente, la force fournir pour dplacer le piston et la rsistance du piston augmentent. Le ct piston prend de limportance. Le matriau apparat visco-lastique. Cest la plage de frquences la plus favorable ladhrence, car lhystrse est maximale. Si la frquence augmente encore, le matriau devient quasiment indformable. Que se passe-t-il dans le matriau ? Nous avons vu que chaque chane molculaire tait confine dans son environnement, constitu des autres chanes.

Comportement caoutchoutique

Comportement vitreux

Zone de tensionZone d'hystrse maximale

Log de frquence ( temprature donne)

Domaine de fonctionnement des gommes de bande de roulement

Module

Comportement caoutchoutique

Comportement vitreux

Zone d'hystrse maximale

Log de frquence ( temprature donne)

Entre deux sollicitations, la chane revient sa position dquilibre (phnomne appel relaxation) plus ou moins rapidement suivant la vitesse de mobilit molculaire. Si la vitesse de sollicitation devient suprieure la vitesse de mobilit molculaire, la chane ne revient plus sa position dquilibre entre deux sollicitations. Ainsi, basse frquence, la chane est relativement mobile par rapport la vitesse de sollicitation : le matriau apparat souple et lastique. Si la frquence augmente, les retours la position dquilibre se produisent en retard par rapport aux sollicitations : cest lhystrse. Enfin, si la frquence continue daugmenter, les chanes nont plus du tout le temps de revenir leur position dquilibre entre deux sollicitations : les tensions deviennent permanentes et le matriau devient rigide, perdant tout caractre visqueux : le module de la gomme tend rapidement vers sa valeur maximale et son comportement sapparente celui du verre (do le nom de comportement vitreux).Page 13

INFLUENCE DE LA TEMPRATURELa temprature agit sur le comportement de la gomme inversement la frquence. A trs basse temprature, le module de la gomme est lev, cest--dire que le matriau a un comportement rigide et cassant, un peu comme le verre. A temprature leve, le module est faible, le matriau est souple et lastique (comportement caoutchoutique). Cest dans la plage intermdiaire de tempratures, situe autour de la temprature appele temprature de transition vitreuse*, que le matriau est le plus visqueux. Les chanes de polymres sont suffisamment dformables pour que les segments de chanes entre les ponts de soufre puissent se mouvoir. En se dplaant, ils frottent sur leur environnement (constitu des autres chanes), ce qui retarde leurs mouvements (hystrse). Le matriau a un comportement visco-lastique. Nous verrons bientt le rle essentiel de lhystrse dans ladhrence.Module

Que se passe-t-il dans le matriau ?Domaine de fonctionnement des gommes de bande de roulement

En fait, toute augmentation de temprature facilite le mouvement, par lvation de la vitesse de mobilit molculaire.Zone d'hystrse maximale Comportement vitreux Comportement caoutchoutique

Pour mieux comprendre ce phnomne, prenons lexemple dune huile de cuisson : lorsque lon verse de lhuile dans une pole, elle scoule lentement. Mais lorsquon fait chauffer la pole, lhuile devient plus fluide : elle scoule plus vite. Ainsi, lorsque la temprature augmente, les chanes molculaires reviennent plus vite leur position dquilibre, et peuvent supporter des frquences de sollicitation plus leves sans se rigidifier : le matriau apparat souple et lastique. De plus, le tube de confinement, lui-mme constitu par les autres chanes environnantes, devient plus souple ; cest comme sil slargissait, laissant plus de place la molcule pour se mouvoir.

Temprature de transition vitreuse (Tg)

Temprature C ( frquence donne)

Lors dun chauffement de la gomme depuis des tempratures trs basses, le module, au moment de la transition vitreuse, est divis par un facteur mille environ. Simultanment, la perte, et donc lhystrse, passent par un maximum.Domaine de fonctionnement des gommes de bande de roulement

Perte

Zone d'hystrse maximale Comportement vitreux Comportement caoutchoutique

*La temprature de transition vitreuse est la temprature au-dessous de laquelle une gomme tend vers un comportement de plus en plus vitreux et au-dessus de laquelle le matriau tend vers un comportement de plus en plus dformable. Elle est note Tg : T pour temprature, g pour glass, qui signifie verre, en anglais.

Temprature de transition vitreuse (Tg)

Temprature C ( frquence donne)

Balle de caoutchouc naturel Page 14

La gomme & ladhrence

EQUIVALENCE FRQUENCETEMPRATUREOn remarque donc une quivalence entre les effets dune augmentation de la temprature et ceux dune diminution de la frquence. Chaque fois que, temprature donne, on augmente la vitesse de sollicitation, le matriau se rigidifie. Inversement, chaque fois que, vitesse de sollicitation donne, on lchauffe, il se ramollit.

Module

Le formulateur est capable dobtenir des mlanges dont la temprature de transition vitreuse 10 Hz est comprise entre -60 C et 0C. La composition des gommes des bandes de roulement des pneumatiques est choisie de telle sorte que leur module soit plutt modr (comportement souple) et leur hystrse plutt leve dans le domaine de frquences de sollicitation et de tempratures de ladhrence. Nous allons voir, en effet, que dformabilit et viscosit sont les deux facteurs cls des mcanismes dadhrence.40

3200

1600

800

Comportement vitreux400

Comportement caoutchoutique

200

100

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

Temprature C

Tout est affaire dquilibre entre vitesse de mobilit molculaire - qui augmente avec la temprature - et vitesse de sollicitation. Si la vitesse de sollicitation est plus grande que la vitesse laquelle la molcule est capable de se mouvoir dans son environnement, le matriau apparat rigide (vitreux). Si la vitesse de sollicitation est plus petite, le matriau apparat souple (caoutchoutique). Une loi permet de dterminer lquivalence frquencetemprature ( condition de rester dans un domaine proche du point de fonctionnement tudi). Il sagit de la loi WLF (William Landel Ferry). Pour donner un ordre de grandeur, on peut considrer que, dans le domaine des basses frquences (de 10 105 Hz), la progression dun facteur 10 en frquence a le mme effet sur le comportement de la gomme quune baisse de temprature de 7 8C. Par exemple, un lastomre dont la transition vitreuse est -20 C 10 Hz aura une transition vitreuse aux alentours de +10C 105 Hz.

Temprature de transition vitreuse (Tg)

10 Hz

La courbe est tablie 10 Hz (ci-dessus). La loi WLF permet de dduire la courbe pour dautres frquences de sollicitation (ci-dessous).

Module

3200

1600

800

400

Comportement vitreux

Comportement caoutchoutique

200

100

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Temprature de transition vitreuse (Tg)

Temprature C

100 000 Hz

Page 15

Pour en savoir plussur la loi WLFPour chaque gomme donne, la temprature de transition vitreuse (Tg) augmente avec la frquence de sollicitation, ce qui dcale le comportement vitreux vers des tempratures plus leves. Cette augmentation de la Tg suit une loi typique appele loi WLF (Williams Landel Ferry).

Log de frquence

Zone vitreuse

6

4

2Zone caoutchoutique

0 -50 0

Lig ne de Tg

8

50 100 150T en C

Page 16

La gomme & ladhrence

I.3

Les mcanismes mis en jeu lors du frottement gomme/solDans le phnomne dadhrence, deux mcanismes de sollicitation interviennent sous leffet dun glissement relatif entre llastomre et le sol : le premier est lexcitation frquentielle du matriau par indentation : il sagit dune dformation de la gomme par glissement sur les asprits du sol dont la taille varie du centimtre (domaine de la macrorugosit) au micron (domaine de la microrugosit). le deuxime est ladhsion, phnomne de liaison molculaire qui intervient une chelle de lordre du centime de micron et qui se trouve amplifi par le glissement. Dans ces deux cas, le caractre visco-lastique de la gomme, notamment son hystrse, joue un rle important.

LE PHNOMNE DINDENTATIONLa souplesse de la gomme lui permet dpouser la forme des asprits du sol. Lorsquun bloc de gomme glisse sur le sol, sa dformation, parce que le matriau est visqueux, se produit comme un coulement : le bloc vient buter contre lasprit, se dforme, mais, par un effet dhystrse, ne redescend pas immdiatement sa hauteur initiale de lautre ct de lasprit. Lenveloppement dissymtrique de lasprit par le matriau visco-lastique gnre des forces de raction qui sopposent au glissement.

La condition essentielle pour que lindentation de la gomme entre en jeu est la prsence sur la route dasprits de dimension comprise entre quelques microns et quelques millimtres. Mme en prsence deau, le phnomne fonctionne efficacement. Lindentation se produit dans une plage de frquences de sollicitation comprise entre 10 2 et 10 6 Hz.

Plage de frquences de lindentationGomme

Vitesse de glissement (Vg)

Force d'

Frquence =

Vg e

Espacement (e)Sol(de lordre du millimtre)

Ordres de grandeur : 1 m/s < Vg < 5 m/s 10 -6 m < e < 10 -2 m

On peut modliser lindentation au premier ordre par un ensemble ressort-amortisseur qui subit un cycle de compression-dtente dformation impose. Dans lamortisseur, la dformation gnre de lhystrse (donc une perte dnergie) chaque cycle. La dformation dissymtrique du pain de gomme autour de lasprit gnre un champ de forces, dont la composante tangentielle X soppose au glissement.

6 5 4 3 10 2 10 10 10 10

Frquence de sollcitation, en Hz (chelle log)

Page 17

LE PHNOMNE DADHSIONLadhsion rsulte dinteractions molculaires se produisant au niveau de linterface gomme/sol (liaisons de Van der Waals*). Ces liaisons se forment, stirent puis se rompent pour se reformer plus loin. Les chanes molculaires de la gomme suivent donc un cycle dtirement-rupture qui gnre un travail visco-lastique (frottement des chanes molculaires entre elles dans un certain volume du matriau). Ce travail multiplie les nergies de liaison par un facteur pouvant varier entre 100 et 1000 en fonction de la temprature et de la vitesse de glissement de la gomme sur le sol. La condition essentielle pour que ladhsion entre en jeu est que la gomme soit en contact direct avec le sol (distance entre la gomme et le sol infrieure 10 -6 mm), cest--dire que le sol soit propre et sec. Les phnomnes dadhsion se produisent dans une plage de frquences de sollicitation comprises entre 10 6 et 10 9 Hz.Cycle de sollicitation : 1 La liaison se cre. 2 La chane molculaire est tire : son caractre visqueux (reprsent par le piston) rsiste la dformation, gnrant une force de frottement X qui soppose au glissement. 3 La liaison se rompt, pour se reformer plus loin.

Gomme

Vitesse de glissement (Vg)

3

2

1

Sol

de lordre du centime de micron

Plage de frquences de ladhsionForce d'

POUR NE PAS GLISSER, IL FAUT MICRO-GLISSER ! Dans les deux mcanismes que nous venons de dcrire, si la gomme ne glissait pas sur le sol, les forces de raction la dformation et les forces de liaisons molculaires ne seraient pas tangentielles mais uniquement verticales. Seule une amorce de glissement peut gnrer des forces sopposant au glissement.* Physicien hollandais, prix Nobel 1910 Page 18

Frquence =nombre de cycles/s

10 6

10 7

10 8

10 9

Frquence de sollcitation, en Hz (chelle log)

Ce quil faut retenir

I La gomme & ladhrenceLa gomme fait partie des matriaux visco-lastiques dont on peut symboliser le comportement par un couple ressort + piston Ce sont des matriaux qui prsentent une dformabilit rversible, mais qui, aprs avoir subi une dformation, ne retrouvent leur forme initiale quau bout dun certain temps. Il y a retard entre contrainte et dformation : cest lhystrse. Ce dphasage saccompagne dune dperdition dnergie : cest la perte. Le comportement de la gomme (souplesse, hystrse et perte) varie en fonction de la temprature et de la frquence de sollicitation : Lorsque la frquence augmente, la gomme tend passer de ltat caoutchoutique ltat vitreux (dur et cassant). Lorsque la temprature augmente, la gomme tend passer de ltat vitreux ltat caoutchoutique. On peut considrer que, dans le domaine des basses frquences (de 10 10 5 Hz), la progression dun facteur 10 en frquence a le mme effet sur le comportement de la gomme quune baisse de 7 8C en temprature. Cest autour de la temprature de transition vitreuse (qui augmente avec la frquence) quune gomme donne prsente une hystrse maximale allie une souplesse convenable. Ces deux caractristiques favorisent les mcanismes de frottement gnrateurs dadhrence. Les gommes des bandes de roulement sont formules pour se situer dans cette zone en conditions de roulage.

Domaine de fonctionnement des gommes de bande de roulement

Zone d'hystrse maximale Comportement caoutchoutique Comportement vitreux

Perte d'nergie Module (rigidit)

Log de frquence ( temprature donne)

Domaine de fonctionnement des gommes de bande de roulement

Zone d'hystrse maximale Comportement vitreux Comportement caoutchoutique

Perte d'nergie Module (rigidit)

Temprature de Temprature transition vitreuse ( frquence donne)

Page 19

Ce quil faut retenir

I La gomme & ladhrenceLadhrence des pneumatiques rsulte de lexcitation frquentielle de la gomme sous leffet dun glissement sur le sol. Deux mcanismes de frottement interviennent.

LINDENTATION

LADHESIONGomme

Gomme

Vitesse de glissement (Vg)

Vitesse de glissement (Vg)

Sol

Espacement (e)(de lordre du millimtre)

Sol

de lordre du centime de micron

Le bloc vient buter contre lasprit, se dforme, mais, par un effet dhystrse, ne redescend pas immdiatement sa hauteur initiale de lautre ct du pain de gomme. Cette dformation dissymtrique gnre un champ de force dont la composante tangentielle X soppose au glissement. PLAGE DE FRQUENCES DE LINDENTATIONForce d'

La chane molculaire est tire : son caractre visqueux (reprsent par le piston) rsiste la dformation, gnrant une force de frottement X qui soppose au glissement.

PLAGE DE FRQUENCES DE LADHSIONForce d'

6 5 4 3 10 2 10 10 10 10

Frquence de sollcitation, en Hz (chelle log)

10 6

10 7

10 8

10 9

Frquence de sollcitation, en Hz (chelle log)

Mme sur sol mouill, lindentation peut fonctionner : cest la composante fidle de ladhrence.Page 20

Sur sol mouill, ladhsion ne peut plus soprer.

L a d h r e n c e

II Influence du revtement routier sur ladhrenceQui dit adhrence, dit ncessairement contact entre deux lments. Pour ladhrence routire, le premier est la gomme du pneu, le second est le revtement routier. Les caractristiques de celui-ci (nature, rugosit) et son tat (propret, humidit, etc.) vont conditionner fortement ladhrence.

Photodisc

Page 21

II.1

Caractrisation des revtements routiersPour adhrer, le pneu doit avoir un partenaire - le revtement routier - qui doit exciter les mcanismes gnrateurs de ladhrence : lindentation et ladhsion. Pour cela, deux conditions. Le mcanisme dindentation requiert que le revtement prsente des indenteurs, cest--dire de petites asprits qui vont senfoncer superficiellement dans la gomme. Ladhsion ncessite un contact direct entre la gomme et le sol. Il faut pour cela que la surface de contact entre le pneu et la route ne soit plus mouille. Pour vacuer leau, le revtement offre deux solutions : drainer leau vers les cts (par le dvers) ou en profondeur (par porosit) ; stocker leau dans les creux du revtement pour dgager le sommet des asprits.

Correspondance l'chelle du pneu

Irrgularits du sol (chelle log) Domaine

Mcanisme d'adhrence

Dveloppement tour du pneu Longueur de l'aire de contact Pain de sculpture Largeur de lamelle

200 cm 20 cm 2 cm 2 mm 200 m 20 m 2 m 2000 200 20 chelle molculaire Macrorugosit

lastomre ("pelote")

Microrugosit

Page 22

Adhsion

Indentation

Influence du revtement routier

En consquence, les mthodes de caractrisation des revtements routiers - du point de vue de ladhrence - vont consister mesurer leur gomtrie de surface en sintressant plusieurs paramtres : la macrorugosit (distance entre deux gros indenteurs, comprise entre 100 microns et 10 millimtres), qui participe au drainage et au stockage de leau ainsi qu lindentation. La macrorugosit est une caractristique lie la dimension des granulats entrant dans la composition du revtement routier ;Microrugositcart-type compris entre 0,001 et 0,1 millimtre

On peut galement caractriser globalement le coefficient dadhrence dun couple sol/gomme laide dun patin de gomme ou dun pneu de rfrence. Le coefficient de frottement, ou coefficient dadhrence, est une valeur qui ne peut tre dfinie que pour un couple gomme/sol.

MESURE DE LA MICRORUGOSITLa microrugosit est apprcie par des mthodes indirectes. On peut notamment observer la taille des microrugosits en effectuant, au microscope optique ou lectronique, des photos de surface de granulats. Ces photos sont ensuite compares une chelle subjective, gradue de 1 (pour un sol talon super-lisse) 100 (pour un sol talon super-rugueux).

Le paramtre sol sous-entend non seulement la nature du sol mais galement son tat (sec, humide, mouill, neuf, us, etc.). Ce nest que dans la mesure o lon caractrise le coefficient de frottement avec une gomme de rfrence, que, par extension, on parle souvent du coefficient de frottement dun sol. Cette expression est donc utiliser avec prcaution.

MESURE DE LA MACRORUGOSITMacrorugositcart-type compris entre 0,1 et 10 millimtres

la microrugosit (distance entre deux petites rugosits, comprise entre 1 et 100 microns), qui est principalement lorigine des phnomnes dindentation. La microrugosit est lie aux asprits de surface des granulats et aux sables entrant dans la composition du revtement ; la surface portante, qui dpend de la rugosit et conditionne les pressions locales dans laire de contact.

La macrorugosit peut tre mesure sur le revtement, sur carottage ou sur moulage. On utilise des capteurs optiques, qui mesurent laltitude des rugosits. Une autre mthode, appele hauteur au sable, consiste araser, la surface de la chausse, un volume dtermin de sable normalis en une tache circulaire. On mesure ensuite la surface circulaire du sable tendu et on en dduit la hauteur moyenne du rseau de creux du revtement.*

* Cette mthode ncessite plusieurs mesures pour tre reprsentative et ne peut tre utilise dans le cas denrobs drainants. Page 23

Notions sur les revtements routiersGranulats Fines

Les revtements routiers sont constitus de granulats minraux provenant du concassage de roches dures (du grs ou du granit, par exemple), de sable et de fines rendus solidaires par un liant (le plus souvent du bitume). La taille des granulats, constituant principal, varie de 6 14 mm. Les revtements de surface peuvent tre raliss en appliquant sur la route une couche de liant (mulsion de bitume) sur laquelle on rpand ensuite les granulats 6/10 mm ou 10/14 mm : ces revtements sont appels enduits superficiels. Mais le plus souvent, les granulats, le sable et les fines sont mlangs chaud au liant pour constituer un bton bitumineux, rpandu mcaniquement sur la route et compact. Il existe de nombreux types de btons bitumineux dfinis dans les normes. Ces btons se distinguent par leur formule qui leur donne les caractristiques appropries diffrents usages, comme par exemple les couches de structure ou les couches de surface.

Pour les btons bitumineux, les granulats, la fraction sableuse et les fines (qui constituent un ensemble li) sont distribus de telle sorte que le volume de vide entre eux soit le plus faible possible, ce qui confre lensemble cohrence mcanique et tanchit. Dans le cas des btons bitumineux drainants, la distribution granulaire est calcule pour conserver des vides communiquants permettant lcoulement de leau.

Liant

Revtement classique : enrob bitumineux, o les fines, en occupant lespace laiss libre par les gros granulats, confrent lensemble une bonne compacit mcanique.

Granulats

Liant

Bton bitumineux drainant : les eaux pluviales peuvent scouler dans les espaces laisss libres entre les granulats. Le liant assure le collage aux points de contact entre les granulats.J. Toutain

Page 24

Influence du revtement routier

Mesure de la surface portanteempreinte de sol trs rugueux Le marquage de la feuille intercale entre le revtement routier et le patin de gomme permet de dterminer le taux de porte au sol pour une gomme donne et la pression moyenne sur les indenteurs.

MESURE DE LA SURFACE PORTANTECette mesure consiste dterminer quelle proportion de la surface dun patin de gomme, comprim sur un sol une pression donne, est effectivement en contact avec le sol. Une mthode consiste prendre une empreinte du contact entre le patin et le sol. Les rsultats de cette mesure montrent que, en gnral, sur les revtements routiers neufs, seuls 5 10 % de la surface du patin portent sur les asprits du sol.

empreinte de sol peu rugueux

Taux de porte au sol et pression dans laire de contact

Pression de gonflage

2 bars

150 cm2

8 bars

500 cm2

Pour un pneu de tourisme, la surface portante sur sol neuf est de 7 15 cm2 et dveloppe des pressions locales de 40 bars et plus. Pour un pneu poids lourd, la surface portante est de 25 50 cm2 et les pressions locales atteignent 150 bars et plus. Sur un sol us, la microrugosit est moindre et les pressions locales diminuent.

Taux dentaillement

30 %

30 %

Pression moyenne dans laire de contact

3 barssur sol trs rugueux sur sol peu rugueux

11 barssur sol trs rugueux sur sol peu rugueux

Taux de porte au sol

7%Pression locale sur les indenteurs (valeur moyenne)

60% 5 bars

7% 157 bars

60% 18 barsPage 25

43 bars

Fonctionnement du pendule SRT2 1

CARACTRISATION GLOBALE DU COEFFICIENT DE FROTTEMENT DUN COUPLE SOL/GOMMEMesure sur patin de gomme

h

Sol mouill Longueur de contact prrgle 127 mm

Le pendule SRT permet de connatre le coefficient de frottement caractristique dun couple gomme/sol mouill. Le frottement du patin sur le sol est reprsentatif dune vitesse de glissement de 3 m/s.

Cette mesure est effectue laide dun appareil appel pendule SRT (Skid Resistance Tester). Le pendule est muni son extrmit dun support lastique garni dun patin de caoutchouc que lon va faire frotter sur un sol mouill. La hauteur du pendule est rgle pour une course de frottement calibre. Lnergie initiale du systme est connue daprs langle 1, lnergie rsiduelle aprs frottement sur le sol lest daprs langle de remonte 2. La diffrence entre les deux angles indique lnergie consomme par frottement, qui caractrise ladhrence du couple patin/sol mouill.

Mesures sur pneumatiques de rfrenceCes mesures consistent mesurer les efforts dvelopps dans laire de contact dun pneumatique tran sur une route mouille, dans des conditions de vitesse, de charge et de pression de gonflage donnes. Ces mesures peuvent tre de deux types : soit on empche la roue de tourner (situation de roue bloque) et on mesure le couple de rentrainement au niveau du moyeu. On en dduit un coefficient dadhrence longitudinale. soit la roue est libre de tourner, mais on lui impose un angle de drive par rapport la trajectoire. On mesure alors leffort tendant ramener la roue dans la trajectoire et on en dduit un coefficient dadhrence transversale.

Photodisc

Page 26

Influence du revtement routier

II.2

Influence des revtements routiers sur le coefficient de frottementOn peut en premire approximation classer les revtements routiers en quatre grandes catgories. On observe que le coefficient de frottement (ou coefficient dadhrence) dun revtement routier sec a toujours une valeur comprise entre 1 et 1,3*. Par contre, sur revtement mouill, le coefficient dadhrence est toujours dgrad et varie normment avec la nature du sol. Revtement macrolisse et microrugueux Echelle des microrugosits

RugueuxRevtement macrorugueux et microrugueux

Echelle des macrorugosits

* Valeurs de max

LisseRevtement macrolisse et microlisse

RugueuxRevtement macrorugueux et microlisse

N.B.

Il nexiste pas de frontires entre ces catgories : il y a continuit entre elles.

Lisse

Photodisc

Page 27

VARIATIONS DU COEFFICIENT DADHRENCE SUR SOLS SECSCes variations sont faibles, et on peut considrer, en premire approche, que tous les sols secs prsentent des coefficients dadhrence proches de 1. Les faibles variations constates (de 1 1,3) sexpliquent par le fait que lefficacit des mcanismes dadhsion et dindentation dpend de la rugosit du sol.

La bande de frquence dexcitation dpend du pas des rugosits du sol (e) et de la vitesse de glissement (Vg) de la gomme sur le sol.

Exemples de frquences de sollicitationRugosits macrorugosit de 1 cm macrorugosit de 0,2 mm Frquences pour Vg = 1 m/s 10 2 5.10 3 Rugosits microrugosit de 0,1 mm microrugosit de 1 m Frquences pour Vg = 5 m/s 5.10 4 5.10 6

AdhsionLe mcanisme dadhsion ncessite un contact direct entre la gomme et le sol. Il varie donc avec la surface portante dans laire de contact, qui, pour un pneu et une pression de gonflage donns, diminue lorsque la rugosit du sol augmente. Mais la rugosit du sol est ncessaire au mcanisme dindentation.

IndentationDs quil y a amorce de glissement de la gomme sur le sol, la macrorugosit et la microrugosit du sol provoquent une excitation frquentielle de la gomme sur toute une plage frquentielle : cest lindentation.

En ralit, un revtement routier comporte des macro-indenteurs et des micro-indenteurs de diffrentes chelles et excite la gomme des bandes de roulement sur toute une plage de frquences. Les bandes de frquences sollicites par indentation varient donc en fonction de la combinaison type de sol/vitesse de glissement.

Dans le domaine des frquences de fonctionnement des pneumatiques et pour des tempratures suprieures la temprature de transition vitreuse (Tg), les caractristiques des matriaux lastomres des bandes de roulement sont telles que leur hystrse augmente quand la frquence de sollicitation augmente. Or lhystrse est le paramtre cl de lefficacit du mcanisme dindentation. Par consquent, vitesse de glissement donne, ladhrence par indentation samliore lorsque lchelle des rugosits du sol diminue... Mais cette relation nest vraie que si les frquences balayes restent comprises entre 10 2 et 10 6 Hz (domaine de frquences de lindentation) ... et condition de ne pas provoquer un chauffement trop important de la gomme par un freinage brutal*.* Lors dun freinage brutal, en labsence de systme antiblocage des roues (ABR), les roues du vhicule peuvent se bloquer et la temprature dans laire de contact peut atteindre 200C. De telles tempratures entranent une dcohsion de la gomme en surface de laire de contact (on laisse de la gomme sur la chausse) et lindentation ne peut plus jouer pleinement son rle.

Vitesse de glissement

Sol aGomme

V2Vitesse de glissement (Vg)

Sol b Sol a Sol b2 3 4 5 6 7 10 Plages de

V1Sol

Espacement (e)(de lordre du millimtre)

10

10

10

10

10

Domaine de l'indentationPage 28

frquences sollicites (Hz)

Influence du revtement routier

VARIATIONS DU COEFFICIENT DADHRENCE SUR SOLS HUMIDES OU MOUILLSSur sol humide, le coefficient dadhrence est toujours dgrad et varie normment avec la nature du sol. Cela tient au fait que, en prsence dun film deau entre la gomme et le sol, le mcanisme dadhsion ne peut plus oprer, moins de parvenir transpercer ce film. En revanche, le mcanisme dindentation fonctionne encore : cest la composante fidle de ladhrence. Sur sol humide, on constate que ce sont les revtements microrugueux qui prsentent la meilleure adhrence.La microrugosit, en La macrorugosit joue un rle de drainage et de stockage crant des pressions locales mais ne parvient pas transpercer leves entre le sol et le pneu, le film d'eau rsiduel aide transpercer le film d'eau

Importance de linfluence des sols routiers sur ladhrenceTypes de revtement Coefficient de frottement en conditions humides/mouilles

0,9Revtement macrorugueux / microrugueux (enrobs drainants, btons bitumineux)

0,8

Revtement macrolisse / microrugueux (enrobs fins)

0,5 0,4 0,3

Revtement macrorugueux / microlisse (granulats rouls)

0,2

0,2 0,1

Revtement macrolisse / microlisse (enrobs ressus)

Si la hauteur deau augmente (sol mouill), les microindenteurs peuvent tre inonds. Les macro-indenteurs continuent jouer leur rle dindentation, de drainage et de stockage, mais, grande vitesse, il y a risque dhydroplanage. Leau perturbe donc ladhrence et le rle des pneumatiques consistera lliminer le plus rapidement et le plus efficacement possible en jouant sur la forme de laire de contact, la sculpture de la bande de roulement et la lamellisation.

Coefficient de frottement sur sol secLorsquils sont secs, tous les revtements routiers prsentent un coefficient dadhrence compris entre 1 et 1,3.

Page 29

IMPORTANCE RELATIVE DU FACTEUR GOMME ET DU FACTEUR SOL DANS LADHRENCEOn constate que passer dun type de sol un autre a plus dinfluence sur le coefficient dadhrence que de passer dun mlange de bande de roulement un autre.

ET LA NEIGE ?En fonction de la temprature et du travail mcanique de tassement occasionn par le passage des vhicules, la neige passe par diffrents tats qui sapparentent dautres types de sols : la neige fondante sapparente leau, que nous traiterons dans un chapitre suivant ; la neige frache profonde sapparente un sol meuble, que nous ne traiterons pas ici ; la neige compacte et froide sapparente la glace sche.

Effet des variations de sol sur ladhrence (pour un pneu donn)Coefficient dadhrence Revtements secs (tous) Revtement humide Revtement macro et microrugueux

Effet des variations de gomme sur ladhrence(pour un revtement humide et un pneu donn) Coefficient dadhrence 0,8 0,7 0,6

ET LA GLACE ?A trs basse temprature, la glace est sche et sapparente un sol microrugueux (microrugosit de 10- 6 m) permettant les phnomnes de micro-indentation et dadhsion. Mais ces micro-indentations sont trs petites et facilement inondables. Or, lorsque la temprature est comprise entre -5 et 0C, la pression des pneus au passage dun vhicule provoque une fusion superficielle de la glace qui se recouvre dun mince film deau. La glace sapparente alors un sol microlisse inond (la fusion fait disparatre une grande partie de la microrugosit). Neige et glace sont des sols froids qui ncessitent pour le pneumatique lutilisation de gommes conservant un module modr basse temprature*.

1 1,3

Mlange comptition Mlange tourisme 1 Mlange tourisme 2

0,7

Revtements mouills Revtement macro et microrugueux Revtement macro et microlisse

0,6 0,2

Mlange poids lourd

0,55

Coefficients dadhrence maximum (max) mesurs pour un pneu MXV3A sur diffrents sols : sol sec, enrob drainant humide, bton bitumineux mouill avec hauteur deau de 2 mm, bton poli mouill avec hauteur deau de 2 mm.

Coefficients dadhrence maximum (max) dun pneu MXT 175/70 R 14 sur enrob drainant humide, pour diffrents mlanges de la bande de roulement.

* Voir le chapitre concernant linfluence de la temprature sur le comportement de la gomme page 14. Page 30

Ce quil faut retenir

II Influence du revtement routier sur ladhrence Pour adhrer, le pneumatique doit tre en contact avec le revtement routier qui, par sa rugosit, va exciter les deux mcanismes gnrateurs dadhrence : lindentation et ladhsion. On peut, pour une gomme donne, caractriser le coefficient de frottement dun sol. Par TEMPS SEC, ce coefficient de frottement dpend peu du type de revtement : il est toujours voisin de 1*. Par temps de PLUIE, le coefficient dpend fortement du type de revtement.* Valeurs de max 4 GRANDS TYPES DE REVTEMENT En conditions humides/mouilles, des coefficients de frottement trs diffrents

0,9Revtement macrorugueux / microrugueux (enrobs drainants, btons bitumineux)

0,8

Le phnomne dadhsion reste possible grce aux pressions locales leves qui aident retrouver le contact sec avec la gomme.

Revtement macrolisse / microrugueux (enrobs fins)

0,5 0,4 0,3

Revtement macrorugueux / microlisse (granulats rouls)

0,2

Le phnomne dadhsion ne peut pas avoir lieu.

0,2 0,1

Revtement macrolisse / microlisse (enrobs ressus)

Page 31

L a d h r e n c e

III Gnration des forces dadhrence dans laire de contactLadhrence est ncessaire au maintien dun vhicule sur sa trajectoire, mme lorsquelle est rectiligne et que la vitesse est stable. Il faut en effet rsister aux forces naturelles qui tendent en permanence faire dvier ou ralentir le vhicule : le vent, le dvers de la route, la pente, les irrgularits du sol, la rsistance au roulement, etc. Sous leffet de ces forces, laire de contact est donc en permanence le sige de microglissements qui excitent les mcanismes dadhsion et dindentation entre la gomme et le sol. Cependant, les phnomnes dadhrence interviennent essentiellement dans deux types de situations : lorsquon fait varier la vitesse du vhicule (dclration acclration)* et lorsquon modifie sa trajectoire (virage). Ces deux situations font intervenir les deux composantes de ladhrence : ladhrence longitudinale et ladhrence transversale.

*Les mcanismes intervenant en freinage et en acclration tant tout fait comparables, nous nous intresserons ici essentiellement aux phnomnes de freinage, primordiaux pour la scurit de lusager.

Page 33

III.1

Mcanismes de frottement dun pain de gommeQuil sagisse dadhrence longitudinale ou dadhrence transversale, ladhrence rsulte du frottement des pains de gomme des pneumatiques sur le sol. Nous allons donc tout dabord observer ce qui se passe lchelle du pain de gomme.

Cisaillement et glissement dun pain de gomme

Nous avons vu que, en roulage, laire de contact dun pneumatique tait quasiment immobile par rapport au sol. Elle progresse la faon dune chenillle, anime de micro-glissements par rapport au sol. Ainsi, chaque tour de roue, les pains de gomme du pneumatique qui entrent en contact avec le sol se comportent comme des frotteurs. Observons ce qui se passe.

LE CISAILLEMENT (OU PSEUDO-GLISSEMENT)Considrons un bloc de gomme sur lequel on a coll une plaque rigide. Le bloc est cras au sol par une force Z, perpendiculaire au sol. Appliquons au niveau de la plaque une force F, parallle au sol et dintensit croissante. Au dbut, le bloc de gomme se dforme sans glisser sur le sol : cest le cisaillement. On en dduit que le contact gomme/sol fournit une force de rsistance, dintensit gale et de sens oppos la sollicitation F, que lon dsignera par force de frottement X.

Page 34

Gnration des forces dadhrence Mcanismes de frottement dun pain de gomme

Cette phase est galement appele pseudo-glissement, car tout se passe comme si la plaque avait gliss par rapport au sol. En fait, des glissements se produisent dj au niveau molculaire, mais avec une amplitude bien trop insuffisante pour que linterface bouge de faon perceptible par rapport au sol. La capacit de dformation de la gomme dterminera lamplitude de ce pseudo-glissement.

Limite de glissement

N.B.

On observe que pour des valeurs de charges modres (celles exerces par un vhicule notamment) la force de frottement X dpend linairement de la charge Z.

Force

Xdbut de glissement

LE GLISSEMENTSi la force F continue de crotre, le bloc de gomme va se mettre glisser sur le sol tout en conservant son cisaillement maximum : on obtient un vrai glissement linterface gomme/sol. En fait, il existe une valeur de la force F au-del de laquelle linterface gomme/sol ne peut plus rsister. Le bloc frotte sur le sol selon une force de frottement X, qui stablit un niveau maximum. Cette force de frottement maximum est appele force de frottement de Coulomb.

X

X=f(Z)

0cisaillement glissement du bloc

Z

Page 35

III.2

En freinage - ladhrence longitudinaleLe freinage est primordial pour la scurit des automobilistes. Laire de contact constitue lultime organe de transmission entre la pdale de frein et le sol. Voyons ce qui sy passe.

Taux de glissement GOn dfinit le taux de glissement G comme le rapport entre la vitesse de glissement pneu/sol et la vitesse du vhicule. G = .R - V V o : est la vitesse angulaire des roues R, le rayon de roulement V, la vitesse du vhicule. Les deux cas extrmes patinage sur place et roue bloque, que nous avons tous vcus sur des sols enneigs ou verglacs, peuvent permettre de mieux comprendre cette notion de glissement : lorsquon essaye de dmarrer son vhicule en cte sur sol verglac ou enneig, bien souvent, les roues patinent : elles tournent sur place, mais le vhicule navance pas. La vitesse de rotation des roues (R) peut tre grande, alors que la vitesse du vhicule (V) reste nulle : le glissement est infini. inversement, lorsquon freine trop brutalement sur un sol verglac, les roues du vhicule se bloquent (elles ne tournent plus), mais le vhicule continue davancer en drapant. La vitesse de rotation des roues (R) est nulle alors que le vhicule continue davancer sur sa lance : le glissement reprsente 100 % de la distance parcourue.

NAISSANCE DU GLISSEMENTConsidrons un vhicule qui roule en ligne droite une certaine vitesse. Pour freiner, le conducteur impose, par lintermdiaire du circuit de freinage, un couple de freinage aux quatre roues du vhicule. A ce moment-l, la vitesse angulaire des roues diminue et la vitesse de roulement du pneu devient infrieure la vitesse de dfilement du sol : pour compenser cette diffrence, les pneus commencent glisser selon un taux de glissement G. Par les mcanismes dadhsion et dindentation, le glissement induit une force de frottement, qui soppose au glissement : le vhicule ralentit.

Valeurs remarquablesG < 0 : glissement freineur G > 0 : glissement moteur G = 0 : roue libre G = -1 ou -100 % : roue bloque G = + : patinage sur place.

Page 36

Gnration des forces dadhrence En freinage - ladhrence longitudinale

Pour en savoir plussur lapparition du glissement en freinage1 AVANT FREINAGEAdmettons que la roue effectue un tour en un temps t (de lordre de 0,1 seconde pour une voiture roulant 70 km/h). En 0,1 seconde, la distance parcourue par la roue (donc par le vhicule) est gale un tour de roue (2R).

2 PENDANT FREINAGELorsque le conducteur appuie sur la pdale de frein, la vitesse de roulement du pneu (R) devient infrieure la vitesse du vhicule. A partir de ce moment-l, quand le vhicule parcourt une distance gale 2R, la roue neffectue plus un tour complet : pour suivre lavance du vhicule, elle roule et glisse sur le sol. Le glissement de la roue sur le sol excite les mcanismes dadhrence (adhsion, indentation) : une force X soppose au glissement et le vhicule ralentit (Vvhicule diminue pour tendre vers R). En 0,1 seconde, la roue parcourt dsormais une distance infrieure 2R.

V1 vhicule1 R 2 R

V1 vhicule2 RCf

V2 vhicule

X

X

X

2R

Distance parcourue par la roue par rotation (d) d+g = 2R

Distance parcourue par la roue par glissement (g)

2R

V2vhicule = 2R

Page 37

LA FORCE DE FROTTEMENT LONGITUDINALECette force de frottement X dpend de la charge Z applique par le vhicule sur le sol, ainsi que de ltat de la route et de la gomme du pneu. Elle est gale : X = .Z o : X est exprime en daN, Z est la charge applique par le vhicule sur le sol, en daN, et , le coefficient de frottement du couple gomme/sol.

V X AR XAV

Pour en savoir plussur le coefficient de frottement longitudinalLE COEFFICIENT DE FROTTEMENT LONGITUDINAL EST GAL LA DCLRATION (EXPRIME EN NOMBRE DE g)

Z

V : vitesse du vhicule X = XAR + XAV : force de frottement globale sol / vhicule (rsultant du frottement des quatre pneus) Z : charge applique par le vhicule sur le sol.

LE COEFFICIENT DE FROTTEMENT LONGITUDINAL Le coefficient de frottement longitudinal est donc dfini par : X = Z Ce coefficient est une grandeur conventionnelle qui illustre le potentiel dadhrence quoffre un couple gomme/sol. dpend de la nature de la gomme et du sol en prsence, mais galement de leur tat linstant considr (temprature, propret, prsence deau, etc.). Pour un couple gomme/sol donn, dpend faiblement de la charge Z, mais varie fortement en fonction du taux de glissement G. Mme si ce coefficient est une grandeur conventionnelle, on peut rattacher sa valeur une grandeur relle. En effet, comme le montre la formule ci-contre, la dclration* induite par la force de frottement X au moment du freinage est gale au coefficient de frottement longitudinal . Notations :Le symbole dsigne le coefficient de frottement dun couple gomme/sol (galement appel coefficient dadhrence). Cependant, lorsquon distingue les phnomnes dadhrence longitudinale et transversale, la notation dsigne le coefficient dadhrence longitudinale, par opposition , qui dsigne le coefficient dadhrence transversale. * exprime en nombre de g

En appliquant le principe fondamental de la dynamique au centre de gravit du vhicule et en dsignant par x le dplacement de ce point, on a : X = Z X = Mx et Z = Mg do x = g

o x dsigne la dclration, en m/s2, M, la masse du vhicule, en kg, g, lacclration de la pesanteur.

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Gnration des forces dadhrence En freinage - ladhrence longitudinale

Loi (G)

LA LOI DE FROTTEMENT LONGITUDINAL (G)On constate quun freinage appuy comporte 2 phases : max ~ 1

N.B. pour un pneu tourisme, on observe un comportement tout fait comparable de la courbe en couple freineur ou moteur. pour un pneu tourisme, le max est gnralement atteint pour un taux de glissement compris entre 5 et 15 %. le taux de glissement pour lequel le max est atteint diminue si la vitesse du vhicule augmente.

: coefficient de frottement G : taux de glissement

Couple moteur

une monte vers une dclration maximale, qui correspond une monte vers un coefficient de frottement maximal max, atteint pour un taux de glissement voisin de 0,1 (soit 10 %). Au cours de cette phase, le conducteur du vhicule peut trouver un quilibre entre son action de freinage et les ractions du vhicule : plus il appuie sur la pdale de frein, plus le vhicule dclre. Cest le cas pour un freinage doux. puis une dgradation de la dclration qui, en labsence de systme Anti-Blocage des Roues (ABR ou ABS pour Anti-Blocking System), va trs rapidement jusquau blocage de la roue. Cette phase correspond une chute du coefficient de frottement vers une valeur dite bloqu. Le passage du max au bloqu est trs rapide : de lordre de 0,2 seconde.

- 0,1 -1 0,1

+

G

Couple freineur

bloqu max ~ -1

max bloquCouple freineur

Pour des raisons de commodit, dans la suite de ce document, nous reprsenterons la partie de la courbe correspondant un couple freineur dans le quadrant suprieur droit du repre, avec G et freineur exprims en valeur absolue.

A ce moment-l, il ny a plus dquilibre entre laction de freinage du conducteur et les ractions du vhicule : les roues sont bloques et le vhicule glisse.

1 0,1

G

Page 39

GNRATION DES EFFORTS DE FREINAGE DANS LAIRE DE CONTACTConsidrons un pneu roulant une vitesse R et observons plus prcisment ce qui se passe dans laire de contact au moment dun freinage. La roue tournant moins vite que le sol ne dfile, celui-ci va tirer sur les pains de gomme. Ainsi, chaque pain de gomme qui entre dans laire de contact est tout dabord cisaill, puis glisse sur le sol avant de ressortir de laire de contact.

Pour en savoir plusLAPPARITION DU GLISSEMENT EST CONDITIONNE PAR LE CISAILLEMENT MAXIMAL DU PAIN DE GOMMELC Le cisaillement est dfini en dformation par : = e X et en contrainte par : C= S lis par la relation dlasticit : C= . oNota :

Phase de cisaillement :La bande de roulement dun pneu est dformable, alors que sa ceinture est inextensible. Par consquent, en freinage, lorsque le sol tire laire de contact vers larrire, seule la bande de roulement se dforme : les pains de gomme se couchent, entranant un mouvement relatif entre le bas du pain de gomme, en contact avec le sol, et la ceinture : cest le cisaillement (ou pseudo-glissement), qui apparat ds lavant de laire de contact.

est le module de cisaillement.vaut 1/3 de M, moduleZ

dallongement.

Le glissement apparat ds que la force de cisaillement X atteint la force limite dadhrence .Z. Alors : Or : X=C.S=.Z Z=P.S C=.P

Pain de gomme

eXS : surface de contact au sol

Lc

o P est la pression pneu/sol

Phase de glissement :Do :

A mesure du passage du pain de gomme vers larrire de laire de contact, la sollicitation augmente et le pain de gomme, tout en demeurant cisaill, entre en glissement rel avec le sol. Ce sont ces deux phases qui dterminent la loi de frottement (G).Page 40

Le cisaillement a donc atteint sa valeur maximale : .P max= La longueur cisaille LC maximum est donc gale : e..P LC=

Gnration des forces dadhrence En freinage - ladhrence longitudinale

Progression du pain de gomme dans laire de contact, en freinage

Ceinture inextensible R Vvhicule Le pain entre en contact avec le sol

Ceinture inextensible R Vvhicule

Vvhicule

Le pain se comprime sous la charge

LG + LCDplacement

Vvhicule Le pain se cisaille

Phase de glissement

Phase de cisaillement

Vvhicule

VvhiculeJ. Toutain

Le pain dcroche par rapport au point du sol et se met glisser.

LC : longueur cisaille LG : longueur glisse Dplacement : dplacement total dun point de ceinture par rapport au sol entre lentre et la sortie de laire de contact point de la ceinture point de la bande de roulement en contact avec le sol point du sol

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ORDRES DE GRANDEURS DE GLISSEMENT ET DE CISAILLEMENT EN FONCTION DU COEFFICIENT DADHRENCE ET DU TAUX DE GLISSEMENTHypothses :Bande de roulement peu entaille (pains de gomme peu souples) Longueur de laire de contact : LAdC = 10 cm Vitesse du vhicule : V = 72 km/h, soit 20 m/s Module de la gomme de la bande de roulement : = 15 bars Epaisseur de la bande de roulement : e = 8 mm Pression exerce par le pneu sur le sol : P = 3 barsFreinage matris (G = 10 %) Sol sec =1 Vitesse de glissement (VG = V.G) x = longueur glisse + longueur cisaille Longueur cisaille (LC) Longueur glisse (LG) Proportion daire de contact en cisaillement pur Proportion daire de contact en vrai glissement 1,6 mm 9,4 mm Sol humide macrorugeux = 0,5 2 m/s Sol mouill macrolisse = 0,1 Roues bloques (G = 100 %) Tous types de sols Vitesse du vhicule La longueur du freinage 0,16 mm 10,84 mm LC X.R, et la roue dclre franchement, en allant vers le blocage. LABR relche alors la pression sur les freins et Cf rediminue. On a Cf< X.R et la roue racclre. LABR autorise alors de nouveau Cf augmenter... et ainsi de suite. X - et - voluent donc autour de leurs valeurs maximales.

Principe de fonctionnementPour ralentir, le conducteur impose, par lintermdiaire du circuit de freinage, un couple de freinage aux 4 roues du vhicule. LABR mesure la dclration angulaire de chaque roue intervalles trs rapprochs. Si cette dclration est modre, lABR autorise le couple de freinage continuer daugmenter. Par contre, si la dclration de la roue est trop leve, cela signifie que la roue va au blocage. LABR relche alors la pression sur les freins. Le couple de freinage chute brutalement, ce qui dbloque la roue. La dclration de la roue diminue et lABR autorise alors de nouveau le couple de freinage augmenter. Et ainsi de suite.Couple de freinage sous l'action de l'ABR

Cf R

Sens de roulage

X

X : force de frottement gomme/sol

Temps

Page 57

L a d h r e n c e

IV Ladhrence sur sols mouillsLadhrence des pneumatiques rsulte du frottement de la gomme sur le sol. Elle requiert donc un contact direct entre eux. Sur sols mouills, adhrer ncessite dvacuer leau pour retrouver le contact sec.

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La prsence deau perturbe les mcanismes de ladhrence. Le mcanisme dadhsion ne peut soprer si le contact entre la gomme et le sol nest pas parfaitement propre et sec. Le mcanisme dindentation est perturb ds que la hauteur deau est suffisante pour couvrir les rugosits du revtement routier. Par temps de pluie, maintenir ladhrence ncessite donc dvacuer leau pour restaurer un contact sec entre la bande de roulement et le sol. La route y contribue par son inclinaison, sa structure (enrobs drainants, par exemple) et sa rugosit. Mais cela ne suffit pas. Lorsque le sol est mouill, de leau peut sinfiltrer sous laire de contact, dautant plus fortement que la hauteur deau sur la route est importante et la vitesse du vhicule leve. Cette prsence deau dgrade le niveau dadhrence potentiel. Pour maintenir ce niveau, le pneu, par la forme de son aire de contact, ses creux de sculpture et ses lamelles, va repousser vers lavant et drainer vers les cts une partie du bourrelet deau qui saccumule devant lui. Ensuite, il va stocker leau qui passe sous laire de contact dans les creux de sculpture et transpercer le film deau rsiduel pour retrouver le contact direct avec le sol. Ces tapes correspondent trois phnomnes physiques qui apparaissent progressivement de lavant vers larrire de laire de contact : il sagit de phnomnes dits hydrodynamiques (hauteur deau suprieure 0,5 mm), viscodynamiques (hauteur deau comprise entre quelques microns et 0,5 mm) et humides (prsence dun film deau rsiduel discontinu).

Niveaux dadhrence maximale (max) en fonction de la hauteur deau et de la vitesse Ordres de grandeur sur un revtement macrorugueux et microrugueuxVitesse 60 km/h 100 km/h 1 0,8 0,6 0,5 1 0,7 0,4 0,1

Hauteur deau Sol sec Sol humide h = 1,5 mm h = 5 mm

Hauteurs d'eau : quelques 0,5 mm m

Page 60

hu

vi sc o hy dr o

se c m id e

Ladhrence sur sols mouills

IV.1

La zone hydrodynamique : vacuation et drainage

Pour en savoir plussur la vitesse dhydroplanageDans le cas dun pneu lisse, la pression hydrodynamique gnre par la bande de roulement sur le bourrelet deau peut tre approche par lquation de Bernoulli : 1 Phydrodynamique = .V2 2 o

Considrons un pneu roulant relativement vite sur un sol inond par une certaine hauteur deau. Le pneu pousse devant lui un bourrelet deau de hauteur suprieure. La bande de roulement vient frapper cette eau lavant de laire de contact, gnrant une mise en pression de leau (pression hydrodynamique).

bourrelet d'eau

dsigne la masse volumique de leau, en kg/m3, et V, la vitesse du vhicule, en m/s, Phydrodynamique tant exprime en Pa (105 Pa = 1 bar).

On montre exprimentalement que la vitesse dhydroplanage dun pneu lisse sur sol inond est atteinte lorsque la pression hydrodynamique devient gale la pression de gonflage (P). Cette vitesse peut tre approche par la formule : VH = P K avec K=500.

Si cette pression devient suprieure la pression moyenne dappui du pneu sur le sol (de lordre de 2 bars pour une voiture, de 8 bars pour un poids lourd), le pneu ne peut plus repousser leau et il est soulev : cest le phnomne dhydroplanage. La pression hydrodynamique augmente proportionnellement au carr de la vitesse.

Dans la ralit, K dpend de la sculpture et de la forme de laire de contact. Aujourdhui, certains pneus tourisme haute performance permettent, ltat neuf, dabaisser ce coefficient une valeur proche de 250, soit une vitesse dhydroplanage repousse environ 100 km/h.

INFLUENCE DE LA PRESSION DE GONFLAGE SUR LA VITESSE DHYDROPLANAGEPression (bar) 1 2 4 8 16 32 * pneus lisses ** sur bton bitumineux Catgorie de pneu* Tourisme (sous-gonfl) Tourisme (pression correcte) Camionnette Poids lourd Avion de ligne Avion de chasse Vitesse dapparition de lhydroplanage** (VH, en km/h) 50 70 100 140 200 280

Dans le cas dun pneu lisse, cette pression devient gale la pression de gonflage la vitesse de 70 km/h pour un vhicule de tourisme (gonflage 2 bars) et 140 km/h pour un poids lourd (gonflage 8 bars). Cest la vitesse dapparition de lhydroplanage. On comprend ainsi que le risque dhydroplanage concerne plus les voitures que les camions. L apparition de lhydroplanage peut heureusement tre repousse par lentaillement de la bande de roulement et la forme de laire de contact. Aujourdhui, la vitesse dhydroplanage dun vhicule de tourisme haute performance quip de pneus neufs correctement gonfls peut tre repousse audel de 100 km/h. Page 61

UNE FORME DEMPREINTE ARRONDIE POUR DIMINUER LA PRESSION QUEXERCE LE BOURRELET DEAU SUR LE PNEULe bourrelet deau (galement appel front donde) repouss devant le pneu la vitesse du vhicule doit pouvoir tre vacu rapidement vers les cts pour que la pression quil gnre sur lavant du pneu ne dpasse pas la pression locale cre par la charge du vhicule. On comprend aisment quune forme arrondie pntre plus facilement dans une masse deau quune empreinte carre : cest leffet dtrave. Les phnomnes mis en jeu sont globalement ceux appliqus en mcanique des fluides : une forme plate (comme une feuille darbre) rsiste plus lair quune forme ronde (comme une bille, par exemple). De mme, un bateau ltrave arrondie ou pointue fend mieux la mer quun bateau ltrave carre.

Pour en savoir plusUne aire de contact arrondie repousse lhydroplanage vers des vitesses plus levesToujours en appliquant la formule de Bernoulli, on peut considrer que la pression exerce par leau sur lavant de laire de contact au point M* est donne par lquation : 1 Parrt = ..(V. cos )2 2 o reprsente langle local, dit angle dtrave, dsigne la masse volumique de leau, en kg/m3, V, la vitesse du vhicule, en m/s, Parrt tant exprime en Pa (10 5 Pa = 1 bar). Plus est grand - cest--dire plus laire de contact est pointue - plus Parrt est faible et plus la vitesse dhydroplanage est repousse.

Sens du dplacement Aire de contact arrondie

MFront d'onde

>0

La pression exerce par l'eau sur le pneu diminue quand augmente

L'eau est repousse vers l'avant et les cts du pneu

zone daccumulation du bourrelet

Aire de contact carre

MFront d'ondeSens de roulage

=0

La pression exerce par l'eau sur le pneu est maximale

L'eau est repousse vers l'avant du pneu* reprsentatif du cas dune roue bloque

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La problmatique du pneu largeLe pneu lutte contre lhydroplanage en drainant leau qui passe sous laire de contact. Si le dbit de drainage est plus important que le dbit deau passant dans laire de contact, le pneu ne dcolle pas du sol. A hauteur deau gale, le dbit deau dfilant sous un pneu est dautant moins grand que le pneu est troit. En premire approche, une aire de contact troite permet donc de rduire le volume deau drainer dans les sculptures du pneu. Inversement, les pneus larges, confronts un dbit deau trs suprieur, doivent disposer dun systme de drainage beaucoup plus labor.

Influence de la largeur de laire de contact sur le dbit deau vacuerl = 220 l = 140

l = 220 l = 140

Dbit deau vacuer = V x l x h V = 80 km/h h = hauteur deau = 3 mm Dbit = 9,2 l/s = + 57 % Dbit = 14,5 l/s

Le pneu large doit assurer un dbit deau beaucoup plus lev.

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DES SCULPTURES ORIENTES POUR DRAINER LEAU VERS LES CTSLe premier rle des sculptures est de drainer le plus possible vers les cts de laire de contact leau qui na pas t repousse lavant de laire de contact, au moyen de ses rainures transversales ou obliques.

Petit vocabulaire de la sculptureLargeur type pour un pneu tourisme Sillon (le plus souvent longitudinal) Rainure (le plus souvent tranversale) Lamelles 8 10 mm 2 7 mm 0,3 1,5 mm 7 8 mm Profondeur

Pneu roulant sur route inonde : un bourrelet deau se forme devant le pneu, qui lvacue vers les cts.

Page 64

Ladhrence sur sols mouills

IV.2

La zone viscodynamique : stockage de leau dans les creux de sculptureLes moyens dvacuation de leau agissant lavant de laire de contact (zone hydrodynamique) ont permis de diminuer la hauteur deau qui sinfiltre sous laire de contact jusqu une paisseur denviron 0,5 mm. Leau qui sinfiltre sous laire de contact doit alors tre chasse vers les creux de sculptures pour y tre stocke.

Pour en savoir plussur le temps de transfert de leau vers les zones de stockageOn peut approcher le temps dvacuation de leau vers les creux de sculpture par la formule suivante, qui nous donne le temps dcrasement dun film visqueux par un pain de gomme indformable :

ECRASEMENT DE LEAU PAR LES PAINS DE GOMMEDans laire de contact, les pains de gomme ne roulent pas : ils se posent sur le sol lentre de laire de contact, un peu comme nous posons le pied sur le sol lorsque nous marchons. Puis ils se soulvent lorsquils quittent laire de contact. Les pains de gomme viennent donc craser leau quasiment verticalement. Cest cet effet dcrasement qui va permettre de chasser leau vers les creux de sculpture. Pour retrouver le contact avec le sol, une condition : leau doit pouvoir aller du centre dun pain de gomme jusqu sa priphrie avant que le pain de gomme ne quitte laire de contact. Sinon, il ressort avant davoir retrouv le contact avec le sol. Le temps de transfert vers la zone de stockage sera dautant plus court que la pression dappui du pneu sur lpaisseur deau sera grande et que la distance parcourir jusqu la priphrie des pains de gomme sera petite. En premire approche, cela signifie que les pains de gomme devraient tre petits et les creux importants. En fait, la distribution des creux de sculpture doit tre optimise afin de rduire le temps de transfert (pains de gommes petits) sans nuire la rigidit de la bande de roulement (densit de creux rduite).

t = K. . S 2 . 1- hf P hf hi

[( )]2

avec : K : coefficient de forme de la surface du pain : viscosit du fluide, en Pa.s P : pression du pneu sur le film visqueux, en Pa S : surface du pain, en m2 h i : hauteur initiale du film visqueux, en m h f : hauteur finale du film visqueux, en m

Ecrasement dun film deau dune paisseur de 10 m une paisseur rsiduelle de 1 m.Surface du pain de gomme Temps dcrasement Temps de sjour dans laire de contact 90 km/h % de laire de contact parcourue sur une hauteur deau suprieure 1 m 7 cm2 1,4 ms 4 ms 35 % 0,8 cm2 0,2 ms 4 ms 5%

Application numrique :

N.B.

Longueur de laire de contact : 0,1 m

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Les creux de sculptures peuvent tre complts par un rseau de lamelles dbouchant sur les creux de sculptures. Ces lamelles participent au drainage de leau vers les creux de sculpture et crent des surpressions locales au niveau de leurs artes. L encore, ce rseau doit tre conu pour concilier drainage et rigidit de la bande de roulement.

Les lamelles participent au drainage de leau

Pain non lamellis

Pain de gomme venant s'craser sur une surface d'eau

Leau qui sinfiltre sous laire de contact est draine vers les creux de sculpture.

L'eau pige dans les lamelles est expulse vers les creux de sculpture

Pain lamellis : - plus de capacit de drainage - moins de distance parcourir pour l'eau stocker - pression locale plus grande au niveau des artes

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Les lamelles et ladhrence sur sol mouillSur sol mouill, les lamelles jouent un rle cl dans le rtablissement de ladhrence. Une lamelle se dfinit comme une fente verticale formant un creux dune largeur de 0,3 1,5 mm dans un pain de sculpture. Elle doit son nom aux inserts en forme de lames qui garnissent le moule de cuisson pour former ces fentes dans la bande de roulement. Les fonctions de la lamellisation sur sol mouill sont les suivantes : les lamelles qui dbouchent sur les creux de sculpture participent au drainage de leau vers ces zones de stockage ; elles gnrent le long de leurs artes de fortes surpressions de contact qui transpercent le film rsiduel form par leau qui na pu tre vacue ou stocke, ce qui permet de retrouver des zones de contact direct gomme/sol. De par ces deux fonctions, il est intressant de disposer dune densit relativement leve de lamelles (do le terme de lamellisation).

Deux types de lamelles classiques :

La lamelle droiteDans les annes 20, les tentatives de lamellisation de la bande de roulement utilisent des entailles rectilignes. Do le terme de lamelles droites. Leur dfaut : elles souvrent facilement sous leffet de la charge et des forces dadhrence ; la rigidit de la sculpture est fortement diminue.

La lamelle onduleDs 1930, les lamelles ondules apportent dj des progrs : elles sont imbriques les unes dans les autres, ce qui les empchent de souvrir autant que les lamelles droites sous leffet de la charge et des forces dadhrence ; leur trac les rend efficaces dans toutes les directions.

J. Toutain

Page 67

Les lamelles et ladhrence sur sol mouill (suite)

La lamellisation produit a priori un effet secondaire indsirable. En fractionnant les blocs de sculpture, elle peut diminuer leur rigidit. Dans ce cas-l, le pneu rpond moins vite et moins prcisment aux braquages du conducteur. Aujourdhui, cependant, les lamelles ont volu et lon sait concilier adhrence sur sol mouill et comportement sur sol sec. La technique repose sur des formes de lamelles qui sont, soit emprisonnes dans les blocs de gommes (lamelle quadrangulaire), soit imbriques les unes dans les autres (lamelle vilebrequin), soit autobloquantes sous leffet de la charge ou du couple moteur (lamelle Z). Toutes ces techniques permettent de lamelliser sans sacrifier la rigidit ncessaire ladhrence et au comportement routier.

Lamelles favorisant ladhrence sur sol mouill et prservant la rigidit de la bande de roulement pour une bonne adhrence sur sol sec.

La lamelle vilebrequinrduit la mobilit du bloc par un effet dimbrication.

La lamelle quadrangulairene dbouche pas sur les bords du pain de gomme : on dit quelle est incluse dans le pain de gomme, ce qui assure un trs faible dbattement. Ce type de lamelle non dbouchante est utilis essentiellement au niveau des paules du pneu (expulsion de leau non pas vers les creux de sculpture mais sur les cts de laire de contact).

La lamelle Z ou zig zagest autobloquante sous leffet de la charge ou du couple moteur, do une excellente rigidit du bloc de gomme.J. Toutain

Page 68

Ladhrence sur sols mouills

IV.3

Zone humide sche : retrouver le contact secQuest-ce que la tension superficielle ?Evacuer leau ne suffit pas rendre la route parfaitement sche sous le pneu. Il reste des traces deau sur le revtement routier, tout comme il reste des traces deau la surface dun rcipient que lon vient de vider. Ce phnomne est d la tension superficielle de leau qui provoque la persistance de microscopiques gouttes deau sur toute surface qui a t immerge. Pour les faire disparatre, il faut essuyer ou laisser scher. Le pneumatique doit donc tre conu pour retrouver le contact sec, en dpit de ce film deau rsiduel dune paisseur de quelques microns.

1

2

3

DES ARTES POUR TRANSPERCER LE FILM DEAUCe sont les artes des lamelles et des sculptures, conjugues aux microrugosits du revtement qui, en gnrant des surpressions locales trs importantes, vont parvenir transpercer ce film.

NBq

q

On retrouve alors un contact sec o les mcanismes dindentation et dadhsion peuvent jouer pleinement leur rle.

Une fois le rcipient vid, sa surface conserve des traces dhumidit, sous la forme dun film deau discontinu de trs faible paisseur, ou de gouttelettes. La persistance de ces gouttelettes est due la tension superficielle de leau.

La tension superficielle est un phnomne de cohsion qui se produit entre les molcules la surface dun liquide (forces intermolculaires) et qui tend empcher ce liquide de staler. Cest ce phnomne qui permet de remplir un verre deau plus haut que le bord.

Pics de pression au niveau des artes

La microrugosit est plus ou moins importante suivant les sols, ce qui explique la grande variabilit des niveaux dadhrence en condition humide.Page 69

Ce quil faut retenir

IV Ladhrence sur sols mouillsSur sol mouill, ADHERER CONSISTE A vacuer leau pour RETROUVER LE CONTACT SEC. DRAINAGE grce linclinaison de la ROUTE ou lutilisation de revtements drainants. STOCKAGE grce la MACRORUGOSITE du REVETEMENT.

0

MINIMISER la hauteur deau sur la route par

1se sc idHauteurs d'eau : quelques 0,5 mm m

REPOUSSER leau par DRAINER leau vers les cts du pneu laide

une PRESSION suffisante A LAVANT DE LAIRE DE CONTACT, assure par la PRESSION de GONFLAGE et lEFFET DETRAVE. de SCULPTURES orientes.

hu

3

2

hy d

m

vi

ro

e

o

c

1

0 2 DRAINER leau vers les creux de sculpture par STOCKER leau dans

une PRESSION suffisante dans laire de contact (taux dentaillement + rugosit du sol) et un RESEAU DE LAMELLES dbouchant dans les creux de sculpture. les creux des SCULPTURES.

3

TRANSPERCER le film rsiduel par

des SURPRESSIONS LOCALES trs importantes, cres par les artes des sculptures et des lamelles, et par la microrugosit du sol.

Page 70

Page 73

L a d h r e n c e

V Ladhrence & le comportement du vhiculeLadhrence nest pas une performance isole du pneumatique. Elle interagit bien videmment avec les autres performances et, notamment, avec le comportement. Nous allons voir, par exemple, comment ladhrence est influence par les transferts de charge et comment elle peut influencer les phnomnes de survirage et sous-virage.

Page 71

V.1

Les transferts de chargeLE TRANSFERT DE CHARGE LONGITUDINALEtant donn que le centre de gravit dun vhicule est situ une hauteur h au-dessus de la chausse et que la force de frottement X du pneu sur le revtement routier sapplique au niveau du sol, le freinage cre un couple de basculement qui provoque une surcharge (+Z) sur lavant du vhicule et une sous-charge (-Z) larrire. Lavant est alors lest et larrire soulag : cest le transfert de charge longitudinal. Dans cette situation, si le couple de freinage tait identique sur les 4 roues, celles de larrire se bloqueraient plus tt que celles de lavant. Le vhicule risquerait alors de chasser de larrire, voire de faire un tte--queue. Cest pour viter cela que les vhicules sont quips dun correcteur de freinage, qui permet de freiner davantage sur lavant que sur larrire.

Surcharge longitudinale : ordre de grandeurOn a : et do : X = XAR + XAV = Z = M x X.h = Z.L Z = X. h = .Z.h L L

Pour en savoir plusObservons la courbe X(Z)A taux de glissement constant, lorsque la charge augmente, leffort longitudinal dvelopp par le pneu augmente jusqu une valeur maximale avant de sy stabiliser. Au moment du freinage, le phnomne de transfert de charge entrane donc une augmentation des efforts au niveau des pneus avant (XAV), et une diminution au niveau des pneus arrires (XAR). Si la pression de freinage des roues arrire ntait pas corrige par un limiteur automatique, le transfert de charge entranerait un tte--queue par blocage des roues arrire.

Pour donner un ordre de grandeur, on peut faire une application numrique avec : Z = 1400 daN , soit, dans lhypothse dquirpartition de la charge, 350 daN par roue sollicit = 1 (freinage puissant sur sol sec) h = 0,5 m L=2m

V

On obtient : Z = 350 daN, soit 175 daN sur chaque roue avant, cest-dire une surcharge de + 50 %.

X XAV

- Z X AR

G Z L

Mx h XAV + Z

on fait lhypothse que dpend peu de la charge, X est reprsente en force de raction du sol sur le pneu.

N.B.

X0

XAR

G : centre de gravit du vhicule, M : masse du vhicule, x : acclration longitudinale, Z : charge, h : hauteur entre le centre de gravit et le sol, L : empattement (distance entre les roues avant et arrire). Page 72

Z-Z Z Z+Z

Z

Ladhrence & le comportement

LE TRANSFERT DE CHARGE TRANSVERSALEtant donn que le centr