Que fait-on pour éviter cela ?
En ajoutant une suspension à la voiture, nous parvenons à "déconnecter" une grande partie de la masse des irrégularités du terrain, ce qui permet des réactions plus rapides et plus précises. En outre, nous apportons du confort au conducteur et aux passagers car le mouvement vertical est beaucoup plus faible.
La masse suspendue est toute la masse qui se trouve au-dessus du ressort, car elle le soutient. Cela comprend le châssis, les passagers, la carrosserie, etc. D'autre part, la masse non suspendue est la masse des éléments qui se trouvent entre le ressort et le sol : roue, freins, triangles de suspension et quelques autres pièces. Ces pièces sont importantes car elles influencent à la fois la capacité d'accélération du véhicule et l'absorption des vibrations de la route. En outre, à mesure que leur poids augmente, nous devons également augmenter le poids des autres pièces connexes pour qu'elles puissent résister aux forces auxquelles elles seront soumises pendant le déplacement du véhicule.
La masse suspendue est beaucoup plus importante que la masse non suspendue. Du point de vue de l'ingénierie automobile, la masse non suspendue doit être aussi faible que possible pour diverses raisons, que nous allons examiner.
Par exemple, qu'arrive-t-il à nos voitures lorsque nous rencontrons un nid-de-poule ?
Si nous analysons ce qui se passe lorsque nous prenons un nid-de-poule, la masse non suspendue devient très importante, car le poids des pneus et des roues est affecté lorsque nous prenons un nid-de-poule. Le processus est le suivant :
Lorsque nous rencontrons un nid de poule, la roue suit la route jusqu'au point le plus haut. Juste après avoir dépassé le point le plus haut du nid de poule, la roue a tendance à continuer à monter. Le ressort de suspension tente de s'étirer et donc d'abaisser la roue pour qu'elle touche le sol. Cette tendance dépend de la masse non suspendue. Plus la masse non suspendue, qui provient principalement des roues, est importante, plus le ressort doit exercer une force importante pour ramener la roue au sol. Par conséquent, plus le poids des roues est important, plus le ressort devra être dur si l'on veut corriger cette tendance.
Que se passe-t-il pour accélérer la roue ?
Lorsque l'on accélère une roue à partir d'un arrêt, il faut exercer une force pour la faire tourner. Cette force doit surmonter la force de frottement. Et quelle est la force de frottement ? Imaginons que nous ayons un objet sur une surface, par exemple une boîte que nous faisons glisser sur le sol. Si nous ne la poussons pas, la boîte ne bouge pas, si nous la poussons légèrement, la boîte ne bouge toujours pas, même si nous exerçons une force, et si nous la poussons plus fort, nous pourrons la déplacer.
La force qui s'oppose à la poussée est la force de frottement. Dans la voiture, les roues doivent générer une force suffisante pour surmonter la force de frottement afin de pouvoir se déplacer. Cette force est exercée par le moteur par le biais du couple, comme Guille l'a expliqué il y a quelque temps dans l'article : Qu'est-ce que le couple, quel est son rapport avec la puissance, lequel est le plus important ?
Comment les roues du véhicule tournent-elles ?
Si l'on observe la rotation d'une roue au ralenti, on constate que le point sur lequel la roue tourne est le point de contact avec le sol, en raison de la force de frottement mentionnée ci-dessus, et implique que la vitesse linéaire du centre de la roue est la vitesse linéaire du véhicule. Si nous déplaçons un objet de manière linéaire, l'accélération sera liée aux forces exercées sur l'objet par l'intermédiaire de la masse.
Que se passe-t-il lorsque l'on passe d'un mouvement linéaire à un mouvement circulaire ?
Permettez-moi de l'expliquer à l'aide d'un exemple : si nous prenons une roue de vélo et que nous la faisons tourner à partir de l'axe de la roue, le moment d'inertie est un rapport constant entre la force de rotation, appelée élan ou couple, avec laquelle nous faisons tourner la roue et l'accélération de rotation de la roue. Le moment d'inertie montre la relation entre la masse de l'objet et sa répartition sur l'objet. Je vais donner un exemple rapide : le moment d'inertie d'un disque plein et d'un anneau est différent, parce que l'anneau a toute sa masse répartie sur l'extérieur du cercle et que le disque a la masse répartie sur toute la surface.
Elle dépend de plusieurs paramètres :
- Axe de rotation
- Forme de l'élément
- Taille
- Masse
L'exemple le plus typique d'un moment d'inertie élevé ou faible se trouve dans le sport du patinage artistique.
Si une personne patine et fait une pirouette en tournant sur l'axe des pieds en direction de la tête, elle tournera d'autant plus vite que le poids sera proche de son axe central. Cela signifie que, sans aucune force agissant sur la personne, si elle tourne avec ses bras étendus perpendiculairement à l'axe que nous avons défini et rapproche ses bras de son corps, elle accélérera en raison de la modification du moment d'inertie.
Si nous regardons maintenant la roue, nous pouvons la rapprocher d'un anneau, car la plupart du poids se trouve à l'extérieur de la roue, au niveau de la gorge de la jante, et plus il est éloigné du centre, plus le moment d'inertie de la roue est grand. Comme on peut le constater, le poids et la taille de la jante jouent un rôle majeur dans le moment d'inertie.
Cela montre que la masse non suspendue est préjudiciable aux réactions du véhicule. Si l'on recherche un véhicule plus sportif, il est important d'avoir une faible masse non suspendue pour améliorer les réactions du véhicule.
Expliquons-le de manière simple. La roue d'un vélo de route et celle d'un VTT ont plus ou moins la même taille, mais le poids de la roue du VTT est plus élevé et il faut donc fournir plus d'efforts pour accélérer la roue avec les pédales. Il en va de même pour la taille : plus la roue est petite, plus il est facile de l'accélérer.
Revenons au début de l'article : pourquoi les voitures de Formule 1 ont-elles des roues de 13 pouces ?
Il y a deux raisons principales. Si la jante est plus petite, le poids est plus proche du moyeu, ce qui permet de tourner plus facilement et d'avoir le plus de contact possible avec la route. L'autre raison n'a rien à voir avec la masse non suspendue, mais la roue, dont la chambre à air est beaucoup plus grande, agit comme un ressort. Ainsi, des suspensions plus dures peuvent être utilisées dans la monoplace, ce qui permet des réactions verticales plus rapides dans la roue, la faisant toucher la route le plus longtemps possible.
Avec ce que nous avons expliqué, nous tirons les conclusions suivantes.
- Si nous voulons accélérer ou freiner plus rapidement et faire en sorte que la roue touche mieux le sol, nous devons essayer de diminuer le moment d'inertie des roues et la masse non suspendue.
- Même si nous voulons réduire la taille des jantes afin d'améliorer les performances du véhicule, il y a parfois des limites, comme la taille de différentes pièces à l'intérieur de la jante, comme le disque de frein et l'étrier de frein.
- Si nous montons un ressort plus rigide, le pneu reviendra plus vite au contact du sol. Je ne recommande pas de faire cela à la maison sans calculer professionnellement comment cela peut affecter le véhicule.
- En outre, le poids du pneu dépend de la largeur de la roue que nous montons et nous devons donc également tenir compte des considérations suivantes :
- Si dans la même voiture nous pouvons mettre deux types de roues, une roue large ou une roue étroite, pour la même pression nous aurons une empreinte de pneu avec la même valeur de surface, mais la forme de l'empreinte sera différente. Sur le pneu large, l'empreinte sera plus longue dans le sens latéral et plus courte dans le sens longitudinal que sur le pneu plus étroit. Cela a des conséquences sur la conduite :
- Sur le sec, pour la roue la plus large, la forme de l'empreinte lui permet de mieux adhérer latéralement à l'asphalte.
- Sur le mouillé, pour la roue la plus large, si nous trouvons une flaque d'eau, en la traversant la roue soulèvera une vague d'eau de sa largeur, cette vague exerce une force sur le pneu et, si la hauteur d'eau dans la flaque est suffisante, la voiture traitera la vague comme s'il s'agissait d'un nid de poule et perdra le contact entre le pneu et la route, générant l'aquaplaning.
- Un pneu de plus grand diamètre, à composition et pression identiques, aura moins de résistance au roulement. Si nous passons un nid de poule de 2 cm avec un pneu de 10 cm de rayon et un pneu de 20 cm de rayon, pour le premier l'obstacle sera proportionnellement beaucoup plus grand, car le point de contact avec le nid de poule est très proche de l'empreinte du pneu.
- Lorsqu'un pneu tourne, son profil est déformé, cela se remarque car lorsqu'on tourne le volant, le véhicule ne tourne pas autant que le volant à cause du phénomène de dérive, plus le profil est élevé, en principe, on va augmenter cet effet.
Avec tout ce dont nous avons parlé, je vous laisse avec une question à laquelle vous devez réfléchir : la taille des roues que nous avons actuellement a-t-elle un sens ?
