Pneumatique (véhicule) - Définition

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Un pneu

Un pneu (apocope de pneumatique) est un solide souple de forme torique formé de gomme et autres matériaux, il entoure une roue et assure le contact entre un véhicule terrestre et le sol, procurant une certaine adhérence et facilitant les déplacements.

Histoire du pneumatique

Après avoir fait breveter son invention, Dunlop fonde en 1889 la première manufacture de pneumatiques.

En 1889, les vélos peuvent ainsi rouler sur des pneus qui sont des boudins de caoutchouc gonflés d’air et fixés à la jante. Si le confort est ainsi au rendez-vous, le système n'est pas pratique : en cas de crevaison, changer de pneu est une opération longue et délicate. On doit à Édouard Michelin la résolution de cet épineux problème : en effet, il met au point en 1891 le premier pneumatique démontable contenant une chambre à air. Selon la légende, c'est un cycliste anglais demandant une réparation lors de son passage à Clermont-Ferrand qui aurait donné l'idée à Édouard. Le nouveau pneu est mis à l'épreuve de la réalité la même année par Charles Terront qui sort vainqueur de la première course cycliste Paris-Brest-Paris.

L'invention est un succès immédiat, et pas seulement dans le monde du vélo : très vite, l'automobile s'empare à son tour du pneu, remplaçant les bandages par des pneumatiques. Conçue et fabriquée par Michelin, l'éclair est la première voiture sur pneus (1895). En 1899, la Jamais contente, première voiture à atteindre les 100 km/h est équipée de pneus Michelin. Après les cycles et les voitures, c'est le tour des voitures d’enfants et même des fiacres d'en être équipés.

En 1929, un pneu pour les rails est mis au point pour équiper la Micheline. Le premier pneu à clous pour rouler sur le verglas ou la neige est quant à lui mis au point en 1933.

Une des grandes révolutions du pneu, le pneu à carcasse radiale est breveté le 4 juin 1946 par Michelin. La première voiture à en être équipée est la Citroën Traction Avant. En 1951, c'est au tour du métro de se mettre aux pneus à Paris. En 1955, Michelin invente le pneu sans chambre à air (dit Tubeless) .

Le pneu a, depuis, beaucoup évolué dans des sens très différents : pneus à lamelles pour une meilleure adhérence sur la neige, pneus faisant économiser du carburant par une moindre résistance au roulement, etc.

Constitution

Un pneu est constitué de caoutchouc (naturel et artificiel), d'adjuvants chimiques (soufre, noir de carbone, huiles, etc.) et de câbles textiles et métalliques. Il est traditionnellement divisé en trois grandes zones : la zone sommet, en contact avec le sol, la zone flanc, et la zone bourrelet (ou zone basse).

Zone sommet

Sculptures creusées dans la bande de roulement
Sculptures creusées dans la bande de roulement

Elle est principalement constituée de la bande de roulement, couche de gomme épaisse en contact avec la route. Cette gomme doit être adhérente (transmission du couple, guidage dans les virages, etc.), sans opposer trop de résistance au roulement (principe des pneus " verts ", qui diminuent la consommation de carburant). La bande de roulement est creusée de " sculptures ", qui évacuent l'eau et la neige et limitent l'aquaplanage. La présence de lamelles sur les sculptures rompt la tension superficielle du film d'eau présent sur la route. Sur cette bande sont habituellement disposés des témoins d'usure dont la localisation est repérable sur le flanc du pneu. Les témoins des pneus pour véhicule tourisme ont une hauteur de 1,6 mm.

Sous la bande de roulement se trouvent les nappes ceintures, constituées de fils métalliques parallèles. Ces câbles, en deux couches croisées, assurent la rigidité du pneumatique, notamment lors de poussées latérales (virages).

Zone flanc

La zone latérale du pneu est constituée de gomme souple, capable de supporter une déformation à chaque tour de roue, et résistante aux chocs (trottoirs). On y trouve également tous les marquages. La zone de transition entre le flanc et le sommet s'appelle " épaule ".

Zone basse

La fonction de cette zone est d'assurer l'accroche à la jante, grâce à deux anneaux métalliques (les " tringles ") prenant appui sur la jante au niveau du " talon ". Cette zone transmet le couple entre la roue et le pneumatique, et permet l'étanchéité pour les pneus " tubeless ". Cette étanchéité est assurée par une nappe qui recouvre l'intérieur du pneu, et qui est coincée par les deux tringles : la " gomme intérieure ", à base de butyle.

Une autre nappe, située entre la gomme intérieure et le sommet, également coincée par les tringles, s'appelle la " nappe carcasse ". Elle est constituée de fils textiles parallèles (véhicule tourisme), dans le sens radial. Cette nappe a donné son nom au pneu radial. Elle assure la triangulation avec les fils croisés des nappes de ceintures pour une meilleure tenue du pneu. Ces fils, inextensibles, supportent le poids de la voiture et permettent de garder une bonne surface de contact entre le pneu et le sol.

La fabrication

Un pneumatique demande plusieurs étapes de fabrication. Des produits intermédiaires (les semi-finis) sont fabriqués avant d'être assemblés pour faire le produit fini.

Les produits semi-finis

  • La gomme

Les caoutchoucs naturels (issus du latex produit par l'hévéa) et synthétiques (issus de la pétrochimie) sont mélangés avec des huiles et des charges renforçantes (noir de carbone ou silice, qui améliorent la résistance à l'usure). Ce mélange est ensuite travaillé avec le soufre (vulcanisation) et les autres adjuvants pour être conditionné avant d'être utilisé.

  • Les fils textiles et métalliques

Les fils textiles sont essentiellement synthétiques. Ces fils sont retordus pour les rendre plus résistants, et sont imprégnés d'un polymère qui assurera leur adhérence à la gomme, dans la nappe carcasse.
Les fils métalliques sont en acier recouvert de laiton. L'adhérence de ces câbles au caoutchouc résulte de la formation de sulfures et de polysulfures de cuivre, à partir du cuivre constitutif du laiton et du soufre utilisé pour la vulcanisation du caoutchouc. Les fils métalliques sont tréfilés, puis tressés en câbles. Ils serviront à réaliser les tringles et les nappes de ceinture.

Les nappes de renfort (carcasse et de ceinture) sont calandrées : les fils (textiles ou métalliques) placés parallèlement, sont pris en sandwich entre deux minces couches de gomme. Ces nappes sont ensuite coupées puis réassemblées afin d'obtenir l'angle de fil souhaité.

  • Les nappes de gomme

La bande de roulement, ainsi que plusieurs couches de différentes gommes sont utilisées dans le pneu, afin de constituer ou renforcer certaines zones (épaule, flanc, talon) : évacuation de la chaleur, protection contre les agressions chimiques, etc. Ces nappes sont fabriquées par extrusion.

Le produit fini

  • L'assemblage

Il s'agit de superposer les différents semi-finis, en vue de constituer le pneumatique. Les différentes couches internes (la "carcasse") sont placées sur un cylindre au diamètre du pneu (le "tambour") : gomme intérieure, nappe carcasse, tringles, et toutes les nappes de gommes. Après conformation (le tambour fait prendre à la carcasse sont aspect torique), les nappes de ceinture et la bande de roulement sont posées : on obtient un pneu cru, encore plastique.

  • La cuisson

Ce pneu est placé dans une presse de cuisson, dont les parois sont usinées afin de reproduire sur le pneu les sculptures et les marquages. Lors de la cuisson, la vulcanisation du caoutchouc avec le soufre rend le pneu élastique.

Différentes opérations de contrôle (aspect visuel, radioscopie, balourd, dérive, etc.) permettent d'assurer que le pneu (organe de sécurité sur un véhicule) est conforme.

Les véhicules

Tramway sur pneu, Clermont-Ferrand (France)
Tramway sur pneu, Clermont-Ferrand (France)
Un des problèmes posés par les pneus est leur fin de vie ou recyclage
Un des problèmes posés par les pneus est leur fin de vie ou recyclage

Les pneus sont utilisés par différents types de véhicule :

  • L'automobile et ses dérivés : autocar, camion, engin de chantier
  • L'avion
  • La bicyclette,
  • Certains matériels ferroviaires comme les métros (lignes 4, 6 à Paris), et les Michelines.
  • La moto
  • Certains tramways (Voir : Liste des tramways sur pneus)

Pneus et Environnement

Le caoutchouc naturel est rendu plus rigide, stable aux Ultraviolets, résistant au sel de déneigement par des additifs parfois toxiques. Brûler des pneus produit beaucoup d'énergie, mais également une forte pollution. Le rechapage est possible et courant dans certains pays depuis longtemps pour les pneus de camions et gros engins de chantier public (Il produit des pneus 40 % moins cher). Mais le recyclage intégral de la ferraille et du caoutchouc nécessite des filières organisées et des matériels sophistiqués. Le brûlage des pneus à l'air libre ou ailleurs qu'en incinérateur spécialisé est interdit dans la plupart des pays. Le pneu broyé est parfois brûlé dans les fours de cimenterie. Il existe de par le monde de nombreuses décharges de pneus.

Des récifs artificiels à base de pneus ont été tenté, sans succès en raison de la toxicité des matériaux, et du fait qu'il est facilement balayé lors des tempêtes.

Les pneus s'usent et perdent peu à peu de leur matière sur les routes. Le cadmium qu'ils contiennent et d'autres composants concourrent à la pollution routière.

Les références inscrites sur un pneu

Le marquage se fait sur le flanc du pneu. Pour 195/65 R 15 91 H 6 M+S par exemple:

  • 195 est la largeur de section du pneu (en millimètres)
  • 65 est la "série" (hauteur du flanc par rapport à la largeur du pneu) exprimée en pourcentage (ici 65 % - soit 126,75 mm)
  • R indique le type radial (B indiquerait une carcasse " bias ", D une carcasse diagonale)
  • 15 est le diamètre de la jante en pouces (1 pouce correspondant à 2,54 cm)
  • 91 Indice de capacité de charge, 91=615 kg
  • H code de vitesse indique la vitesse maximale à laquelle un pneu de voiture de tourisme peut être soumis - (89H, pneu dont la limite est 210 km/h)
    • Q = 160 km/h
    • S = 180 km/h
    • T = 190 km/h
    • U = 200 km/h
    • H = 210 km/h
    • V = 240 km/h
    • W = 272 km/h
    • Y = 301 km/h
  • M+S (Mud+Snow) boue et neige. Signe appposé sur les pneus d'hiver ou toute saison

Dans cet exemple la circonférence du pneu est donc :

Pi × (2 × rayon)
= Pi × diamètre
= Pi × ([195 mm × 65% × 2] + [25,4 mm/pouce × 15 pouces])
= 1 993,3 mm

C'est cette circonférence qui permettra de calculer la vitesse du véhicule. Lorsque le pneu s'use, la vitesse se trouvera ainsi surévaluée. Dans notre exemple avec une usure de 3 mm la vitesse sera ainsi surévaluée de 0.95 % ; le compteur indiquera 100 km/h mais on roulera en fait à 99,05 km/h.

  • L'indicationTubeless " indique un pneu sans chambre à air, " Tube type " indique un pneu avec chambre à air
  • La date de fabrication du pneu est mentionnée en 4 chiffres ; les 2 premiers indiquent la semaine de fabrication et les deux derniers l'année de fabrication
    Exemple : 1702 est un pneu fabriqué lors de la 17e semaine de l'année 2002. Lorsqu'il n'y a que 3 chiffres, cela signifie que le pneumatique a été fabriqué avant l'an 2000. Si un triangle est présent devant ces 3 chiffres c'est qu'il sagit de la décennie 1990 et s'il n'y en a pas, la décennie 1980. 259 correspond donc à un pneumatique fabriqué la 25e semaine de 1989.
  • On peut trouver un marquage DOT (Department of Transportation) pour les pneumatiques destinés à l'Amérique du Nord. La quasi-totalité des pneus vendus en Europe ont également cette inscription et les 4 chiffres suivants ces 3 lettres correspondent à la date de fabrication comme indiqué ci-dessus.
  • Le code E1 : Signe de contôle pour la norme européenne, 1=Allemagne
  • Le matricule du pneumatique est composé d'une suite de chiffres et de lettres. C'est un numéro unique attribué à chaque pneu. Il est notamment relevé lors de chaque expertise de pneu. Selon les marques, il revêt différentes formes.

Aspects tribologiques

Les pneumatiques automobiles sont le lieu de dissipations énergétiques importantes lors du roulement. Différents aspects du contact pneumatique-route sont envisagés dans le Wikilivre de tribologie et plus spécialement dans le chapitre réservé aux applications pratiques : Pneumatiques automobiles.

Pour faire simple, le contact du pneu à la route crée une légère déformation de celui ci, quand le pneumatique tourne, il y'a une dilatation de la partie du pneumatique qui était en contact avec la route et qui ne l'est plus, et une compression de la partie qui n'était pas encore en contact avec celle-ci et qui le devient. Ces déformations créent un transfert d'énergie mécanique en énergie thermique (augmentation de la température du pneu).

p la force qui colle le pneu à la route, f la force maximale latérale qui peut être exercée
p la force qui colle le pneu à la route, f la force maximale latérale qui peut être exercée

Jusqu'à quel point le pneu adhère à la route? En fait, il faudrait plutôt dire : quelle est la force maximale exercée sur le pneu perpendiculairement à la route avant que celui-ci ne dérape ?

En fait, la force maximale latérale est quasi-proportionnelle à la force qui colle le pneu à la route (p sur le schéma). Cependant, passé un certain seuil, la force maximale latérale n'augmente pas autant par rapport à la force p que précédemment. Ainsi, une voiture avec un centre de gravité élevé, qui subit de forts transferts de charge en virage, tiendra moins bien la route en virage qu'une voiture identique avec un centre de gravité plus bas.

Les pneus et la sécurité

La pression des pneus

Un pneu sur-gonflé, ainsi qu'un pneu sous-gonflé provoque une diminution de l'adhérence qui peut être dangereuse en virage ou au freinage. Il est donc conseillé de vérifier régulièrement la pression des pneus. Il est aussi conseillé de légèrement surgonfler les pneus au cas où l'on transporterait de lourdes charges pour éviter que le pneu ne se plie sur les bords. Un pneu sous-gonflé subit une déformation plus importante des flancs et de la bande de roulement. Les principales conséquences sont une usure plus rapide du pneumatique, un risque augmenté d'éclatement et une augmentation de la consommation de carburant du véhicule. Il faut noter qu'un pneu trop gonflé s'use également plus rapidement au centre de la bande de roulement et est plus sensible aux arrachements de gomme (patinage notament).

Les meilleurs pneus vont à l'arrière

Pour une automobile il est conseillé de placer les moins usés des quatre pneus à l'arrière [1] L'essieu avant est directeur, ainsi, lorsque l'on tourne le volant, ce sont eux qui donnent la direction au reste du véhicule. les pneus arrières suivent. Le conducteur n'a conscience que de l'adhérence de ses pneus avant. Il peut éventuellement corriger son mouvement ou ralentir l'allure s'il sent ses pneus glisser dans un virage par exemple. Si les pneus arrières sont plus usés, il se peut que les pneus avant soit suffisemment adhérents pour virer mais pas les arrières. Si ceux-ci glissent, le véhicule peut partir en tête à queue ou sortir de la route.

Le contrôle de l'usure

Il est nécessaire de contrôler régulièrement l'usure de pneus. Des pneus trop usés présentent un danger. [2]

Le marché du pneumatique

Il représente en 2003 près de 71 milliards de dollars. Les années 1990 ont vu une forte concentration des manufacturiers. Trois d'entre eux se partagent près de 60% du marché : le Français Michelin (marques : Michelin, Kléber, BFGoodrich, Uniroyal (USA)…), le Japonais Bridgestone (Bridgestone, Firestone, Dayton,…) et l'Américain Goodyear (Goodyear, Dunlop, Fulda, Debica, Sava,…). Les autres grands manufacturiers sont l'Allemand Continental AG (Uniroyal (Europe), Barum, Semperit…), et l'Italien Pirelli (Pirelli, Ceat,…). Il existe également de nombreux autres manufacturiers, notamment asiatiques (Yokohama, Toyo, Hankook, Kuhmo,…). Des marques européennes fabriquent des produits très efficaces en hiver, notamment Vredestein aux Pays-Bas et Nokian en Finland.

L'évolution du marché tend vers une " radialisation " (en 2000, environ 60 % des pneus des pays en voie de développement n'utilisent pas la technologie radiale) et une prise en compte environnementale (25 % de la consommation de carburant est due aux pneumatiques).

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