Un pneu (apocope de pneumatique) est un solide souple de forme torique formé de gomme et autres matériaux. Il est conçu pour être monté sur une roue ou une jante et gonflé avec un gaz sous pression, habituellement de l'air ou de l'azote. Il assure le contact de la roue avec le sol, procurant une certaine adhérence, un amortissement des chocs et des vibrations facilitant ainsi le déplacement des véhicules terrestres.
Un pneu
La conception, la fabrication et la commercialisation des pneumatiques représentent toute l'activité économique du secteur de la fabrication de pneumatiques.
Pneu sur une roue d'avion à l'inspection, dans les années 1940
Après avoir fait breveter son invention, John Boyd Dunlop fonde en 1889 la première manufacture de pneumatiques.
Dés 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.
Édouard Michelin aurait rencontré un cycliste anglais demandant une réparation lors de son passage à Clermont-Ferrand. Ce cycliste lui aurait donné l'idée de la chambre à air. Édouard et son frère André Michelin inventent un nouveau système de pneu avec chambre à air, qui est breveté en 1891. 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.
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.
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).
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).
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 ».
Un pneu est constitué de fines particules de tissus collées ensemble. On s'en sert beaucoup pour les bateaux. 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 butyl.
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.
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 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 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.
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.
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.
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.
Tramway sur pneu, Clermont-Ferrand (France)
Un des problèmes posés par les pneus est leur fin de vie ou recyclage
Les pneus sont utilisés par différents types de véhicule :
Le caoutchouc naturel est rendu plus rigide, stable aux ultraviolets, résistant au sel de déneigement par des additifs parfois toxiques. Les vieux pneus sont source potentielle d'incendies toxiques, de fournir des zones de ponte à des moustiques susceptibles de véhiculer de virus tels que le chikungunya. Brûler des pneus produit beaucoup d'énergie, mais également une forte pollution si cette combustion est effectuée à l'air libre et sans contrôle. La plupart des industries du ciment, par exemple, brûlent des pneus broyés et ont équipé leurs fours de systèmes de traitement de fumées, utilisant ainsi les pneus comme combustible de substitution depuis les années 1970. Le rechapage est possible, très fréquent pour les pneus d'avions et courant dans certains pays 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. Il existe de par le monde de nombreuses décharges de pneus.
Une nouvelle technique perce actuellement dans la ré-utilisation des pneus usagés. Ils sont transformés en granulats et servent dans les pelouses synthétiques sur des terrains de football par exemple.
Des récifs artificiels à base de pneus ont été essayés, sans succès en raison de la toxicité des matériaux, et du fait qu'il est facilement balayé lors des tempêtes. Ils peuvent par contre trouver une application de protection, comme c'est le cas du procédé « Pneusol », mis en place pour protéger des chutes de pierres la station d'épuration Amphitria.
Les pneus s'usent et perdent peu à peu de leur matière sur les routes. Le cadmium qu'ils contiennent et d'autres composants concourent à la pollution routière.
En France, l’abandon dans la nature ou le brûlage à l’air libre sont interdits, et les fabricants (ou importateurs) doivent procéder à l’enlèvement et au traitement des pneus usagés, mais ces textes ne concernaient pas les stocks d'avant 2004 (114 dépôts d'environ 240 000 tonnes de pneus). Le 20 février 2008, un accord interprofessionnel signé par toute la profession du Pneumatique sous l'égide de Nathalie Kosciusko-Morizet permet l'évacuation et la valorisation (en 6 à 8 ans, pour un coût estimé de 7 millions d’euros) des 80 000 tonnes de pneus qui restent à traiter en France.
Il existe aujourd'hui de nouvelles techniques telles la constitution de remblais routiers, de revêtements pour les terrains de jeux ou de sport, de réservoirs souterrains ou de chaussées réservoirs, à partir de morceaux de pneus broyés, lavés de leurs principales substances toxiques et transformés en poudrette.
(Pour les pneus de vélo voir Pneumatique (vélo))
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 du pneu gonflé, mesurée d'un flanc à l'autre (en millimètres). Ce n'est pas la largeur de la bande de roulement qui n'apparaît pas et peut varier, par exemple, entre deux pneus 195
65 est la « série » (hauteur du flanc par rapport à la largeur du pneu) exprimée en pourcentage (ici 65 % - soit 126,75 mm). Si cette indication n'apparaît pas (en général, pneus anciens), il s'agit par défaut d'une série 80.
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 (cf. normes de l'E.T.R.T.O., European Tyre and Rim Technical Organization)
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
R = 170 km/h
S = 180 km/h
T = 190 km/h
U = 200 km/h
H = 210 km/h
VR > 210 km/h
V = 240 km/h
ZR > 240 km/h
W = 270 km/h
Y = 300 km/h
M+S (Mud+Snow) boue et neige. Signe apposé sur les pneus d'hiver ou toute saison
Nota: Parfois, la lettre C est inscrite sur le flan du pneu, juste après 185R14-C par exemple. Cette lettre indique que l'indice de charge du pneu est plus élevé que la normale. Ces pneus sont généralement destinés à être montés sur une camionnette ou un camping-car.
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 % ; un compteur affichant une vitesse correcte pour un pneu neuf indiquera 100 km/h lorsqu'on roulera à une vitesse réelle de 99,05 km/h.
p la force qui colle le pneu à la route, f la force maximale latérale qui peut être exercée
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).
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 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.
Pneu sous-gonflé
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 notamment).
Un pneu est gonflé à l'air plus rarement à l'azote presque pur. Bien que l'air contienne déjà 78% d'azote (de diazote pour être plus précis), certains professionnels de l'aviation ou de la formule 1 par exemple, augmentent cette proportion et gonflent les pneumatiques avec de l'azote. Ce gaz ayant la propriété d'être inerte et stable conserve une pression plus constante même en cas d'échauffement intense du pneumatique. De plus ce gaz fuit plus difficilement. Une polémique existe d'ailleurs quant à l'introduction de cette méthode pour les véhicules particuliers. En effet, ceux-ci sont soumis à des contraintes bien moindres ce qui rend la différence avec l'air moins notable. Par contre le gonflage devient payant et on lui reproche souvent d'avoir un prix non justifié alors que le gonflage à l'air est souvent gratuit et jugé satisfaisant. Ceux qui l'utilisent devraient avoir, en principe, à rectifier le gonflage plus rarement, mais ils doivent néanmoins contrôler les pressions régulièrement. Les pneus gonflés à l'azote arborent généralement une valve de couleur différente, souvent du vert.
Pour une automobile il est généralement conseillé de placer les moins usés des quatre pneus à l'arrière. 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 arrière 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 arrière sont plus usés, il se peut que les pneus avant soit suffisamment adhérents pour virer mais pas les pneus arrière, et le sur-virage a de grandes chances de survenir. Si ceux-ci glissent, le véhicule peut partir en tête à queue ou sortir de la route. Néanmoins, un véhicule dont les pneus avant offrent une adhérence inférieure à celle des pneus arrière aura une tendance au sous-virage, c'est-à-dire à partir tout droit. Selon l'état des pneus et la dynamique du véhicule (les véhicules récents ayant une tendance nette au sous-virage) cela peut se révéler contre-productif, notamment sur route sinueuse. En outre des dispositifs de correction de trajectoire tels que l'ESP tendent à faciliter la maîtrise de la trajectoire du véhicule pour des conducteurs n'ayant pas l'expérience des situations de perte de contrôle et d'adhérence.
Il est nécessaire de contrôler régulièrement l'usure des pneus, des pneus trop usés présentant un danger. Des témoins d'usures sont présent sur une bonne part des modèles.
La température plus basse rend nécessaire l'emploi de pneus d'hiver ayant une gomme prévue pour travailler de manière optimale à basse température et en dessous de zéro (beaucoup de pneus été, comme les Michelin PE2, sont annoncés comme n'étant pas destinés à la conduite par des températures inférieures à zéro, la gomme durcissant avec le froid et perdant sa viscoélasticité). L'échange pneus d'hiver/été donne généralement lieu à un contrôle de l'équilibrage de ceux-ci et l'adjonction d'un plomb éventuel sur la jante pour en corriger l'équilibre. Durant l'échange il est important de conserver le même emplacement de pneus gauche/droite, qui est généralement indiqué sur le pneu, car ils s'usent de manière différente et antagoniste. Les pneus avant s'usent plus vite sur une traction, mais il est très déconseillé d'intervertir les pneus avants et arrières (si les pneus arrières sont plus usés que les avants, l'essieu arrière perd son adhérence plus tôt que l'essieu avant : quand cela se produit le véhicule risque le tête à queue). Sur une propulsion l'usure est généralement uniforme ou aléatoire. Des chaînes à neige viennent compléter l'éventail des actions contre la neige en plus des pneus d'hiver.