Comment fonctionne la direction de voiture

Vous pourriez être surpris d'apprendre que lorsque vous tournez votre voiture, vos roues avant ne pointent pas dans la même direction.

Pour qu'une voiture tourne en douceur, chaque roue doit suivre un cercle différent. Puisque la roue intérieure suit un cercle avec un rayon plus petit, elle effectue un virage plus serré que la roue extérieure. Si vous tracez une ligne perpendiculaire à chaque roue, les lignes se croisent au point central du virage. La géométrie de la tringlerie de direction fait tourner la roue intérieure plus que la roue extérieure.

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Il existe plusieurs types de boîtiers à gouverner. Les plus courants sont Crémaillère et boule de recirculation.

Direction à crémaillère devient rapidement le type de direction le plus courant sur les voitures, les petits camions et les SUV. C'est en fait un mécanisme assez simple. Un engrenage à pignon et crémaillère est enfermé dans un tube métallique, chaque extrémité de la crémaillère dépassant du tube. Une tige, appelée un Rotule de direction, se connecte à chaque extrémité du rack.

le pignon est attaché au arbre de direction. Lorsque vous tournez le volant, l'engrenage tourne, déplaçant la crémaillère. Le tirant à chaque extrémité du rack se connecte au bras de direction sur le broche (voir schéma ci-dessus).

Le train d'engrenages à pignon et crémaillère fait deux choses:

• Il convertit le mouvement de rotation du volant en mouvement linéaire nécessaire pour faire tourner les roues.
• Il fournit une réduction de vitesse, ce qui facilite la rotation des roues.

Sur la plupart des voitures, il faut trois à quatre révolutions complètes du volant pour que les roues tournent d'une serrure à l'autre (de l'extrême gauche à l'extrême droite).

le rapport de direction est le rapport entre la distance à laquelle vous tournez le volant et la distance à laquelle les roues tournent. Par exemple, si un tour complet (360 degrés) du volant entraîne une rotation des roues de la voiture de 20 degrés, alors le rapport de direction est de 360 ​​divisé par 20, ou 18: 1. Un rapport plus élevé signifie que vous devez tourner davantage le volant pour que les roues tournent sur une distance donnée. Cependant, moins d'effort est requis en raison du rapport de démultiplication plus élevé.

En général, les voitures plus légères et plus sportives ont des rapports de direction inférieurs à ceux des voitures et des camions plus gros. Le rapport inférieur donne à la direction une réponse plus rapide - vous n'avez pas à tourner le volant autant pour que les roues tournent sur une distance donnée - ce qui est un trait souhaitable dans les voitures de sport. Ces voitures plus petites sont suffisamment légères pour que même avec le rapport inférieur, l'effort requis pour tourner le volant n'est pas excessif.

Certaines voitures ont direction à rapport variable, qui utilise un engrenage à pignon et crémaillère qui a un pas de dent (nombre de dents par pouce) différent au centre de celui qu'il a à l'extérieur. Cela permet à la voiture de réagir rapidement lors du démarrage d'un virage (le porte-bagages est près du centre), et réduit également l'effort près des limites de braquage de la roue.

Crémaillère et pignon d'alimentation

Lorsque la crémaillère est dans un système de direction assistée, la crémaillère a une conception légèrement différente.

Une partie de la crémaillère contient un cylindre avec un piston au milieu. Le piston est connecté à la crémaillère. Il y a deux orifices de fluide, un de chaque côté du piston. Fournir un fluide à pression plus élevée d'un côté du piston force le piston à se déplacer, ce qui à son tour déplace la crémaillère, fournissant l'assistance électrique.

Nous allons vérifier les composants qui fournissent le fluide haute pression, ainsi que décider de quel côté du rack le fournir, plus loin dans l'article. Jetons d'abord un coup d'œil à un autre type de direction.

Direction à recirculation de billes est utilisé sur de nombreux camions et SUV aujourd'hui. La liaison qui fait tourner les roues est légèrement différente de celle d'un système à crémaillère et pignon.

Le boîtier de direction à recirculation de billes contient un engrenage à vis sans fin. Vous pouvez imaginer l'engrenage en deux parties. La première partie est un bloc de métal avec un trou fileté. Ce bloc a des dents d'engrenage coupées à l'extérieur de celui-ci, qui engagent un engrenage qui déplace le Pitman bras (voir schéma ci-dessus). Le volant se connecte à une tige filetée, semblable à un boulon, qui se colle dans le trou du bloc. Lorsque le volant tourne, il fait tourner le boulon. Au lieu de se tordre davantage dans le bloc comme le ferait un boulon ordinaire, ce boulon est maintenu fixe de sorte que lorsqu'il tourne, il déplace le bloc, ce qui déplace l'engrenage qui fait tourner les roues..

Au lieu que le boulon engage directement les filets dans le bloc, tous les filets sont remplis de roulements à billes qui recirculent à travers l'engrenage lorsqu'il tourne. Les billes ont en fait deux objectifs: premièrement, elles réduisent le frottement et l'usure de l'engrenage; deuxièmement, ils réduisent slop dans l'engrenage. Une pente serait ressentie lorsque vous changiez la direction du volant - sans les billes dans le boîtier de direction, les dents sortiraient du contact les unes avec les autres pendant un moment, ce qui rendrait le volant lâche.

La direction assistée dans un système à recirculation de billes fonctionne de manière similaire à un système à crémaillère et pignon. L'assistance est fournie en fournissant un fluide à haute pression d'un côté du bloc.

Voyons maintenant les autres composants qui composent un système de direction assistée.

Il y a quelques éléments clés dans direction assistée en plus du mécanisme à crémaillère ou à recirculation de billes.

Pompe

La puissance hydraulique de la direction est fournie par un pompe à palettes (voir schéma ci-dessous). Cette pompe est entraînée par le moteur de la voiture via une courroie et une poulie. Il contient un ensemble d'aubes rétractables qui tournent à l'intérieur d'une chambre ovale.

Lorsque les aubes tournent, elles tirent le fluide hydraulique de la conduite de retour à basse pression et le forcent dans la sortie à haute pression. La quantité de débit fournie par la pompe dépend du régime moteur de la voiture. La pompe doit être conçue pour fournir un débit adéquat lorsque le moteur tourne au ralenti. En conséquence, la pompe déplace beaucoup plus de fluide que nécessaire lorsque le moteur tourne à des vitesses plus élevées.

La pompe contient une soupape de surpression pour s'assurer que la pression ne devient pas trop élevée, en particulier à des régimes moteur élevés, lorsque tant de liquide est pompé.

Vanne rotative

Un système de direction assistée ne doit assister le conducteur que lorsqu'il exerce une force sur le volant (par exemple lors d'un virage). Lorsque le conducteur n'exerce aucune force (comme lors de la conduite en ligne droite), le système ne doit fournir aucune assistance. L'appareil qui détecte la force exercée sur le volant s'appelle le vanne rotative.

La clé de la vanne rotative est un barre de torsion. La barre de torsion est une fine tige de métal qui se tord lorsqu'un couple lui est appliqué. Le haut de la barre est connecté au volant et le bas de la barre est connecté au pignon ou à vis sans fin (qui fait tourner les roues), de sorte que la quantité de couple dans la barre de torsion est égale à la quantité de couple le le conducteur utilise pour faire tourner les roues. Plus le conducteur utilise de couple pour faire tourner les roues, plus la barre se tord.

L'entrée de l'arbre de direction forme la partie intérieure d'un ensemble distributeur-tiroir. Il se connecte également à l'extrémité supérieure du barre de torsion. Le bas de la barre de torsion se connecte à la partie extérieure du distributeur à tiroir. La barre de torsion fait également tourner la sortie de l'appareil à gouverner, se connectant soit au pignon soit à l'engrenage à vis sans fin en fonction du type de direction de la voiture..

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Animation montrant ce qui se passe à l'intérieur de la vanne rotative lorsque vous commencez à tourner le volant

Au fur et à mesure que la barre se tord, elle tourne l'intérieur du distributeur à tiroir par rapport à l'extérieur. Étant donné que la partie intérieure du distributeur à tiroir est également reliée à l'arbre de direction (et donc au volant), la quantité de rotation entre les parties intérieure et extérieure du distributeur à tiroir dépend du couple que le conducteur applique au volant..

Lorsque le volant n'est pas tourné, les deux conduites hydrauliques fournissent la même quantité de pression au boîtier de direction. Mais si le distributeur à tiroir est tourné dans un sens ou dans l'autre, les orifices s'ouvrent pour fournir du fluide haute pression à la conduite appropriée.

Il s'avère que ce type de système de direction assistée est assez inefficace. Jetons un coup d'œil à certaines avancées que nous verrons dans les années à venir qui contribueront à améliorer l'efficacité.

Étant donné que la pompe de direction assistée de la plupart des voitures fonctionne aujourd'hui en permanence, pompant du liquide tout le temps, elle gaspille de la puissance. Cette énergie gaspillée se traduit par un gaspillage de carburant.

Vous pouvez vous attendre à voir plusieurs innovations qui amélioreront l'économie de carburant. L'une des idées les plus cool sur la planche à dessin est le système "steer-by-wire" ou "drive-by-wire". Ces systèmes élimineraient complètement la connexion mécanique entre le volant et la direction, en le remplaçant par un système de contrôle purement électronique. Essentiellement, le volant fonctionnerait comme celui que vous pouvez acheter pour votre ordinateur personnel pour jouer à des jeux. Il contiendrait des capteurs qui indiqueraient à la voiture ce que le conducteur fait avec la roue et contiendrait des moteurs pour lui fournir des informations sur ce que fait la voiture. La sortie de ces capteurs serait utilisée pour contrôler un système de direction motorisé. Cela libérerait de l'espace dans le compartiment moteur en éliminant l'arbre de direction. Cela réduirait également les vibrations à l'intérieur de la voiture.

General Motors a lancé un concept-car, le Hy-wire, doté de ce type de système de conduite. L'une des choses les plus intéressantes à propos du système drive-by-wire du GM Hy-wire est que vous pouvez affiner la tenue de route du véhicule sans rien changer aux composants mécaniques de la voiture - il suffit d'un nouvel ordinateur pour régler la direction. Logiciel. Dans les futurs véhicules drive-by-wire, vous serez probablement en mesure de configurer les commandes exactement à votre guise en appuyant sur quelques boutons, tout comme vous pourriez régler la position du siège dans une voiture aujourd'hui. Il serait également possible dans ce type de système de stocker des préférences de contrôle distinctes pour chaque conducteur de la famille..

Au cours des cinquante dernières années, les systèmes de direction des voitures n'ont pas beaucoup changé. Mais au cours de la prochaine décennie, nous verrons des progrès dans la direction des voitures qui se traduiront par des voitures plus efficaces et une conduite plus confortable..

Pour plus d'informations sur les systèmes de direction et les sujets connexes, consultez les liens sur la page suivante.

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