Comment fonctionne la traction intégrale

  • Thomas Dalton
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Les Hummers fonctionnent à quatre roues motrices. Voir des photos de tout-terrain.

Il existe presque autant de types différents de systèmes à quatre roues motrices que de véhicules à quatre roues motrices. Il semble que chaque fabricant a plusieurs schémas différents pour fournir de la puissance à toutes les roues. Le langage utilisé par les différents constructeurs automobiles peut parfois être un peu déroutant, alors avant de commencer à expliquer comment ils fonctionnent, clarifions la terminologie:

  • Quatre roues motrices - Habituellement, lorsque les constructeurs automobiles disent qu'une voiture a quatre roues motrices, ils font référence à un à temps partiel système. Pour des raisons que nous explorerons plus loin dans cet article, ces systèmes sont uniquement destinés à être utilisés dans des conditions de faible traction, telles que le tout-terrain, la neige ou la glace..
  • Transmission intégrale - Ces systèmes sont parfois appelés quatre roues motrices à temps plein. Les systèmes de traction intégrale sont conçus pour fonctionner sur tous les types de surfaces, sur route et hors route, et la plupart d'entre eux ne peuvent pas être désactivés.

Les systèmes à quatre roues motrices à temps partiel et à temps plein peuvent être évalués en utilisant les mêmes critères. Le meilleur système enverra exactement la bonne quantité de couple à chaque roue, qui est le couple maximal qui ne fera pas patiner ce pneu..

Dans cet article, nous expliquerons les principes fondamentaux de la traction intégrale, en commençant par quelques informations sur la traction, et nous examinerons les composants qui composent un système à 4 roues motrices. Ensuite, nous examinerons quelques systèmes différents, y compris celui trouvé sur le Hummer, fabriqué pour GM par AM General.

Nous devons en savoir un peu plus sur couple, traction et patinage des roues avant de comprendre les différents systèmes à quatre roues motrices que l'on trouve sur les voitures.

Le couple est la force de torsion que produit le moteur. Le couple du moteur est ce qui fait bouger votre voiture. Les différents rapports de la transmission et du différentiel multiplient le couple et le répartissent entre les roues. Plus de couple peut être envoyé aux roues en première vitesse qu'en cinquième vitesse car la première vitesse a un rapport de vitesse plus grand par lequel multiplier le couple.

Le graphique à barres ci-dessous indique la quantité de couple que produit le moteur. La marque sur le graphique indique la quantité de couple qui causera le patinage de la roue. La voiture qui prend un bon départ ne dépasse jamais ce couple, donc les pneus ne glissent pas; la voiture qui fait un mauvais départ dépasse ce couple, donc les pneus glissent. Dès qu'ils commencent à glisser, le couple tombe presque à zéro.

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La chose intéressante à propos du couple est que dans les situations de faible traction, la quantité maximale de couple qui peut être créée est déterminée par la quantité de traction et non par le moteur. Même si vous avez un moteur NASCAR dans votre voiture, si les pneus ne collent pas au sol, il n'y a tout simplement aucun moyen d'exploiter cette puissance..

Pour le bien de cet article, nous définirons traction comme force maximale que le pneu peut appliquer contre le sol (ou que le sol peut appliquer contre le pneu - c'est la même chose). Voici les facteurs qui affectent la traction:

Le poids sur le pneu -- Plus un pneu est lourd, plus il a de traction. Le poids peut changer à mesure qu'une voiture roule. Par exemple, lorsqu'une voiture effectue un virage, le poids passe aux roues extérieures. Lorsqu'il accélère, le poids passe aux roues arrière. (Voir Fonctionnement des freins pour plus de détails.)

Le coefficient de frottement -- Ce facteur relie la quantité de force de frottement entre deux surfaces à la force maintenant les deux surfaces ensemble. Dans notre cas, il relie la quantité de traction entre les pneus et la route au poids reposant sur chaque pneu. Le coefficient de frottement est principalement fonction du type de pneus du véhicule et du type de surface sur laquelle le véhicule roule. Par exemple, un pneu NASCAR a un coefficient de frottement très élevé lorsqu'il roule sur une piste sèche et bétonnée. C'est l'une des raisons pour lesquelles les voitures de course NASCAR peuvent prendre des virages à des vitesses aussi élevées. Le coefficient de frottement pour ce même pneu dans la boue serait presque nul. En revanche, les gros pneus tout-terrain noueux n'auraient pas un coefficient de friction aussi élevé sur piste sèche, mais dans la boue, leur coefficient de friction est extrêmement élevé..

Patinage des roues -- Il existe deux types de contact que les pneus peuvent établir avec la route: statique et dynamique.

  • contact statique -- Le pneu et la route (ou le sol) ne glissent pas l'un par rapport à l'autre. Le coefficient de frottement pour le contact statique est plus élevé que pour le contact dynamique, donc le contact statique offre une meilleure traction.
  • contact dynamique -- Le pneu glisse par rapport à la route. Le coefficient de frottement pour le contact dynamique est plus faible, vous avez donc moins de traction.

Tout simplement, le patinage de la roue se produit lorsque la force appliquée à un pneu dépasse la traction disponible pour ce pneu. La force est appliquée au pneu de deux manières:

  • Longitudinalement -- La force longitudinale provient du couple appliqué au pneu par le moteur ou par les freins. Il a tendance à accélérer ou à ralentir la voiture.
  • Latéralement -- Une force latérale est créée lorsque la voiture tourne autour d'une courbe. Il faut de la force pour faire changer de direction une voiture - en fin de compte, les pneus et le sol fournissent une force latérale.

Disons que vous avez une voiture à propulsion arrière assez puissante et que vous conduisez dans un virage sur une route mouillée. Vos pneus ont beaucoup de traction pour appliquer la force latérale nécessaire pour maintenir votre voiture sur la route pendant qu'elle fait le tour de la courbe. Disons que vous appuyez sur la pédale d'accélérateur au milieu du virage (ne fais pas ça!) - votre moteur envoie beaucoup plus de couple aux roues, produisant une grande force longitudinale. Si vous ajoutez la force longitudinale (produite par le moteur) et la force latérale créée dans le virage, et que la somme dépasse la traction disponible, vous venez de créer un patinage de roue.

La plupart des gens ne dépassent même pas la traction disponible sur une chaussée sèche, ou même sur une chaussée plate et mouillée. Les systèmes à quatre roues motrices et à traction intégrale sont plus utiles dans les situations de faible traction, comme dans la neige et sur les pentes glissantes.

L'avantage des quatre roues motrices est facile à comprendre: si vous conduisez quatre roues au lieu de deux, vous avez le potentiel de doubler la force longitudinale (la force qui vous fait avancer) que les pneus appliquent au sol..

Cela peut aider dans diverses situations. Par exemple:

  • Dans la neige -- Il faut beaucoup de force pour pousser une voiture dans la neige. La force disponible est limitée par la traction disponible. La plupart des voitures à deux roues motrices ne peuvent pas bouger s'il y a plus de quelques centimètres de neige sur la route, car dans la neige, chaque pneu n'a qu'une faible adhérence. Une voiture à quatre roues motrices peut utiliser la traction des quatre pneus.
  • Hors route -- Dans des conditions hors route, il est assez courant qu'au moins un jeu de pneus soit dans une situation de faible traction, comme lors de la traversée d'un ruisseau ou d'une flaque de boue. Avec les quatre roues motrices, l'autre ensemble de pneus a toujours de la traction, de sorte qu'ils peuvent vous tirer.
  • Escalade de collines glissantes -- Cette tâche nécessite beaucoup de traction. Une voiture à quatre roues motrices peut utiliser la traction des quatre pneus pour tirer la voiture vers le haut de la colline.

Il existe également des situations dans lesquelles les quatre roues motrices n'offrent aucun avantage par rapport aux deux roues motrices. Plus particulièrement, les systèmes à quatre roues motrices ne vous aideront pas à vous arrêter sur des surfaces glissantes. Tout dépend des freins et du système de freinage antiblocage (ABS).

Voyons maintenant les pièces qui composent un système à quatre roues motrices.

Le type de différentiel le plus courant - le différentiel ouvert

Les éléments principaux de tout système à quatre roues motrices sont les deux différentiels (avant et arrière) et la boîte de transfert. De plus, les systèmes à temps partiel ont des moyeux de verrouillage, et les deux types de systèmes peuvent avoir des composants électroniques avancés qui les aident à utiliser encore mieux la traction disponible..

Différentiels Une voiture a deux différentiels, l'un situé entre les deux roues avant et l'autre entre les deux roues arrière. Ils envoient le couple de l'arbre de transmission ou de la transmission aux roues motrices. Ils permettent également aux roues gauche et droite de tourner à des vitesses différentes lorsque vous faites un virage.

Lorsque vous contournez un virage, les roues intérieures suivent un chemin différent de celui des roues extérieures, et les roues avant suivent un chemin différent de celui des roues arrière, de sorte que chacune des roues tourne à une vitesse différente. Les différentiels permettent la différence de vitesse entre les roues intérieures et extérieures. (En traction intégrale, la différence de vitesse entre les roues avant et arrière est gérée par la boîte de transfert - nous en discuterons ensuite.)

Il existe plusieurs types de différentiels utilisés dans les voitures et les camions. Les types de différentiels utilisés peuvent avoir un effet significatif sur la façon dont le véhicule utilise la traction disponible. Voir Comment fonctionnent les différences pour plus de détails.

Une boîte de transfert à quatre roues motrices à temps partiel typique: la réduction d'engrenage planétaire peut être engagée pour fournir la transmission de gamme basse.

Boîte de transfert

C'est l'appareil qui répartit la puissance entre les essieux avant et arrière sur une voiture à quatre roues motrices.

Revenons à notre exemple de virage en virage: alors que les différentiels gèrent la différence de vitesse entre les roues intérieures et extérieures, la boîte de transfert dans un système à traction intégrale contient un dispositif qui permet une différence de vitesse entre les roues avant et arrière. Cela peut être un accouplement visqueux, un différentiel central ou un autre type d'engrenage. Ces dispositifs permettent à un système de traction intégrale de fonctionner correctement sur n'importe quelle surface.

le boîte de transfert sur un système à quatre roues motrices à temps partiel verrouille l'arbre de transmission de l'essieu avant à l'arbre de transmission de l'essieu arrière, de sorte que les roues sont forcées de tourner à la même vitesse. Cela nécessite que les pneus glissent lorsque la voiture effectue un virage. Les systèmes à temps partiel comme celui-ci ne devraient être utilisés que dans des situations à faible traction dans lesquelles il est relativement facile pour les pneus de glisser. Sur béton sec, il n'est pas facile pour les pneus de glisser, il faut donc désengager les quatre roues motrices afin d'éviter les virages saccadés et une usure supplémentaire des pneus et de la transmission.

Certaines boîtes de transfert, plus souvent celles des systèmes à temps partiel, contiennent également un ensemble supplémentaire d'engrenages qui donnent au véhicule un bas de gamme. Ce rapport de démultiplication supplémentaire donne au véhicule un couple supplémentaire et une vitesse de sortie extrêmement lente. En première vitesse en gamme basse, le véhicule peut avoir une vitesse maximale d'environ 8 km / h, mais un couple incroyable est produit au niveau des roues. Cela permet aux conducteurs de grimper lentement et en douceur sur des pentes très raides.

Hubs de verrouillage

Chaque roue d'une voiture est boulonnée à un moyeu. Les camions à quatre roues motrices à temps partiel ont généralement moyeux de verrouillage sur les roues avant. Lorsque la transmission intégrale n'est pas engagée, les moyeux de verrouillage sont utilisés pour déconnecter les roues avant du différentiel avant, les demi-arbres (les arbres qui relient le différentiel au moyeu) et l'arbre de transmission. Cela permet au différentiel, aux demi-arbres et à l'arbre de transmission de cesser de tourner lorsque la voiture est en deux roues motrices, ce qui évite l'usure de ces pièces et améliore la consommation de carburant..

Les moyeux à verrouillage manuel étaient assez courants. Pour engager la transmission intégrale, le conducteur devait en fait sortir du camion et tourner un bouton sur les roues avant jusqu'à ce que les moyeux se bloquent. Les systèmes plus récents ont des moyeux à verrouillage automatique qui s'engagent lorsque le conducteur passe en quatre roues motrices. Ce type de système peut généralement être engagé lorsque le véhicule est en mouvement.

Qu'ils soient manuels ou automatiques, ces systèmes utilisent généralement un collier coulissant qui verrouille les demi-arbres avant sur le moyeu.

Électronique avancée

Sur de nombreux véhicules modernes à quatre roues motrices et à traction intégrale, l'électronique de pointe joue un rôle clé. Certaines voitures utilisent le système ABS pour appliquer sélectivement les freins aux roues qui commencent à déraper - c'est ce qu'on appelle contrôle de traction-freinage.

D'autres ont des embrayages sophistiqués à commande électronique qui peuvent mieux contrôler le transfert de couple entre les roues. Nous examinerons un de ces systèmes avancés plus loin dans l'article.

Voyons d'abord comment fonctionne le système de transmission intégrale à temps partiel le plus élémentaire.

Schéma du système de base

Le type de système à temps partiel que l'on trouve généralement sur les camionnettes à quatre roues motrices et les VUS plus anciens fonctionne comme suit: Le véhicule est généralement à propulsion arrière. La transmission se connecte directement à une boîte de transfert. À partir de là, un arbre de transmission fait tourner l'essieu avant et un autre fait tourner l'essieu arrière.

Lorsque les quatre roues motrices sont engagées, la boîte de transfert verrouille l'arbre de transmission avant sur l'arbre de transmission arrière, de sorte que chaque essieu reçoit la moitié du couple provenant du moteur. En même temps, les moyeux avant se bloquent.

Les essieux avant et arrière ont chacun un différentiel ouvert. Bien que ce système offre une bien meilleure traction qu'un véhicule à deux roues motrices, il présente deux inconvénients principaux. Nous avons déjà discuté de l'un d'entre eux: il ne peut pas être utilisé sur route à cause de la boîte de transfert verrouillée.

Le deuxième problème vient du type de différentiels utilisés: un différentiel ouvert répartit le couple uniformément entre chacune des deux roues auxquelles il est connecté (voir Comment fonctionnent les différentiels pour plus de détails). Si l'une de ces deux roues décolle du sol ou se trouve sur une surface très glissante, le couple appliqué à cette roue tombe à zéro. Parce que le couple est réparti uniformément, cela signifie que l'autre roue reçoit également un couple nul. Ainsi, même si l'autre roue a beaucoup de traction, aucun couple ne lui est transféré. L'animation ci-dessous montre comment un système comme celui-ci réagit dans diverses conditions.

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Animation d'un système de base rencontrant diverses combinaisons de terrain. Ce véhicule se coince lorsque deux de ses roues sont sur la glace.

Auparavant, nous disions que le meilleur système à quatre roues motrices enverrait exactement la bonne quantité de couple à chaque roue, la bonne quantité étant le couple maximal qui ne fera pas patiner ce pneu. Ce système est assez mal noté selon ce critère. Il envoie aux deux roues la quantité de couple qui ne causera pas le pneu avec le moins traction pour glisser.

Il existe des moyens d'améliorer un système comme celui-ci. Le remplacement du différentiel ouvert par un différentiel arrière à glissement limité est l'un des plus courants - cela garantit que les deux roues arrière sont capables d'appliquer un certain couple quoi qu'il arrive. Une autre option est un différentiel verrouillable, qui verrouille les roues arrière ensemble pour s'assurer que chacune a accès à tout le couple entrant dans l'essieu, même si une roue n'est pas au sol - cela améliore les performances en conditions tout-terrain.

Dans la section suivante, nous examinerons ce que pourrait être le système de traction intégrale ultime: celui du Hummer.

Le véhicule militaire AM General Hummer combine une technologie mécanique avancée avec une électronique sophistiquée pour créer ce qui est sans doute le meilleur système à quatre roues motrices disponible.

Le Hummer dispose d'un système permanent avec des fonctionnalités supplémentaires qui peuvent être activées pour des performances hors route améliorées. Dans ce système, tout comme dans notre système de base, la transmission est reliée à la boîte de transfert. Depuis la boîte de transfert, un arbre de transmission se connecte à l'essieu avant et un à l'essieu arrière. Cependant, la boîte de transfert du Hummer ne verrouille pas automatiquement les essieux avant et arrière ensemble. Au lieu de cela, il contient un ensemble d'engrenages à différentiel ouvert qui peuvent être verrouillés par le conducteur. En mode ouvert (non verrouillé), les essieux avant et arrière peuvent se déplacer à des vitesses différentes, ce qui permet au véhicule de rouler sans problème sur des routes sèches. Lorsque le différentiel est bloqué, les essieux avant et arrière ont chacun accès au couple du moteur. Si les roues avant sont en sables mouvants, les roues arrière reçoivent tout le couple qu'elles peuvent supporter.

Schéma du système Hummer, une caractéristique intéressante du Hummer est les moyeux à engrenages qu'il utilise à chaque roue. Ceux-ci soulèvent l'ensemble de la transmission, donnant au Hummer 16 pouces (40,64 cm) de garde au sol, plus du double de ce que la plupart des quatre roues motrices ont.

Les différentiels avant et arrière sont tous deux Torsen® différentiels. Ces différentiels ont un engrenage unique: dès qu'il détecte une diminution du couple sur une roue (ce qui se produit lorsqu'un pneu est sur le point de patiner), le train d'engrenages transfère le couple à l'autre roue. Les différentiels Torsen peuvent transférer de deux à quatre fois le couple d'une roue à l'autre. C'est une grande amélioration par rapport aux différentiels ouverts. Mais si une roue n'est pas au sol, l'autre roue n'obtient toujours pas de couple.

Pour gérer ce problème, le Hummer est équipé d'un système de contrôle de traction des freins. Lorsqu'un pneu commence à patiner, le contrôle de traction des freins applique les freins à cette roue. Cela accomplit deux choses:

  • Il empêche ce pneu de glisser, ce qui lui permet d'utiliser au maximum sa traction disponible.
  • Cela permet à l'autre roue d'appliquer plus de couple.

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Le système Hummer rencontre diverses combinaisons de terrain: pour que le Hummer reste coincé, les quatre roues devraient perdre de la traction.

Le système de contrôle de traction des freins applique un couple important à la roue qui veut patiner, ce qui permet au différentiel Torsen d'appliquer deux à quatre fois ce couple accru à l'autre roue..

Mettons le Hummer à l'épreuve.

Le système du Hummer est capable d'envoyer une grande quantité de couple à tous les pneus qui ont de la traction, même si cela signifie envoyer le tout à un seul pneu. Cela rapproche le Hummer de notre définition d'un système à quatre roues motrices idéal: un système qui fournit à chaque pneu le maximum de couple qu'il peut supporter..

Pour plus d'informations sur les quatre roues motrices et des sujets connexes, consultez les liens sur la page suivante.

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