Châssis – 3 – Tout comprendre au grip

Qu’on soit débutant ou déjà en train de chasser le chrono ils sont toujours au centre des discussions : les pneus. Au départ on se mesure les bandes de peur entre potes, le nombre de bouloches sur les flancs. Ensuite on cherche celui qui donne le meilleur grip pour gratter quelques dixièmes. Puis on finit par les accuser quand on arrive pas à suivre son collègue sur une journée piste. Voyons un peu ce que nous cachent les pneus, et comment ils nous permettent de rester accroché au sol.

A chacun les siens

Les pneus ont la particularité d’être un des composants (le seul ?) qui n’est pas modifiable profondément par le pilote / bricoleur. On peut choisir sa référence, la taille ou la pression de ses pneus. En revanche les caractéristiques intrinsèques seront par définition propres à chaque fabricant et modèle. A moins d’être pilote de Grand Prix (et encore !) on n’a pas son mot à dire et on doit faire avec ce que les fabricants proposent. Heureusement le marché est assez vaste aujourd’hui.

On peut toujours se sculpter des rainures dans un slick, ou l’inverse … Mais c’est pas conseillé !

Le fait est qu’on n’a pas vraiment la main sur tout ça. La raison : une conception qui fait intervenir autant la chimie que la mécanique. A cela on doit ajouter un caractère très subjectif : beaucoup de motards ne jurent que par telle ou telle marque.

Et c’est naturel, car le pneu est le premier vecteur de ressenti sur une moto. On trouve de nombreux sujets sur les forums où des motards demandent conseils sur des choix de pneu route ou piste. S’il est bien-sûr toujours possible d’orienter vers des valeurs sûres, le fait est qu’on ne pourra pas vraiment savoir si un pneu nous convient tant qu’on ne l’aura pas essayé.

A titre perso lorsque j’ai commencé la piste les Dunlop D211 avaient une très bonne réputation. Pourtant, mon premier essai à Magny-Cours n’était pas bon et je perdais du temps en sortie des virages lents. Après être passé chez Pirelli sur des Supercorsa je ne les ai plus jamais lâchés. Est-ce que ça veut dire que les Pirelli étaient meilleurs que les Dunlop ? Sûrement pas, mais ils étaient plus adaptés à mon niveau et style de pilotage de l’époque, ils mettaient en confiance.

Du coup on a vite fait de se faire son petit catalogue perso avec ses pneus préférés, mais ça n’aide pas vraiment à comprendre ce qu’on monte. Et pour ce faire, pas facile de trouver des infos.

En suivant les sports mécaniques on apprend tôt des généralités. Par exemple une gomme tendre accroche mieux qu’une gomme dure. Mais pourquoi au juste ? On va essayer d’éclaircir tout ça.

Structure

Avant toute chose, voyons rapidement de quoi se compose un pneu.

Bande de roulement

Quand on pense au pneu on pense souvent à la bande de roulement, et pour cause : c’est elle qu’on voit en premier sur nos motos mais c’est surtout elle qui est en contact avec le sol. C’est là que siègent les gommes étudiées pour accrocher le sol, les sculptures pour évacuer l’eau.

Elle doit offrir une bonne adhérence sous des conditions variables (route sèche, mouillée, …), tout en garantissant une durée de vie suffisante grâce à un mélange de gomme résistant et/ou d’une épaisseur suffisante.

Enfin, elle doit garder une masse limitée pour permettre de rouler à grande vitesse en limitant les forces centrifuges au niveau de la roue. Mais cet aspect est aussi valable pour tout le reste du pneu.

Flancs et talons accroche

On ne va pas trop s’attarder sur cette partie du pneu car tout simplement c’est assez difficile de trouver des informations techniques précises à son sujet. On retiendra toutefois que les flancs du pneu ne sont pas là que pour accueillir les marquages réglementaires. Ils jouent un rôle important dans le comportement du pneu et sa capacité à renvoyer les informations au pilote. Ils participent aussi à définir la hauteur du pneu.

Si vous avez plus d’infos, n’hésitez pas à les partager en commentaire.

Carcasse

Pour supporter les efforts et éviter les déformations sous l’effet de la pression, la gomme est renforcée par une carcasse. On distinguera deux grandes familles : les carcasses radiales et les diagonales.

Le pneu diagonal est le plus ancien des deux. Il est composé de plusieurs couches de fibres empilées les unes sur les autres … en diagonale.

Les fibres étaient initialement à 45 degrés par rapport au sens de roulage. Cette structure a l’avantage d’être rigide et permet d’emmener des charges plus lourdes en ayant une meilleure longévité. En revanche elle se déforme moins et offre un grip un peu en deçà d’un pneu radial. Par ailleurs, la déformation du pneu crée des échauffements entre les couches de la carcasse, causés par les frottements.

Ce type de pneu est donc particulièrement adapté aux véhicules chargés, pour emmener Madame en vacances avec deux valises et trois sacs. Ils semblent également bien convenir aux petites et moyenne cylindrées disposant d’un châssis peu rigide.

De conception plus récente, les pneus radiaux ont une carcasse composée de fils rigides qui traversent le pneu perpendiculairement au sens de roulage. Cette structure est recouverte d’une ceinture d’acier sur sa périphérie. Cette ceinture permet de maintenir le pneu sur sa circonférence et éviter qu’elle ne se déforme sous l’effet de la pression et des forces centrifuges.

Le radial est plus souple qu’un pneu diagonal, et donc particulièrement adaptée à la performance : la surface de contact avec le sol est plus large et moins longue, offrant une accroche optimisée et une stabilité accrue. Enfin, le radial s’échauffe moins que le diagonal permettant de rouler à des vitesses plus élevées plus longtemps en toute sécurité.

Matériaux et grip

Le pneu a différentes fonctions comme l’amortissement et le besoin de supporter le poids du véhicule. On se concentrera ici uniquement sur sa fonction d’accroche pour comprendre comment ça marche.

Le caoutchouc

Ça n’aura échappé à personne le composant principal du pneu est la gomme, ou plus précisément le caoutchouc. Issu à l’origine du latex de l’Hévéa, l’utilisation de plus en plus répandue a obligé à trouver des produits de substitution. Aujourd’hui environ les deux tiers de la production pneumatique, tous domaines confondus, utilisent des caoutchoucs synthétiques. Ces derniers sont obtenus à partir d’hydrocarbures d’origine pétrolière. Pour le gros tiers restant, le caoutchouc naturel reste utilisé car il présente une résistance plus élevée, utile notamment pour les poids lourds et les engins de génie civil.

La différence majeure entre les caoutchoucs naturels et synthétique tient au niveau de ce qu’on appelle l’hystérésis du matériau, le caoutchouc synthétique en présentant une très supérieure à celle du caoutchouc naturel. Alors oui j’étais comme vous au départ :

Voyons ce qui se cache derrière ce nom un peu exotique.

Un matériau viscoélastique

Pour comprendre le rôle de l’hystérésis il faut comprendre que le caoutchouc est un matériau viscoélastique.

Et c’est quoi ça encore ?

C’est pas compliqué, promis. Quand on parle d’un matériau viscoélastique ça signifie simplement qu’il aura un comportement à la fois visqueux et élastique. Par comportement on entend la façon dont le matériau va se déformer quand on lui appliquera un effort. Si vous avez lu le chapitre 2 du dossier les exemples qui suivent devraient être parlants.

Cas d’un matériau élastique

Pour schématiser un comportement élastique on pourra prendre l’exemple d’un ressort. On a vu dans le chapitre précédent que l’effort appliqué et le déplacement (la compression) du ressort étaient proportionnels. C’est assez facile à visualiser : dès qu’on appuie ou qu’on relâche la pression sur le ressort, il se comprime ou se détend de manière simultanée. En répétant le cycle on peut représenter l’effort et la déformation sous forme de courbe sinusoïdale.

Si on avait considéré un ressort parfait, les deux courbes seraient confondues. Dans les faits, même si le ressort présente un rendement mécanique élevé il ne sera jamais égal à 1 (frottements internes, échauffement). Par conséquent la courbe de déplacement a une amplitude un peu plus faible.

En revanche, les deux courbes croisent l’axe en même temps : elles sont en phase.

Cas d’un matériau visqueux

Toujours dans le chapitre précédent, on a vu que l’amortisseur offre une réponse proportionnelle non pas au déplacement mais à la vitesse. A l’inverse d’un matériau élastique, le matériau visqueux aura un temps de latence dans sa réponse. Pour s’en convaincre on peut visualiser un amortisseur hydraulique. En essayant d’appuyer rapidement et fermement sur la tige du piston l’effort de résistance sera très élevé et empêchera le mouvement dans les premiers instants : il y a un décalage entre le moment où on applique l’effort et celui où on observe un mouvement.

C’est ça, l’hystérésis.

En appliquant des mouvements alternés de compression-détente, effort et mouvement se retrouvent en quadrature de phase. Autrement dit : lorsque l’effort est à son maximum le déplacement est nul, et inversement. Prenez par exemple une pompe à vélo. En essayant de gonfler rapidement une roue de vélo on se rend compte que les moments où on force le plus sont à chaque changement de sens, autrement dit : quand il n’y a pas ou peu de mouvement.
C’est ce principe qu’il faut visualiser, en gardant en tête qu’il apparaît à différentes échelles de temps : le décalage n’est pas toujours visible à l’œil nu.

En parlant des suspensions on avait aussi vu que l’amortisseur ne retransmettait pas mécaniquement l’énergie appliquée. Il l’absorbe et la rediffuse sous forme de chaleur. C’est la cause de ce temps de latence : l’énergie est dissipée plutôt que de participer au retour à l’état initial. Dans le pneu le principe est le même, les déformations vont engendrer des frictions internes (déplacements d’atomes) et un échauffement de la gomme.

Et donc, le matériau viscoélastique

De par leur nature viscoélastique, les gommes de pneus auront un comportement situé entre les deux extrêmes vus juste avant. Concrètement, une gomme qui se déforme va retrouver sa forme initiale mais après un court instant qui n’est pas forcément visible à l’œil nu. La composition chimique du mélange permettra de se rapprocher d’un comportement plus élastique ou visqueux selon le besoin.

A retenir : hystérésis et grip

A ce stade, vous vous dites peut-être que comparer le matériau du pneu à un amortisseur c’est bien gentil mais ça explique pas pourquoi nos motos tiennent la route. Et ces histoires d’hystérésis encore moins.

Mais même si c’est encore vague, s’il ne faut retenir qu’une info c’est que l’hystérésis est à l’origine du grip. Plus la gomme sera tendre, plus elle aura un comportement proche d’un matériau visqueux (donc à forte hystérésis). Par ailleurs, on a vu que cette hystérésis était synonyme de dissipation d’énergie sous forme de chaleur.

On peut résumer tout ça par :

Gomme tendre = Comportement visqueux = Hystérésis élevée = (Grip important + Chauffe importante).

Et vice versa.

Glisser pour ne pas déraper

Dans le premier chapitre on avait vu que pour prendre un virage, il fallait glisser, même si c’est contre-intuitif. L’occasion d’appliquer le phénomène d’hystérésis au pneu, parce qu’après tout on roule pas sur des pompes à vélo.

La rugosité de la route

C’est l’aspect le plus évident de la tenue de route : plus l’enrobé sera rugueux plus l’adhérence sera importante. Un peu à la manière d’un papier à poncer géant au grain plus ou moins fin.
Les aspérités qui mesurent quelques microns à quelques millimètres vont s’enfoncer superficiellement dans le pneu. La nature élastique de la gomme va lui permettre de s’adapter et se déformer autour de ces aspérités.

Ces déformations ne doivent pas être confondues avec la déformation de la structure du pneu. On parle ici d’une indentation qui affecte environ un millimètre d’épaisseur de gomme seulement. Mais c’est là que tout se joue !

Sous l’effet de la vitesse de glissement (abordé au chapitre 1), la gomme se déforme autour des irrégularités de la route. Par phénomène d’hystérésis la gomme ne va pas revenir immédiatement à sa position d’origine de l’autre côté de l’aspérité. Un peu à la manière d’un fluide en mouvement autour d’un obstacle.

Cette déformation asymétrique va créer un champ de force en opposition à la vitesse de glissement : la composante horizontale empêche le pneu de déraper : c’est le grip !

Phénomène d’adhésion

Lors du glissement, il va se former des interactions au niveau moléculaire à l’interface du pneu et de la route (cherchez interactions de Van Der Waals, pour les motivés). Ces interactions vont faire que certaines molécules de la route et du pneu vont s’attirer pendant le temps très bref où elles sont en contact.

Cette énergie d’attraction est décuplée par le travail du pneu sous l’effet du glissement et de la température. Les chaines de molécules s’allongent, créant un effort résistant opposé au glissement. Les chaines finissent par se briser, les interactions se recréent un peu plus loin, et ainsi de suite.
Logiquement, l’adhésion nécessite un contact direct entre le pneu et la route. Par conséquent pour un pneu et une pression donnés, elle diminuera quand la rugosité de la route augmente.

Le grip obtenu par adhésion reste secondaire comparativement à celui obtenu par indentation car il suppose un contact parfait entre le pneu et la route. Dans les faits ça se traduit par un bitume d’une propreté clinique et parfaitement sec, ce qui est rare.

La résistance au roulement

Importance de la fréquence

La résistance au roulement est moins abordée en moto qu’en automobile du fait des contacts nettement plus limités avec la route. C’est tout de même un aspect qui mérite d’être évoqué.
L’hystérésis est à l’origine du grip sur les plans micro et macroscopique. Elle correspond aussi à une perte d’énergie, mais perdre de l’énergie c’est pas bon non ?

En effet les déformations impliquent aussi une résistance au roulement. Du coup, avoir un pneu performant et efficient en même temps peut sembler contradictoire. Heureusement, les deux n’apparaissent pas de la même manière, ce qui permet de les traiter indépendamment.

La résistance au roulement est causée par la déformation de la structure du pneu, soit l’écrasement qui forme la zone de contact. C’est pour ça que vous avez sûrement déjà entendu qu’en sur-gonflant ses pneus on réduit sa consommation de carburant. En augmentant la pression on diminue les déformations et donc la surface de contact et la résistance au roulement : le moteur a besoin de fournir moins d’effort.

Les déformations de structure ayant lieu à chaque tour de roue, la plage de fréquence à laquelle apparait la résistance de roulement est donc relativement faible.

En opposition, on a le grip qui dépend principalement de l’indentation dans la surface de la gomme. Cette indentation ne concerne qu’une faible épaisseur à la surface du pneu et apparait à une échelle beaucoup plus petite, jusqu’à l’échelle moléculaire. La fréquence sera beaucoup par conséquent plus élevée et dépendra notamment de la micro-rugosité de la route.

Évolutions

Heureusement il y a des chercheurs qui trouvent. Les formulations des gommes sont en constante évolution, mais une évolution majeure a été le remplacement du noir de carbone. Depuis le début du XXème siècle les gommes sont mélangées avec du noir de carbone. Comme son nom l’indique il donne sa couleur au pneu, mais pas que : il permet surtout d’améliorer la résistance à l’usure des pneumatiques.

Depuis les années 90, il a été progressivement remplacé par de la silice, qui présente plusieurs intérêts dont un qui nous intéresse ici à savoir réduire les pertes énergétiques.
L’intégration de silice a permis de distinguer le grip et la résistance au roulement : ce qui est gagné dans un domaine n’est plus nécessairement perdu dans l’autre ! En modifiant la courbe d’absorption d’énergie par le mélange on a ouvert la voie à des pneus plus performants tout en restant économes.

Au passage : le noir de carbone ayant été remplacé, nos pneus n’ont plus aucune raison d’être noirs aujourd’hui en dehors de l’aspect marketing. En fait, une petite quantité de noir de carbone est encore ajoutée pour servir de colorant. Il ne faudrait pas choquer le client avec des pneus beiges ou marron.

Conclusion

Et voilà !
On a fait un premier tour des mécanismes du grip, intimement liés aux micro-déformations et à l’hystérésis du matériau utilisé. Pour autant, de nombreux autres aspects pourraient être étudiés. Le pneumatique est un élément majeur et finalement très complexe de nos motos. Pour ceux qui souhaitent aller plus loin, l’ouvrage Tout sur le pneu de Michelin est une excellente source d’informations.

On reviendra sur les pneus plus tard dans la vie du site, notamment pour aborder des aspects plus concrets et pratiques en lien avec une utilisation piste.

Références

• Manufacture Française des Pneumatiques Michelin. Tout sur le pneu – 2002
• Trade of Motor Mechanic. Module 7 Unit 1 Wheels & Tyres – 2013
• ISHIKAWA, Yasuhiro. Systematic Review of Tyre Technology – 2011