Comment fonctionne une automobile ?

Définition de l’automobile

L’automobile, également appelée voiture, est un véhicule terrestre motorisé destiné principalement au transport de personnes et de marchandises. Elle se propulse elle-même grâce à un moteur qui peut être alimenté par différents types de carburants ou d’énergie. Équipée de roues, l’automobile offre une mobilité et une autonomie considérables.

Il existe différentes catégories d’automobiles, notamment les voitures à essence, les voitures électriques et les voitures hybrides, qui combinent un moteur à combustion et un moteur électrique.

Quelle est la structure d’une voiture ?

La structure d’une voiture est composée de plusieurs éléments essentiels qui travaillent ensemble pour assurer son bon fonctionnement et sa sécurité.

• Le châssis : Il s’agit de la structure de base de la voiture sur laquelle tous les autres éléments sont montés. Il est généralement fait d’acier ou d’aluminium pour garantir une bonne solidité et stabilité.
• La carrosserie : C’est l’enveloppe extérieure de l’automobile qui protège ses occupants et les différents composants mécaniques. Elle joue également un rôle important dans l’aérodynamique de la voiture.
• L’habitacle : espace réservé aux occupants du véhicule, équipé de sièges et de diverses commandes pour la conduite.
• Le moteur : organe qui génère la puissance nécessaire pour mettre le véhicule en mouvement.
• Le système de direction : Il permet au conducteur de contrôler la direction de la voiture. Il comprend diverses pièces telles que le volant, la colonne de direction et la crémaillère.
• Le système de suspension : Il est conçu pour absorber les irrégularités de la route, assurant ainsi un voyage confortable pour les passagers. Il contribue également à la stabilité du véhicule.
• Le système de freinage : Il est crucial pour la sécurité de la voiture. Il permet de ralentir ou d’arrêter la voiture en appliquant une force de frottement sur les roues.
• La transmission : système qui transmet la puissance du moteur aux roues.

Les roues et leur rôle dans la mécanique auto

Les roues sont des composants essentiels d’une automobile car elles établissent le contact direct avec la route et permettent le mouvement du véhicule. Elles sont généralement au nombre de quatre, plus une roue de secours non montée.

Chaque roue se compose principalement de deux parties : la jante et le pneu. La jante est la partie métallique qui supporte le pneu. Elle est reliée au véhicule par l’intermédiaire du moyeu. Le pneu est la partie en caoutchouc qui entre en contact avec la route. Il est essentiel pour atténuer les chocs et fournir une adhérence suffisante lors de la conduite.

Les roues sont classées en deux types en fonction de leur rôle :

• Les roues directrices qui, connectées au système de direction, permettent de changer la direction du véhicule.
• Les roues motrices, qui reçoivent la force du moteur pour propulser le véhicule.

La position de ces roues dépend du type de traction du véhicule. Dans une voiture à traction avant, les roues avant sont motrices alors qu’elles sont directrices dans une voiture à propulsion.

La traction et la propulsion

La traction et la propulsion sont les deux mécanismes principaux utilisés pour propulser une automobile.

Dans le cas de la traction, la puissance du moteur est transmise aux roues avant. Ces dernières sont donc responsables de « tirer » le véhicule vers l’avant. Ce type de transmission est couramment utilisé dans les voitures particulières, car il offre une meilleure tenue de route et une plus grande sécurité.

La propulsion, quant à elle, fait référence à la transmission de la puissance du moteur aux roues arrière. Ce sont donc ces dernières qui « poussent » la voiture. Ce système est souvent préféré pour les véhicules à forte puissance, comme les voitures de sport ou les camions, car il permet une meilleure répartition du poids et une plus grande robustesse des composants mécaniques.

Les roues motrices

Les roues motrices sont celles qui reçoivent l’énergie du moteur pour propulser le véhicule. Selon leur position, on distingue trois types de véhicules :

• Les véhicules à traction, où les roues motrices sont à l’avant. C’est le système le plus courant dans les voitures particulières.
• Les véhicules à propulsion, où les roues motrices sont à l’arrière. Ce système est souvent utilisé pour les voitures de sport ou les véhicules à forte puissance.
• Les véhicules à quatre roues motrices. Ici, toutes les roues sont motrices, ce qui offre une meilleure adhérence et stabilité, particulièrement utile pour les véhicules tout-terrain.

Chaque positionnement a ses propres avantages et inconvénients en termes de maniabilité, de stabilité et de consommation d’énergie.

Le rôle des pneus

Les pneus sont plus que de simples enveloppes en caoutchouc. Leur conception complexe et leur rôle multifonctionnel sont essentiels pour un trajet sécurisé et confortable.

L’adhérence est une des principales fonctions des pneus. Ils permettent le transfert de la puissance du moteur à la route et assurent une bonne tenue de route. C’est grâce à eux que vous pouvez accélérer, freiner et tourner en toute sécurité.

Les pneus servent également à absorber les chocs. Leur structure absorbe les irrégularités de la route, ce qui contribue au confort du trajet et protège le véhicule de potentiels dommages.

Ils ont aussi pour mission de soutenir le poids du véhicule. Un pneu de voiture peut porter plus de 50 fois son poids.

Enfin, les pneus transmettent les informations de la route au conducteur, ce qui permet d’adapter le style de conduite aux conditions routières.

Pour remplir toutes ces fonctions, les pneus doivent être maintenus à une pression adéquate et être remplacés lorsque leur usure est trop importante.

Le cœur du véhicule : Le moteur

À quoi sert un moteur  ?

C’est lui qui convertit l’énergie, qu’elle soit chimique ou électrique, en énergie mécanique, permettant à la voiture de se déplacer. Il joue un rôle essentiel dans l’obtention de la puissance nécessaire pour actionner les divers systèmes de la voiture, et notamment la transmission qui va transmettre l’énergie aux roues. Le moteur est véritablement le cœur d’une automobile.

Il existe plusieurs types de moteurs, parmi lesquels le moteur à combustion interne qui fonctionne avec des combustibles fossiles, et le moteur électrique qui utilise l’électricité stockée dans des batteries. Dans une voiture hybride, ces deux types de moteurs travaillent de concert pour optimiser les performances du véhicule.

Sans moteur, une voiture ne serait qu’une simple coquille vide. Il est donc crucial pour tout conducteur de comprendre le rôle et le fonctionnement de ce composant essentiel.

Comment fonctionne un moteur à combustion interne ?

Le moteur à combustion interne est basé sur le cycle Otto, une séquence de quatre actions répétitives : l’admission, la compression, la combustion (ou explosion) et l’échappement.

• Lors de l’admission, le piston descend et l’air est aspiré dans le cylindre via une soupape d’admission.
• Ensuite, pendant la compression, la soupape d’admission se ferme, le piston remonte et comprime l’air.
• L’étape de combustion débute lorsque le mélange air-carburant est enflammé par la bougie d’allumage. Cette combustion crée une force qui pousse le piston vers le bas, générant de l’énergie mécanique.
• Enfin, pendant l’échappement, le piston remonte et les gaz brûlés sont évacués par la soupape d’échappement.

Le mouvement du piston est ensuite converti en rotation grâce à un vilebrequin, qui transmet cette énergie aux roues du véhicule.

L’importance de la combustion du mélange air-carburant

La combustion du mélange air-carburant est une étape cruciale dans le fonctionnement d’un moteur à combustion interne. Ce processus se produit dans une partie du moteur appelée chambre de combustion. Lors de la combustion, le mélange air-carburant, qui a été comprimé par le piston dans la chambre, est enflammé par la bougie d’allumage, créant une explosion. Cette explosion génère une grande quantité d’énergie sous forme de chaleur, qui pousse le piston vers le bas. Cette action convertit l’énergie chimique du carburant en énergie mécanique, qui est ensuite utilisée pour propulser le véhicule. La maîtrise de ce processus est essentielle pour le fonctionnement optimal du moteur. Une combustion efficace permet d’obtenir un meilleur rendement moteur, une réduction de la consommation de carburant et une diminution des émissions polluantes.

L’énergie mécanique produite par le moteur de la voiture

L’énergie mécanique produite par le moteur est l’énergie qui met la voiture en mouvement. Cette énergie est générée par la combustion du carburant dans le moteur, un processus qui se déroule en plusieurs étapes. Le carburant est d’abord aspiré dans le cylindre, où il est comprimé par le piston. Une étincelle provenant de la bougie d’allumage enflamme ensuite le mélange air-carburant, créant une explosion qui pousse le piston vers le bas. Ce mouvement du piston est transformé en rotation par le vilebrequin, ce qui génère l’énergie mécanique.

Cette énergie est ensuite transmise aux roues de la voiture, permettant son déplacement. Le rendement de cette transformation d’énergie est un indicateur clé des performances d’un moteur. La puissance du moteur, mesurée en chevaux-vapeur ou en kilowatts, et le couple, mesuré en Newton-mètre, sont deux aspects importants de cette production d’énergie.

Dans le cas des moteurs électriques, l’énergie mécanique est produite de manière différente. L’électricité stockée dans les batteries est utilisée pour générer un champ magnétique qui fait tourner les moteurs, produisant ainsi l’énergie mécanique nécessaire au mouvement de la voiture.

La transmission de l’énergie aux roues

Fonctionnement de la transmission

La transmission d’une voiture sert à transférer la puissance générée par le moteur aux roues. Elle se compose de plusieurs éléments clés :

• L’embrayage : Il permet la connexion et la déconnexion entre le moteur et la boîte de vitesses.
• La boîte de vitesses : Elle offre différents rapports de transmission pour adapter la vitesse et le couple du moteur aux conditions de conduite.
• L’arbre de transmission : Il transmet la puissance de la boîte de vitesses aux roues.
• Le différentiel : Il répartit la puissance entre les roues, permettant une rotation à des vitesses différentes lors des virages.

Le fonctionnement de la transmission dépend du type de voiture. Dans une voiture à propulsion, la puissance est transmise aux roues arrière tandis que dans une voiture à traction, elle est transmise aux roues avant. Certaines voitures possèdent une transmission intégrale où la puissance est répartie entre les quatre roues.

Rôle de la chaîne cinématique dans la transmission de l’énergie

La chaîne cinématique joue un rôle crucial dans la transmission de l’énergie du moteur aux roues. Elle est composée de plusieurs éléments interconnectés qui travaillent de concert pour assurer cette transmission.

• Tout commence par l’embrayage, qui permet de connecter ou déconnecter le moteur de la boîte de vitesses.
• Ensuite, la boîte de vitesses, grâce à ses différents rapports, adapte le couple et la vitesse du moteur en fonction des conditions de conduite.
• L’arbre de transmission prend le relais pour transmettre la puissance de la boîte de vitesses aux roues.
• Pour finir, le différentiel permet une distribution équitable de la puissance entre les roues, autorisant une rotation à des vitesses différentes lors des virages.

Ainsi, la chaîne cinématique assure la conversion de l’énergie générée par le moteur en mouvement du véhicule.

La mécanique automobile expliquée simplement

Les éléments essentiels d’une voiture et leur rôle

En plus du moteur, plusieurs éléments sont indispensables au bon fonctionnement d’une voiture.

• La batterie : elle alimente le système électrique de la voiture, permettant le démarrage du moteur et le fonctionnement des accessoires électriques.
• Le système de transmission : il comprend l’embrayage, la boîte de vitesses et l’arbre d’entraînement. Il transmet la puissance du moteur aux roues.
• Le système de freinage : il permet de ralentir ou d’arrêter le véhicule. Il se compose de disques, de plaquettes et d’un liquide de frein.
• Le système de direction : il permet de diriger la voiture en fonction des inputs du conducteur. Il comprend le volant, la colonne de direction, la crémaillère et les rotules de direction.
• Le système de suspension : il absorbe les chocs et maintient le contact des pneus avec la route pour une conduite confortable et sûre.
• Le système d’échappement : il évacue les gaz d’échappement du moteur vers l’extérieur de la voiture. Il comprend le collecteur d’échappement, le catalyseur, le silencieux et le pot d’échappement.
• Le système d’allumage : il génère l’étincelle nécessaire pour enflammer le mélange air-carburant dans le moteur. Il se compose de la bougie de préchauffage, du distributeur et de la bobine d’allumage.
• Le système de refroidissement : il régule la température du moteur pour éviter la surchauffe. Il comprend le radiateur, le thermostat, la pompe à eau et le ventilateur de refroidissement.

Ces éléments ont chacun un rôle précis et doivent fonctionner en harmonie pour permettre le déplacement de la voiture.

L’importance des freins dans une voiture

Les freins sont un système de sécurité essentiel d’une voiture. Ils permettent de contrôler la vitesse du véhicule et de l’arrêter en cas de besoin. Le fonctionnement des freins repose sur la conversion de l’énergie cinétique du véhicule en énergie thermique. Lorsque le conducteur appuie sur la pédale de frein, cela déclenche une série d’actions :

• La pression est transmise au système de freinage hydraulique.
• Cette pression actionne les plaquettes de frein.
• Les plaquettes de frein frottent contre les disques de frein, créant une friction.
• Cette friction ralentit la rotation des roues, réduisant ainsi la vitesse du véhicule.

Ce processus génère une grande quantité de chaleur, d’où l’importance d’un bon système de refroidissement pour éviter une surchauffe des freins. En outre, l’efficacité du freinage est répartie entre les freins avant et arrière, pour une meilleure stabilité du véhicule.

La voiture électrique et son fonctionnement

Fonctionnement d’une batterie intégrée dans une voiture électrique

La batterie est le cœur de la voiture électrique. Elle stocke l’énergie nécessaire pour alimenter le moteur électrique. Les batteries de voiture électrique utilisent généralement la technologie lithium-ion, réputée pour sa densité énergétique élevée et sa longévité.

Le fonctionnement d’une batterie de voiture électrique repose sur le principe de la circulation d’électrons entre deux électrodes : l’anode (électrode négative) et la cathode (électrode positive). Lorsque la voiture est en marche, le processus de décharge se produit : les électrons se déplacent de l’anode vers la cathode à travers un liquide conducteur appelé électrolyte. Ce mouvement d’électrons génère un courant électrique qui alimente le moteur de la voiture.

Lorsque la voiture est branchée à une borne de recharge, le processus inverse se produit : les électrons se déplacent de la cathode vers l’anode, rechargeant ainsi la batterie. Cette alternance de phases de décharge et de charge constitue le cycle de vie de la batterie.

Qu’est-ce qui fait avancer une voiture électrique ?

Le mouvement d’une voiture électrique est principalement dû à son moteur électrique. Ce dernier est alimenté par de l’énergie électrique stockée dans une batterie. Lorsque vous appuyez sur l’accélérateur, le courant électrique est envoyé du convertisseur vers le moteur électrique. Ce courant génère un champ magnétique qui provoque la rotation du rotor. Cette rotation est ensuite transmise aux roues du véhicule, entraînant le mouvement de la voiture.

Un élément clé du fonctionnement d’une voiture électrique est le freinage régénératif. Lorsque le conducteur lève le pied de l’accélérateur, le moteur électrique fonctionne en sens inverse, agissant comme un générateur pour convertir l’énergie cinétique en électricité qui est renvoyée à la batterie.

Enfin, la puissance du moteur électrique peut varier en fonction des modèles de voiture. Elle est généralement exprimée en kilowatts (kW). Selon la distance à parcourir et la vitesse des trajets, une puissance de moteur plus ou moins importante peut être privilégiée.

La voiture hybride et son fonctionnement

Fonctionnement d’une voiture hybride rechargeable

Une voiture hybride rechargeable allie un moteur thermique à un moteur électrique, alimenté par une batterie rechargeable sur une prise électrique. Sa particularité réside dans sa capacité à basculer entre ces deux sources d’énergie.

• En mode électrique, la voiture peut parcourir une certaine distance, généralement entre 30 et 60 km, sans utiliser de carburant.
• En mode hybride, la voiture utilise à la fois son moteur thermique et électrique. Le système de gestion de l’énergie de la voiture détermine le meilleur moment pour utiliser chaque moteur, en fonction de la vitesse, de l’accélération et du niveau de charge de la batterie. Ce mode est généralement utilisé pour les longs trajets.
• En mode thermique, la voiture fonctionne comme une voiture traditionnelle à moteur à combustion. Ce mode est activé lorsque la batterie est déchargée.

La voiture hybride rechargeable est aussi équipée d’un système de freinage régénératif qui permet de convertir l’énergie cinétique en électricité pour recharger la batterie lors des freinages et décélérations.

L’équilibre entre moteur électrique et moteur à combustion dans une voiture hybride

Dans une voiture hybride, l’équilibre entre le moteur électrique et le moteur à combustion est géré par un système de contrôle électronique. Ce dernier détermine quel moteur utiliser à quel moment, en fonction de divers facteurs tels que la vitesse, l’accélération et l’état de charge de la batterie électrique.

Généralement, le moteur électrique est sollicité pour les démarrages et les vitesses basses, profitant de son couple élevé dès les bas régimes. L’efficacité énergétique et le silence de fonctionnement sont les atouts majeurs de ce mode de propulsion.

Le moteur à combustion prend le relais pour les vitesses plus élevées ou les fortes accélérations. Ce dernier offre une autonomie plus importante, notamment sur les longs trajets, grâce à la densité énergétique supérieure des carburants fossiles.

Le passage d’un moteur à l’autre est souvent imperceptible pour le conducteur, assurant une conduite fluide et agréable.

Les premières automobiles et leur évolution

Comment fonctionnaient les premières voitures ?

Les premières voitures, créées à la fin du 19e siècle, reposaient principalement sur trois types de motorisation : la vapeur, l’électricité et l’essence.

• Le Fardier de Cugnot, considéré comme le premier véhicule automobile de l’histoire, était mû par une machine à vapeur. Conçu en 1769 par l’ingénieur militaire français Nicolas Cugnot, il avait pour vocation de déplacer des pièces d’artillerie.
• L’ingénieur belge Étienne Lenoir dépose en 1859 le brevet de son “moteur à gaz et à air dilué”, un moteur à combustion interne à deux temps. Il inventera ensuite un moteur à explosion à allumage électrique à refroidissement à eau puis le carburateur.
• La Benz Patent-Motorwagen, inventée par Karl Benz en 1886, est considérée comme la première voiture propulsée par un moteur à combustion interne à essence.

Ces premières automobiles étaient équipées de dispositifs rudimentaires, parmi lesquels un dispositif de stop, un dispositif de commande pour la direction et les vitesses, ainsi que des dispositifs d’éclairage pour la conduite nocturne.

L’évolution de la mécanique automobile au fil des ans

L’industrie automobile a connu d’importantes transformations depuis son commencement. Au début du 20e siècle, les véhicules étaient majoritairement propulsés par des moteurs à vapeur ou à combustion interne. Par la suite, l’autonomie, la vitesse maximale et la fiabilité des véhicules se sont améliorées grâce aux avancées technologiques.

Au cours des années 1970, l’apparition des normes environnementales a incité les constructeurs à développer des moteurs plus propres et plus efficaces. Cela a conduit à la popularisation de la technologie d’injection de carburant, qui a remplacé les carburateurs traditionnels.

Avec l’avènement de l’informatique dans les années 1990, les voitures ont commencé à intégrer des systèmes électroniques pour contrôler diverses fonctionnalités, comme l’injection de carburant, l’allumage et les freins.

Ces avancées ont posé les bases pour l’arrivée des voitures électriques et hybrides au XXIe siècle, marquant une nouvelle ère dans l’histoire de l’automobile.