Les matériaux de l’automobile Par Jean-Christophe Bilodeau

Répartition des matériaux

Plan de la présentation Les matériaux des freins Les matériaux du convertisseur catalytique Les matériaux des pneus Les matériaux du châssis Les matériaux du moteur à combustion Applications pour le secondaire

Les freins Un frein est fait de deux éléments principaux: Un disque et un étrier. Ils peuvent atteindre des températures d’utilisation de 800 °C. On utilise principalement la fonte et l’acier comme matériaux pour les disques.

Acier Un acier est un alliage de fer et de moins de 2% de carbone. Les aciers utilisés sont austénitiques et composés de 0,02% de carbone, 17% de chrome, 12% de nickel et de traces de molybdène. Ils sont très ductiles et résilients.

Fonte On utilise des fontes à graphite sphéroïdale ou lamellaire. Elles ont une grande ductilité, une résilience élevée et une excellente usinabilité. Masse volumique (g/cm3) : 7,1 à 7,3 R (MPa) : 350 Rp0,2 (MPa) :220 A% : 22 Limite de fatigue (MPa) : 185 à 200 Module d’élasticité (Gpa) : 80 à 130 Températures d’utilisation (°C) : de 0 à 600

Freins de hautes performances Des matériaux composites en carbone ou des céramiques sont utilisés pour les freins hautes performances. Ils sont plus résistants au chocs thermiques et à la fatigue mécanique que les disques de frein en fonte ou en acier.

Les garnitures Les garnitures sont faites d’abrasifs, de lubrifiants, d’élastomères et de poudre de métaux. Leur composition est souvent gardée secrète par les fabricants.

Le convertisseur catalytique Le convertisseur catalytique a pour fonction de réduire l’émission de gaz nocifs pour l’environnement. - monoxyde de carbone (CO) 11Mt dont auto 80% - oxydes d'azote (NOx) : 2 Mt dont auto 75% - composés organiques : 4 Mt dont auto 40% - oxydes de soufre (SOx) : 1,3 Mt dont auto 10%. Émission de gaz nocifs de la France en 1988.

Matériaux du convertisseur catalytique La cordiérite : silico-aluminate de magnésium Elle résiste à une température de 1350°C. Elle est disposée en un monolithe alvéolé avec 50 à 70 canaux par cm2. L’enduit est composé d’alumine et de cérine. Il est très poreux (jusqu’à 100 m2/g) pour pouvoir contenir beaucoup d’oxygène.

Matériaux du convertisseur catalytique Des particules de métaux nobles de 1 à 2 nm recouvrent l’enduit. Elles peuvent atteindre de 20 à 40 nm dans un convertisseur catalytique usé. Le platine sert à l’oxydation de CO en CO2 et des hydrocarbures en CO2 + eau. Le rhodium sert à la réduction des oxydes d’azote (NOx) en N2. Le palladium résiste davantage au frittage que le platine et le rhodium.

Réactions dans le convertisseur catalytique 2 CO + O2 → 2 CO2 C2H6 + 3,5 O2 → 2 CO2 + 3 H2O 2 NO + 2 CO → N2 + 2 CO2 Les métaux nobles sont des catalyseurs qui permettent aux réactions d’avoir lieu beaucoup plus rapidement. Il est important de maintenir les gaz déchappement près de cette stoéchiométrie. C’est pourquoi les véhicules munis de carburateurs ne sont pas équipés de catalyseur. Une sonde à oxygène placée devant le convertisseur catalytique assure un rapport volumétrique air/essence à l'injection autour de 14,6 et une autre est placée après pour confirmer sont efficacité.

Les pneus Les pneus sont faits de gomme et de renforts métalliques et textiles. La gomme est faite d’élastomères, de charges renforçantes, de plastifiants et d’autres éléments chimiques. Un pneu doit avoir de bonnes propriétés d’adhérence.

Adhérence Coefficient de frottement d’un pneu standard : 0,5/0,6 Coefficient de frottement d’un pneu de dragster : ­­­­>1 Comparatifs : Chêne 0,34 Acier 0,1

Les élastomères 60% du caoutchouc utilisé dans l’industrie du pneu est synthétique. On fabrique le caoutchouc synthétique avec des hydrocarbures. L’autre 40% est naturel et il est obtenu en pratiquant l’hévéaculture, principalement dans les pays d’Asie du Sud Est. La Thaïlande est le producteur mondial de latex le plus important. Le polyisobutylène est principalement utilisé, car il est dix fois plus étanche que l’isoprène.

Les charges renforçantes Le noir de carbone Silice Le noir de carbone représente de 25 à 30 % de la composition de la gomme. Il améliore la résistance à l’usure du pneu et lui donne sa couleur. La couleur noire sert à lutter contrer les rayons ultraviolets qui peuvent fissurer la gomme. Elle améliore la résistance à la déchirure. Liée à un élastomère synthétique par un procédé de mélangeage, elle permet de diminuer la résistance au roulement et d’améliorer l’adhérence sur sol froid.

Les plastifiants et les autres éléments chimiques Des huiles et des résines sont utilisées comme plastifiants. On utilise le soufre comme agent de vulcanisation pour faire passer le caoutchouc de l’état plastique à élastique.

Les renforts métalliques et textiles Les renforts métalliques et textiles ont pour fonction de garantir la géométrie et la rigidité du pneu en plus de lui offrir une bonne souplesse lors du contact avec le sol. Le fil d’acier est recouvert d’une couche de laiton (cuivre et zinc) pour assurer l’adhésion à la gomme. Le polyester, le nylon, la rayonne et l’aramide sont tous utilisés comme renfort textile.

Les matériaux du châssis Le châssis est la structure à laquelle les autres éléments du véhicule sont fixés. Anciennement fait de bois, c’est l’acier qui est maintenant le matériau le plus répandu pour sa fabrication. L’aluminium a fait son apparition dans les dernières années pour remplacer l’acier.

Alliage d’aluminium et acier Masse volumique: 2,8 g/cm3 Rm (MPa) 200/600 Re (MPa) 100/500 E (GPa) 70 A% 5 / 30 Masse volumique: 7 à 8 g/cm3 Rm (MPa) 300/1100 Re (MPa) 200/900 E (GPa) 210 A% >17 Rm: Résistance à la traction Re: Limite d’élasticité E: Module d’élasticité A%: Pourcentage d’allongement à la rupture Ces valeurs sont valables pour une température de 23°C

Union des alliages d’aluminium et de l’acier Dans le but d’alléger les véhicules, les fabricants utilisent les deux matériaux à des endroits spécifiques selon leurs caractéristiques. Dans le cas de la Cadillac CT6, c’est une réduction de 90 kg qui est réalisé grâce aux alliages d’aluminium. Cela représente au moins 5,3% de la masse de la voiture.

Véhicules haut de gamme ou de compétition En course automobile, notamment sur le circuit de la F1, la fibre de carbone est utilisée pour construire les châssis des véhicules. Cela permet d’augmenter la résistance du véhicule en plus de l’alléger considérablement. Le châssis a une masse d’environ 35 kg. Les F1 pèsent environ 690 kg pilote inclus. Masse volumique : 1,6 g/cm3 Résistance à la traction : 2400 MPa

Coût des matériaux La production d’automobile étant une production de masse, le coût des matériaux est un facteur non négligeable. Par exemple, la marque Renault produit environ 2 millions de véhicules par année. Les alliages d’aluminium coûtent de 3 à 4 fois plus cher que l’acier. Pour le moment, la fibre de carbone n’est pas envisageable pour les véhicules du grand public en raison de son coût beaucoup trop élevé. Un kilogramme de fibre de carbone coûte environ 15 euros. C’est 15 fois plus qu’un kilogramme d’acier.

Matériaux du moteur à combustion Un moteur à combustion a pour objectif d’enflammer un carburant pour générer du mouvement. Il en existe plusieurs types, mais leurs principes de fonctionnement sont relativement similaires. Différents matériaux sont utilisés selon le rôle de chaque partie du moteur.

Matériaux du moteur à combustion Le vilebrequin: Généralement fait de fonte ou d’acier, car cette pièce est soumise à des contraintes importantes. Le bloc moteur et le carter: Ils sont souvent fait d’alliages d’aluminium ou de magnésium, car ils sont faciles à mouler. Les bielles et les pistons: Ils sont souvent fait de matériaux composites à matrice métallique.

Les matériaux composites à matrice métallique Pour faire des bielles et des pistons, les fabricants ont recours à des alliages d’aluminium auxquels ils ajoutent des renforts qui sont, en fait, des fibres d’alumine d’environ 150 µm ou des particules de silice. C’est fibres peuvent occuper de 15 à 20% du volume de la pièce. Ils offrent une meilleure résistance mécanique que la matrice seule.

Applications pour le secondaire Le fonctionnement d’une automobile implique plusieurs notions abordées dans le programme du cours de science. La combustion L’oxydation La force efficace L’énergie cinétique Catalyseur Les recherches actuelles pour développer des voitures plus légères sont l’occasion d’aborder avec les élèves les enjeux environnementaux liés à ce domaine et le pouvoir qu’ils ont sur les décisions des entreprises.

Applications pour le secondaire La construction d’un modèle réduit d’automobile est également une option amusante pour faire pratiquer des techniques dans le domaine des technologies et pour enseigner des concepts en lien avec le cahier des charges et avec les propriétés de différents matériaux.

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