Comparatifs techniques

Les bancs à rouleaux peuvent offrir de multiples usages, mais sont souvent utilisés pour des mesures de performances des moteurs.
Afin d’exceller dans l’exercice de son métier d’optimisation ou de préparation moteur, le professionnel doit en connaître parfaitement certaines données, les principales d’entre elles étant le régime, la puissance et le couple.

Des mesures faites sur le moteur sont directement fournies et exploitables, comme la température d’air, la pression de turbo, le régime moteur lorsqu’il est directement capté, etc.
Mais la plus importante d’entre-elles, le couple, ne peut pas être directement mesurée, car il est impossible de placer une jauge en sortie de vilebrequin…
La puissance vient de la multiplication entre le couple et le régime moteur.
Or, le couple moteur – au vilebrequin – est le seul exploitable pour évaluer un moteur.

Pourquoi faut-il une puissance « au vilebrequin » ou « moteur » ?

En effet, le couple pris « à la roue », ou « au rouleau » est une valeur brute, qui peut varier en fonction de la transmission et, surtout, des pneumatiques. Ces variations parasites peuvent fausser l’appréciation du mécanicien. Il lui faut donc la valeur de couple « nette », c’est-à-dire au vilebrequin.
Il faut être sûr que des variations de puissance données par le banc proviennent bien du fonctionnement du moteur du véhicule, et non pas des pneumatiques qui s’échauffent par exemple, ou que l’on a changés entre les essais !
La valeur « nette » sera supérieure à la valeur « brute ». En effet, la puissance restituée au rouleau est la puissance délivrée par le moteur, moins les différentes pertes qui s’appliquent avant d’arriver jusqu’au rouleau.
La première qualité d’un banc à rouleau tient dans une bonne mesure du couple brute – au rouleau -, puis dans le procédé de calcul de la puissance nette – au vilebrequin -.

Une trentaine d’années auparavant, la grande majorité des bancs étaient des « bi-rouleaux », c’est-à-dire deux rouleaux par roue.
La puissance des véhicules était bien moindre, la vitesse aussi… et la concurrence très réduite entre constructeurs. On se contentait donc du passable…. Ainsi, les inconvénients des bi-rouleaux n’étaient pas encore trop importants.
A ce jour, même les firmes qui vendent encore du bi-rouleaux (bien moins chers à produire en raison de la petite taille des rouleaux) enrichissent leur gamme d’un matériel mono-rouleau.

Avantages des bi-rouleaux

1. Mise en place du véhicule facilitée. En effet, la ou les roues se placent naturellement entre les rouleaux.
2. Hauteur du banc moins importante, en raison du petit diamètre des rouleaux.

Inconvénients des bi-rouleaux

1. Difficulté du positionnement de l’un des essieux de l’auto, en raison de l’obligation d’une position très précise entre les rouleaux, l’autre essieu étant déjà figé à sa place.
2. Echauffement important des pneumatiques, en raison du petit diamètre des rouleaux, et de leur nombre : le pneu est sollicité deux fois par tour.
3. Lorsque les deux rouleaux sont synchronisés (la pire des solutions) : échauffement encore accru en raison du glissement forcé.
4. Instabilité du rapport moteur/rouleau, ce qui rend souvent le calcul du régime moteur faux et le COUPLE aussi
5. Différences des régimes de rotation entre les rouleaux, ayant pour conséquence une imprécision du calcul du couple.

Osons le dire : le bi-rouleaux, une catastrophe !!

Les effets pervers venant de la présence de deux rouleaux par roue sont nombreux. Voici, ci-dessous, l’explication de la cause des imprécisions tant de la puissance que du régime moteur. Il s’agit d’un exemple d’essai de véhicule sur un banc dont les paires de rouleaux ne sont pas synchronisées, Ensuite, l’exemple est repris dans le cas où les paires sont synchro.

A noter que cet exemple n’a rien d’imaginaire : Au cours de tests chez des clients, un décalage de 500 rpm fut observé, pour un régime de 7000 rpm. Ce qui représente plus de 7% d’erreur !

1 . Paires de rouleaux non synchronisées.

L’opérateur effectue l’étalonnage du régime du véhicule par rapport à celui du banc en effectuant un roulage en roue libre (figure de gauche).
Le rayon d’entraînement de la roue sur chaque rouleau est de 35.9 cm. Chaque rouleau tourne au même régime de2650 rpm.
Puis, l’opérateur effectue le « tir ».
Du fait de l’élasticité des sangles et des suspensions qui s’écrasent un peu, le véhicule avance de 2,5 cm en raison de la poussée (30 cm au lieu de 27.5).
Ainsi, comme on le voit sur la figure de droite, les roues motrices ont tendance à « monter » sur les rouleaux avant. Elles s’écrasent donc davantage sur les rouleaux AV que sur les rouleaux AR, qui sont parfois totalement délestés !
Du coup, le rayon d’entraînement du rouleau AV passe de 35.9 à 34.6 cm, et celui du rouleau AR de 35.9 à 37.3 cm. Les rouleaux AV tournent alors à 2547 rpm, tandis que les AR tournent à 2753 rpm.
Résultats : le régime indiqué est augmenté, du fait du changement de rapport roue/rouleau de 4%, auxquels s’ajoute le glissement lui aussi augmenté de 3% (puissance sur un rouleau de faible diamètre). Ainsi, on constate un régime moteur trop haut de 500 rpm d’augmentation -7%-, et un couple moteur diminué d’autant.  (plus en raison du glissement), et chaque rouleau « absorbe » une puissance différente.

Le couple et le régime moteur indiqués varient donc. Et, qui plus est, varient encore davantage d’un essai à l’autre, pour peu que l’on ait dû sortir et remettre le véhicule.

2. Paires de rouleaux synchronisées.

Si les paires de rouleaux sont synchronisées, par courroie ou par chaîne, il est évident que cette synchro maintient un régime équivalent entre les deux rouleaux.
Mais la situation illustrée par la figure de droite ci-dessus reste inchangée : sous l’effet de la poussée et des élasticités, la roue a tendance à monter sur le rouleau avant, à le charger bien davantage que le rouleau arrière. Les deux rayons d’entraînements (30 et 32 cm dans notre exemple) restent donc différents.
Ainsi, on est dans un contexte de fonctionnement tout simplement impossible !
La roue doit faire tourner chaque rouleau à un régime différent, en raison des rayons d’entraînement différents, mais la synchro les maintient au même régime.
Il s’ensuit un patinage du rouleau arrière, ce qui fausse totalement la mesure, puisque la puissance absorbée par ce patinage n’est pas mesurée.
Cette puissance perdue est dissipée en chaleur, d’où le deuxième inconvénient : l’échauffement accéléré d’un pneumatique qui souffre déjà de la présence de deux pressions par tour.

Quand on parlait de catastrophe…. !

QUELQUES MOTS SUR LA SYNCHRO DES BANCS 4 ROUES…

En raison de l’augmentation des véhicules 4 roues motrices de plus en plus sophistiqués, l’utilisation de bancs avec une vraie synchronisation entre rouleaux avant et arrière devient une nécessité, pour une bonne reproduction de la route, et pour une préservation de la mécanique. « Vraie » implique évidemment une synchro mécanique, qui élimine tout risque de déphasages furtifs entre roues avant et arrière du véhicule testé, ce qui est le cas des rares synchros « électroniques » que l’on trouve encore.

Voici les principaux avantages et inconvénients des différents mécanismes présents sur le marché.

• Courroie(s).
  • Prix moindre. C’est sans doute le seul avantage.
  • Comme toutes les courroies : sensibles au temps qui passe, même si non utilisées. Il faut les remplacer au bout d’un certain temps.
  • Re-tensions nécessaires.
  • Risque de « sauts de dents » dans certaines conditions et couple élevé.
  • Bruit
• Arbre et couples coniques. On évoque ici uniquement la transmission développée et brevetée par MI Systems.
  • Solution tout acier : insensible au temps qui passe.
  • Quasiment aucun entretien (vidanges couples coniques).
  • Couple transmissible élevé.
  • Cette solution « noble » et durable a un coût.
• Panachage courroies et arbres avec cardans. Peu de retours permettent, ici, une évaluation fiable.
  • Solution complexe, beaucoup d’éléments.
  • Inconvénients des courroies vus plus hauts, sauf qu’elles sont moins chères au remplacement (courtes). Pas de risque de sauts de dents.
• Transmission hydraulique
  • Permet un grand débattement du banc pour des empattements très courts et très longs. C’est le seul avantage.
  • Solution complexe mettant en œuvre un liquide…
  • Synchronisation devenant perfectible avec l’usure
  • Sensible aux variations de température dues à la puissance
  • Sensible au temps qui passe (nombreux joints)
  • Prix élevé.

Le calcul du couple au rouleau applique l’une des lois fondamentales de la dynamique : l’accélération du régime d’une masse tournante est proportionnelle au couple d’entraînement appliqué sur la masse tournante.
Tout simplement : un volant ayant une inertie connue est connecté à un moteur. Plus l’accélération du régime de rotation du volant sera grande, plus le moteur aura de couple.
On comprend bien que la valeur d’inertie des masses tournantes doit être connue avec la plus grande précision possible, afin que les valeurs de couple soient les plus justes possibles.
Elémentaire : connaître la bonne inertie !
Lorsqu’un véhicule accélère sur un banc, la valeur d’inertie des masses tournantes (qui sont accélérées par le couple du moteur) sont : l’inertie du banc + celle des roues + celle de la transmission + celle du volant moteur lorsqu’il existe, + celles de l’embrayage et du moteur lui-même.

L’inertie du banc est évidemment connue par son constructeur, mais les autres inerties dépendent du véhicule présent sur le banc… Des roues de petite voiture de rallye n’auront pas du tout la même inertie que celles de gros 4×4 !
A ce niveau déjà, les bancs à rouleaux offrent plus ou moins de précision. Deux catégories de bancs donc :

• Ceux qui ne tiennent pas compte du type de véhicule en essai, en utilisant une valeur fixe moyenne. Parfois, ça « tombe bien » et le banc semble précis, d’autres fois il est totalement à côté…
• Ceux qui tiennent compte du véhicule en essai en utilisant des valeurs d’inertie appropriées. Ces données doivent donc être fournies au logiciel de calcul. Soit par l’opérateur, soit par une banque de données.

Il est donc évident que la meilleure précision sera obtenue par la deuxième catégorie. En effet, difficile d’admettre que l’inertie d’une moto 4 cylindres de 600 cm3 est identique à celle d’un gros bicylindre de 1800 cm3, lesté qui plus est d’un bon volant moteur ! Ou que celle d’une Clio sport est la même que celle d’un gros V6 diesel !

Pour les puristes, une précision : l’inertie de chaque élément tournant autre que les rouleaux est utilisée après l’application d’une correction, qui vient du rapport entre son régime de rotation et celui du rouleau.

La seule différence avec ce qui est mentionné ci-dessus vient de la résistance que le frein oppose à la rotation. Le couple du frein est mesuré par une jauge.
Le couple moteur est, ici, dissipé par l’accélération des masses tournantes évoquée ci-dessus ET par la résistance du frein.
L’accélération des masses tournantes, donc du moteur du véhicule, sera donc plus faible (ce que l’on recherche), car le couple du moteur sera utilisé pour l’accélération du régime ET pour vaincre la résistance du frein.
Le couple brut utilisé sera donc celui qui vient de l’accélération du régime + celui qui vient de la résistance du frein.

Comme vu plus haut, le mécanicien a besoin du couple dit « moteur », qui est le couple net.
Le couple net est l’addition du couple brut et des différentes pertes de la transmission de puissance entre le moteur et les rouleaux.

Phénomènes physiques rencontrés

Voici la chaîne des corrections à additionner au couple « brut » pour obtenir le couple « net ».

1. Pertes dues à la déformation élastique des pneumatiques. C’est la plus importante. C’est à cause de ces pertes que les pneus chauffent, d’ailleurs.
2. Pertes dues au rendement de la transmission, constituées :

   – 2F, d’une valeur quasiment fixe provoquée par les frottements dans la transmission (joints, frictions non motrices). Ce sont une partie de ces frottements qui freinent une roue motrice si on la fait tourner à vide lorsque le véhicule est levé ;

   – 2V, d’une valeur variable à peu près proportionnelle au couple transmis (frictions motrices). Lorsque le moteur fournit sa puissance, cette valeur est très largement dominante.

3. Pertes dues au glissement entre les roues motrices et le(s) rouleau(x). Le glissement est un phénomène normal, dès qu’une force est transmise par un élément élastique. Exemple : lorsque les arbres à cames sont entraînés par courroie(s), il s’agit de courroie(s) crantée(s) afin d’éviter le glissement, absolument inacceptable pour une distribution !
   Le glissement dépend du couple transmis par la roue, de la « tendreté » de la gomme, de son épaisseur, des rainures, de la chaleur…
   Ce phénomène est indépendant de l’adhérence. Pour preuve : les plus forts glissements viennent des pneumatiques… les plus tendres (donc les plus performants) !

A ce stade, les différents constructeurs de bancs à rouleaux offrent plus ou moins de précision.

• Pour les points 1 et 2F ci-dessus : une correction bien connue est appliquée par tous : il s’agit de la « mesure des pertes ».
  Après le « tir », l’opérateur débraye. Ainsi, seules les pertes 1 et 2F provoquent un couple négatif qui ralentit le banc. Cette diminution de régime est mesurée, d’où on détermine le couple négatif. Etant donné que les pertes dues à la déformation des pneumatiques varient assez peu avec la vitesse, on applique une petite correction pour obtenir les valeurs selon la vitesse du véhicule testé. 
• Le point 2v est impossible à mesurer pour un banc à rouleaux. Deux possibilités donc.
  • Appliquer un coefficient fixe, quel que soit le véhicule en essai. C’est la solution de facilité, mais qui peut générer de gros décalages. En effet, les rendements de transmission peuvent aller de 0.9 à 0.96. Si on utilise un coefficient fixe moyen de 0.93 quel que soit le véhicule, on accepte le risque d’une erreur de + ou – 3%, c’est-à-dire 6 ch pour une puissance de 200 !
  • Utiliser les valeurs de rendement de chaque étage de la transmission de l’auto ou de la moto sur le banc. Celles-ci sont connues, et utilisées par les organismes d’homologation. Le logiciel de calcul est alors renseigné soit par l’utilisateur, soit par une banque de données.
• Enfin, le point 3. Selon le constructeur du banc, 3 possibilités.
  • On peut utiliser un coefficient unique. L’utilisation d’un coefficient unique, quel que soit le véhicule, génèrera moins d’erreur pour une auto que pour une moto.
    En effet, le glissement maxi d’une auto « pour la route » varie assez peu, environ 1 à 3 %.
    Il en est tout autrement pour une moto, dont le glissement maxi varie de 2 à … 7% ! Prendre, dans ce cas, un coefficient unique peut générer une erreur de plus ou moins 3%.
  • Le calcul d’une valeur approchée. Le logiciel doit alors connaître le type de pneu. Cette solution intermédiaire suffit pour les autos. Elle ne « zappe » donc pas le phénomène, mais évite la complexité de la solution suivante.
  • Le recours au calcul du glissement, à l’aide d’une double mesure simultanée roue/rouleau, et d’une recette qui ne sera pas divulguée ici…

Là, c’est le top.

Le régime du moteur est souvent « étalonné » à vitesse constante. Le logiciel établit alors un ratio moteur/rouleau, qu’il utilise pour afficher le régime moteur sur les courbes.
Le glissement introduit donc une erreur… car s’il est de 3%, cela signifie que le banc sous-estime le régime moteur de 3%.
La prise en compte du glissement supprime cette erreur.
De plus l »ajout de la double mesure permet aussi de remonter au régime moteur à partir de la roue d’une manière rigoureuse et mathématique.
Ce système assure donc une mesure des plus précises

Ces lignes exposent les principales contraintes à respecter, si l’on veut obtenir une bonne précision. Il en va de la qualité du travail fait, et de la crédibilité du banc auprès du client final.

Cependant, pour garder une ergonomie agréable et une bonne simplicité d’utilisation, il ne serait pas raisonnable de pousser trop loin les procédures visant à atteindre une précision encore meilleure. Ce serait beaucoup de complications, pour un gain faible, vu le niveau déjà atteint, si le constructeur respecte toutes les contraintes telles qu’exposées ici.

Aux corrections mécaniques énumérées plus haut viennent s’ajouter les corrections dites « météo ».
Chacun sait qu’un moteur bien réglé donne plus de puissance par temps froid que par temps chaud, et sous de bonnes pressions atmosphériques. L’humidité joue aussi… A contrario, on sait que nos moteurs à combustion interne perdent beaucoup de puissance en altitude, en raison de la pression plus faible…
La qualité de la combustion n’est pas en cause sur les moteurs modernes, car le calculateur peut corriger les temps d’injection en fonction de la température de l’air d’admission et de la pression atmosphérique.
La raison de ces variations est toute simple : l’air froid est plus dense que l’air chaud ; l’air est aussi plus dense sous forte pression.
Un air plus dense signifie qu’à volume égal, l’air pèse plus lourd.
Ainsi, à chaque admission d’air du moteur, un plus grand poids d’air sera aspiré. Le calculateur mettra plus de carburant, et ainsi la puissance fournie sera supérieure.
Afin de pouvoir comparer les moteurs de façon juste, il faudrait que les conditions météo (pression, température, et parfois humidité) soient équivalentes pour tous les tests.
Des normes ont fixé des conditions météo standard. Par exemple, normes CE, DIN… les plus connues.
La correction météo est effectuée par le logiciel du banc, selon la norme choisie par l’opérateur (souvent DIN car c’est la plus « sympa », mais celle qui est officielle est la CE).
Le logiciel calcule quels seraient le couple et la puissance si le véhicule avait été testé dans les conditions de la norme choisie.
Ainsi, par exemple, si l’on mesure la puissance d’une auto avec une température de 40° et une pression atmosphérique de 990 hPa, le résultat obtenu est assez bas, en raison des conditions défavorables du test. Le logiciel calcule donc quelle aurait été la puissance sous 20° et 1013 hPa (norme DIN). Il donnera une valeur donc supérieure à celle du test, puisque le moteur en question donnerait plus de puissance avec 20° au lieu de 40°, et 1013 hPa au lieu de 990…
La norme CE est basée sur 25° et 990 hPa. Conditions moins favorables à la puissance. On comprend alors pourquoi le logiciel indique plus de puissance en DIN qu’en CE : tout simplement parce que les conditions d’essais sous la norme DIN sont plus favorables. La norme CE prend en compte aussi l’humidité, mais cette dernière a peu d’influence.