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L’ESP, le dispositif de contrôle de trajectoire L’électronique est entrée dans l’automobile par les équipements de confort et la gestion du moteur. Elle n’a investi le domaine du comportement routier qu’une dizaine d’années plus tard avec le système antiblocage de roues ABS. Les performances de celui-ci n’ont cessé de progresser depuis lors, avec des interactions avec le moteur, la transmission ou la charge du véhicule. Sont alors apparus les antipatinages et des programmes spécifiques de comportement en virage, côte et descente. Rien ne freine le cerveau des ingénieurs, et une extension au contrôle de la tenue de route pour d’autres situations fit son chemin. Ainsi apparut en 1995 le contrôle de trajectoire, appelé de façon plus commerciale « Programme électronique de stabilité » ou ESP (Electronic Stability Program). Cet équipement est aujourd’hui en cours de démocratisation puisqu’il a équipé 40% des véhicules vendus en Europe de l’Ouest en 2005. Ces performances et sa fiabilité sont d’un tel niveau qu’une grande partie des nouveaux véhicules sont développés exclusivement avec cette assistance qui étend même son emprise vers une gestion plus complète du châssis et vers plusieurs aides à la conduite
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Présentation de l’ESP
20 ans. C’est la période qui aura été nécessaire pour que le système anti-blocage des freins ABS s’impose dans l’automobile en Europe de l’Ouest, avec un taux d’équipement de 40% en 1998. Depuis juillet 2004, il est obligatoire dans la CEE. Il a marqué l’introduction de l’électronique sur le comportement du véhicule lors du freinage, avec une première décennie nécessaire pour installer la confiance autant chez les constructeurs qu’auprès des conducteurs. La réduction du coût de fabrication aidant, lacommercialisation de l’ABS a vraiment décollé dans les années 90. Vente
Cette période de rodage a largement facilité le lancement du système ESP. Vu pour la première fois en 1995 sur la Mercedes Classe S 600, il a atteint le taux d’équipement de 40% en seulement 10 ans sur ce même marché. Le rôle de l’ESP est d’aider le véhicule à prendre la trajectoire voulue par le conducteur, malgré les aléasde la route – changements d’adhérence ou virages trop prononcés – et le comportement de la voiture influencé par sa vitesse, sa répartition de charge ou l’état de ses pneumatiques. Il intervient dans la dynamique de la voiture en utilisant individuellement le système de freinage de chaque roue. Ce freinage n’est donc plus produit par le conducteur, mais par le boîtier ESP lui-même. Plusieurs études basées sur des relevés d'accidents, montrent tout l'intérêt de l'ESP. Celle réalisée en 2002 par DaimlerChrysler démontre que tous les véhicules de la marque ayant cet équipement en série ont vu leur taux de participation dans les " accidents de conduite " en Allemagne chuter de plus de 25%. Les " accidents de conduite " sont des accidents dans lesquels les conducteurs perdent le contrôle de leur voiture sans aucune autre cause externe. Chez Toyota, on pense que le gain de sécurité est encore plus élevé. Sur une base d'environ 1 million d'accidents avec blessures, on est arrivé à la conclusion que l'utilisation d'une voiture équipée de l'ESP pourrait réduire le nombre " d'accidents de conduite " par moitié. Rappels sur l’équilibre dynamique d’un véhicule Lorsqu’un véhicule est à l’arrêt, sur un sol plat pour simplifier la présentation, les seules forces existantes sont celles verticales du sol sur les roues en réaction à celle générée par la masse de la voiture appliquée au centre de gravité.
Dès que le véhicule est en mouvement, une multitude de forces sont appliquées. Une courbe ou un vent de travers induira des forces aussi latérales que les pneumatiques s’efforceront de contrer. Les accélérations, les freinages ou l’aérodynamisme, pour ne citer que ces actions, créeront des forces longitudinales. Les forces verticales que nous avions à l’arrêt subsistent, mais peuvent être altérées par le profil et l’état de la route. Ce n’est pas tout. L’interaction des forces dirigées vers les trois axes génère des couples créant des transferts d'appui entre les roues du véhicule : § Une force latérale induit un roulis modifiant les forces verticales (dans un virage, tout comme les passagers sont entraînés vers le côté, les roues extérieures sont plus chargées que celles à l’intérieur). § Une force longitudinale génère un tangage modifiant aussi les forces verticales (lors d’un freinage, les roues arrière sont délestées au profit de celle à l’avant). § Enfin, le pivotement du véhicule en entrées et sorties de virage crée un couple de lacet autour de l’axe vertical passant par son centre de gravité.
Peugeot 307 lors du test d'évitement En jouant avec ces différentes forces, il est théoriquement possible de contrôler la direction d’un véhicule, tout en conservant les roues directrices bien droites… En effet, si une seule roue est freinée, le déséquilibre crée un couple de lacet pouvant faire pivoter le véhicule. Par exemple, si la roue arrière droite est freinée, celle-ci « tire » l’arrière de la voiture. L’essieu arrière aura tendance à pivoter vers la gauche et le véhicule à se diriger vers la droite. Un changement de direction peut alors être créé, soit de faible amplitude avec uniquement la déformation des pneus, soit de plus grande amplitude si ces derniers devaient perdre une partie de leur adhérence. Ce cas se rencontre involontairement quand un freinage est effectué lorsque les roues d’un côté sont sur un sol plus adhérent que celles de l’autre côté (ex : gravier sur le bas côté, plaques humides sur la chaussée ou problème technique sur un frein ou un pneumatique). Ce constat n’a pas échappé aux ingénieurs et constitue la base de l’action du système ESP. Il est ainsi possible d’éviter sous-virage et survirage pour que la voiture suive la trajectoiresouhaitée par le conducteur. L’ESP peut aussi améliorer le comportement d’un châssis « mal né » ou lui donner un caractère neutre ou légèrement sous-vireur ou survireur. Par contre, l’ESP ne peut corriger la défaillance d’adhérence d’une roue ou d’un essieu qu’en puisant dans celle des autres, pour peu qu’il leur en reste. Autrement dit, l’ESP améliore le comportement, mais la valeur totale d’adhérence de la voiture n’est pas augmentée.
Le survirage : les roues arrière perdent leur pouvoir de guidage latéral et le véhicule a tendance à se diriger vers l’intérieur du virag
Le sous-virage : les roues avant perdent leur capacité directionnelle et le véhicule a tendance à " tirer tout droit ". Exemples d’interventions de l’ESP L’ESP intervient sur le système de freinage de chaque roue pour aider le véhicule à prendre la trajectoire voulue par le conducteur. Il contrôle ainsi : § la vitesse du véhicule, § sa dérive latérale, § et sa vitesse de lacet (rotation autour de lui-même sur un axe vertical). Voici 3 exemples simples qui permettent de rentrer progressivement dans le fonctionnement de l’ESP. Exemple 1 : Virage avec flaques d’eau
Sans ESP § Le véhicule rencontre un sol humide inattendu au milieu du virage. § (1) : Le train avant perd son adhérence, le véhicule sous-vire et sort de la trajectoire. § (2) : En retrouvant le sol sec, le train avant reprend l’adhérence et fait survirer le véhicule.
Avec ESP (1) : L’ESP détecte un début de sous-virage (début de perte d’adhérence du train avant). L’ESP freine immédiatement la roue arrière droite, créant ainsi un couple de rotation au châssis dans le sens des aiguilles d’une montre. Cette action aide le véhicule à tourner vers la droite et à rester sur la trajectoire souhaitée. § (2) : Le véhicule est sur la trajectoire souhaitée. Exemple 2 : Situation d’évitement d’un obstacle Sans ESP
Sans ESP § (1) : Le conducteur freine. § (2) : Le conducteur tourne brutalement le volant vers la gauche. Cette man��uvre rapide fait sous-virer le châssis. En conséquence, le conducteur braque encore plus les roues directrices. § (3) : Le conducteur tourne rapidement le volant dans l’autre sens, ce qui a pour effet de balancer l’arrière du véhicule. La voiture commence un long survirage, l’angle de dérive est trop accentué et le châssis n’est plus contrôlable.
Avec ESP § (1) : Le conducteur freine. § (2) : L’ESP détecte un début de sous-virage. Il freine immédiatement la roue arrière gauche, créant un couple de rotation au châssis dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Le sousvirage est maîtrisé. § (3) : Le conducteur tourne rapidement le volant dans l’autre sens, au risque de faire décrocherl’essieu arrière. L’ESP détecte ce début de survirage et freine immédiatement la roue avant gauche, créant un couple de rotation au châssis dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Le survirage est maîtrisé et la voiture prend la trajectoire correspondant à la position du volant. Exemple 3 : Suite de virages
Sans ESP § (1) : Le virage est abordé à une vitesse excessive. Le train arrière perd son adhérence latérale. § Le véhicule n’est plus contrôlable.
Avec ESP § (1) : Le virage est abordé à une vitesse excessive. L’ESP mesure une vitesse de lacet (rotation du véhicule autour de lui-même) plus importante que celle calculée en fonction de la vitesse du véhicule et de l’angle de braquage. Il en déduit un début de perte d’adhérence du train arrière. La roue avant droite est freinée pour créer un couple s’opposant au survirage. § (2) : Le véhicule a retrouvé sa stabilité. § (3) : Même situation, mais pour un virage à droite. Autres situations rencontrées : § En cas de fort sous-virage d’une traction avant, l’ESP peut réduire ou couper temporairement le couple moteur. Cette action a pour effet à la fois de créer un léger transfert de poids de l’arrière vers l’avant et d’augmenter la capacité de guidage des pneus avant en transférant l’effort de traction en force latérale. Pour de petites interventions sur les moteurs à essence, l’ESP agit sur le retard à l’allumage ou sur la coupure de l’injection suivant la stratégie choisie par chaque constructeur. Pour des corrections plus importantes, l’ESP réduit l’ouverture du papillon (motorisé). Avec les moteurs diesels, il est assez simple de contrôler le débit de gazole. § L’ESP peut réduire ou couper le couple moteur en cas de survirage. § Les systèmes ESP des dernières générations peuvent intervenir sur une, deux ou trois roues simultanément pour accroître le couple de lacet et réduire la vitesse du véhicule si nécessaire. Implantation des composants et schéma électrique
Implantation des composants - Bosch
Implantation des composants - TRW
Schéma électrique du système ESP (Nissan Primera)
Les capteurs de roue
Chaque roue est munie d’un capteur de vitesse intégré dans le moyeu. Ils permettent de calculer la vitesse du véhicule, mais aussi de mesurer les blocages individuels pour l’ABS et l’ESP. |
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Il existe 2 types de capteur.
1 - Le capteur passif, aussi appelé inductif, est composé d'un aimant permanent et d'une bobine. Placé face à une roue dentée en rotation, il reçoit une variation de champ magnétique. Ce dernier est transformé en courant alternatif dont la fréquence varie avec la vitesse de rotation. En raison de ses caractéristiques, il ne peut mesurer desfaibles vitesses de rotation.
2 - Le capteur actif est placé face à un disque multipolaire remplaçant la couronne dentée. La tension de sortie est indépendante de la vitesse de rotation, il peut ainsi mesurer des régimes très faibles, voire proches de l'immobilisation du véhicule.
Un papier révélateur, chargé de particules métalliques, permet de visualiser les champs magnétiques générés par la cible
Le roulement (FAG) assure les fonctions supplémentaires d'étanchéité et de disque multipolaire pour capteur actif
Cette caractéristique est très utile pour d'autres fonctions comme le système de navigation ou l'aide au démarrage en côte. Un papier révélateur, chargé de particules métalliques, permet de visualiser les champs magnétiques générés par la cible Le roulement (FAG) assure les fonctions supplémentaires d'étanchéité et de disque multipolaire pour capteur actif Le capteur d’angle du volant Le capteur d’angle du volant donne l’information du braquage des roues directrices, et donc de la trajectoire voulue par le conducteur. Plusieurs technologies sont utilisées : potentiomètre, capteur optique ou magnétique à effet hall.
La rotation d’un volant pouvant atteindre 4 tours, un programme électronique et une multitude de capteurs internes permettent à la fois de compter le nombre de tours et la position très exacte du volant. De plus, certains capteurs sont dotés d’une pignonnerie afin d’augmenter la précision de la mesure.
Capteur optique intégré dans le combiné de bord de l'Opel Astra Le capteur de lacet
Capteur de lacet mécanique Bosch - année 1996
Le capteur de lacet mesure la vitesse de rotation du véhicule autour de l’axe vertical de son centre d’inertie. Il est donc généralement situé idéalement dans cet axe, souvent entre la console centrale et le passage entre les deux sièges avant. Cas particulier, TRW produit un bloc hydraulique ESP, placé dansle compartiment moteur, avec capteur de lacet intégré. La vitesse de lacet est recalculée mathématiquement en fonction de l’écart de position entre le boîtier et l’axe réel. L’essai de cette version sur la neige nous a montré que le signal est suffisant, mais l’est-il pour une berline familiale qui demande un comportement neutre (sans aucune dérive) ? Le but de l’opération est une réduction du coût de l’équipement. Sans aller vers cette solution extrême, déjà plusieurs modèles ont placé le capteur sous le siège conducteur par facilité de montage ou par manque de place. C’est grâce en grande partie à ce capteur qu’il est possible de déterminer les sous-virages et survirages. L’ESP détermine, dans un premier temps, la vitesse de lacet qui devrait être appliquée à la voiture. Lorsque le conducteur tourne le volant, avec une vitesse donnée du véhicule, il y a théoriquement création d’un lacet (vitesse et couple). Ensuite, si le conducteur ne modifie plus son braquage pendanttoute la durée du virage, la valeur du lacet reste faible. Celui-ci réapparaît nettement à la fin du virage lorsque le conducteur remet ses roues en ligne droite. L’ESP calcule donc cette vitesse de lacet théorique et la compare à celle, bien réelle, mesurée par le capteur. Ainsi, une vitesse de lacet mesuréeinférieure à celle attendue indiquera un sous-virage (la voiture n’aura pas braqué assez) et une vitesse de lacet mesurée supérieure à celle attendue indiquera un survirage (la voiture aura trop tourné).
Capteurs de lacet micromécaniques Bosch - année 2005 Les capteurs des premiers systèmes ESP étaient mécaniques à vibrations. Ils sont aujourd’hui supplantés par la micromécanique. Ils ont ainsi gagné en précision de mesure et en encombrement.
Sur une Opel Astra, l’ensemble capteur de lacet et d’accélération latérale (2) est placé idéalement entre les deux
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