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Le centre de gravité : où se situe celui de votre voiture ? - Dans Mon Auto
centre gravite couverture

Le centre de gravité : où se situe celui de votre voiture ?13 minutes de lecture

Le centre de gravité, cela peut rappeler des souvenirs de physique à ceux qui ont apprécié (ou pas) déterminer le centre de gravité de tout un tas de choses. Cela peut aussi rappeler des souvenirs à ceux qui aiment les blagues et qui savent que V est le centre de gravité 🙂
De toute manière, nous vous donnerons une idée d’où se situe le centre de gravité de votre voiture et l’incidence qu’à sa position sur votre conduite et votre porte-monnaie.

Éclaircissons ce terme de centre de gravité

Le centre de gravité est un point virtuel, il n’existe physiquement pas, on ne peut pas le toucher. On l’utilise car il permet de simplifier la répartition du poids qui s’applique à tout objet. Donc le centre de gravité est le centre où s’applique le poids d’un objet.

Prenons une voiture classique, elle possède un centre de gravité qui est l’endroit où s’applique le poids de la voiture. Cette voiture est en contact avec le sol via les pneus des 4 roues. Dans le cas d’un mouvement de la voiture (accélération, freinage, virage,…), le poids a une incidence sur chacune des roues. Le poids s’applique au centre de gravité, le moment du poids (lié à la force de pesanteur) s’applique aux 4 roues. Le moment d’une force est le produit de la force par la distance entre le lieu d’application de la force et le lieu du moment de la force. Dans notre exemple et pour simplifier, le moment du poids à chaque roue est le poids fois la distance entre le centre de gravité et la roue.

Plus le centre de gravité sera éloigné des points d’appui de la voiture (ces roues) et plus ils seront soumis à un moment de force important. En d’autres termes, la position du centre de gravité d’une voiture détermine sa stabilité.

La voiture a un poids ou une masse ?

mazda centre gravite

Clarifions un point, celui de la différence entre poids de la voiture et masse de la voiture. La voiture a une masse en kilogramme ou tonne, qui reste inchangée quelque soit la situation. En revanche, son poids est égal à la masse, seulement quand la voiture est immobile. Dès que la voiture subit un mouvement, son poids est modifié car il subit une force d’accélération.

Transferts de charge, ça vous parle ?

Pour tout mouvement de la voiture, on parle de transfert de charge quand on s’intéresse à la variation des forces sur les points d’appuis de la voiture. On parle de transfert de masse si on envisage un déplacement du centre de gravité de la voiture.

Lors de la conduite d’une voiture, il peut y avoir 3 types de transfert de charge différents :

transfert charge
  • Le transfert de charge autour de l’axe de tangage : Lors de l’accélération ou la décélération en ligne droite, la voiture va avoir un comportement qui va la faire pivoter autour de cet axe. A l’accélération, la voiture pivote de sorte à ce que l’arrière s’abaisse et le nez de voiture s’élève. A l’inverse, un freinage important va faire plonger le nez de la voiture.
  • Le transfert de charge autour de l’axe de roulis : Lors de la prise d’un virage, la voiture va avoir tendance à tourner autour de l’axe de roulis. Par exemple, en tournant à gauche, la voiture pivote ce qui provoque une compression des suspensions droites et une extension des suspensions gauches. Il se passe l’inverse lors de la prise d’un virage à droite.
  • Le transfert de charge autour d’un axe de lacet : lors d’un transfert de charge autour de l’axe de tangage ou de roulis, il peut y avoir un transfert de charge autour d’un axe de lacet. Résultat, la voiture peut se mettre à pivoter autour de cet axe et entraîner un dérapage voir un tête à queue.

Le transfert de charge pèse sur les appuis

Le transfert de charge dépend de la masse, de l’empattement, de la voie et de la hauteur du centre de gravité. Plus le centre de gravité est haut et plus l’empattement est court, plus le transfert de charge au freinage est important.
En conduite, ce poids va venir pèse sur les appuis et génère des efforts que la voiture encaisse pour rouler en toute sécurité.

porsche centre gravite

Le transfert de charge dépend de la masse, de l’empattement, de la voie et de la hauteur du centre de gravité. Plus le centre de gravité est haut et plus l’empattement est court, plus le transfert de charge au freinage est important.
En conduite, ce poids va venir pèse sur les appuis et génère des efforts que la voiture encaisse pour rouler en toute sécurité.

A chaque type de voiture son centre de gravité

Pour ceux qui ont déjà conduit un 4×4 et une petite citadine, le comportement de conduite n’est pas le même. La citadine est plus facile à manier que le 4×4 dans les virages par exemple.
La citadine étant plus compacte, les éléments lourds comme le moteur sont situés plus bas que dans le 4×4. La carrosserie de la citadine est aussi moins haute que celle du 4×4. En comparaison, la citadine a un centre de gravité moins haut que le 4×4.

Si l’on regarde dans l’ensemble, chaque type de voiture possède un peu près un centre de gravité au même endroit.

Les règles à connaître

Voici quelques règles pour comprendre l’évolution de la position du centre de gravité.

Plus la voiture est haute et plus le centre de gravité sera haut. La hauteur de caisse va générer du poids éloigné des points d’appui. Les voitures les plus hautes sont les 4×4 et autres SUV. Ils ont une garde au sol élevée pour franchir des terrains plus ou moins bosselés.

Plus la garde au sol de la voiture est haute et plus le centre de gravité sera haut. La garde au sol est la distance entre la route et le point le plus bas de la carrosserie. Une garde au sol élevée veut dire que le poids de la voiture est situé plus haut.

Plus la voiture sera large (et longue) et plus le centre de gravité sera bas. La largeur de caisse va permettre de répartir le poids sur une hauteur contenue. A volume équivalent, une voiture large et basse a un centre de gravité plus bas qu’une voiture étroite et haute. La voie est la distance entre les roues d’un même essieu, plus la voie est grande, meilleure est la stabilité.

Plus le chargement d’une voiture sera éloigné du niveau du sol et plus le centre de gravité sera haut. Ici aussi, si l’on ajoute du poids en hauteur comme un coffre de toit où des bagages posées en pile plutôt qu’en tapis, on vient ajouter du poids éloigné des points d’appui. Le centre de gravité se retrouve plus haut qu’il ne l’était sans le chargement.

coffre toit suv
A quoi bon conduire un 4×4 si c’est pour ajouter un coffre de toit. Bonjour le centre de gravité à 1 m de haut !
https://www.audi.fr/fr/web/fr/gamme/q8/q8.html

Dans le domaine des courses automobiles

Les voitures conçues pour le sport automobile ont un centre de gravité qui doit être le plus bas possible. La hauteur de la voiture est la plus faible possible en utilisant des suspensions plus courtes par exemple. Le poids d’une voiture de course est aussi très faible grâce à des matériaux légers (fibre de carbone, aluminium, …). Ça permet d’avoir des transferts de charge plus faibles. Ceci ne viendra que très peu perturber la conduite lors d’une prise de virage. De plus, pour limiter ces transferts de charge, les suspensions sont plus fermes et les pneus sont dits « taille basse ». Ceci veut dire que la dimension du pneu entre la jante et la voiture est faible. Résultat, les transferts de charge autour de l’axe de roulis sont moins important car le pneu se déforme moins qu’un pneu non classique.

Le centre de gravité est-il fixe ou variable ?

Depuis le début, nous parlons d’un centre de gravité qui dépend de la répartition des masses d’un véhicule. Ces masses étant connues d’avance, le centre de gravité a une position fixe.
Cependant, tout véhicule contient des liquides (circuit d’eau, circuit d’huile, réservoir de carburant) dont le volume et la répartition dans le véhicule varient. Il est logique de penser que la masse de ces liquides évolue au cours de la conduite. La masse évolue, tout comme la position du centre de gravité. Nous nous contenterons juste d’évoquer ces évolutions et leur impact minoritaire ne sera pas plus explicité.

wheelie mustang
Mais où est passée la route ?

Quel est l’impact sur la conduite d’avoir un centre de gravité plus ou moins haut dans une voiture ?

Les transferts de charge jouent un rôle essentiel dans l’équilibre du véhicule. Ils modifient les forces verticales au niveau des quatre pneus. Ceci implique des répercussions très importantes sur les efforts longitudinaux et transversaux susceptibles d’être exercés par les pneumatiques.
Estimer ces forces verticales est une tâche difficile. En effet, la variation de la masse du véhicule, la position du centre de gravité, l’orientation et le profil de le chaussée augmentent la complexité du problème.

Nous allons quand même présenter ci-après deux modèles de voiture avec chacune leurs caractéristiques différentes. On va les soumettre aux mêmes exercices, c’est-à-dire ; une accélération en ligne droite, suivie d’une prise de virage et une grande décélération en ligne droite. A l’aide de formules simplifiées, nous calculerons les efforts rencontrées par les pneus au cours de ces 3 situations.

Les deux voitures de ce test virtuel

tableau dimensions megane kadjar
Ces voitures au gabarit similaire ont quand même quelques proportions distinctes. Le SUV est plus haut et plus lourd que la compacte. Résultat, son centre de gravité est également plus haut.

Description des 3 situations

Phase d’accélération : Les véhicules vont devoir atteindre la vitesse de 100 km/h depuis une vitesse nulle, en 190 m. Cela demande un peu plus de 13 s et crée une accélération longitudinale de 2 m/s²
Phase de virage : Les véhicules roulent à la vitesse de 100 km/h. Ils prennent un virage circulaire de 200 m de rayon. L’accélération transversale est de 3.9 m/s²
Phase de décélération : Les véhicules roulent à une vitesse de 100 km/h et vont devoir s’arrêter complètement en 60 m. Cela demande environ 4 s et crée une décélération longitudinale de 6.4 m/s²

Formules utilisées pour calculer les forces

Lors des phases d’accélération et de décélération, les voitures sont soumises à un transfert de charge sur l’axe de tangage. Pour calculer la force appliquée, on utilise la réaction de tangage suivante : T = M . ϒ . H / L
M : masse, exprimée en kg // ϒ : décélération, exprimée en m/s² // H : hauteur du centre de gravité, exprimée en m // L : longueur de l’empattement, exprimée en m

Dans le virage, les voitures sont soumises à un transfert de charge sur l’axe de roulis. Pour calculer la force appliquée, on utilise la réaction de roulis suivante : R = M . ϒ . H / L
M : masse, exprimée en kg // ϒ : accélération transversale, exprimée en m/s² // H : hauteur du centre de gravité, exprimée en m // L : largeur de voie, exprimée en m

Présentation des efforts que doivent subir nos deux voitures

tableau megane kadjar effort
Détail des calculs avec résultats des force en Newton (N)

On constate que les deux voitures n’ont pas à gérer le même effort si elles roulent dans les mêmes conditions. On note que le Kadjar doit supporter entre 16 et 19 % d’effort supplémentaire que la Mégane. Ceci est dû à sa hauteur et à sa garde au sol supérieure.

Des efforts supplémentaires, cela peut coûter cher

L’effort qu’une voiture subit à l’accélération ou en virage est une force. Le travail d’une force c’est de multiplier sa valeur par la distance parcourue en subissant cette force. Si l’effort augmente de 16% alors le travail aussi.
Une voiture qui doit fournir 16% de travail en plus va consommer (à rendement moteur constant) 16% de carburant supplémentaire.

La voiture qui subit cette augmentation d’effort va user ses pneumatiques plus rapidement. En virage, pour que le véhicule reste sur une trajectoire, il faut générer une force équivalente (mais de sens opposé) à la force centrifuge qui tend à éjecter le véhicule de la trajectoire. Cette force latérale doit être générée par les 4 pneus du véhicule pour vaincre la force centrifuge.
A l’accélération, l’usure du pneu est tributaire de l’intensité du glissement. Elle croît au carré de l’ampleur de glissement, donc l’augmentation de l’effort de 16% occasionne une usure des pneumatiques 35% plus rapide.

Enfin, l’augmentation de l’effort peut être supérieure à ce que peut fournir le pneu en terme de force d’adhérence. Un virage pris trop rapidement peut engendrer un dérapage des pneus ou au pire un tonneau de la voiture.

Conclusion sur la position du centre de gravité

Pour vous résumer les points à retenir, revenons rapidement sur l’essentiel.

Le centre de gravité est situé différemment selon le modèle de la voiture. Plus la voiture est haute et plus le centre de gravité l’est aussi. Lorsqu’on accélère, freine et prend un virage, s’exercent des forces sur les pneumatiques. On a vu qu’il existait un lien direct entre la hauteur du centre de gravité et les efforts que subissent les pneumatiques.

Pour cela, nous avons pris l’exemple de deux véhicules, une compacte un SUV car ils représentent deux catégories d’achat différente. Résultat, le SUV doit subir une quantité d’effort plus importante que la compacte au cours de son utilisation. Cela peut représenter 16% de consommation de carburant en plus et même 35% d’usure sur les pneus. Je ne pense pas que ces ordres de grandeur soient évaluées lors de l’achat d’un SUV.

Pour terminer sur ces SUV, en plus d’engendrer une consommation supérieure aux modèles de voitures plus « bas », ceux-ci sont source d’accident plus important.
Généralement, plus il y a de passagers (donc de poids) dans une voiture et plus celle-ci est stable. C’est l’inverse pour un SUV qui a un centre de gravité plus élevé. Un comble pour ce type de véhicule qui est conçu pour transporter plus de choses qu’une voiture compacte. Rassurons-nous car la garde au sol des SUV diminue et ils sont de plus en plus équipés d’équipement électronique de sécurité.

J’espère toutefois que vous songerez au centre de gravité de votre voiture quand vous l’utiliserez. Si vous êtes à la recherche d’une nouvelle voiture, n’hésitez pas à ajouter la contrainte du centre de gravité dans vos critères de comparaison. On ne sait jamais, il peut y avoir des économies à la clé 🙂

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Pour lire un exemple de voiture au centre de gravité très bas, suivez ce lien !

Les sources de l’article et plus d’informations :

L’adhérence et le glissement des pneumatiques
Le transfert de charge en automobile
Comparatif Renault Kadjar, Mégane et Scénic
Calculatrice d’accélération, vitesse, durée
Formules physiques de l’automobile
Exercice corrigé sur le calcul de la consommation et du freinage d’une voiture
Les détériorations d’un pneu et leurs origines
Notation des véhicules américains + pourcentage de faire des tonneaux (anglais)
Risques de tonneaux sur SUV (anglais)
Sur les tonneaux en voiture (anglais)
Les véhicules qui ont le plus de chance de faire des tonneaux (anglais)

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