La fabrication d’un bon pneu, suppose des centaines d'heures de travail de conception et d'exécution. Découvrez comment les modèles les plus connus sont conçus et fabriqués.
L'usine de pneus de Continental.
L'histoire du pneu a plus de 150 ans. C’est R. W. Thomson d'Aberdeen qui fut le premier à breveter le pneu à chambre à air en 1845. Cependant, son invention ne reçut que peu de soutien. Il fallut attendre John Boyd Dunlop qui, en 1888, réinventa le pneu avec chambre à air de manière indépendante. Son invention gagna rapidement en popularité et fit rapidement partie intégrante de l’équipement automobile. Parmi les pionniers de la fabrication de pneus, citons également les frères Édouard et André Michelin dont les pneus ont été couramment utilisés sur les camions et les voitures dès le début du XXe siècle.
Comment vérifier l'année de production d’un pneu ?
Avant d'aborder le processus complexe de fabrication d'un pneu, il sera peut-être utile de se rappeler comment trouver les informations concernant l'année de fabrication. Le marquage DOT est située sur le flanc du pneu, et les chiffres et lettres estampillés juste après vous aideront à décoder la date de fabrication du pneu. Comment trouver cette date ? Vous trouverez ici nos explications, nous vous encourageons donc à lire cet article.
En attendant, revenons au début du processus de fabrication, c'est-à-dire à ce qui s'est passé avant que la date de production ne soit estampillée sur le pneu...
La fabrication des pneus, hier et aujourd’hui
Avant l'ère de l'informatique, le développement de nouvelles solutions était fastidieux et nécessitait d'énormes dépenses en termes de financement et de temps. La conception était basée sur les connaissances des ingénieurs et des concepteurs, le curseur logarithmique et la planche à dessin. Un prototype était ensuite élaboré et soumis à des tests. Lorsque la nouvelle conception ne permettait pas d’atteindre les résultats attendus, tout le long processus de conception et de recherche devait être répété.
De nombreux progrès ont été réalisés au cours de ces dernières décennies. Le produit final et les méthodes de fabrication ont changé. Comment les pneus sont-ils fabriqués aujourd'hui ? Les expériences et les tests pratiques qui échouaient souvent par le passé peuvent à présent être complétés et remplacés par des simulations et des calculs informatiques. Les méthodes numérisées permettent aujourd’hui un développement beaucoup plus rapide des performances les plus recherchées en matière de pneumatiques.
La structure des pneus de voiture :
- La bande de roulement, c'est-à-dire la partie du pneu qui reste en contact avec la route et qui représente un élément important pour la tenue de route,
- Le talon, c'est-à-dire la partie du pneu constituée d'une âme inextensible appelée "tringle" et de couches enroulées autour de celle-ci, façonnées selon le contour de la jante,
- Le flanc, c'est la partie du pneu située entre la bande de roulement et le talon,
- La ceinture - une couche de matériaux sous la bande de roulement et dont les fils sont disposés le long de la ligne centrale de la bande de roulement, limitant ainsi la circonférence de la carcasse,
- La carcasse du pneu, c'est-à-dire une nappe caoutchoutée en textile ou en acier, le tout moulé avec le talon caoutchouté pour former un cadre structurel ; c'est la carcasse qui supporte la quasi-totalité des charges dynamiques et statiques. La qualité du pneu dépend donc directement de la structure de la carcasse.
L’usine de pneus chez Sava.
La première étape de production – la méthode des éléments finis et les systèmes de CAO
En termes de conception, le développement de la méthode des éléments finis et l'utilisation des ordinateurs dans le processus de conception ont constitué une véritable percée. Cette méthode a été utilisée pour la première fois dans l'industrie du pneu dans les années 1980. Les débuts furent difficiles. Pour concevoir un pneu, il faut résoudre des centaines de milliers d'équations. Avec la puissance de calcul des ordinateurs de l'époque, même la résolution des calculs les moins complexes exigeait plusieurs dizaines d'heures.
Le développement des systèmes de CAO (conception assistée par ordinateur) dans les années 1990, a également été d'une grande importance pour l'industrie du pneumatique. La planche à dessin et le rapidographe (le stylo à dessin technique) ont été remplacés par l'ordinateur, le clavier et la souris. La CAO permet une analyse des données plus rapide, plus précise et de meilleure qualité. Elle permet également d'évaluer l'impact des choix concernant :
- la forme et les sculptures de la bande de roulement,
- la structure interne du pneu,
- les matériaux avant le prototypage du modèle d’un pneu.
La méthode des éléments finis - méthode avancée de résolution de systèmes d'équations. Elle est basée sur la division de la structure examinée en éléments finis. La solution pour ces éléments est approximée par des fonctions spécifiques. Les éléments sont alors soumis aux lois de la mécanique. Il est ainsi possible de déterminer la résistance, la déformation, la contrainte et la répartition de la chaleur dans diverses conditions (même les plus extrêmes). Il est donc plus probable que le prototype produit dans le cadre de cette première approche soit d’emblée plus efficace.
L'usine de pneus de Vredestein.
La deuxième étape de production – le prototype du pneu et les essais automobiles
La production de prototypes est l'une des étapes les plus importantes du processus de conception. Le plus souvent, plusieurs prototypes sont réalisés. Ensuite, on choisit celui qui correspond le mieux aux paramètres recherchés. Si aucun d'entre eux ne répond aux attentes, le modèle est redessiné. La conception informatique actuellement utilisée augmente les chances qu’un prototype réponde aux paramètres recherchés et accélère considérablement le processus d’élaboration d'un modèle de pneu.
Le prototype est soumis à des tests en laboratoire et à des essais extrêmes. Lors de ces tests, on vérifie que le prototype a bien les mêmes propriétés que celles résultant de calculs informatiques antérieurs. Différents tests sont effectués. Tout dépend des paramètres recherchés et choisis lors de la conception. Des tests destructifs sont effectués ou sur des voitures-laboratoires équipées d'une cinquième roue, mais les tests les plus importants restent bien entendu les essais automobiles.
Après les tests en laboratoire, les pneus sont testés sur la voie publique et sur des pistes d'essai. Il s'agit d'une étape importante pour deux raisons :
- elle tient compte de l'état réel des routes,
- elle prend en compte l'évaluation humaine.
À ce stade, il y a une interaction entre l'homme, la voiture, le pneu et la route. Les pneus sont testés sous tous les angles et dans des conditions variables. L’usage auquel ils sont destiné est également pris en compte - les pneus d'hiver sont souvent testés dans des conditions extrêmes dans le nord de l’Europe. Les tests sont effectués par des pilotes spécialement formés, qui observent et enregistrent les résultats sur des équipements destinés à ces tests.
L’une des conditions nécessaires pour lancer la production en série d'un modèle consiste à faire le choix de solutions réalisables aux conditions industrielles existantes. Le prototypage ne se traduit pas nécessairement par la possibilité de produire ces mêmes pneus de manière rentable et à grande échelle. Il existe des cas connus dans l'histoire de l'industrie du pneu où des solutions très performantes n'ont pas été retenues pour la production et la distribution. Souvent, elles ont été mises au tiroir en attendant, par exemple, l’évolution et le perfectionnement des processus de production.
La solidité représente l'une des caractéristiques les plus importantes des pneus.
La troisième étape de la production – la préparation et la sélection des matériaux
Après la phase de conception du pneu, de documentation et d'essai du prototype, vient l’étape de préparation des matériaux à partir desquels il sera fabriqué. Chaque modèle est composé de différents composés, nappes en textile ou en acier. Comment ces matériaux sont-ils produits ?
Diverses matières premières sont utilisées dans la production des pneus, notamment :
- du noir de carbone,
- des renforts textiles,
- différents types de caoutchoucs,
- des substances hydrocarbures,
- des fils d'acier.
Pour obtenir un pneu de bonne qualité, ces composants doivent être correctement sélectionnés du point de vue :
- des propriétés chimiques et physiques,
- des épaisseurs,
- des dimensions,
- des angles de coupe, etc.
La production commence par le mélange du caoutchouc avec du noir de carbone, des hydrocarbures spéciaux, des accélérateurs, des antioxydants et d'autres ingrédients. Le dosage et le choix des différents ingrédients constituent souvent les secrets les mieux gardés du fabricant. L'effet final de cette étape est d'obtenir un mélange de caoutchouc optimal.
Les mélanges comprennent généralement :
- des caoutchoucs naturels,
- des caoutchoucs synthétiques (BR, SBR, butyl),
- des charges (noir de carbone, silice),
- des huiles,
- des résines,
- du soufre,
- des accélérateurs de vulcanisation,
- les antioxydants (agents anti-vieillissement),
- d’autre adjuvants selon les spécificités du mélange.
Par exemple, pour produire 100 kg d’un mélange destiné à la bande de roulement de pour un pneu de voiture de tourisme, il faut :
- 50 kg de caoutchouc (aujourd’hui le plus souvent synthétique),
- 15 kg de silice,
- 15 kg de noir de carbone,
- 2 kg de soufre,
- 2 kg de résine,
- 10 kg d’huiles,
- autres adjuvants.
La composition du mélange de caoutchouc est adaptée à la fonction des différents composants du pneu et à l’usage prévu. Des compositions différentes seront utilisées selon qu’il s’agit de pneus d'été ou d'hiver. Les différentes parties du pneu (flancs, zones de protection du talon, revêtement intérieur - calandrage) sont également composées de composés de caoutchouc différents.
Le caoutchouc affecte la flexibilité du pneu et donc son adhérence. Cependant, il ne tolère pas une température trop basse et s'use très rapidement. Dans le passé (jusque dans les années 1920), on utilisait presque exclusivement du caoutchouc pour la fabrication des pneus, mais cela avait des inconvénients - ces pneus s'usaient au bout de 2 000 à 3 000 km environ. Les industriels ont donc commencé à analyser et à améliorer la composition du pneu, en cherchant un moyen d'en prolonger la durée de vie. C'est pourquoi du noir de carbone a été ajouté au composé, ce qui a donné au pneu sa couleur noire et a permis de le durcir.
Quelques décennies plus tard, dans les années 1970, une découverte de Metzeler a permis d'améliorer la durée de vie des pneus et d'augmenter leur adhérence : l'introduction de silice dans le composé de caoutchouc. Le pneu supporte alors très bien les basses températures tout en conservant une flexibilité optimale. C'est pourquoi la silice est le plus souvent introduite dans la composition des pneus d'hiver.
Le cahier des charges retenu quant à la conception doit être respecté dans l'usine de chaque fabricant, quel que soit son emplacement. Cela garantit qu'un modèle de pneu donné garde les mêmes performances quel que soit le lieu de sa production.
Les mélanges pour les bandes de roulement sont généralement plus complexes et plus exigeants.
La quatrième étape de la production - la formation du mélange
Tous les ingrédients énumérés ci-dessus sont ajoutés selon un ordre précis dans une machine appelée malaxeur. Ce n'est pas seulement la quantité d'un ingrédient donné qui est importante, mais aussi le moment où celui-ci est ajouté. Les ingrédients sont mélangés entre eux jusqu'à l'obtention d'une consistance homogène. Le mélange fini prend la forme de rubans ou de plaques, dont les dimensions sont destinées à être utilisées dans les étapes ultérieures de production. La surface du mélange est ensuite enduite d'un agent anti-adhérant.
L'agent anti-adhérant facilite la séparation des couches de caoutchouc lors des étapes ultérieures d'utilisation du mélange. Le phénomène d'adhérence se caractérise par le fait que différentes surfaces se collent les unes aux autres. Cela résulte des interactions intermoléculaires des substances en contact. Un tel phénomène se produit, par exemple, à la suite de la formation de liens. L'agent anti-adhérant empêche les couches de caoutchouc préparées pour la production des pneus de se coller entre elles.
Les mélanges de caoutchouc sont testés en permanence pour s'assurer qu'ils répondent aux exigences de production. Si tout est en ordre, ils sont transférés aux phases de production suivantes. Après avoir été transmis aux étapes de production successives, le caoutchouc est utilisé pour créer des éléments profilés et plats en caoutchouc, ou par calandrage des nappes en textile ou en acier.
Les extrudeuses sont capables de produire des pièces moulées en caoutchouc avec une précision de 0,1 mm. Lorsque le mélange entre dans la machine, il est plastifié par des rouleaux ou des vis sans fin et pressé à travers un gabarit spécial. On obtient ainsi une forme appropriée, qui est utilisée pour produire le pneu brut. Les composants qui en résultent sont enroulés sur de grandes bobines. Ils sont souvent coupés en lés à une longueur spécifique. C'est ainsi que sont fabriqués :
- les bandes de roulement,
- les bandes de talon,
- les remplisseurs,
- d'autres éléments profilés.
Si le produit est plat (il ne doit pas avoir une certaine forme mais seulement une certaine épaisseur), il est soumis à un processus de calandrage. Les éléments qui en résultent sont enroulés en bobines. Cela permet de créer le revêtement intérieur en butyle et d'autres composants supplémentaires du pneu.
Le calandrage - il s'agit d'un processus d'extrusion de produits en matières synthétiques. La matière est plastifiée puis mise en forme sous l'influence de la pression exercée par des jeux de cylindres de façonnage dans une machine appelée calandre.
La fonction d'un revêtement intérieur en butyle est de garantir l'étanchéité du pneu.
La cinquième étape de la production de pneumatiques – les nappes et les tringles
Le pneu n'est pas seulement fabriqué à base de pièces en caoutchouc. Il est également constitué de nappes en textile et en acier. Ces éléments forment l’ossature du pneu et garantissent sa forme et sa rigidité, et donc le niveau approprié des performances de conduite.
Chaque fil de la nappe textile est constitué de brins tordus de multiples filaments :
- de nylon,
- de viscose,
- de polyester,
- d'aramide.
Pour produire un pneu de taille 195/65 R15, il faut 1500-1800 fils de nappe. Ils sont disposés parallèlement les uns aux autres et correctement imprégnés (les cordons textiles sont protégés par un système de résine de latex dite adhésive). Cela permet aux fils d'adhérer plus facilement au caoutchouc. L'étape suivante consiste à les presser entre les couches de caoutchouc pendant le processus de calandrage. On obtient ainsi un tissu textile caoutchouté, qui est ensuite découpé en fonction de sa fonction dans le pneu (il peut s'agir d'une nappe textile ou d'un renforcement). Une fois que ce textile caoutchouté a été correctement découpé, il est enroulé en bobines et se trouve ensuite transféré aux pneus.
La production de nappes d'acier est plus compliquée. Au début, des fils d'acier d'un diamètre allant jusqu'à plusieurs millimètres sont tréfilés sur des machines pour obtenir le diamètre souhaité d'environ 0,2 à 0,5 mm. Ces fils sont ensuite tressés. On obtient ainsi une nappe souple mais très résistante, d'un diamètre ne dépassant pas 1 mm. Dans l'étape suivante, elle est recouverte d'une couche de laiton ou de bronze - une telle solution assurera une bonne connexion avec le caoutchouc pendant le processus de vulcanisation. Après cette procédure, les fils du câble d'acier sont placés sur une calandre et insérés entre deux couches de mélange de caoutchouc, puis sont découpés en fonction de leur utilisation prévue.
Le câble d’acier est un élément qui permet de monter le pneu sur la jante. Chaque fabricant a une méthode différente pour la production des fils d’acier. Il peut s'agir d'anneaux, créés en tressant plusieurs fils de section circulaire ou en enroulant plusieurs couches de ruban. Il est constitué de fils simples, qui sont recouverts d'un composé de caoutchouc (ils présentent une section polygonale ou rectangulaire).
Le pneu radial comporte généralement une couche de ceinture textile et deux couches de ceinture en acier.
La sixième étape de la production - le pneu brut
Une fois les composants nécessaires du pneu préparés, le processus de confection peut commencer, c'est-à-dire le positionnement très précis des composants selon une méthode déterminée. En quoi consiste cette étape de fabrication ?
La deuxième étape de la fabrication de pneus consiste à préparer les composants bruts du pneu :
- la partie extérieure de la bande de roulement,
- l’enveloppe,
- la carcasse,
- les flancs,
- les gommes de bourrage,
- l’écran,
- le revêtement intérieur.
Les gommes de bourrage, les flancs et la bande de roulement sont constitués de différents types de composés de caoutchouc. À pression et température optimales, le gabarit approprié donnera forme aux éléments bruts.
La façon dont un pneu est fabriqué dépend des machines et des solutions de fabrication utilisées par le fabricant. Certains industriels produisent les pneus par des procédés unitaires (l'ensemble du pneu est produit sur une seule machine), d'autres les fabriquent en
deux étapes :
- Dans la première étape est formée la carcasse,
- La deuxième étape consiste à ajouter le « paquet », c'est-à-dire la ceinture, la bande de roulement et autres éléments supplémentaires.
L’ordre dans lequel les éléments sont ajoutés les uns aux autres est similaire pour la plupart des fabricants :
- on place un revêtement étanche en butyle qui fait office de chambre à air dans les pneus modernes sans chambre à air,
- ensuite on place les flancs des deux côtés afin de protéger la structure intérieure du pneu contre les dommages,
- application latérale d'une couche de nappe textile, qui doit former la carcasse du pneu,
- mise en place des fils d’acier et de la matière de remplissage sur une couche textile des deux côtés,
- ajout d'autres éléments, le cas échéant (lorsque la structure de la carcasse l'exige).
Tous les éléments sont posés à plat sur le tambour. Le tambour (ou les membranes de confection) est ensuite rempli d'air. Tous les composants adhèrent alors les uns aux autres et le pneu commence lentement à ressembler à la forme du produit final (la forme d’un anneau torique). L'ensemble est ensuite rouleté. Ce processus a plusieurs fonctions :
- il permet de conférer au pneu la forme appropriée,
- les composants des pneus sont connectés de manière homogène,
- il assure une évacuation complète de l'air qui aurait pu se trouver entre les différents éléments.
Le pneu brut est testé afin de détecter divers défauts possibles. Certains d'entre eux peuvent être corrigés, d'autres entraînent le rejet du pneu de la ligne de production.
À partir du code-barres, le fabricant est en mesure de visualiser toute la chaîne de production.
La septième étape de la production – la cuisson des pneus
Après la phase de confection, les pneus bruts sont envoyés dans des entrepôts puis dans des presses de vulcanisation appropriées. Ces presses sont équipées de moules de vulcanisation qui présentent le plus souvent les caractéristiques suivantes :
- une structure de conteneur : dont les éléments sont les deux côtés d’un moule, et dont les anneaux forment les flancs du pneu, embossent les inscriptions, et les segments du relief entre les flancs et confèrent sa forme à la bande de roulement,
- une structure constituée de deux moitiés : chacune ayant la fonction de mouler l’un des flancs et une moitié de la bande de roulement.
Le processus de cuisson
Le pneu brut est enduit de liquides anti-adhésifs qui l'empêchent d'adhérer à la membrane ou au moule. Sous l'influence de températures élevées (plus de 150 C°), les composés de caoutchouc sont transformés en un matériau aux propriétés homogènes. En conséquence, les réactions chimiques produisent un caoutchouc devenu flexible sur une large gamme de températures. Des agents de vulcanisation y sont introduits. Le pneu brut est appliqué sur la membrane et la presse est refermée. Ensuite, sous l'influence de la température et de la pression, à l'intérieur de la membrane, le pneu brut remplit le contour du moule. Le caoutchouc est vulcanisé à une certaine pression et à une certaine température et la forme extérieure du pneu et le relief de la bande de roulement sont imprimés par le moule de vulcanisation. Le pneu pour un véhicule de tourisme reste dans le moule pendant environ 10 minutes, puis il est retiré et laissé à refroidir à température ambiante.
Les défauts des pneus qui ne sont pas détectés lors de l'inspection se révèlent le plus souvent en cours d'utilisation.
L’inspection finale
Le contrôle de qualité final consiste à réaliser les étapes suivantes :
- l'évaluation visuelle, par exemple pour savoir s'il n'y a pas de corps étranger entre les composants du pneu,
- le contrôle de l'intérieur par rayons X pour éliminer les pneus présentant des défauts et des dommages internes,
- les tests des critères d'hétérogénéité liés à la masse, à la rigidité et à la forme,
- le test des valeurs de l'effet de cône, de la force radiale et d’autres paramètres affectant le confort et la sécurité de conduite,
- la vérification de la structure de section des pneus pour s'assurer que le produit est conforme aux paramètres prévus, c'est-à-dire pour garantir un niveau approprié de performance et de sécurité.
Les pneus qui ont passé le stade de l'inspection finale peuvent être livrés au client. Environ 80 % des pneus disponibles sur le marché sont fabriqués de la manière décrite ci-dessus. Les seules différences entre chaque site de production se situent au niveau du mode d’automatisation et de l’optimisation des différents processus de fabrication.
Chaque modèle est le fruit d’un compromis en matière de performance
La conception des pneus est le résultat d’un compromis entre durabilité et adhérence. À ce jour, personne n’a encore découvert un composé qui permettrait de garder ses propriétés de manière optimale à des températures à la fois négatives et positives, ni de bande de roulement capable de drainer à la fois la neige, l'eau et la boue et qui offrirait en même temps une très bonne adhérence sur la glace et l'asphalte.
En été, nous roulons à la fois sur des surfaces sèches et humides. Dans la première variante, pour maintenir une bonne adhérence, il est essentiel d'utiliser un composé de caoutchouc approprié, tandis que le relief de la bande de roulement est d'une importance secondaire. Dans la deuxième variante - sur route mouillée - c'est l'inverse qui est vrai, le profilage de la bande de roulement représente alors l'élément le plus important. Dans le cas des pneus d'hiver, lorsque l'on roule sur la neige, le relief de la bande de roulement est plus important, et sur la glace, c’est la composition du composé qui est essentielle.
La situation est similaire en ce qui concerne les paramètres de confort de conduite, de bruit et d'adhérence. Dans ce cas, l'utilisation d'un mélange à deux composants représente un facteur décisif. Si les composants qui entrent en contact avec la route sont souples et que la partie de la base de la bande de roulement (BASE) qui n'est pas en contact direct avec la route est rigide, alors nous obtenons une meilleure adhérence au détriment toutefois du confort. Dans la situation inverse, nous obtenons une meilleure réduction du bruit, mais l’adhérence s’avère moins bonne. Le renforcement du pneu, enfin, signifie une plus grande durabilité et une meilleure résistance au poids et aux dommages, tout en entraînant une augmentation du bruit. Nous constatons à travers ces exemples que l’on ne peut améliorer certains paramètres de conception sans diminuer la performance d'autres caractéristiques.