Qu'est-ce que le couple moteur ?Qu'est-ce que le couple ? Quel est le rapport entre le couple et la puissance ? Comment comparer la souplesse et la plage d'utilisation de deux moteurs diffrents ? Que reprsente le rgime de couple maxi et que se passe-t-il si le moteur est exploit pleine charge en dessous de son rgime de couple maxi ? Quelles sont les variables qui permettent de calculer la puissance dveloppe par un moteur ?

Couple et puissance - thorie

Le couple correspond la force avec laquelle un cycliste appuie sur les pdales multiplie par la longueur du bras de manivelle.

En essayant de tourner un volant, un robinet, une clef dans une serrure, de visser un bouchon ou un crou, on exerce sur ces objets un couple. Si l'objet tourne, un certain travail (W) est effectu.

Avant l'introduction des units SI, on mesurait le moment du couple (M) en mtres kilogrammes (mkg). Un cycliste qui appuie de tous ses 90 kg sur un bras de manivelle long de 0,17 m dveloppe un couple de 0,17 m x 90 kg = 15,3 mkg, soit celui d'un moteur de 1,6 litres.

La puissance dveloppe (P) est d'autant plus grande que le laps de temps (t) ncessaire pour accomplir un travail dtermin W (monter une cte, par exemple) est court.

P=W/tLa puissance peut aussi se calculer en utilisant la relation P = M x n (o n reprsente la vitesse angulaire ou " rgime " de rotation) On comprend pourquoi la puissance du moteur de 1,6 litres est plus grande que celle du cycliste : c'est parce que son rgime est plus lev, autrement dit parce qu'il tourne plus vite. A couple identique, plus le rgime de rotation du pdalier ou du moteur est lev et plus vite le travail sera excut, donc plus la puissance sera grande.

La force de traction est gale au couple aux roues motrices divis par le rayon de roulement du pneu. Si l'on nglige les pertes mcaniques dans la transmission, le couple aux roues correspond au couple moteur multipli par les rapports de bote et de pont.

Calcul de la puissance - formulesComme un cheval vapeur (ch) est la puissance ncessaire pour lever 75 kg de 1 mtre en 1 seconde, si le couple est donn en mkg et le rgime en tr/min, la relation devient:

P = M x n / 716,2La constante 716,2 est le rsultat de 60 x 75 / 2 pi. 60 convertit les secondes en minutes puisque le rgime est donn en tr/min, 75 provient du fait que 75 kgm/s = 1 ch, et diviser par 2 pi permet d'obtenir le rayon d'une circonfrence parcourue de 1 m. Si l'on choisit les units S.I. (Nm, kW), la constante est alors: 60 x 1000 / 2 pi , soit 9549. Si le couple est indiqu en Nm et la puissance en ch, sorte de salade courante de nos jours, la constante est alors 7023. Le couple dvelopp par un moteur est mesur au banc d'essai sous pleine charge (acclrateur fond) et diffrents rgimes. En reliant les points de mesure, on obtient sa courbe de couple. La courbe de puissance est alors calcule l'aide de l'une des constantes. Un couple constant (ci-dessus de 3500 5000 tr/min, plage verte sur l'axe des abscisses, ligne horizontale, Nm) correspond une monte linaire de la puissance alors qu'une puissance constante (ligne horizontale, kW) rpond une courbe de couple en hyperbole, dite hyperbole d'quipuissance (de 5000 6500 tr/min, plage jaune).Cliquez pour agrandir

Puissance (P) = couple (M) x rgime (n) P (en ch) = M (en mkg) x n (en tr/min) / 716,2 P (en kW) = M (en Nm) x n (en tr/min) / 9549 P (en ch) = M (en Nm) x n (en tr/min) / 7023 P (in hp) = M (in lbs-ft) x n (in rpm) / 5252

Relation graphique couple - puissance

Couple constant

Puissance constante

Une puissance sur arbre arrt (donc n = 0 tr / min) est une singularit, c'est--dire quelque chose d'impossible en ralit car impliquant un couple infini. En gnral, les courbes de couple et puissance sont arrondies. Dans l'exemple gauche, le couple maxi de 100 Nm est dvelopp 3500 tr/min alors que la puissance maxi de 52 kW (71 ch) est obtenue 5500 tr/min. En dessous de 1500 tr/min la courbe n'est pas dfinie, soit parce que le moteur ne peut pas fonctionner correctement pleine charge en dessous de ce rgime, soit parce que le protocole de mesure au banc d'essai commenait 1500 tr/min.

Un couple constant illustr par un plat sur une portion de la courbe de couple est parfois obtenu au moyen de la gestion lectronique du moteur. C'est le cas lorsque le constructeur veut limiter le couple du moteur afin qu'il ne dpasse pas la valeur admissible en entre de transmission. Mtaphoriquement, cela revient limiter la force avec laquelle le cycliste appuie sur les pdales afin qu'il ne casse pas la chane. Un cycliste qui slectionne un rapport long pour monter une cte devra dvelopper un couple important au pdalier. S'il fait tourner ce pdalier plus vite en rtrogradant sur un rapport de transmission plus court (il augmente le rgime) mais appuie moins sur les pdales (il diminue le couple) la rampe pourra tre escalade dans le mme temps et il dveloppera donc la mme puissance. Le bras de levier rotatif (le rapport de transmission) est chang ce qui modifie le rgime et le couple au pdalier, mais dans notre cas pas la roue.

Autrement dit, une puissance de 105 kW peut tre obtenue aussi bien 5000 tr/min par 200 Nm qu' 10'000 tr/min avec 100 Nm. Si la puissance est identique mais qu'elle est obtenue un rgime moteur diffrent, le constructeur change le rapport de pont ou les rapports de bote (comme sur le diagramme ci-dessus) pour adapter les rapports de transmission (on change le nombre de dents respectifs des pignons et des roues dentes qu'ils entranent). En gnral, une nouvelle bote vitesses est galement ncessaire parce qu'il faut aussi qu'elle supporte un couple plus lev si une puissance quivalente est obtenue un rgime nettement plus bas (courbes en bleu sur le graphique), tout comme un vlo destin un athlte de 120 kg devra avoir une transmission plus rsistante que s'il est destin un petit enfant. En fonction de ce qui prcde, la valeur du couple maximum (M max) considre isolment n'est d'aucune utilit pour dterminer la souplesse d'utilisation d'un moteur. Il faut comparer M max avec M dvelopp n max, ou avec M dvelopp au " rgime nominal " (n nom) qui est le rgime de puissance maxi du moteur. Or, par convention, on donne la puissance maxi du moteur en ch ou en kW au rgime nominal alors que l'on indique le couple maxi en mkg , en lbs/ft ou en Nm au rgime (n M max ) o il est atteint. Puisque qu'on ne peut pas comparer un couple et une puissance, il faut retrouver le couple au rgime nominal puis comparer ce couple avec le couple maxi (graphique ci-dessous). En divisant le couple maxi par le couple au rgime nominal, on obtient la "rserve de couple". Plus le chiffre obtenu est lev, plus le moteur est souple et moins le conducteur devra changer de vitesses pour rester dans la plage de puissance (c'est dire au plus prs de P max) car la courbe de puissance s'vase et devient moins pointue vers son sommet. Rserve de couple = M max / M n nom

Rserve de couple = M max / M n nom

On calcule gnralement la rserve de couple (1,11 soit une rserve de 11% sur le graphique ci-dessus) entre le rgime nominal (n nom, 5500 tr/min sur ce diagramme) et le rgime du couple maxi (n M max, en l'occurrence 3500 tr/min). Nanmoins, si l'on connat le rgime maximum autoris (n max, ici 6500 tr/min, terminus des courbes) il est plus raliste de calculer la rserve de couple en partant de celui-ci (1,43 , soit une rserve de 43% dans notre exemple). Dans ce cas:

Rserve de couple = M max / M n maxPlage d'utilisationUne autre donne concerne l'tendue de la plage d'utilisation (dans notre exemple 6500 / 3500 = 1.86) entre le rgime du couple maxi (n M max) et le rgime maximum (n max). Elle devrait galement se calculer en pourcentage car il est vident que la plage d'utilisation d'un moteur de Formule 1, comprise approximativement entre 14'500 et 19'000 tr/min, est relativement plus troite (1,3 soit 30 %) que celle d'un diesel de poids lourd, qui va par exemple de 1200 2100 tr/min, soit 1,75 ou 75 %. Que se passe-t-il si le moteur est exploit pleine charge en dessous de son rgime de couple maxi ? Tant que le rgime n'est pas vraiment trop bas, rien de particulier ne se passe, si ce n'est que le couple tombe avec le rgime et que la puissance baisse donc plus que proportionnellement au rgime. Cette malheureuse caractristique est inhrente aux moteurs alternatifs combustion interne, qui, contrairement aux cyclistes, machines vapeur et turbines, ne peuvent pas dvelopper un couple l'arrt. Le rgime de couple maxi reprsente, de ce fait, celui o le vhicule pourra monter la rampe la plus incline sur un rapport de bote de vitesses donn (celui o le cycliste appuie le plus fort sur les pdales). Si, par exemple, une voiture dont le moteur dveloppe son couple maxi 3500 tr/min (et non 0 tr/min comme un cycliste ou une locomotive vapeur) aborde un longue rampe uniforme 4500 tr/min en 2e rapport plein gaz et que le rgime et la vitesse du vhicule diminuent encore, alors soit le rgime moteur et la vitesse se stabilisent 3500 tr/min au moins, soit la voiture ne pourra pas monter cette rampe en 2e rapport et un rtrogradation en 1re s'imposera.

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Plage d'utilisation = n max / n M maxAu-del d'un certain rgime le couple dvelopp tombe et finalement la puissance aussi, tout comme lorsque le pdalier tourne trop vite le cycliste ne peut plus appuyer efficacement sur les pdales.

Comparaison des performancesOn ne peut comparer les courbes de couple et de puissance fournie par les constructeurs simplement d'aprs leur aspect, car selon les chelles adoptes il est possible d'incurver ou d'aplatir les courbes volont, particulirement si l'on ne fait pas correspondre l'origine du diagramme avec zro ch ou kw, tr/min, mkg ou Nm. Les courbes de couple et puissance fournies la presse par les constructeurs sont parfois quelque peu fantaisistes...

mais pas toujours.

La seule faon graphique valable de comparer les performances de deux ou plusieurs moteurs est de reporter leurs courbes caractristiques sur le mme diagramme, ou tout au moins sur deux diagrammes la mme chelle.

Le graphique ci-dessus permet de comparer le dploiement de la puissance de deux moteurs Diesel turbosuraliments (90 et 130 ch) avec celui d'un moteur essence de 145 ch. (1 hp = 1 bhp = 1,0139 ch =~ 1 ch). Rgime et puissance M max sont indiqus par l'intersection de la courbe de puissance avec la droite passant par l'origine (0, 0). Cette droite reprsente ce que serait P en fonction de n si le moteur pouvait dvelopper M max n'importe quel rgime. Plus la pente d'une telle droite est grande, et plus M max est fort. Les conditions de mesure des donns peuvent varier. La puissance nette mesure au vilebrequin selon les normes tablies par divers organismes (UE, ECE, ISO, SAE, JIS ou DIN) est celle du moteur entirement quip, tel que mont dans le vhicule. Ces normes sont aujourd'hui quasiment identiques l'exception de la DIN 70 020 qui est lgrement plus favorable - mais n'est plus utilise. Les normes SAE (brut) antrieures 1972 donnaient les performances du moteur nu, sans accessoires et elles indiquaient des donnes de 15 20% plus favorables que les normes "net" actuelles. Des facteurs de correction sont employs pour reflter des conditions standard de pression atmosphrique et de temprature ambiante (99 kPa et 25C), annulant ainsi l'influence des conditions au moment des mesures. Nanmoins, les courbes de couple et puissance restent approximatives car deux exemplaires en principe identiques du mme moteur ne fourniront pas exactement les mmes performances dans les mmes conditions. Les constructeurs indiquent gnralement une fourchette de tolrance de +- 3%.

1 1 1 1

kW = 1,36 ch hp = 1.0139 ch mkg = 9,81 Nm lbs-ft = 1,356 Nm