Lexus lfa: puissance et performance
- Abandon décisif de l'aluminium au profit d'une structure en plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP), gage d'une exceptionnelle cohérence dynamique et d'une baisse de poids favorable aux performances
- Utilisation d'un trio de procédés sophistiqués de moulage du CFRP pour un poids en ordre de marche de 1480 kg, soit un gain estimé de 100 kg par rapport à l'aluminium
- Technologie CFRP développée en interne par les meilleurs ingénieurs en science des matériaux afin de répondre aux exigences draconiennes de Lexus
- Nouveau procédé de liaison entre le CFRP et les alliages métalliques
- Le développement en interne d'un procédé de fabrication du CFRP de grande qualité permet d'envisager de futures applications pour une production en grande série
Le défi a pris toute sa mesure après la décision de Tanahashi-san de développer, en interne, cette structure innovante en CFRP au lieu d'en confier la réalisation à un fournisseur. Ce choix radical, totalement conforme à la mission d'exploration de nouveaux matériaux et de procédés de production de la LFA, renvoie à la fois au passé et au futur.
Tanahashi-san et son équipe ont pu puiser dans le savoir-faire de Toyota Motor Corporation, héritage de son rôle pionnier dans l'industrie textile, pour développer la structure CFRP de la LFA. D'un point de vue historique, le développement du métier à tisser automatique par Toyota Motor Corporation n'apporta pas seulement une contribution significative à l'économie japonaise grâce aux tissus de grande qualité produits à faible coût, il joua aussi un rôle essentiel pour toute la société japonaise.
En choisissant de produire eux-mêmes le CFRP, les ingénieurs ont repoussé les limites de la technologie en passant des métiers à tisser conventionnels de Toyota Motor Corporation aux modèles sophistiqués, tridimensionnels, destinés aux fibres de carbone. L'abandon du métal au profit du CFRP, plus léger, a des avantages technologiques mais il permet aussi de réduire l'impact de la LFA sur l'environnement.
L'intérêt de l'héritage textile de Toyota Motor Corporation est parfaitement illustré par le perfectionnement du système de détection de fil cassé, intégré dans les premiers métiers à tisser. En équipant les capteurs mécaniques de ce système avec une technologie laser ultra-précise pour la surveillance de l'intégrité du tissage, l'équipe de la LFA a disposé d'informations cruciales sur le procédé lui-même et a également gagné un temps précieux au niveau du développement.
Doté d'une résistance mécanique quatre fois supérieure à celle de l'aluminium, le CFRP garantit une rigidité et une solidité exceptionnelles, avec en prime un gain de poids estimé à 100 kg par rapport à une structure équivalente en aluminium. L'emploi du CFRP a également permis de raccourcir le temps de fabrication relativement long des composants de la LFA. Enfin, le choix d'un développement en interne de la technologie de fabrication du CFRP donne la garantie d'obtenir des fibres de carbone conformes aux exigences strictes de qualité de Lexus.
A la différence du CFRP utilisé pour la structure d'autres supersportives, le matériau employé pour le châssis de la LFA est le même que celui destiné aux grands programmes aéronautiques en raison de ses avantages incomparables en termes de poids et de résistance. Le CFRP représente 65% du poids de la caisse en blanc, le reste étant en aluminium. Il a même été utilisé pour réaliser le support de capot en remplacement des vérins hydrauliques conventionnels, plus lourds.
Trois procédés de moulage du CFRP sont utilisés en fonction de la sollicitation dynamique, de la géométrie et de l'implantation. Le procédé de pré-imprégnation à la main des feuilles de fibres de carbone avec de la résine liquide thermodurcissable avant moulage, chauffage et mise sous presse dans un four, a été essentiellement réservé à la fabrication de l'habitacle en raison de son coût et de la main-d'œuvre nécessaire. Il permet de créer une structure extrêmement rigide et stable.
Le CFRP destiné à la fabrication du plancher intégré, du tunnel de transmission, du pavillon et du capot est obtenu à partir d'un procédé de moulage par transfert de résine (RTM). La résine liquide est appliquée sur les fibres de carbone sèches préformées avant thermopolymérisation. Le procédé de moulage par compression (Sheet Moulding Compound Process) utilisant des fibres courtes, pressées à chaud dans un moule, est employé pour la fabrication des montants arrière et de leurs supports ainsi que pour le plancher arrière.
Et pour mettre en valeur les origines de Toyota Motor Corporation dans le textile et la contribution de cet héritage dans la création de la structure de la LFA, la face interne du capot moteur et du couvercle de coffre laisse apparaître la surface non peinte en CFRP.
Parallèlement au développement du CFRP pour Lexus, l'équipe LFA a aussi travaillé sur le difficile problème de la liaison entre les fibres de carbone et les composants en métal. La plupart des procédés utilisent un insert en aluminium qui vient s'ancrer dans le CFRP. Au lieu d'adopter cette méthode, l'équipe a préféré mettre au point un procédé innovant qui ne nécessite ni insert fileté en aluminium ni contact direct avec le CFRP. La liaison classique, source de faiblesse, est remplacée par un collet en aluminium avec une bride qui permet de réunir les deux matériaux.
Le choix d'une structure en CFRP a retardé le lancement de la LFA mais il a permis à l'équipe de rester fidèle à l'esprit de ce projet en repoussant les limites pour atteindre l'excellence. En trois ans seulement, les ingénieurs ont maîtrisé la production des fibres de carbone pour la LFA et développé des procédés innovants. Le résultat est bien supérieur en termes de résistance, de rigidité et de poids à tout ce qui aurait été possible avec une structure métallique.
En capitalisant sur l'héritage textile de Toyota Motor Corporation pour développer le CFRP, Lexus a également renforcé les compétences de son équipe d'ingénieurs et accéléré ainsi le développement de la LFA. Grâce à un système de production automatisée des fibres de carbone, développé en interne, ce procédé exemplaire autorise désormais une production à grande échelle et jouera un rôle inestimable pour lancer les futurs projets Lexus.
MOTEUR- Tout nouveau moteur V10 4,8 litres, largement inspiré de la technologie du sport automobile pour des performances époustouflantes
- Moteur à l'allonge impressionnante développant 560 ch à 8700 tr/min et un couple de 480 Nm à 6800 tr/min
- La LFA, dotée d'une propulsion arrière, franchit le 0-100 km/h en 3,7 s pour atteindre une vitesse de pointe de 325 km/h (circuit)
- Groupe motopropulseur à faible frottement bénéficiant d'un boîtier papillon à gestion indépendante par cylindre et d'une lubrification avec carter sec, issus du sport automobile
- V10 en position avant centrale de mêmes dimensions qu'un moteur V8 et de même poids qu'un moteur V6 mais développant une puissance spécifique de 117 ch par litre
Au cœur de la LFA, on trouve le moteur V10 qui, par ses dimensions compactes, la légèreté de son architecture et le brio de ses performances, établit de nouvelles références. Les ingénieurs ont défini, dès le début du projet, le cahier des charges de la motorisation de la LFA : un moteur, en position avant centrale avec une cylindrée de 4805 cm3, une puissance de 560 ch et faisant entendre ses feulements jusqu'à la zone rouge des 9000 tr/min. L'angle des deux bancs de cylindres est de 72°, une valeur idéale pour l'équilibre primaire et secondaire d'un moteur V10, gage d'un agrément exceptionnel. Ce moteur atmosphérique délivre une puissance progressive et régulière tout en répondant de façon extrêmement spontanée à l'accélérateur grâce à la présence d'un boîtier papillon à gestion électronique sur chaque cylindre.
Le moteur dispose également d'un système de lubrification à carter sec qui autorise une position plus basse du bloc dans le compartiment moteur afin d'abaisser le centre de gravité et le moment d'inertie du véhicule. Cette implantation lui permet d'assurer une performance élevée dans les virages rapides. Ce moteur fait également preuve de réactivité à moyen régime et d'excellentes performances de pointe.
Le V10 développe un couple de 480 Nm à 6800 tr/min. La distribution variable intelligente VVT-i à l'admission et à l'échappement, associée à des collecteurs d'échappement de même longueur et des injecteurs 12 trous haute performance, permet de disposer de 90% de ce couple impressionnant dès 3700 tr/min et jusqu'à la zone rouge de 9000 tr/min, gage d'une poussée phénoménale sur chaque rapport, quel que soit le régime moteur. Il n'est donc pas étonnant que la LFA franchisse le 0-100 km/h (départ arrêté) en seulement 3,7 s et atteigne la vitesse maximale de 325 km/h sur circuit, en prouvant par ces performances exceptionnelles sa véritable nature de supersportive.
Avec un poids en ordre de marche limité à 1480 kg, grâce à l'emploi majoritaire du CFRP pour le châssis et la carrosserie, et une puissance étonnante de 560 ch, la LFA fait son entrée dans le monde des supersportives en affichant un rapport poids/puissance de 378 ch par tonne qui laisse rêveur. Le taux de compression de 12/1, les organes internes à faible friction et l'optimisation de l'admission et de l'échappement conjuguent leurs efforts pour permettre à la LFA de développer une puissance spécifique exceptionnelle de 117 ch par litre, la plaçant dans le haut du classement des supersportives du moment.
Rien n'a été laissé au hasard pour atteindre les objectifs de performance fixés pour la LFA : emploi de matériaux innovants et rares comme le titane et le magnésium, réduction méthodique de l'inertie du véhicule et recours systématique aux technologies de pointe du sport automobile.
La distribution, totalement repensée, adopte des culasses d'une conception empruntée à l'univers de la course et peu communes pour un roadster de route. Les soupapes et les bielles en titane, 40% plus légères que leur équivalent en acier, sont complétées par des culbuteurs ultra-légers avec revêtement carbone-type diamant et silicone et des gicleurs d'huile intégrés.
Entre autres éléments issus de l'univers de la course, la LFA reçoit des pistons en aluminium forgés, des ressorts de soupape cylindriques à faible inertie, un vilebrequin allégé, totalement intégré, avec des vallées de cylindres appariées afin de réduire les pertes de charge et des couvre-culasses en magnésium. Une entrée d'air double dope les performances du moteur en permettant de passer d'un seul conduit d'admission sur la plage de régime moteur bas à moyen, à deux conduits à régime élevé, au bénéfice de la respiration du moteur.
Forte de son expérience du sport automobile (la LFA a participé aux terribles 24 Heures du Nürburgring en 2008 et 2009), l'équipe de développement a doté le groupe motopropulseur d'une lubrification à carter sec qui permet au véhicule de faire face à des accélérations latérales soutenues supérieures à 2 G, impératif absolu pour une performance de pointe sur circuit.
Chaque cylindre est associé à un boîtier papillon individuel à gestion électronique qui garantit une admission d'air optimale. Ce système innovant établit les priorités, grâce à sa logique de commande, en estimant le volume d'air admis en fonction de l'angle de la pédale d'accélérateur et en calculant l'injection de carburant appropriée bien plus rapidement qu'un système conventionnel. Il permet au moteur de répondre instantanément aux infimes sollicitations exercées via l'accélérateur en aluminium forgé, monté au plancher.
Le travail sur la réduction des frottements permet au moteur de monter dans les tours du ralenti à la zone rouge des 9000 tr/min en seulement six dixième de seconde, une réactivité absolue directement issue de l'expérience de la compétition automobile. Pour la mettre en valeur, il a fallu abandonner le compte-tours analogique, incapable de suivre les évolutions ultra rapides du moteur, au profit d'un système numérique. Pour réduire au maximum l'encombrement du moteur, le radiateur d'huile et la chambre de ventilation positive du carter (PCV) sont intégrés dans la vallée entre les culasses. Munie de conduits desservant les différentes zones du carter moteur, la ventilation PCV évacue en continu les vapeurs d'huile du carter moteur.
Le groupe motopropulseur dispose donc de tous les atouts pour se démarquer de la concurrence et poser de nouvelles références en termes de poids et de dimensions pour les motorisations hautes performance. Le V10 de la LFA affiche les mêmes dimensions qu'un V8 conventionnel et n'est pas plus lourd qu'un moteur V6 mais il assure des performances à l'état pur, dignes d'une supersportive. À 9000 tr/min, les pistons parcourent environ 25 mètres par seconde pour une allonge et une puissance inégalées dans un moteur de voiture de série. Ces formidables performances, l'emploi de matériaux non conventionnels et son incroyable réactivité n'empêchent pas, pour autant, le moteur de la LFA de satisfaire les exigences de fiabilité et d'agrément définies par Lexus pour toutes ses motorisations.
Il surpasse les normes d'émission Euro V, déjà très contraignantes, grâce à un système d'injection d'air qui utilise une pompe pour alimenter l'échappement en air frais après un démarrage à froid, au bénéfice d'un déclenchement plus précoce des catalyseurs et d'une dépollution optimale.
Ce groupe motopropulseur d'exception a été conjointement développé avec Yamaha dans le cadre du partenariat mis en place entre Toyota Motor Corporation et le motoriste japonais. La coopération avec Yamaha a été pilotée par Toyota à toutes les étapes clés de développement du moteur pour garantir la conformité avec les exigences draconiennes du constructeur.
BOÎTE DE VITESSES- Boîte séquentielle automatisée (ASG) six rapports ultra rapide pour une maîtrise totale par le conducteur
- Entraînement des roues arrière via un tube de poussée ultra rigide pour une homogénéité parfaite de la chaîne cinématique
- Palettes intégrées pour un toucher de boîte unique avec un choix de sept vitesses de passage des rapports
- Configuration « transaxle » sur l'essieu arrière pour une répartition idéale 48/52 du poids, au bénéfice de l'agilité en virage et de la maîtrise à grande vitesse
- Passage ultra rapide des rapports (0,2 seconde) et flexibilité à toute épreuve grâce à quatre programmes de conduite : AUTO, SPORT, NORMAL et WET.
La répartition du poids 50/50 est souvent considérée comme un impératif pour les supersportives, argument qui ne tient pas compte de la nécessité d'une répartition qui permet au véhicule d'exploiter pleinement son potentiel dynamique. Cette réflexion a amené les ingénieurs responsables de la LFA à opter pour une répartition 48/52. Elle permet, sur un véhicule à propulsion, de garantir la maîtrise et la stabilité en ligne droite conférées par un moteur à l'avant tout en profitant de la vivacité de réaction et de l'agilité dans les virages d'une plate-forme avec moteur central.
Commandée par des palettes montées sur la colonne de direction, la transmission ASG collabore étroitement avec le moteur pour donner au pilote la maîtrise totale de toutes les situations, même les plus extrêmes. Utilisant des engrenages super polis, gage d'un passage de rapports précis et discret, cette boîte intelligente permet un changement de vitesses ultra rapide, et passe dans le rapport supérieur en seulement 0,2 seconde.La transmission ASG ne se contente pas d'améliorer la motricité grâce à un différentiel à glissement limité, elle propose aussi quatre programmes de conduite, AUTO, SPORT, NORMAL et WET, sélectionnés via une molette sur la planche de bord. Associé à des lois de passage spécifiques, chaque mode a sa propre logique de gestion moteur et de commande du système de freinage.
Sept vitesses de passage des rapports sont disponibles, d'environ 0,2 seconde pour la conduite extrême sur circuit à 1 seconde pour un usage courant. La molette Shift Speed Selection, idéalement située en dessous du cadran de sélection du Mode de conduite, permet d'effectuer ce réglage. Le mode AUTO fonctionne par défaut avec la deuxième vitesse de passage, pour un changement de rapports confortable et transparent.
La commande des palettes illustre bien le parti-pris d'une conception entièrement au service du pilote. Les palettes sont montées sur la colonne de direction, et non au volant, pour une commande intuitive, même en virage, qui différencie également la pression nécessaire pour monter les vitesses, avec la palette de droite, et celle nécessaire pour rétrograder, avec la palette de gauche. Une légère pression des doigts suffit pour monter les rapports alors que le passage du rapport inférieur nécessite un effort plus soutenu. Cette différentiation permet au conducteur de se sentir plus en prise avec la transmission.
Le groupe hydraulique de la boîte de vitesses est alimenté par un moteur électrique sans balai. Il garantit le niveau élevé de pression et de volume nécessaire au fonctionnement de la transmission ASG et du récepteur concentrique de l'embrayage. Il faut également souligner la présence de certains éléments techniques qui permettent au conducteur d'exploiter pleinement les performances du véhicule sur circuit : bagues de synchro triple sur les quatre premiers rapports et bagues double sur le cinquième et sixième rapports, embrayage de petit diamètre utilisant des matériaux à haute friction, cloche d'embrayage en aluminium et radiateur d'huile dédié, intégré dans la boîte « transaxle ».
La facilité avec laquelle le V10 monte dans les tours exigeait un embrayage unique, ultra-léger et réactif, ce qui excluait de facto l'emploi d'un embrayage double. Les ingénieurs estimaient également que la boîte ASG, très directe, contrairement aux transmissions à double embrayage à la souplesse artificielle, donnerait au conducteur des sensations beaucoup plus positives, en lui permettant de ressentir le travail harmonieux des organes mécaniques pour le passage des rapports et de faire véritablement corps avec la machine.
Le moteur et la transmission sont reliés par un tube de poussée qui crée une liaison totalement rigide entre le groupe motopropulseur et la boîte-pont (transaxle), élément essentiel du châssis ultra rigide de la LFA. Equipé d'éléments isolants en caoutchouc, le tube de poussée a permis d'augmenter la distance entre les supports moteur, deux de chaque côté du bloc, pour limiter les mouvements du groupe motopropulseur.
Les deux supports de la boîte-pont (transaxle) ont été rapprochés au maximum du centre de gravité et jouxtent la connexion entre les carters du différentiel et de la transmission pour limiter les vibrations parasites. Les supports de moteur et de transmission ont été développés et perfectionnés sur la base du retour d'expérience des 24 Heures du Nürburgring auxquelles la LFA a participé en 2008 et 2009.
L'avancée technologique du moteur et de la transmission joue un rôle déterminant dans la personnalité unique de la LFA, une supersportive au pédigrée irréprochable, à l'aise sur circuit ou sur route, toujours prête à livrer des performances enthousiasmantes.
SONORITÉ- Moteur V10 à la sonorité travaillée, évocatrice de l'univers de la F1
- Chambre d'admission horizontale en deux parties reproduisant l'acoustique des instruments à cordes et à vent pour une note de basse riche et ample
- Collecteurs d'échappement grand diamètre, de longueur égale, traversant un silencieux principal à double étage en titane
- Silencieux principal en titane, inspiré du sport automobile, actionné par clapet
- Trois canaux sonores, à l'acoustique optimisée, diffusent dans l'habitacle le son de l'admission et de l'échappement du moteur
L'équipe responsable de l'acoustique de la LFA a étudié la sonorité caractéristique d'une Formule 1 tournant à plein régime. En accentuant la fréquence secondaire de la combustion dans le moteur de la LFA et en introduisant des harmoniques d'allumage primaire, secondaire et tertiaire, les ingénieurs ont créé une signature sonore d'échappement inimitable qu'ils ont appelé « Harmonie d'octave ».
Cette incroyable bande son qui souligne admirablement la sensation d'accélération et la vitesse tient au réglage minutieux de l'échappement multi-étage de la LFA. Les bancs de cylindres gauche et droit du moteur sont dotés de collecteurs d'échappement indépendants, de grand diamètre et de longueur identique, qui contribuent naturellement au niveau de couple à haut régime mais donnent aussi une sonorité à l'attaque claire et harmonieuse. À la sortie des catalyseurs, les échappements droit et gauche aboutissent à un premier silencieux puis dans le silencieux principal multi-étage, logé à l'arrière de la boîte-pont (transaxle).
Le silencieux principal, en titane, actionné par clapet, adopte une structure à double étage qui régule le débit des gaz d'échappement en fonction du régime moteur. Jusqu'à 3000 tr/min, le clapet d'échappement reste fermé, les gaz empruntant alors un circuit via plusieurs chambres pour une discrète note d'échappement. Au-dessus de ce seuil, le clapet s'ouvre et les gaz d'échappement contournent les chambres, arrivent directement dans une chambre de résonance puis ressortent via l'impressionnant trio de pipes d'échappement de la LFA.
Le travail sur la sonorité a aussi porté sur l'admission du moteur V10. La chambre d'admission en résine, en deux parties, imite l'acoustique des instruments à cordes et à vent. Jusqu'à 4000 tr/min, il émet la fréquence primaire d'allumage du moteur à 300 Hz. La fréquence passe à 400 — 500 Hz avec la montée dans les tours jusqu'à 6000 tr/min puis culmine à 600 Hz à mesure que le moteur se rapproche de la zone rouge des 9000 tr/min. En outre, le conduit d'admission principal du V10 est réalisé à partir d'un matériau poreux qui contribue aux tonalités de basse à moyenne fréquence. Tanahashi-san et son équipe ont appelé cet effet acoustique « Harmonie complexe et résonance ».
La sonorité de l'admission et de l'échappement du moteur est fidèlement retransmise à bord de l'habitacle de la LFA. La voie principale, chargée de faire résonner la sonorité de l'admission, part de la chambre d'admission vers l'habitacle, en-dessous de la cloison avant. Elle est complétée par deux autres voies, l'ouverture supérieure du tablier et le réflecteur inférieur.
L'ouverture supérieure du tablier, située en haut de la structure de la planche de bord, diffuse les tonalités de fréquence moyenne et aiguë directement dans le cockpit tandis que le réflecteur inférieur retransmet la sonorité ample et résonante du moteur. Ces deux dispositifs acoustiques viennent à l'appui de la voie principale de diffusion pour créer autour du conducteur un son qualifié de 3D Surround par l'équipe LFA, un paysage sonore qui lui rappelle constamment les performances du moteur.