SUSPENSION : Partim technologies des essieux · « Technologie Fonctionnelle de l’Automobile »....
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SUSPENSION : Partim technologies des essieux
Pierre DUYSINX
Ingénierie des Véhicules Terrestres
Université de Liège
Année Académique 2013-2014
1
Références bibliographiques
R. Bosch. « Automotive Handbook ». 5th edition. 2002. Society of Automotive Engineers (SAE)
T. Gillespie. « Fundamentals of vehicle Dynamics », 1992, Society of Automotive Engineers (SAE)
T. Halconruy. Les liaisons au sol. ETAI. 1995.
H. Mémeteau. « Technologie Fonctionnelle de l’Automobile ». 4ème édition. Dunod. Paris. 2002.
W. Milliken & D. Milliken. « Race Car Vehicle Dynamics », 1995, Society of Automotive Engineers (SAE)
J. Reimpell, H. Stoll, J. Betzler. « The automotive chassis: engineering principles ». 2nd edition. 2001, SAE.
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Plan de l’exposé
LES SUSPENSIONS A ESSIEU RIGIDE Généralité
Les essieux hotchkiss
Les systèmes à 4 maillons
Les suspensions de Dion
LES SUSPENSIONS SEMI-RIGIDES
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Plan de l’exposé
LES SUSPENSIONS INDEPENDANTES
Avec un bras tiré
Avec un bras semi tiré
Avec axe oscillant
Mc Pherson
Double bras en A
Bras en H
5 Bras
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Les essieux rigides
Sur les essieux rigides, les roues sont montées aux deux extrémités d’un arbre (rigide) de sorte que les mouvements d’une roue sont transmis à l’autre roue
Les roues ont des mouvements de carrossages et de braquage communs
Les essieux rigides moteurs sont utilisés
à l’arrière sur beaucoup de camions ou même sur certaines voitures (ex pick-up)
à l’avant sur les camions 4 roues motrices
Les essieux rigides sont utilisés
à l’avant des camions lorsqu’une charge importante est à supporter
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Les essieux rigides
Avantages des essieux rigides:
Le carrossage des roues n’est pas affecté par le roulis du châssis, les inégalités de la route, donc on a une faible prise de carrossage des roues en virage, excepté celui de la compression différente des pneus à cause du transfert de charge latéral
L’alignement, la voie et le pinçage des roues sont de facto préservés, économisant l’usure des pneus
Désavantage des essieux rigides
Le désavantage majeur = sensibilité aux vibrations de shimmy (=flottement) de braquage
Masse non suspendue élevée
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Les essieux rigides : Hotchkiss
La plus familière et la plus ancienne forme d’essieu rigide
Essieu centré et amorti sur des ressorts à lames
Transmission de la motorisation au moyen d’un arbre muni de 2 joints universels (cardan) montés de manière homocinétique
Les ressorts à lames sont montés longitudinalement et connectés au châssis à leurs extrémités (une main fixe et une jumelle libre pour permettre l’extension du ressort)
Les ressorts à lames assurent en outre aussi les fonctions de guidage latéral et de transmission des efforts longitudinaux
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Les essieux rigides : Hotchkiss
AVANTAGES
(+) Faible coût de fabrication
INCONVENIENTS
(-) Masse non suspendue importante
(-) Friction des ressorts à lame non contrôlée
(-) Voyage de l’essieu
(-) Perte de stabilité lorsque l’on veut faire des ressorts plus souples, donc plus longs pour les voitures
(-) Déformation latérale ou de torsion trop importante, d’où réintroduction de bras de traction et de barres de guidage latéral pour contrer les forces de freinage ou de traction avec des moteurs puissants
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Les essieux rigides : Hotchkiss
Centre de roulis d’une suspension hotchkiss avec un ressort à lames
Milliken Fig 17.44
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Les essieux rigides : 4 bras
Réponse aux difficultés des ressorts à lame
Maître choix pour les voitures assez larges avec essieu arrière moteur
Les bras inférieurs : assurent le contrôle longitudinal
Les bras supérieurs : absorbent les couples de freinage et de traction et les efforts latéraux
Les bras supérieurs peuvent être remplacés par un bras triangulaire, mais la fonction reste similaire
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Les essieux rigides : 4 bras
AVANTAGES - INCONVENIENTS
(+) Possibilité d’utiliser des ressorts hélicoïdaux ou à air donne lieu à un meilleur confort
(-) Plus cher
(+) Meilleur contrôle de la localisation du centre de roulis
(+) Possibilité de créer des systèmes anti-plongée, anti-abaissement (anti-squat)
(+) Meilleures propriétés de raideur au roulis
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Les essieux rigides : de Dion
A mi-chemin entre les suspensions à essieu rigide et les suspensions indépendantes, on trouve le système de Dion (breveté par le conte de Dion et Georges Bouton en 1894).
Système peu répandu
Le différentiel est monté sur le châssis et relié aux roues par des demi arbres
Les deux porte-roues motrices sont éventuellement reliés par un tube courbée pour contourner le différentiel
Le tube peut être contrôlé par divers systèmes d’amortissement
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Les essieux rigides : de Dion
AVANTAGES - INCONVENIENTS
(+) Comme les essieux rigides, le système maintient les roues solidaires, mais les masses non suspendues sont réduites
(+) Contrôle de l’axe est assuré indifféremment par des ressorts à lames ou des ressorts hélicoïdaux
(-) Possibilité d’avoir un tube coulissant, ce qui ajoute de la friction au système
(+/-) Un système est nécessaire pour le guidage latéral
(+/-) Meilleur confort que les essieux rigides (masse non suspendue plus faible) mais moins bon que les suspensions indépendantes.
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Les essieux rigides : de Dion
Exemples: Smart Fortwo, Alfa GTV6, Mazda Cosmo…
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Systèmes de restriction latérale
Milliken Fig. 17.16 : Systèmes de restriction du mouvement latéral 26
Systèmes de restriction latérale
De nombreux éléments pour contraindre le mouvement latéral:
Paire de bras
Bras en triangle
Barre de Panhard
Liaison de Watt
Pivot dans une glissière
Lorsque l’essieu monte et descend il est nécessaire de maintenir son mouvement linéaire le long d’un axe vertical
La paire de bras, le triangle, la liaison de Watt et le pivot donnent tous lieu à un mouvement linéaire
La barre de Panhard crée un mouvement circulaire autour du point d’encrage. Le mouvement linéaire est approché (R grand, mouvement petit)
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Systèmes de restriction latérale
Les systèmes doivent également transmettre des forces de réaction entre masses suspendues et non-suspendues.
Transmission de manière purement latérale sans composante verticale
Ce couplage doit être contrôlé parce qu’il tend à varier avec la hauteur de conduite et l’angle de roulis de la suspension
Les paires de bras, le triangle, le tenon glissière n’introduisent pas de couplage
Présence de couplages parasites latéraux verticaux avec la liaison de Watt et la barre de Panhard (fonction de l’angle de la barre)
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Systèmes de restriction latérale
Le tenon dans la glissière n’est pas recommandé:
Introduction de jeu
Introduction de friction
La barre de Panhard:
Le couplage latéral – vertical dépendent de son inclinaison dans la vue de derrière
Le couplage conduit à un soulèvement ou un abaissement de la masse suspendue en fonction de la direction du virage et de la position d’accrochage de la barre
La barre de Panhard crée un mouvement approximativement linéaire si
Longueur de barre = Rayon grand
Mouvements petits
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Les essieux semi-rigides
Famille d’essieux assez récente
Utilisés pour l’essieu arrière sur des voitures à traction avant
Origine de leur nom: une poutre essieu doit être mise en torsion pour permettre le mouvement de roulis de la voiture
La cinématique permet le contrôle de tous les paramètres exceptés l’anti-squat, parce qu’il n’y a pas de couple de traction arrière à contre balancer
3 types de géométrie selon la position de la poutre de torsion
Axe de roulis variable en fonction de la géométrie de la poutre de torsion
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Essieux semi rigides
C'est le type le plus simple : si on schématise à l'extrême, il s'agit de bras longitudinaux fixés au châssis, articulés par des roulements, et complétés par un ressort et un amortisseur.
Dans certains cas, les ressorts hélicoïdaux sont remplacés par des barres de torsion.
Ce type de suspension est très compact, par contre il ne permet pas de transmettre un couple moteur aux roues, c'est pourquoi on trouve ce système uniquement sur le train arrière des voitures à traction avant .
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Les essieux semi-rigides
Type a: poutre de torsion au niveau des bagues. Assez semblable à la suspension
indépendante à train tiré
Type b: poutre de torsion à mi-chemin entre les coussinets et les centres des roues. En rebond, mouvement autour des
l’axe des bagues
En roulis, propriétés d’une suspension indépendante semi-tirée
Type c: poutre de torsion dans l’axe des roues Requiert une barre de Panhard pour
le contrôle latéral
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Les essieux semi-rigides
AVANTAGES – INCONVENIENTS
(+) Large distance entre le support minimise les contraintes structurales
(+) Transfert de force favorable aux membres longitudinaux
(+) Simple à fabriquer
(+) S’attache par deux points seulement
(+) Assemblage simple
(+) Extrêmement robuste
(-) Possibilités cinématiques assez limitées
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Les essieux semi-rigides
Utilisés sur la plupart des voitures européennes de classe moyenne (segment C: VW- Golf, Fiat Punto…)
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Les essieux indépendants
Contrairement aux suspensions avec axe rigide, les suspensions indépendantes autorisent un mouvement indépendant des roues, c.-à-d. sans affecter la roue opposée.
Presque toutes les nouvelles voitures et les petits camions ont des suspensions indépendantes à l’avant
Avantage majeur des essieux indépendants: Ils améliorent les propriétés de confort
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Les essieux indépendants
Avantages
Libère de l’espace pour le compartiment moteur
Donne une meilleure résistance aux vibrations dans la direction (shimmy et wobble) en découplant les roues et en interposant la masse de la voiture entre les roues
Fournit une plus grande raideur en roulis par une raideur verticale donnée
Contrôle facile du centre de roulis par la géométrie des bras
Capacité à contrôler (=minimiser) le changement de l’aire de contact avec les bonds et rebonds
Plus grand débattement de suspension
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Essieu indépendant à bras tiré
Historiquement : succès de VW et Porsche durant la seconde guerre mondiale
Bras tirés, parallèles, de dimensions identiques, connectés sur leur avant à des barres de torsion qui fournissent le système de ressort
Les roues restent parallèles par rapport au châssis et prennent du carrossage avec le roulis du châssis Gillespie Fig. 7.4
Suspension avant indépendante
à bras tiré 41
Short Long Arm (SLA) Front Suspension
La morphologie la plus répandue parmi les suspensions des voitures après seconde guerre mondiale
Deux bras pour maintenir la roue
Les bras supérieurs et inférieurs ont généralement des longueurs différentes (d’où short long arm)
Les bras sont souvent appelés bras A-arm (USA) et wishbones (GB), triangle de suspension (en français)
Variantes (équivalentes):
Le bras supérieur est remplacé par un simple lien latéral
Le bras inférieur est remplacé par un bras latéral et une jambe de force en angle
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Short Long Arm (SLA) Front Suspension
Heisler Fig 7.34 : effet des bras inégaux sur la réduction de la variation de voie
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Short Long Arm (SLA) Front Suspension
Les suspensions SLA sont bien adaptées aux véhicules avec moteur à l’avant et traction arrière, car elles dégagent de l’espace pour le moteur longitudinal
Bien adaptés aux véhicules avec un faux-châssis séparé pour montage de la suspension et l’absorption des charges
La conception de la géométrie demande beaucoup d’attention pour obtenir des bonnes performances
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Short Long Arm (SLA) Front Suspension
La géométrie des bras inégaux peut améliorer le carrossage de la roue extérieure au virage en contrecarrant le carrossage dû au roulis de la caisse, mais amène souvent un plus grand carrossage de la roue intérieure.
Prendre des bras égaux élimine les conditions défavorables sur la roue intérieure au prix d’une perte de compensation sur la roue extérieure
Il faut minimiser la changement d’aire de contact dans les débattements
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Suspension Mac Pherson
Mc Pherson a développé une suspension de géométrie similaire aux bras inégaux sur la base d’une jambe de force (strut).
Le jambe de force est un membre télescopique incorporant de l’amortissement
La roue est attachée de manière rigide à l’extrémité basse de sorte que le coulisseau maintient la roue dans un carrossage défini.
La localisation de la partie basse est réalisée par des liaisons rigides qui reprennent les forces latérales et longitudinales
La partie supérieure de la jambe est fixée au châssis par une rotule
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Suspension Mac Pherson
Parce qu’il est nécessaire de fixer la jambe à l’intérieur de la roue, les forces de la roue créent un moment de retournement qui ajoute de la friction. On le contrecarre avec un ressort hélicoïdal en angle sur la jambe.
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Suspension Mac Pherson
Exemples: Fiat Croma, Lancia Thema, Saab 9000, Fiat Tipo, Tempra, Lancia Delta, Dedra…
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Suspension Mac Pherson
Système Mc Pherson original
Système combinant l'amortisseur, le ressort et la fusée
Le système fait office de fusée.
La barre stabilisatrice sert au guidage
Le combiné est fixé en bas au porte moyeu, et en haut directement sur le châssis.
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Suspension Pseudo Mac Pherson
La fusée (5) est solidarisée au corps du Mc Pherson
Le bras inférieur (2) est triangulaire et reprend les forces longitudinales
Avec un seul triangle, pas de contrôle fin du carrossage dynamique.
Par contre, la présence de ce triangle inférieur permet de passer des puissances assez importantes.
Utilisé généralement sur des propulsions de moyenne gamme, et presque toujours sur le train avant des tractions.
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Suspension Mac Pherson
AVANTAGES - INCONVENIENTS
(+) Le système Mac Pherson est très compact. Il permet de placer le moteur transversalement à l’avant et il est souvent utilisé pour des tractions avants
(+) A cause de la séparation des points d’ancrage sur la carrosserie, il est bien adapté aux véhicules semi-monocoques
(+) La jambe de force a l’avantage de n’introduire que peu de pièces et est capable de répartir les charges sur une zone assez large de la carrosserie
(-) Il demande une hauteur d’installation qui limite le concepteur dans sa volonté de diminuer la hauteur du capot
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Suspensions arrières multi-points
Récemment, les suspensions multibras (5 liens) se sont développées (e.g. Mercedes, Corvette après 1984)
L’idée consiste simplement à utiliser 5 barres afin de créer les 5 contraintes cinématiques.
On peut également le voir comme une séparation des bras du triangles de suspension inférieurs et supérieurs.
Grande flexibilité de la cinématique
Les liens étant reliés par des joints sphériques, ils ne subissent pas de moments de flexion
L’entièreté du porte roue pivote lors des braquages de roue.
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Suspensions arrières multipoints
Le placement et l’orientation des liens suit la même idée que pour les suspensions 3 liens et 1 triangle de suspension (un triangle = 2 liens)
Flexibilité de l’approche cinématique: ajuster les liens aux centres virtuels de rotations
Objectif: obtenir des cinématiques désirées dans le plan frontal sans compromis avec la cinématique dans le plan latéral.
Autres objectifs : avoir des axes de fusée très courts et des rayons de ripage très petits et négatifs
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Suspensions arrières multipoints
Gillespie Fig 7.7 : Suspension arrière multi-bras de la Ford Taurus
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Suspensions arrière à bras tirés
Souvent utilisé sur les voitures plus coûteuses où on recherche la performance: e.g. suspension arrière de la Corvette avant 1984
Le bras de contrôle absorbe les forces longitudinales et moments de freinage et contrôle le tassement et le soulèvement d’essieu
Les bras indépendants ont l’avantage de réduire la masse non-suspendue en montant le différentiel sur le châssis
Dans la corvette d’avant 1984, un demi axe monté sur un joint universel sert de bras de contrôle latéral supérieur avec une simple jambe de force jouant le rôle de bras latéral inférieur
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Suspensions arrière à bras tirés
Gillespie Fig 7.8 : Suspension arrière de la corvette avant 1984
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Suspensions arrière à bras semi tirés
Les suspensions indépendantes à bras semi-tirés ont été popularisées sur les BMW et les Mercedes
Axe de pivot généralement autour de 25° par rapport à la direction transversale de la voiture
Donne un carrossage intermédiaire entre le bras tiré (pas de changement de carrossage par rapport au châssis) et le bras oscillant
Le bras semi-tirés donne lieu à un effet de braquage lors des débattements verticaux
La combinaison braquage / carrossage sur la roue extérieure au virage agit en sens opposé à la direction de virage, ce qui génère un roulis sous-vireur de l’essieu arrière.
Mais la souplesse à la force latérale crée lui un effet de braquage qui peut devenir survireur si non contrôlé
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Suspensions arrière à bras oscillant
La manière la plus simple d’obtenir des suspensions arrières indépendantes
Exemple fameux: la VW coccinelle
Peut être vu comme un cas de bras traîné
Le changement de carrossage est entièrement déterminé par les axes qui pivotent autour de joints universels (cardan)
Le rayon d’oscillation est court et donc les changements de carrossage peuvent être importants
Conséquence: difficile d’avoir une bonne performance en virage de la part d’un bras oscillant
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Suspensions arrière à bras oscillant
Milliken Fig 7.27 : Suspension arrière à bras oscillant (Corvette d’avant 1984)
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Suspensions arrière à bras oscillant
Problématique dans toutes suspensions indépendantes, le phénomène de « jacking » est critique avec les bras oscillants, Survient lors des virages lorsque les deux roues
développent des forces latérales importantes, mais avec la roue extérieure plus chargée
La direction intérieure de la force latérale tend à soulever le véhicule
Effet:
élévation du châssis (et donc réduction de sa résistance au retournement)
réduction de la force d’envirage à cause de la poussée de carrossage défavorable, conduisant parfois au tête à queue ou au retournement
Inclure un bras pour limiter le mouvement de la roue 80
Suspensions arrière à bras oscillant
Phénomène de jacking
Bras oscillant utilisés dans les voitures anglaises telles que les Triumph et les Sptifire
http://herald-tips-tricks.wikidot.com/rear-suspension:jacking-and-tuck-under_movie
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Suspensions arrière indépendantes
AVANTAGES – INCONVENIENTS
(+) Faible coût
(-) Options limitées pour la cinématique
(-) Le châssis est soulevé par la force latérale en virage
(-) Effet de liaison verticale avec génération de carrossage positif
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Quelques ressources sur le web
http://bielles.free.fr/bielles-mecanique/suspension.html
http://www.monroe.com.au/trade-corner/tech-info/suspension-systems/rear-suspensions.html
http://www.carbibles.com/suspension_bible_pg2.html
http://www.monroe.com.au/trade-corner/tech-info/suspension-systems/front-suspensions.html
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