Partim technologies des essieux

SUSPENSION :

Partim technologies des essieux

Pierre DUYSINX

Ingénierie des Véhicules Terrestres Université de Liège

Année Académique 2010-2011

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.

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

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

Données constructives des essieux

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

Les essieux rigides

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

Les essieux rigides

Les essieux rigides : Hotchkiss

Gillespie Fig7.1: Suspension Hotchkiss

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 latéralet de transmission des efforts longitudinaux

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

Les essieux rigides : Hotchkiss

„ Centre de roulis d’une suspension hotchkiss avec un ressort à lames

Milliken Fig 17.44

Les essieux rigides : Hotchkiss

Heisler Fig 7.7 Micro braquages avec des ressorts à lames

Les essieux rigides

Essieu rigide: ressorts à lames ou à boudin

Les essieux rigides : 4 bras

Gillespie Fig 7.2: la suspension à 4 bras

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

Les essieux rigides : 4 bras

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

Les essieux rigides : de Dion

Gillespie Fig 7.3 : Suspension de Dion

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 capable de coulisser pour permettre une variation de voie (meilleur pour le confort)

„ La poutre reliant les deux porte roues est courbée pour éviter le différentiel

„ Le tube peut être contrôlé par divers systèmes d’amortissement

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.

Les essieux rigides : de Dion

Exemples: Smart Fortwo, Alfa GTV6, Mazda Cosmo…

Les essieux rigides : de Dion

Essieu de Dion Alpha Romeo GTV6

Les essieux rigides : de Dion

Milliken Fig 17.43 : Suspension de Dion

Systèmes de restriction latérale

Milliken Fig. 17.16 : Systèmes de restriction du mouvement latéral

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)

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)

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

Les essieux semi-rigides

Les essieux semi-rigides

Essieu semi rigide de la Golf

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

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 .

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

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

Les essieux semi-rigides

„ Utilisés sur la plupart des voitures européennes de classe moyenne (segment C: VW- Golf, Fiat Punto…)

Les essieux indépendants

Les essieux indépendants

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

Les essieux indépendants

„ Avantages

„ Libère del’espacepour 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 rouliscomparativement à raideur verticale

„ 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

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 de

châssis Gillespie Fig. 7.4

Suspension avant indépendante

à bras tiré

Essieu indépendant à bras tiré

Short Long Arm (SLA) Front Suspension

Gillespie Fig 7.5 Suspension avec bras en A

Short Long Arm (SLA) Front Suspension

„ La morphologie la plus répandue parmi les suspensions des voitures américaines d’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

Short Long Arm (SLA) suspension

Variante: ressort sur le bras supérieur ou inférieur

Short Long Arm (SLA) suspension

« Double wishbone » Type Moulton

Short Long Arm (SLA) Front Suspension

Heisler Fig 7.34 : effet des bras inégaux sur la réduction de la variation de voie

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 unfaux-châssisséparé pour montage de la suspension et l’absorption des charges

„ La conception de la géométrie demande beaucoup d’attention pour obtenir des bonnes performances

Short Long Arm (SLA) Front Suspension

„ La géométrie des bras inégauxpeut améliorer le carrossage de la roue extérieureau 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 égauxélimine 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

Short Long Arm (SLA) Suspension

Suspensions double triangle montées sur faux châssis

Les essieux indépendants : 4 bras

„ Porsche 993 (arrière)

Suspension Mac Pherson

Gillespie Fig. 7.6 Système Mac Pherson

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.

„ Sa partie basse est localisée par des liaisons rigides qui reprennent les forces latérales et longitudinales

„ La partie supérieure de la jambe est fixée au châssis par unerotule

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.

Suspension Mac Pherson

Exemples: Fiat Croma, Lancia Thema, Saab 9000, Fiat Tipo, Tempra, Lancia Delta, Dedra…

Suspension Mac Pherson

„ 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.

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.

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’installationqui limite le concepteur dans sa volonté de diminuer la hauteur du capot

Comparaison des suspensions

Suspensions arrières multi-points

Miliken Fig 7.33: Suspension 5 points Mercedes

Suspensions multi-points

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.

Suspensions arrières multipoints

Miliken Fig 7.34: Suspension 5 points de la Corvette

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

Suspensions arrières multipoints

Gillespie Fig 7.7 : Suspension arrière multi-bras de la Ford Taurus

Suspensions arrières multipoints

Suspensions arrière à bras tirés

Gillespie Fig 7.8 : Suspension arrière de la corvette avant 1984

Suspensions arrières à bras tirés

Suspensions arrières à bras tirés

Milliken Fig 7.24 : Suspension arrière à bras tirés

Suspensions à bras tirés

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- suspendueen 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

Suspensions arrière à bras semi tirés

Gillespie Fig 7.9 : Suspension arrière à bras semi tirés

Suspensions arrière à bras semi tirés

Milliken Fig 7.25 : Suspension arrière à bras semi tirés

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 intermédiaireentre 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 braquagelors 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-vireurde l’essieu arrière.

„ Mais la souplesse à la force latérale crée lui un effet de braquage qui peut devenir survireur si non contrôlé

Suspensions arrière à bras semi tirés

Suspensions arrière à bras oscillant

Milliken Fig 7.26 : Suspension arrière à bras oscillant

Suspensions arrière à bras oscillant

Milliken Fig 7.27 : Suspension arrière à bras oscillant (Corvette d’avant 1984)

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 comportement de carrossageest entièrement déterminé par les axes qui pivotent autour de joints universels (cardan)

„ Le rayon d’oscillation est court et donc les changement de carrossage peuvent être importants

„ Conséquence: difficile d’avoir une bonne performance en virage de la part d’un bras oscillant

Suspensions arrière à bras oscillant

Gillespie Fig 7.10 : Suspension arrière à bras oscillant

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

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

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