Suspension de véhicule
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Les suspensions sur un véhicule, sont les éléments permettant de relier les masses non suspendues (typiquement la roue, d'entraînement de roue, souvent les systèmes de freinage, etc) aux masses suspendues (typiquement le châssis, le moteur et tous les composants du véhicule fixés au châssis).
L'utilisation de la suspension est imposée par les irrégularités de la surface sur laquelle se déplace le véhicule. Elle en diminue l'impact sur l'engin, évitant de la fatigue mécanique et une usure excessive, améliorant le confort de conduite et maintenant le contact entre les roues et le sol malgré ses irrégularités : condition indispensable à la tenue de route. Par ailleurs le fait qu'un véhicule possède une masse nécessite l'utilisation d'un mécanisme de rappel pour éviter que le système ne s'affaisse indéfiniment au fur et à mesure des aspérités du terrain.
Ainsi, la suspension se compose d'un dispositif de liaison entre les « masses non suspendues » et les « masses suspendues », d'un ressort et d'un amortisseur.
On distingue aussi les suspensions « à roues indépendantes » dans lesquelles sur un même essieu la partie gauche est séparée de la partie droite, des suspensions « à essieu rigide » où les parties gauche et droite sont liées.
Certaines explications peuvent nécessiter la lecture au préalable de l'article géométrie de suspension notamment pour les véhicules terrestres.
Différents types de suspension
- Glossaire
- porte-fusée : aussi appelé « porte-moyeu », c'est la partie mécanique qui supporte le roulement mécanique et donc indirectement le moyeu (ou fusée). Elle supporte également la partie fixe du freinage. C'est aussi cette pièce qui est orientée lors d'une action sur la direction.
- triangle : bras de suspension typique des suspensions à double triangulation.
- train avant/arrière : système complet de suspension avant ou arrière (incluant les parties mécaniques de gauche et de droite).
- barre anti-roulis : système limitant le roulis du véhicule en assurant une connexion souple entre les composants gauche et droit d'un train.
On distingue un grand nombre de type de suspensions. En pratique, leur utilisation dépend en grande partie de la charge à transporter, des coûts de fabrication et du type de véhicule.
Suspension de type MacPherson
C'est le type le plus utilisé sur l'essieu avant à roues indépendantes des automobiles d'aujourd'hui. Il se compose d'un seul bras de suspension transversal (ou triangle dans le type dit « pseudo Mc Pherson ») par côté. La jonction entre les masses suspendues et non suspendues est effectuée par une rotule côté roue et une cuvette côté châssis. L'amortisseur et le ressort hélicoïdal sont concentriques sur la jambe — appelée jambe de force — fixée de manière rigide au porte-fusée. La barre antiroulis assure le guidage longitudinal du bras transversal.
Ce type de suspension est très répandu dans la voiture de série car le système est simple donc peu coûteux. Il est également très efficace dans la mesure où il maintient la roue assez perpendiculaire au sol ; toutefois, quand le véhicule prend du roulis, il y a « prise de carrossage négatif à l'attaque (débattement vers le haut) ». Cela assure une bonne tenue de route latérale. Les trains avant des voitures de « Monsieur tout le monde » en sont équipés.
Earle S. MacPherson (1891-1960) était un ingénieur né à Highland Park (Illinois). Après avoir travaillé à la division Chevrolet de General Motors aux États-Unis, il est venu en France pour travailler à la division européenne du constructeur Ford, c'est là qu'il a développé son système de suspension, utilisé d'abord sur la Ford Vedette en 1949[1].
Suspension arrière à poutre de torsion
Ce type de suspension est très exploité en automobile; il est parfois nommé « essieu semi-rigide ». La poutre liant les deux bras est plus ou moins souple en torsion, sa rigidité limitant la prise de roulis. Les masses non suspendues gauche et droite sont fixées en extrémité des bras tirés.
Ce type de suspension se trouve sur les trains arrière de petites tractions. La prise de carrossage est nulle à l'enfoncement de la suspension. C'est une suspension économique, ce qui explique son utilisation.
Suspension à double triangulation
C'est ce qui se fait de mieux en automobile, elle est de type « indépendante ». À l'instar des suspensions MacPherson, on y exploite des triangles. Mais cette fois-ci, on en utilise deux, un supérieur et un inférieur. Le porte-fusée est raccordé par deux rotules, une au triangle inférieur, l'autre au triangle supérieur. Le châssis est raccordé en 4 articulations, soit deux par triangle. Un système d'amortisseur et ressort est articulé sur un des deux triangles. On appelle parfois cette suspension « suspension à parallélogramme déformable ».
Ce type de suspension se retrouve sur la majorité des voitures de compétition et les voitures haut de gamme (GT). Son intérêt réside dans l'infinité de réglages possible en fonction des points d'ancrage des différentes articulations. Ainsi, le carrossage, la chasse, l'antiplongée, etc., sont réglables et peuvent même être variables (voir géométrie de suspension). Mais aussi, à l'inverse de la suspension de type MacPherson, elle assure une meilleure motricité en fonction des réglages appliqués au train. Comme pour la suspension MacPherson, on associe une barre anti-roulis pour améliorer le comportement physique du châssis.
Les monoplaces de Formule 1 actuelles disposent de suspension à double triangle, le système amortisseurs/ressorts étant monté dans la monoplace au niveau du capot avant (auvent). Pour relier les roues aux ressorts, il existe deux solutions : les suspensions à poussoir et les suspensions à tirant. Le poussoir transmet les forces subies par la roue en comprimant le ressort alors que les tirants dissipent ces mêmes forces en tirant l'amortisseur. Pour les suspensions arrière, de nombreuses écuries utilisent des suspensions à tirant, plus facile à implanter que les poussoirs à cause de l'encombrement de la boîte de vitesses. En effet, les poussoirs sont implantés au niveau de l'attache de l'aileron arrière, directement sur le carter de la boîte de vitesses.
Suspension coulissante
C'est une suspension où la roue peut se déplacer par coulissement dans un guide. L'ensemble de la structure est rigide.
Cette suspension a longtemps équipé les motocyclettes, où elle a été remplacée par la suspension à bras oscillant.
Elle a l'avantage de permettre la réalisation d'un cadre plus solide (tout l'arrière est rigide), mais permet moins de débattement.
Suspension à « bras tiré » (ou bras oscillant)
Elle n'est pas très utilisée en automobile, sauf pour les charges lourdes (typiquement les remorques de camion et les chars militaires), elle est de type « indépendante ». Toutefois, son utilisation est massive pour le train arrière des véhicules de type motocyclette, où elle a remplacé la suspension coulissante à l'arrière. Elle est constituée d'un bras de suspension ; la roue et le châssis y sont chacun fixés à l'aide d'un axe. Un système d'amortisseur et ressort est fixé à l'aide d'une rotule sur le bras de suspension.
Ce type de suspension est très compact, ce qui permet l'utilisation de bras de suspension de grande dimension et ainsi de soutenir une très forte charge. Il n'y a pas de « prise de carrossage » à l'enfoncement d'où l'utilisation pour la motocyclette et les véhicules chenillés. Ce type de suspension assure également une excellente adhérence longitudinale (motricité).
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Suspension à « bras tiré » utilisée en automobile, camion et char d'assaut
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Suspension à « bras tiré » utilisée sur motocyclette
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Suspension Christie utilisée sur char d'assaut
Une amélioration de cette suspension est la suspension Christie utilisée sur les chars d'assaut où l'élément amortisseur est déporté dans une position approximativement horizontale. Cette solution permet de protéger l'amortisseur et surtout d'augmenter ses dimensions. En effet, pour avoir de grands débattements, il faudrait soit rapprocher l'amortisseur de l'axe de rotation (ce qui génère des efforts importants), soit allonger la course de l'amortisseur, qui devient alors incompatible avec le véhicule (cas des véhicules bas ou suspendus par ressorts).
Suspension télescopique
C'est la suspension réservée au domaine de la motocyclette et de l'aviation. Elle est installée en utilisant une paire système d'amortisseur et ressort sur le train avant des motocyclettes pour permettre une orientation de la roue et limiter la déformation lors des contraintes latérales. Dans le domaine de l'aviation, on utilise un seul système d'amortisseur et ressort, l'orientation étant assurée à l'aide de deux petits bras de suspension (système appelé compas) ne jouant pas d'autre rôle que le guidage (cas également de certaines motos BMW).
Cette suspension est privilégiée pour une raison de légèreté, primordiale en aviation. Les suspensions n'aidant pas au vol, il n'est pas nécessaire d'alourdir l'aéronef avec.
Pour les mêmes raisons de légèreté, ce type de suspension est utilisé sur les motocyclettes, bien que les raisons physiques diffèrent. Dans ce cas, le but est de réduire les masses non suspendues, le train s'en trouvant plus réactif (moins d'inertie). Notons, à ce sujet, que des essais de suspension de type double triangulation ont été tentés sans succès sur motocyclette, l'intérêt étant de limiter la diminution de la chasse à l'enfoncement (voir géométrie de suspension).
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Suspension de type fourche télescopique pour motocyclette
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Suspension de type télescopique utilisée dans le domaine de l'aviation (occident)
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Suspension de type télescopique utilisée dans le domaine de l'aviation (russe)
Type de ressorts
Dans une suspension, les ressorts fournissent l'effort s'opposant à l'effet du poids. La technologie est liée à la géométrie de la suspension et au savoir-faire du moment.
Ressorts à lames
La suspension avec des ressorts à lames est très ancienne et était déjà largement utilisée par les carrioles, chariots et véhicules hippomobiles. L'avantage de cette solution est la simplicité de l'installation, l'essieu étant directement tenu et guidé par le ressort.
Le ressort à lames consiste en une série de lames superposées de longueurs de plus en plus faibles et disposées selon la forme d'une pyramide inversée. Les extrémités de la lame la plus longue constituent les points d'ancrage au véhicule alors que la roue est bridée au centre des lames.
On peut décrire ainsi les caractéristiques du ressort :
- La plus longue lame, ou lame maîtresse, doit avoir une section suffisante pour résister seule à l'effort tranchant, ainsi que pour permettre la liaison avec les éléments extérieurs. Son extrémité n'est donc jamais triangulaire mais toujours façonnée en fonction des besoins ;
- Pour éviter que le ressort « baille », c'est-à-dire que les lames décollent, on donne à ces dernières une courbure qui croît de la lame maîtresse, la plus longue, aux plus courtes. Il faut alors que les épaisseurs des lames aillent en décroissant, sinon on dépasserait de plus en plus largement la limite d'élasticité ;
- L'extrémité des lames n'est jamais taillée en pointe, mais coupée droite, terminée en trapèze ou encore amincie et arrondie selon un profil parabolique.
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Lames droites
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Lames trapézoïdales
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Lames à extrémités paraboliques
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Ressort à lames sur un véhicule
Ressorts hélicoïdaux
Appelés aussi ressorts à boudin, ces ressorts sont les plus répandus aujourd'hui. Leur géométrie et la gamme de matériaux disponible permet une bonne compacité. De plus il est facile de leur associer un amortisseur, disposé coaxialement et ancré aux mêmes points que le ressort.
Nécessairement, ils doivent être couplés à un mécanisme de suspension liant la roue au châssis, et ne peuvent pas, comme dans le cas du ressort à lames assurer seuls cette liaison mécanique.
La raideur de tels ressorts dépend du matériau, du diamètre du fil employé, de celui de son enroulement et du nombre de spires. Il est très facile d'obtenir une gamme étendue de raideur. Cette solution est donc très avantageuse.
Barre de torsion
Plus compacte que le ressort hélicoïdal, mais plus longue, cette solution est adaptée au train arrière des petits véhicules à traction et à fond plat. C'est la solution retenue pour la Renault 4. Il peut s'agir d'une seule barre soutenant les deux roues, mais aussi de deux barres indépendantes. Dans ce cas, cela impose une différence d'empattement entre les deux côtés du véhicule, si la longueur de la barre est supérieure à la demi largeur du véhicule, comme pour la Renault 5.
Ce sont ces barres de torsion que certains propriétaires de R5 adeptes du tuning s'emploient à « dé-cranter » afin de rabaisser leur véhicule.
Suspension oléopneumatique
Ce type de suspension se caractérise par la solution technique retenue pour réaliser les fonctions de ressort et d'amortissement. La solution consiste à remplacer le ressort et l'amortisseur, par l'association en série d'un vérin hydraulique et d'une chambre ressort à gaz.
Le vérin est relié d'une part à la masse non suspendue (bras de suspension), et de l'autre à la caisse. Le piston, en se déplaçant par rapport au cylindre du vérin, déplace un fluide incompressible sous pression (huile) au travers de clapets amortisseurs situés à l'entrée de la sphère. La sphère est constituée de deux chambres isolées par une membrane. Une chambre contient l'huile poussée par le vérin au travers des clapets, l'autre est remplie d'un gaz sous pression. Le gaz réalise la fonction de ressort par son élasticité ; en exerçant une pression sur la membrane, il la répercute sur l'huile du vérin.
Les principaux avantages de ce système sont :
- de procurer une sensation de confort type « tapis volant », une impression de souplesse propre à l'utilisation de gaz pour la fonction ressort ;
- de rendre possible la variation de la garde au sol du véhicule, par une variation du volume de fluide ;
- de permettre au véhicule de rester horizontal, et ce, quelle que soit la charge de chaque essieu.
Ce système équipe principalement les automobiles Citroën, même si certains autres constructeurs l'ont utilisé sur leurs modèles haut de gamme afin de résoudre l'adéquation masse importante, confort, tenue de route. Certains véhicules utilitaires exploitent des ressorts à gaz en appoint des classiques ressorts à lames pour gérer les fortes variations de charges sur les essieux.
Il a été mis en œuvre en série pour la première fois sur l'essieu arrière des Citroën Traction haut de gamme, ensuite généralisé aux quatre roues sur les DS/ID. Citroën n'a cessé de faire évoluer son système par l'ajout de sphères aux caractéristiques différentes associées à une gestion électronique, ce qui permet d'adapter le confort et la tenue de route aux sollicitations du conducteur et à l'état de la route.
Ce système de suspensions peut être appliqué à tout type de géométrie, même si, dans la pratique, on le retrouve généralement associé à une géométrie MacPherson à l'avant et bras tiré à l'arrière.
Suspension électromagnétique
La compagnie Bose, spécialisée dans le domaine du son, a développé un système de suspension basé sur des moteurs électriques linéaires qui permettent d'ajuster la souplesse et la dureté de la suspension en fonction du terrain[2].
Notes et références
- ↑ (en) Editor's Note: Earl S. MacPherson and His Invention
- ↑ (en) Engineering a smoother, more stable ride, sur le site bose.com, consulté le 10 aout 2014
Articles connexes
- Géométrie de suspension
- Pont-moteur
- Ressort
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