SUSPENSIONS Partim Eléments de suspension

Pierre DUYSINX

Ingénierie des Véhicules Terrestres

Université de Liège

Année Académique 2013-2014

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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 ELEMENTS DE SUSPENSION

Eléments élastiques

Ressorts à lames

Ressorts à boudins

Ressorts de torsion

Systèmes oléo pneumatiques

Eléments dissipatifs

Amortisseurs hydrauliques

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Ressort à lames

4

Ressort à lames

Ressort traditionnel des véhicules lourds

Avantages:

(+) Simple à fabriquer

(+) Ne nécessite par de liaisons supplémentaires car

assure un certain guidage latéral

assure un transfert des charges longitudinales

possède un amortissement propre

(+) Amortissement interne : frottement entre les lames

Inconvénients:

(-) Fort lourd

(-) Peut se rompre

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Ressort à lames

Milliken Fig 21.10 : montage de la main libre

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Ressort à lames

Lame simple

Contrainte de flexion

Raideur

Ressort à lame unique parabolique

Contrainte de flexion

Raideur

Milliken Fig 21.9 7

Ressort à lames

Ressort à lames multiples

Contrainte de flexion

Raideur

Raideur des ressorts à lames

Milliken Fig 21.9 N : number of leaves N’: number of leaves at the spring ends

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Ressorts à boudin

9

Ressorts à boudin

Raideur non linéaire possible en changeant la densité des spires ou en donnant une forme conique

Facile de placer l’amortisseur à l’intérieur du ressort

Beaucoup plus léger que les ressorts à lames

Encombrement plus faible

A l’abri des ruptures, pas de maintenance

Aucun guidage latéral possible d’où utilisation combinée de barres de guidage et de liaisons supplémentaires

Demande à être combiné à certains systèmes de suspension

La fréquence naturelle de la suspension diminue avec la masse de la charge utile

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Ressorts à boudin

Contrainte (force statique)

Contrainte (force alternée)

Raideur

pte de l'e®et de

¿ =8D

¼ d3F

../Fig/M21_3.eps

Fig. 2.10 { Ressorts µa b

D=d 3 4 6 8 10 20

k 1.55 1.38 1.24 1.17 1.13 1.06

../Fig/M21_3.eps

etre prise en consid¶erat

¿a = k ¿ =8 k D

¼ d3F

../Fig/M21_3.eps

torsion exprim¶ee en N

C =F

s=

G d4

8 nD3

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Barres de torsion

Constituées de barres qui se tordent lors des débattements de roues

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Barres de torsion

Nash Fig. 3.12 Barres de torsion latérales ou parallèles 13

Barres de torsion

Avantages

Encombrement très faible

Possibilité de réglage de la hauteur du véhicule

Faible poids

Rigidité linéaire

Inconvénients

Guidage des roues doit être complété par des leviers

Fréquence naturelle décroît avec la masse du chargement

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Barres de torsion

Contrainte de cisaillement

Raideur (N.m/degré)

../Fig/M21_1.eps

ssorts de torsio

¿ =16

¼ d3M

../Fig/M21_1.eps

n N.m/degr¶e :

C =M

µ=

G¼ d4

57:3 32 l

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Barres anti-roulis

16

Barres anti-roulis

17

Barres anti-roulis

Utilisation des barres anti-roulis: Placer le centre de roulis assez bas pour limiter les transferts de

charge.

Un centre de roulis bas augmente le roulis de la caisse, car cela augmente la distance par rapport au CG où sont appliqués les forces centrifuges.

Pour réduire le roulis, on doit raidir la suspension. A cet effet on utilise souvent de barres anti-roulis.

La barre anti-roulis n’a pas d’effet si les deux roues bougent simultanément (donc pas

d’effet sur le confort vertical)

réintroduit un couplage entre les roues gauche et droite si on a un mouvement différentiel

mouvement d’une seule roue: moitié de la rigidité effective

mouvement opposé des deux roues: totalité de la rigidité effective

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Barres anti-roulis

Hillier Vehicle And engine Technology Fig 7.38

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Barres anti-roulis

Réduit la tendance au roulis

Influence les caractéristiques en virage (comportement sur ou sous vireur)

Généralement fait de barres en forme de U ou en tube dont les extrémités sont aplaties pour s’accommoder des charges de flexion

Les points d’attache sur le porte roue doivent être aussi éloignés que possible pour un effet stabilisateur maximal

Les systèmes d’attache sur la suspension doivent arrangés de telle sorte que les barres anti-roulis travaillent uniquement en torsion et pas du tout en flexion

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Eléments de bushing

Il s’agit de toute une série d’éléments élastiques placés aux jonctions et joints entre les différents éléments: sur les triangles de suspension, aux extrémités des amortisseurs, etc.

Eléments vitaux pour le confort et la sécurité

Amortissent les vibrations et les bruits

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Système oléo pneumatique

Gaz (1)

Diaphragme (2)

Huile (3)

22

Système oléo pneumatique

23

Système oléo pneumatique

Le principe: un réservoir de gaz (séparée de l’huile par une membrane ou un piston) détermine la caractéristique du ressort.

La raideur est fortement non linéaire.

Des soupapes tarées différemment (dure à la détente et souple à la compression) permettent de dissiper de l’énergie et donc de jouer le rôle d’amortisseur.

La fréquence naturelle augmente avec la charge utile

Les caractéristiques sont progressives et dépendent de la pression initiale dans le réservoir

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Système oléo pneumatique

Raideur d’un système oléo pneumatique

Compression isentropique

Variation de volume due au déplacement de la roue reliée à un piston

Pression dans le fluide

Effort en fonction du déplacement

p V

° = p 0 V

°

0

d V = S d x

p =

p 0 V

°

0

( V 0 ¡ S x ) °

F = p S =

p 0 S

( 1 ¡ S x

V 0 ) °

=

F 0

( 1 ¡ S x

V 0 ) °

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Système oléo pneumatique

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Raideur d un amortisseur oléo pneumatique

S x / V0

F / F

0

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Amortisseurs

Amortisseurs = principaux éléments dissipateurs d’énergie

Ils servent à dissiper l'énergie cinétique accumulée lorsqu'une roue descend dans un nid de poule ou bien qu'elle surmonte un obstacle et qu'elle tend à créer un mouvement oscillant dans la suspension.

C'est un élément essentiel pour réaliser un bon compromis entre un faible niveau de transmission des vibrations à la masse suspendue (niveau de confort) et un contrôle adéquat de la masse non suspendue afin de garder une bonne tenue de route.

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Amortisseurs

Milliken Fig 22. 23 (a) Amortisseurs bitube (b) Simple tube (c) Simple tube avec piston flottant

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Amortisseurs

Systèmes télescopiques contenant un fluide hydraulique.

En outre une partie en matériau caoutchouté (bushing) aux extrémités de fixation afin de fournir une isolation des vibrations acoustiques.

On distingue généralement deux grands types d'amortisseur

les amortisseurs simples tubes

les amortisseurs bi-tubes.

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Amortisseurs

Amortisseurs bi tubes :

le tube intérieur sert de cylindre de travail

le cylindre extérieur sert de réservoir pour stocker le surplus de fluide qui résulte de la différence de volume entre les deux côtés du piston lorsque la tige monte ou descend.

Amortisseurs simples tubes,

le surplus de fluide est accumulé dans un piston libre avec du gaz pressurisé.

autre solution technologique consiste à employer un fluide de travail contenant un mélange de liquide et de bulles de gaz pour absorber la différence de volume.

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Amortisseurs

Gillespie Fig 5.20: amortisseurs bitube et simple tube 31

Amortisseurs

Amortisseurs bi tube plus compacts

peuvent être utilisés dans des endroits où il y a moins d'espace.

beaucoup plus résistants à la pénétration de petites pierres éjectées par les roues.

Amortisseurs simple tube une meilleur capacité de dissipation de l'énergie : dissipent la

chaleur directement à travers la paroi du tube contenant le fluide de travail

Plus longs, ils ne peuvent souvent pas être logés dans des endroits où le volume est limité

le tube qui sert de guide au piston peut être plus facilement endommagé par des petites pierres qui rentreraient par le joint autour de la tige.

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Amortisseurs

Les amortisseurs actuels

systèmes doubles effets avec amortissement généralement moins grand en compression qu’en détente pour des raisons de confort

Explication:

Lors d'un choc en compression, la force d'amortissement tend à augmenter l'accélération de la masse suspendue, alors qu'en extension (rebond) la force de dissipation est nécessaire pour dissiper l'énergie accumulée dans le ressort.

Caractéristiques d'amortisseur antisymétriques par rapport à la vitesse de compression / extension.

Le coefficient d'amortissement = la pente de la courbe de caractéristique.

Généralement un rapport de 2 ou 3 à 1 pour l'extension et la compression.

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Amortisseurs

Milliken Fig 22.25

vitesse relative

Force d’amortissement

compression

détente

Effort

Elongation

détente

attaque

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Amortisseurs

Milliken Fig 22.26 Milliken Fig 22.24

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Amortisseurs

Les caractéristiques des amortissements sont réalisées par une combinaison cumulée des fonctions d'amortissement dans les orifices et de vannes à ouverture réglée par des ressorts pré comprimés.

Permet d'atteindre une très large gamme de forme et d'ajustement des courbes de force d’amortissement en fonction de la vitesse d'extension ou de compression.

Par exemple : à faible vitesse, l'amortissement est réalisé par les orifices

lorsque le pression du fluide atteint une valeur suffisante, elle ouvre les valves pré calibrées.

On recherche généralement un adoucissement de l'amortissement pour les vitesses élevées.

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Amortisseurs

Gillespie Fig 5.21 : réglage des caractéristiques d’amortissement en combinant les ouvertures des orifices et des soupapes

37

Amortisseurs

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Amortisseurs

Amortissement

Pour un signal sinusoïdal

Dissipation d’énergie

F =

(

C c _ x c o m p r e s s i o n ;

C d _ x d ¶ e t e n t e :

x = a s i n ! t

F =

(

C c ! a c o s ! t c o m p r e s s i o n ;

C d ! a c o s ! t d ¶ e t e n t e :

(

T c = 1

2 ¼ C c ! a

2 c o m p r e s s i o n ;

T d = 1

2 ¼ C d ! a

2 d ¶ e t e n t e :

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Jambe de force Mc Pherson

40

Jambe de force Mc Pherson

41

Jambe de force Mc Pherson

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