Lorsque les gens pensent aux performances automobiles, ils pensent normalement à la puissance, au couple et à l'accélération de zéro à 60. Mais toute la puissance générée par un moteur à piston est inutile si le conducteur ne peut pas contrôler la voiture. C'est pourquoi les ingénieurs automobiles ont porté leur attention sur le système de suspension presque dès qu'ils ont maîtrisé le moteur à combustion interne à quatre temps.
Le travail d'une suspension de voiture est de maximiser le frottement entre les pneus et la surface de la route, d'assurer la stabilité de la direction avec une bonne maniabilité et d'assurer le confort des passagers. Dans cet article, nous allons explorer le fonctionnement des suspensions de voiture, leur évolution au fil des ans et la direction que prend la conception des suspensions à l'avenir.
Si une route était parfaitement plate, sans irrégularités, les suspensions ne seraient pas nécessaires. Mais les routes sont loin d'être plates. Même les autoroutes fraîchement pavées présentent des imperfections subtiles qui peuvent interagir avec les roues d'une voiture. Ce sont ces imperfections qui appliquent des forces aux roues. Selon les lois du mouvement de Newton, toutes les forces ont à la fois une amplitude et direction . Une bosse sur la route fait monter et descendre la roue perpendiculairement à la surface de la route. L'ampleur, bien sûr, dépend du fait que la roue heurte une bosse géante ou une minuscule tache. Dans tous les cas, la roue de la voiture subit une accélération verticale lorsqu'il passe sur une imperfection.
Sans structure intermédiaire, toute l'énergie verticale de la roue est transférée au châssis, qui se déplace dans la même direction. Dans une telle situation, les pneus peuvent perdre complètement le contact avec la route. Ensuite, sous la force de gravité descendante, les pneus peuvent retomber sur la surface de la route. Ce qu'il vous faut, c'est un système qui absorbe l'énergie de la roue accélérée verticalement, permettant au cadre et à la carrosserie de rouler sans être dérangés pendant que les pneus suivent les bosses de la route.
L'étude des forces à l'œuvre sur une voiture en mouvement s'appelle la dynamique du véhicule , et vous devez comprendre certains de ces concepts afin de comprendre pourquoi une suspension est nécessaire en premier lieu. La plupart des ingénieurs automobiles considèrent la dynamique d'une voiture en mouvement sous deux angles :
Ces deux caractéristiques peuvent être décrites plus en détail dans trois principes importants :l'isolement de la route , tenue de route et virage . Le tableau ci-dessous décrit ces principes et comment les ingénieurs tentent de résoudre les défis propres à chacun.
La suspension d'une voiture, avec ses différents composants, offre toutes les solutions décrites.
Examinons les pièces d'une suspension typique, en partant de la vue d'ensemble du châssis jusqu'aux composants individuels qui composent la suspension proprement dite.
Contenu
La suspension d'une voiture fait en fait partie du châssis, qui comprend tous les systèmes importants situés sous la carrosserie de la voiture. Ces systèmes incluent :
La suspension n'est donc qu'un des principaux systèmes de tout véhicule.
Avec cette vue d'ensemble à l'esprit, il est temps d'examiner les trois composants fondamentaux de toute suspension :les ressorts, les amortisseurs et les barres stabilisatrices.
Les systèmes de suspension d'aujourd'hui sont basés sur l'une des quatre conceptions de base :
En fonction de l'emplacement des ressorts sur une voiture, c'est-à-dire entre les roues et le châssis, les ingénieurs trouvent souvent pratique de parler de la masse suspendue et la masse non suspendue .
La masse suspendue est la masse du véhicule supporté par les ressorts, tandis que la masse non suspendue est vaguement défini comme la masse entre la route et les ressorts de suspension. La rigidité des ressorts affecte la façon dont la masse suspendue réagit pendant que la voiture roule. Les voitures à suspension lâche, telles que les voitures de luxe (pensez à la Mercedes-Benz Classe C), peuvent avaler les bosses et offrir une conduite très douce; cependant, une telle voiture a tendance à plonger et à s'accroupir pendant le freinage et l'accélération et a tendance à subir un balancement ou un roulis dans les virages. Les voitures à ressorts serrés, telles que les voitures de sport (pensez à la Mazda Miata MX-5), sont moins tolérantes sur les routes cahoteuses, mais elles minimisent bien les mouvements de la carrosserie, ce qui signifie qu'elles peuvent être conduites de manière agressive, même dans les virages.
Ainsi, alors que les ressorts en eux-mêmes semblent être des dispositifs simples, les concevoir et les mettre en œuvre sur une voiture pour équilibrer le confort des passagers avec la maniabilité est une tâche complexe. Et pour rendre les choses plus complexes, les ressorts seuls ne peuvent pas offrir une conduite parfaitement fluide. Pourquoi? Parce que les ressorts sont excellents pour absorber l'énergie, mais moins bons pour dissiper ce. Autres structures, appelées amortisseurs , sont tenus de le faire.
À moins qu'une structure d'amortissement est présent, un ressort de voiture s'étendra et libérera l'énergie qu'il absorbe d'une bosse à un rythme incontrôlé. Le ressort continuera à rebondir à sa fréquence naturelle jusqu'à ce que toute l'énergie qui y a été initialement mise soit épuisée. Une suspension construite uniquement sur des ressorts donnerait une conduite extrêmement rebondissante et, selon le terrain, une voiture incontrôlable.
Entrez l'amortisseur , ou amortisseur, un dispositif qui contrôle le mouvement indésirable du ressort grâce à un processus appelé amortissement . Les amortisseurs ralentissent et réduisent l'amplitude des mouvements vibratoires en transformant l'énergie cinétique du mouvement de la suspension en énergie thermique qui peut être dissipée par le fluide hydraulique. Pour comprendre comment cela fonctionne, il est préférable de regarder à l'intérieur d'un amortisseur pour voir sa structure et sa fonction.
Un amortisseur est essentiellement une pompe à huile placé entre le châssis de la voiture et les roues. Le support supérieur de l'amortisseur se connecte au cadre (c'est-à-dire le poids suspendu), tandis que le support inférieur se connecte à l'essieu, près de la roue (c'est-à-dire le poids non suspendu). Dans une conception à deux tubes , l'un des types d'amortisseurs les plus courants, le support supérieur est relié à une tige de piston, qui à son tour est reliée à un piston, qui à son tour se trouve dans un tube rempli de fluide hydraulique. Le tube intérieur est appelé tube de pression et le tube extérieur est appelé tube de réserve. Le tube de réserve stocke l'excès de liquide hydraulique.
Lorsque la roue de la voiture rencontre une bosse sur la route et provoque l'enroulement et le déroulement du ressort, l'énergie du ressort est transférée à l'amortisseur à travers le support supérieur, à travers la tige de piston et dans le piston. Des trous perforent le piston et permettent au fluide de s'écouler lorsque le piston monte et descend dans le tube de pression. Parce que les trous sont relativement petits, seule une petite quantité de fluide, sous une grande pression, passe à travers. Cela ralentit le piston, qui à son tour ralentit le ressort.
Les amortisseurs fonctionnent en deux cycles :le cycle de compression et le cycle de prolongation . Le cycle de compression se produit lorsque le piston se déplace vers le bas, comprimant le fluide hydraulique dans la chambre sous le piston. Le cycle d'extension se produit lorsque le piston se déplace vers le haut du tube de pression, comprimant le fluide dans la chambre au-dessus du piston. Une voiture ou un camion léger typique aura plus de résistance pendant son cycle d'extension que son cycle de compression. Dans cet esprit, le cycle de compression contrôle le mouvement du poids non suspendu du véhicule, tandis que l'extension contrôle le poids suspendu plus lourd.
Tous les amortisseurs modernes sont sensibles à la vélocité — plus la suspension se déplace rapidement, plus l'amortisseur offre de résistance. Cela permet aux amortisseurs de s'adapter aux conditions de la route et de contrôler tous les mouvements indésirables qui peuvent se produire dans un véhicule en mouvement, y compris le rebond, le balancement, le piqué des freins et le squat d'accélération.
Une autre structure d'amortissement courante est la entretoise - essentiellement un amortisseur monté à l'intérieur d'un ressort hélicoïdal. Les entretoises remplissent deux fonctions :elles fournissent un amortissement fonctionnent comme des amortisseurs et fournissent un soutien structurel pour la suspension du véhicule. Cela signifie que les jambes de force fournissent un peu plus que les amortisseurs, qui ne supportent pas le poids du véhicule :elles ne contrôlent que la vitesse à laquelle le poids est transféré dans une voiture, pas le poids lui-même.
Parce que les amortisseurs et les jambes de force ont tellement à voir avec la maniabilité d'une voiture, ils peuvent être considérés comme des caractéristiques de sécurité essentielles. Des amortisseurs et des entretoises usés peuvent permettre un transfert excessif du poids du véhicule d'un côté à l'autre et de l'avant à l'arrière. Cela réduit la capacité du pneu à adhérer à la route, ainsi que les performances de maniabilité et de freinage.
Les barres stabilisatrices (également appelées barres anti-roulis) sont utilisées avec des amortisseurs ou des entretoises pour donner une stabilité supplémentaire à une automobile en mouvement. Une barre stabilisatrice est une tige métallique qui couvre tout l'essieu et relie efficacement chaque côté de la suspension ensemble.
Lorsque la suspension d'une roue monte et descend, la barre stabilisatrice transfère le mouvement à l'autre roue. Cela crée une conduite plus horizontale et réduit le balancement du véhicule . En particulier, il combat le roulis d'une voiture sur sa suspension dans les virages. Pour cette raison, presque toutes les voitures sont aujourd'hui équipées de barres stabilisatrices en équipement standard, bien que si ce n'est pas le cas, des kits facilitent l'installation des barres à tout moment.
Jusqu'à présent, nos discussions se sont concentrées sur le fonctionnement des ressorts et des amortisseurs sur une roue donnée. Mais les quatre roues d'une voiture fonctionnent ensemble dans deux systèmes indépendants - les deux roues reliées par l'essieu avant et les deux roues reliées par l'essieu arrière. Cela signifie qu'une voiture peut avoir et a généralement un type de suspension différent à l'avant et à l'arrière.
Une grande partie est déterminée par le fait qu'un essieu rigide lie les roues ou si les roues sont autorisées à se déplacer indépendamment. Le premier arrangement est connu sous le nom de système dépendant , tandis que ce dernier arrangement est connu comme un système indépendant . Dans les sections suivantes, nous examinerons certains des types courants de suspensions avant et arrière généralement utilisés sur les voitures grand public.
Les suspensions avant dépendantes ont un essieu avant rigide qui relie les roues avant. Fondamentalement, cela ressemble à une barre solide sous l'avant de la voiture, maintenue en place par des ressorts à lames et des amortisseurs. Communes sur les camions, les suspensions avant dépendantes n'ont pas été utilisées dans les voitures grand public depuis des années.
Dans cette configuration, les roues avant sont autorisées à se déplacer indépendamment. La jambe de force MacPherson , développé par Earle S. MacPherson de General Motors en 1947, est le système de suspension avant le plus largement utilisé, en particulier dans les voitures d'origine européenne.
La jambe de force MacPherson combine un amortisseur et un ressort hélicoïdal en une seule unité. Cela fournit un système de suspension plus compact et plus léger qui peut être utilisé pour les véhicules à traction avant.
La suspension à double triangulation , également connue sous le nom de suspension à bras triangulaire ou suspension à bras de commande, est un autre type courant de suspension indépendante avant.
Bien qu'il existe plusieurs configurations différentes possibles, cette conception utilise généralement deux bras en forme de triangle pour localiser la roue. Chaque triangle, qui a deux positions de montage sur le cadre et une sur la roue, porte un amortisseur et un ressort hélicoïdal pour absorber les vibrations. Les suspensions à double triangulation permettent un meilleur contrôle sur l'angle de carrossage de la roue, qui décrit le degré d'inclinaison des roues vers l'intérieur et vers l'extérieur. Ils aident également à minimiser le roulis ou le balancement et procurent une sensation de direction plus constante. En raison de ces caractéristiques, la suspension à double triangulation est courante sur les roues avant des grandes voitures.
Examinons maintenant quelques suspensions arrière courantes.
Si un essieu solide relie les roues arrière d'une voiture, la suspension est généralement assez simple - basée soit sur un ressort à lames, soit sur un ressort hélicoïdal. Dans l'ancienne conception, les ressorts à lames se fixent directement sur l'essieu moteur. Les extrémités des ressorts à lames se fixent directement au cadre et l'amortisseur est fixé à la pince qui maintient le ressort sur l'essieu. Pendant de nombreuses années, les constructeurs automobiles américains ont préféré ce design en raison de sa simplicité.
La même conception de base peut être obtenue avec des ressorts hélicoïdaux remplaçant les feuilles. Dans ce cas, le ressort et l'amortisseur peuvent être montés comme une seule unité ou comme des composants séparés. Lorsqu'ils sont séparés, les ressorts peuvent être beaucoup plus petits, ce qui réduit l'espace occupé par la suspension.
Si les suspensions avant et arrière sont indépendantes, toutes les roues sont montées et suspendues individuellement, ce qui donne ce que les publicités automobiles présentent comme une "suspension indépendante aux quatre roues". Toute suspension pouvant être utilisée à l'avant de la voiture peut être utilisée à l'arrière, et des versions des systèmes indépendants avant décrits dans la section précédente peuvent être trouvées sur les essieux arrière. Bien sûr, à l'arrière de la voiture, la crémaillère de direction - l'ensemble qui comprend le pignon et permet aux roues de tourner d'un côté à l'autre - est absente. Cela signifie que les suspensions indépendantes arrière peuvent être des versions simplifiées des suspensions avant, bien que les principes de base restent les mêmes.
Ensuite, nous verrons les suspensions des voitures spécialisées.
Suspensions historiquesLes wagons et les voitures du XVIe siècle ont tenté de résoudre le problème de "sentir chaque bosse sur la route" en élinguant la carrosserie de la voiture à partir de lanières de cuir attachées aux quatre montants d'un châssis qui ressemblait à une table renversée. Parce que la carrosserie de la voiture était suspendue au châssis, le système est devenu connu sous le nom de "suspension" - un terme encore utilisé aujourd'hui pour décrire toute la classe de solutions. La suspension à corps suspendu n'était pas un véritable système de suspension, mais elle permettait au corps et aux roues du chariot de se déplacer indépendamment. Les conceptions de ressorts semi-elliptiques, également connues sous le nom de ressorts de chariot, ont rapidement remplacé la suspension à lanières de cuir. Populaires sur les wagons, les poussettes et les voitures, les ressorts semi-elliptiques étaient souvent utilisés sur les essieux avant et arrière. Cependant, ils avaient tendance à permettre un balancement vers l'avant et vers l'arrière et avaient un centre de gravité élevé. Au moment où les véhicules motorisés ont pris la route, d'autres systèmes de suspension plus efficaces étaient en cours de développement pour faciliter la conduite des passagers.
Pour l'essentiel, cet article s'est concentré sur les suspensions des voitures à traction avant et arrière traditionnelles - des voitures qui roulent sur des routes normales dans des conditions de conduite normales. Mais qu'en est-il des suspensions des voitures spécialisées, telles que les hot rods, les coureurs ou les véhicules tout-terrain extrêmes ? Bien que les suspensions des voitures spécialisées obéissent aux mêmes principes de base, elles offrent des avantages supplémentaires uniques aux conditions de conduite dans lesquelles elles doivent naviguer. Ce qui suit est un bref aperçu de la façon dont les suspensions sont conçues pour trois types de voitures spécialisées :les Baja Bugs, les pilotes de Formule 1 et les hot rods de style américain.
La Volkswagen Beetle, ou Bug, était destinée à devenir la préférée des amateurs de tout-terrain. Avec un centre de gravité bas et un placement du moteur sur l'essieu arrière, le Bug à deux roues motrices gère les conditions hors route ainsi que certains véhicules à quatre roues motrices. Bien sûr, le VW Bug n'est pas prêt pour les conditions hors route avec son équipement d'usine. La plupart des bugs nécessitent des modifications ou des conversions pour les préparer à la course dans des conditions difficiles comme les déserts de Basse-Californie.
L'une des modifications les plus importantes a lieu dans la suspension. La suspension à barre de torsion, équipement standard à l'avant et à l'arrière de la plupart des Bugs entre 1936 et 1977, peut être relevée pour faire de la place pour des roues et des pneus tout-terrain à usage intensif. Des amortisseurs plus longs remplacent les amortisseurs standard pour soulever la carrosserie plus haut et assurer un débattement maximal des roues. Dans certains cas, les convertisseurs Baja Bug suppriment entièrement les barres de torsion et les remplacent par plusieurs systèmes à ressorts hélicoïdaux , un article de rechange qui combine à la fois le ressort et l'amortisseur dans une seule unité réglable. Le résultat de ces modifications est un véhicule qui permet aux roues de se déplacer verticalement de 20 pouces (50 centimètres) ou plus à chaque extrémité. Une telle voiture peut facilement naviguer sur un terrain accidenté et semble souvent "sauter" sur la planche à laver du désert comme une pierre sur l'eau.
La voiture de course de Formule 1 représente le summum de l'innovation et de l'évolution automobile. Des carrosseries composites légères, des moteurs V10 puissants et une aérodynamique avancée ont permis de créer des voitures plus rapides, plus sûres et plus fiables.
Pour élever les compétences des pilotes au rang de facteur clé de différenciation dans une course, des règles et des exigences strictes régissent la conception des voitures de course de Formule 1. Par exemple, les règles régissant la conception des suspensions stipulent que tous les coureurs de Formule 1 doivent être suspendus de manière conventionnelle, mais elles n'autorisent pas les suspensions actives contrôlées par ordinateur. Pour s'adapter à cela, les voitures sont équipées de suspensions multibras , qui utilisent un mécanisme multi-tiges équivalent à un système à double triangulation.
Rappelez-vous qu'une conception à double triangulation utilise deux bras de commande en forme de triangulation pour guider le mouvement de haut en bas de chaque roue. Chaque bras a trois positions de montage - deux sur le cadre et une sur le moyeu de roue - et chaque articulation est articulée pour guider le mouvement de la roue. Dans toutes les voitures, le principal avantage d'une suspension à double triangulation est le contrôle . La géométrie des bras et l'élasticité des articulations donnent aux ingénieurs un contrôle ultime sur l'angle de la roue et d'autres dynamiques du véhicule, telles que la portance, l'accroupissement et la plongée.
Contrairement aux voitures de route, cependant, les amortisseurs et les ressorts hélicoïdaux d'une voiture de course de Formule 1 ne se montent pas directement sur les bras de commande. Au lieu de cela, ils sont orientés sur la longueur de la voiture et sont contrôlés à distance par une série de tiges de poussée et de traction. Ils traduisent les mouvements de haut en bas de la roue en mouvement de va-et-vient de l'appareil à ressort et amortisseur.
L'ère classique des hot rods américains a duré de 1945 à environ 1965. Comme les Baja Bugs, les hot rods classiques ont nécessité des modifications importantes de la part de leurs propriétaires. Contrairement aux Bugs, cependant, qui sont construits sur des châssis Volkswagen, les hot rods ont été construits sur une variété de modèles de voitures anciennes, souvent historiques :les voitures fabriquées avant 1945 étaient considérées comme le fourrage idéal pour les transformations de hot rod car leurs carrosseries et cadres étaient souvent en bon état. , tandis que leurs moteurs et transmissions devaient être complètement remplacés. Pour les amateurs de hot rod, c'était exactement ce qu'ils voulaient, car cela leur permettait d'installer des moteurs plus fiables et plus puissants, comme le Ford V8 à tête plate ou le Chevrolet V8.
Un hot rod populaire était connu sous le nom de T-bucket car il était basé sur le Ford Model T. La suspension Ford d'origine à l'avant du Model T se composait d'un essieu avant solide à poutre en I (une suspension dépendante), d'un ressort de buggy en forme de U (ressort à lames) et d'un triangle- tige en forme de rayon avec une boule à l'extrémité arrière qui pivotait dans une coupelle fixée à la transmission.
Les ingénieurs de Ford ont construit le modèle T pour rouler haut avec une grande quantité de mouvement de suspension, une conception idéale pour les routes accidentées et primitives des années 1930. Mais après la Seconde Guerre mondiale, les hot rodders ont commencé à expérimenter des moteurs Cadillac ou Lincoln plus gros, ce qui signifiait que la tige de rayon en forme de triangle n'était plus applicable. Au lieu de cela, ils ont retiré la boule centrale et boulonné les extrémités du triangle aux rails du cadre. Ce "triangle fendu " la conception a abaissé l'essieu avant d'environ 1 pouce (2,5 centimètres) et amélioré la maniabilité du véhicule.
L'abaissement de l'essieu de plus d'un pouce nécessitait une toute nouvelle conception, qui a été fournie par une société connue sous le nom de Bell Auto. Tout au long des années 1940 et 1950, Bell Auto proposait des essieux à tubes suspendus qui a abaissé la voiture de 5 pouces (13 centimètres). Les essieux tubulaires ont été construits à partir de tubes en acier lisses et d'une résistance équilibrée avec une superbe aérodynamique. La surface en acier acceptait également mieux le chromage que les essieux forgés à poutre en I, de sorte que les hot rodders les préféraient souvent pour leurs qualités esthétiques également.
Certains passionnés de hot rod, cependant, ont fait valoir que la rigidité et l'incapacité de l'essieu du tube à fléchir compromettaient la façon dont il gérait les contraintes de la conduite. Pour s'adapter à cela, les hot rodders ont introduit la suspension à quatre barres , en utilisant deux points de fixation sur l'essieu et deux sur le châssis. À chaque point de montage, les embouts de tige de style avion offraient beaucoup de mouvement sous tous les angles. Le résultat? Le système à quatre barres a amélioré le fonctionnement de la suspension dans toutes sortes de conditions de conduite.
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Publié initialement :11 mai 2005
