FR2764546A1 - Suspension pour vehicule principalement a quatre roues, a structures elastiques preferentiellement realisees en materiau composite integrant guidage et raideurs differenciees - Google Patents

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Abstract

Suspension pour véhicule principalement à quatre roues, à structures élastiques - préférentiellement réalisées en matériau composite - intégrant guidage et raideurs différenciées. La structure de suspension (1) selon l'invention est constituée de trois bras flexibles au moins, liés entre eux en une extrémité où ils se confondent, la surface projetée verticalement de ladite structure étant inscrite à l'intérieur du polygone formé par ses extrémités libres, chacune reliée à un support de roue.Chaque bras de la structure de suspension déformable selon l'invention est lié à l'habitacle (3) du véhicule par un appui linéaire normal au bras en ce point.Une seconde structure de suspension déformable (1') peut lui être superposée. La partie centrale de chaque structure élastique (1) - (1') limitée par ses appuis linéaires est soumise à une contrainte dépendante du mouvement relatif des roues et impliquant notamment une raideur au roulis et au tangage très supérieures à la raideur au pompage. Application notamment aux véhicules monospaces et tous-terrains.

Description

La présente invention concerne les suspensions pour véhicule, principalement - mais pas exclusivement - à quatre roues.
La technologie connue utilise des moyens distincts pour assurer les fonctions de guidage et de raideur: elle emploie d'une part des pièces dont la fonction est de guider chaque roue dans son mouvement relatif par rapport à la partie suspendue du véhicule (triangles, bras tirés...) et d'autre part des éléments déformables constituant les ressorts (ressorts hélicoïdaux, barres de torsion...) dont la fonction est de stocker et de restituer l'énergie.
Cette technologie a pour inconvénient un nombre important de composants, ce qui implique notamment un coût de montage élevé.
Obtenir un bon niveau de confort pour les occupants d'un véhicule nécessite une raideur vue à la roue plus élevée au mouvement de roulis qu'au mouvement de pompage, afin d'obtenir un angle de roulis minimal pour une accélération transversale donnée, alors que la raideur de pompage est liée à la fréquence propre de la marche chez l'homme.
La solution traditionnelle consiste à adjoindre une barre anti-roulis par essieu.
Outre le fait que le nombre de composants se trouve augmenté, il en résulte une raideur additionnelle à la roue lorsqu'elle est sollicitée seule pour franchir un obstacle isolé.
Ainsi, les efforts transmis à la structure du véhicule se trouvent augmentés d'autant et, par voie de conséquence, la variation d'accélération à laquelle sont soumis les occupants est plus importante, ce qui nuit au confort.
D'autre part, cette raideur additionnelle disparait au mouvement de tangage pour lequel elle serait très appréciée afin de limiter l'angle correspondant au freinage, pour une décélération donnée.
Celle solution connue n'est donc pas satisfaisante.
Obtenir un bon niveau de confort pour les occupants d'un véhicule nécessite notamment une raideur variable : faible au voisinage de la position d'équilibre statique et élevée en s'en éloignant, que ce soit en compression ou en détente.
Ainsi, une petite variation de position de la roue autour de la position d'équilibre statique induit une variation d'accélération minime pour les occupants du véhicule, au bénéfice du confort.
En revanche, un obstacle important demande une raideur élevée afin que les efforts résultants modifient suffisamment la trajectoire du véhicule, créant ainsi les conditions d'un franchissement satisfaisant.
Un moyen connu consiste à inclure dans le dispositif une butée de détente et une butée de compression par roue, ce qui augmente encore le nombre de composants.
Le brevet Bertin FR 2563301 a proposé un dispositif insensible au mouvement de roulis, composé d'une lame élastique transversale comprise entre deux parties d'extrémité rigides.
Cependant, un tel effet induit aussi, à la roue sollicitée seule, une raideur double de sa raideur au mouvement de pompage, ce qui accroît l'intensité du "coup de raquette" si défavorable au confort.
Pour limiter cet effet pervers, une voie consiste à réduire la raideur du dispositif au pompage et à compenser l'importante déflexion statique résultante par une précontrainte de la lame.
Pour ne pas avoir à installer cette précontrainte sur la chaine de fabrication du véhicule, ce qui augmente le temps de montage, le brevet Bertin FR 2 600 016 installe la lame précontrainte dans une structure porteuse ensuite assemblée au véhicule.
Cependant, une telle solution présente l'inconvénient d'un grand nombre de composants.
Sur la base d'une lame à extrémités rigidifiées, le brevet Bertin FR 2 624 446 réduit le nombre de composants et gomme l'effet pervers précité par une loi de raideur progressive.
Cependant, cette solution nécessite - en contrepartie - un délicat emboitement à chaque extrémité de la lame.
Par ailleurs, au delà de ces questions, toute solution à lame transversale présente l'inconvénient majeur de géner rimplantation du bloc moteur entre les roues de l'essieu qu'elle sert.
Une telle architecture nécessite alors:
-soit de positionner le bloc moteur en porte à faux, ce qui a pour conséquence
d'augmenter le moment d'inertie de tangage au détriment du confort.
-soit de reculer le bloc moteur vers l'habitacle. Alors, d'une part de l'espace dévolu
aux occupants du véhicule est réduit et d'autre part, lors d'un choc frontal (le plus
probable), le moteur entre plus tardivement en contact avec l'obstacle ce qui
augmente l'énergie cinétique à éliminer et élève ainsi la décélération subie par les
occupants du véhicule. Cette option est défavorable à la sécurité passive.
Les architectures des suspension traditionnelles, au cours des mouvements relatifs des roues par rapport au véhicule, produisent des efforts au niveau du bloc avant et du bloc arrière qui demandent une rigidité structurelle élevée en torsion et en flexion.
Il en résulte une limitation des possibilités de simplification de ces parties du véhicule.
Cet inconvénient est préjudiciable au comportement routier comme à la sécurité passive, compte tenu de la masse en jeu.
Sans cette limitation, le bloc avant et le bloc arrière pourraient être constitués de matériaux connus, légers et déformables, dont le seule vocation serait d'absorber l'énergie du choc.
Le brevet Renaut FR 2 640 205 propose une suspension isostatique telle que les charges au sol sont indépendantes du gauchissement du quadrilatère d'appui, dans le but de limiter les contraintes de torsion et de flexion auxquelles est soumise la structure du véhicule.
Cependant, outre le fait que les ressorts à lame transversaux sur l'axe des essieux gènent l'implantation du moteur, cette solution demande nombre de composants et de liaisons.
Par ailleurs, il résulte de l'énoncé même de la proposition que la trajectoire du véhicule n'est pas modifiée par un tel mouvement relatif des roues par rapport à la partie suspendue du véhicule. Ainsi, un tel déplacement relatif peut aisément atteindre la valeur maximale permise par la géométrie de la suspension et, en conséquence, engendrer un choc.
Un tel choc est, d'une part, préjudiciable au confort et d'autre part inflige une sévère contrainte à la strucure du véhicule, contrairement au but visé.
Il faudrait corriger cela en ajoutant des raideurs complémentaires, ce qui augmente encore le nombre de composants tout en réduisant l'intérêt de la proposition.
Enfin, il est nécessaire qu'une suspension dispose d'une flexiblité longitudinale pour borner le niveau extrême des efforts résultants du franchissement d'un obstacle très sévère (comme un trottoir) à une vitesse donnée.
Les pivots et supports élastiques traditionnellement utilisés ne peuvent conférer - dans le cadre des architectures connues - qu'une flexibilité limitée par la nécessité de conserver une géométrie acceptable.
On connait la structure de suspension Popinet décrite dans le document FR 2 552 718, reliant les quatre roues du véhicule au moyen d'un cadre flexible composé de deux lames transversales et deux lames longitudinales, efficace notamment de ce point de vue.
En revanche, une telle architecture présente l'inconvénient de ne pas permettre l'implantation du moteur entre les roues d'un essieu et de ne pas disposer d'une raideur suffisante en roulis.
La présente invention se propose donc de réaliser une suspension à structure élastique symétrique par rapport à un plan vertical contenant l'axe longitudinal du véhicule:
-intégrant les fonctions raideur et guidage, la flexibilité étant principalement verticale
progressive et secondairement horizontale
-permettant l'implantation du bloc moteur entre les roues d'un essieu
-déchargeant le bloc avant et le bloc arrière des efforts induits
-pour laquelle la raideur vue à la roue aux mouvements de roulis et de tangage est
très supérieure à la raideur de pompage
-pour laquelle la raideur vue à une roue sollicitée seule est comparable à sa raideur
au mouvement de pompage, elle même comparable à sa raideur au gauchissement
du polygone d'appui au sol du véhicule (pour les véhicules à quatres roues et plus)
La structure de suspension selon l'invention est constituée de trois bras flexibles au moins, liés entre eux en une extrémité où ils se confondent, la surface projetée verticalement de ladite structure étant inscrite à l'intérieur du polygone formé par ses extrémités libres, chacune reliée à un support de roue.
Chaque bras de la structure de suspension déformable selon l'invention est lié à l'habitacle du véhicule par un appui linéaire normal au bras en ce point.
Suivant les modes de réalisation, chaque bras peut notamment prendre - dans le plan horizontal - une forme de croissant, de triangle ou de deux triangles à bases accolées, la largeur de la section courante étant multiple - non nécessairement constant - de l'épaisseur, son profil dans un plan vertical pouvant présenter un ou plusieurs rayon de courbure, le vecteur normal à la courbure étant orienté vers le sol.
Une ou plusieurs raideurs complémentaires, réalisées par des moyens connus, peuvent être installées entre la partie suspendue du véhicule et la structure de suspension, une au moins actionnant la structure de suspension par sa matière centrale limitée par ses appuis linéaires de liaison au véhicule.
Une seconde structure de suspension, définie par les mêmes caractéristiques, peut lui est superposée.
Dans les formes de réalisation préférées, le matériau est composite, constitué de fibres (verre, carbone...), orientées suivant deux directions différentes au moins, noyées dans une résine synthétique (époxy...).
Des caractéristiques de l'invention sont précisées en regard des figures 1 à 12 pour des réalisations concernant des véhicules à quatre roues:
-la figure 1 est une vue en coupe longitudinale suivant B2-B2' d'une structure de
suspension conforme à l'invention et des roues d'un véhicule représentés sur sa
silhouette et la figure 2 est une vue de dessus en coupe suivant A1-A1'.
-la figure 3 est une vue de face d'une structure de suspension conforme à
l'invention pour laquelle une roue franchi un obstacle, et la figure 4 est une vue de
dessus de cette situation.
-la figure 5 est une vue en coupe longitudinale suivant B6-B6' d'une structure de
suspension déformable conforme à l'invention pour laquelle une roue franchi un
trottoir à une vitesse donnée, et la figure 6 est une vue de dessus de cette situation.
-la figure 7 est une vue de dessus d'une autre réalisation
-la figure 8 est une vue en coupe longitudinale suivant B9-B9' et la figure 9 une vue
de dessus en coupe suivant A8-A8' d'une structure de suspension conforme à
l'invention représentée sur la silhouette d'un véhicule, les structures constituantes
étant représentées en vue de dessus par les figures 10 et 11, la figure 12
représentant une vue de détail en coupe longitudinale.
La figure 1 représente une structure de suspension (1) conforme à l'invention composée de quatre bras présentant une courbure continue dans le plan vertical de telle manière que le vecteur normal à la courbure soit constamment orienté vers le sol.
Elle met bien en évidence la liaison élastique établie par la structure de suspension (1) entre les roues avant (2) et arrière (2') et la partie suspendue du véhicule (3). Chaque roue (2) ou (2') est reliée à la structure de suspension (1) par des moyens connus non représentés.
La figure 2 montre - dans le plan horizontal - une forme de réalisation de ladite structure de suspension (1): chaque bras est en forme de croissant, disposé de telle manière que l'extrémité à relier au support de roue présente un angle aussi faible que souhaité avec l'axe de roue, sa section courante - non représentée - étant ovoïde, la largeur étant multiple de l'épaisseur.
Cette réalisation de l'invention comporte des éléments connus représentés à l'avant sur la figure 1 et non représentés à l'arrière.
On remarque bien que la structure de suspension (i) ne transmet pas d'effort au bloc avant (3'), ni au bloc arrière (3") auxquels elle n'est pas liée, contrairement à l'élément connu représenté qui est attaché au bloc avant.
Les figures 3 et 4 montrent comment le franchissement d'un obstacle se traduit par un déplacement vertical Dz par rapport à un repère attaché à la partie suspendue du véhicule, la structure de suspension (1) opposant à ce mouvement un effort Fz dans la même direction, dans le rapport de la flexibilité verticale souhaitée.
En revanche, les déplacements dans le plan horizontal Dx et Dy - infiniments petits - liés aux efforts correspondants dans les directions Dx et Dy, respectivement Fx et Fy, traduisent une très faible flexibilité horizontale.
On mesure bien que la flexibilité verticale permet à la structure de suspension d'assurer la fonction de ressort en même temps que sa très faible flexibilité dans le plan horizontal lui permet d'assurer la fonction de guidage.
Les figure 5 et 6 montrent comment un déplacement Dxy dans le plan horizontal traduisant la flexibilité dans ce plan - borne l'effort extrêmement intense Fxy auquel est soumise la structure de suspension (I) suivant la direction de Dxy.
La structure de suspension guide chaque roue dans son déplacement vertical par rapport à la partie suspendue du véhicule et constitue un ressort pour ce mouvement, la flexibilité dans le plan horizontal, considérablement plus faible, n'induisant un déplacement significatif que pour borner l'effort extrèmement intense résultant du franchissement d'un obstacle sévère - comme un trottoir - à une vitesse donnée (cf fig. 1 à 6).
La figure 7 montre - dans le plan horizontal - une autre structure de suspension (1) conforme à l'invention : chaque bras prend la forme d'un triangle se confondant avec les autres en sa base, la matière où les bras se confondent comporte deux évidements semielliptiques centrés sur l'axe longitudinal, I'un à la jonction des bras avant, L'autre à la jonction des bras arrières. Dans d'autres modes de réalisation, les bras d'une même structure peuvent prendre des fonnes radicalement différentes (respectant la symétie).
Une autre réalisation de l'invention est détaillée en regard des figures 8 à 12.
Les figures 8 et 9 montrent deux structures de suspension similaires : I'une inférieure (1) et l'autre supérieure (1') également représentées sur les figures 10 et 11.
La figure 10 montre une réalisation de la structure (1) conforme à l'invention: Chaque bras prend la forme d'un double triangle à bases identiques accolées, la section courante non représentée - est ovoïde, la largeur étant multiple de l'épaisseur.
Chaque bras de la structure de suspension inférieure (1) est relié - en sesdites bases accolées et au moyen d'un appui linéaire - à un berceau (5), lui même fixé par l'intermédiaire de quatre supports élastiques anti-vibratoires (4) à l'habitacle (3) du véhicule.
La figure 10 montre - pour chaque bras de la structure (1) - I'implantation du couple de supports élastiques anti-vibratoires (6) assurant l'appui linéaire permettant notamment une rotation du bras autour de sa normale, axe principal de flexion à un effort vertical.
De même, chaque couple de supports élastiques anti-vibratoires (6') - bien visibles sur la figure 9 - réalise l'appui linéaire permettant notamment une rotation du bras correspondant de la structure (1') autour de son axe principal de flexion à un effort vertical.
Les figures 9 et 12 montrent une réalisation particulière des raideurs additionnelles concernant les structures (1) et (1') au moyen de butées élastiques.
L'implantation des butées de compression (7') et de détente (7) est conforme à l'invention car elles actionnent la structure élastique par sa matière centrale laquelle est limitée par ses quatre appuis linéaires de liaison à la partie suspendue du véhicule (ici via le berceau (5)).
D'autres raideurs pourraient être installées entre la partie suspendue du véhicule et la structure de suspension, dans d'autres modes de réalisation.
Le montage particulier comporte ici un tirant (9) - monté sur deux supports élastiques (8) d'articulation sphérique - qui maintient les structures (1) et (1') à une distance constante de telle sorte que la butée (7) constitue une butée de détente pour les deux structures (1) et (1'), de même que la butée de compression (7') joue ce rôle pour (1) et (1').
Dans le fonctionnement de l'invention (cf. fig. 8 à 12), chaque roue du véhicule est entièrement guidée dans son déplacement relatif par rapport à la partie suspendue du véhicule par un couple de bras du couple de structures de suspension (1) - (1').
Le bloc avant du véhicule et le bloc arrière se trouvent déchargés de tout effort induit.
Pour chaque structure (1) ou (1'), des quatre liaisons appui linéaire, il résulte que, pour tout mouvement relatif des roues par rapport à la partie suspendue du véhicule, la matière de la partie centrale de la structure de suspension comprise entre ses quatre appuis se trouve soumise à déformation.
La sollicitation de ladite partie centrale de la structure de suspension est différente suivant le mouvement relatif des roues par rapport à la partie suspendue du véhicule et notamment différente suivant que le véhicule est en mouvement de pompage, de roulis, de tangage, franchi un obstacle isolé qui n'affecte qu'une des roues, ou subit le gauchissement du quadrilatère d'appui au sol.
En effet, au mouvement de roulis la matière de ladite partie centrale de la structure de suspension se trouve soumise à des déformations antagonistes qui augmentent la raideur vue à la roue par rapport à la raideur vue à la roue au mouvement de pompage pour lequel ces mêmes déformations sont synergiques.
De même la raideur vue à la roue au roulis est supérieure à sa raideur au gauchissement du quadrilatère d'appui dont les effets présentent une synergie.
Pour les mêmes raisons, la raideur vue à la roue au mouvement de tangage est supérieure à sa raideur au mouvement de pompage et à sa raideur au gauchissement.
Dans le cadre de l'invention, les butées de détente et de compression, outre leur fonction d'induire une progressivité dans la raideur, surtout si elles sont elles-mêmes progressives comme dans cette réalisation, jouent un roule particulier - ci-après exposé - du fait qu'elles actionnent la matière centrale de la structure de suspension limitée par ses appuis linéaires.
Le dimensionnement de chaque structure élastique et le positionnement de ses appuis permettent de régler les raideurs de roulis et de tangage à des niveaux élevés très supérieurs à la raideur de pompage.
Ces conditions ont tendance à augmenter - mais dans une bien moindre mesure - la raideur vue à la roue lorsqu'elle est sollicitée seule (et aussi sa raideur au gauchissement du quadrilatère d'appui au sol) par rapport à sa raideur au mouvement de pompage.
Cependant, d'une part la flexibilité du bras correspondant réduit l'amplitude de cet effet pervers et d'autre part, les butées permettent de le corriger.
Il en résulte que les raideurs vues à la roue au roulis et au tangage sont très supérieures à la raideur au pompage, et que la raideur vue à cette roue sollicitée seule est comparable à sa raideur de pompage, sa raideur au gauchissement du quadrilatère d'appui au sol étant aussi comparable à sa raideur au pompage.
La structure de suspension est - dans une forme de réalisation préférée - en matériau composite qui permet un niveau très élevé des performances précitées.
La peau est constituée d'autant de couches que nécessaire de deux mèches roving en fil de verre, I'une décrivant une hélicoïde directe dont l'axe courant est orthogonal à la section courante du bras, L'autre décrivant la même hélicoïde mais en sens indirect.
Les fibres disposées suivant le procédé décrit - judicieusement paramérré - permettent d'assumer les différentes contraintes auxquelles est soumise la structure de suspension.
Dans d'autres modes de réalisation, les fibres - constituées de fils coupés - de longueur inférieure à l'épaisseur de la peau, peuvent être orientées aléatoirement dans le liant synthétique, ce qui confère - à la matière - une quasi-isotropie.
Les paramètres dimensionnels précités permettent de régler la cinématique du mouvement relatif de chaque roue par rapport à la partie suspendue du véhicule.
Une variante de réalisation - non représentée - est caractérisée en ce que le profil de chaque bras, sous forte charge verticale, est - dans le plan vertical - rectiligne depuis son extrémité libre jusqu'à son appui linéaire.
En condition de forte charge verticale, il en résulte - dans la portion du bras ci-avant décrite - I'annulation de la torsion dûe à un effort horizontal appliqué à son extrémité libre.
La section courante du bras peut être rectangulaire, la largeur étant multiple de l'épaisseur, ce multiple variable ayant une valeur maximale dans un voisinage du lieu où les bras se confondent.
Dans d'autres modes de réalisation, une partie seulement des bras peut présenter cette caractéristique.
La structure de suspension selon l'invention:
-comporte peu d'organes, ce qui réduit le coût de montage du véhicule.
-permet d'implanter le moteur entre les roues d'un essieu, au bénéfice de la sécurité
passive
-décharge le bloc avant et le bloc arrière des efforts transmis par les organes de la
structure de suspens ion, ce qui permet de réduire la masse du véhicule au bénéfice
de la sécurité active et passive.
-permet de régler la raideur vue à la roue aux mouvements de roulis et de tangage à
une valeur supérieure à la raideur de pompage, cette dernière étant comparable à la
raideur vue à cette même roue lorsqu'elle est sollicitée seule; ce qui confere à
l'invention une supériorité en matière de confort.
-permet de régler l'influence du gauchissement du polygone d'appui (lorsqu'il
existe) sur les charges au sol, au bénéfice de la motricité sur des terrains irréguliers
L'invention est appliquable notamment aux véhicules monospaces et tous-terrains.

Claims (10)

Revendications
1 .Structure de suspension élastique intégrale (1 ) pour véhicule automobile, symétrique par rapport au plan vertical contenant l'axe longitudinal, flexible principalement verticalement et secondairement horizontalement, caractérisée en ce qu'elle est constituée de trois bras flexibles au moins, liés entre eux en une extrémité où ils se confondent, la surface projetée verticalement de ladite structure étant inscrite à l'intérieur du polygone formé par ses extrémités libres, chacune reliée à un support de roue.
2.Structure de suspension (1) selon la revendication 1 caractérisée en ce que un des bras au moins présente au moins un rayon de courbure dans le plan vertical de telle manière que le vecteur normal à la courbure soit orienté vers le sol.
3.Structure de suspension (1) selon la revendication 1 caractérisée en ce que un des bras au moins prend la forme - dans le plan horizontal - de deux triangles à bases accolées.
4. Structure de suspension (1) selon la revendication 1 caractérisée en ce que la section courante de chaque bras est telle que sa largeur est multiple de son épaisseur, ce multiple variable ayant une valeur maximale dans un voisinage du lieu où les bras se confondent.
5. Structure de suspension (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce qu'elle est fixée à l'habitacle du véhicule (3).
6. Structure de suspension (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que chaque bras est lié à la partie suspendue du véhicule (3) par un appui linéaire (6) normal audit bras en ce point, ladite normale étant définie par l'axe principal de flexion du bras à un effort vertical.
7.Structure de suspension (1) selon la revendication 6 caractérisée en ce que le profil d'un des bras au moins, sous forte charge verticale, est - dans le plan vertical - rectiligne, depuis son extrémité libre jusqu'à son appui linéaire (6).
8.Structure de suspension (1) selon l'une quelconque des revendication 6 ou 7 caractérisée en ce qu'une raideur additionnelle (7) au moins, réalisée à l'aide d'une butée élastique ou d'un ressort, est installée entre la partie suspendue du véhicule (3) et la structure de suspension (l), une au moins desdites raideurs additionnelles (7) actionnant ladite structure (I) par sa matière centrale, laquelle est limitée par ses appuis linéaires (6) de liaison à la partie suspendue du véhicule (3).
9.Suspension selon l'une quelconque des revendications I à 8 caractérisée en ce qu'elle comporte - superposée - une seconde structure de suspension (1') selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
10.Suspension selon la revendication 9 caractérisée en ce que la structure inférieure (1) et la structure supérieure (1') sont reliées à la partie suspendue du véhicule (3) par l'intermédiaire d'un berceau (5) disposé entre elles.
il Suspension selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisée en ce que le matériau est constitué de fibres, orientées suivant deux directions différentes au moins, noyées dans une résine synthétique.
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