Le bras oscillant est généralement situé entre la roue et la carrosserie, et c'est un composant de sécurité lié au conducteur qui transmet la force, affaiblit la transmission des vibrations et contrôle la direction.
Le bras oscillant est généralement situé entre le volant et la carrosserie. Il s'agit d'un élément de sécurité lié au conducteur, qui transmet la force, réduit la transmission des vibrations et contrôle la direction. Cet article présente les conceptions structurelles courantes des bras oscillants sur le marché, et compare et analyse l'influence de différentes structures sur le processus, la qualité et le prix.
La suspension d'un châssis automobile se divise en deux catégories : avant et arrière. Les suspensions avant et arrière sont équipées de bras oscillants reliant les roues à la carrosserie. Ces bras oscillants sont généralement situés entre les roues et la carrosserie.
Le rôle du bras oscillant de guidage est de relier la roue au cadre, de transmettre la force, de réduire la transmission des vibrations et de contrôler la direction. Il s'agit d'un élément de sécurité pour le conducteur. Le système de suspension intègre des éléments structurels de transmission de force, permettant aux roues de se déplacer par rapport à la carrosserie selon une trajectoire définie. Ces éléments structurels transmettent la charge, et l'ensemble du système de suspension assure la tenue de route de la voiture.
Fonctions communes et conception de la structure du bras oscillant de voiture
1. Pour répondre aux exigences de transfert de charge, de conception et de technologie de la structure du bras oscillant
La plupart des voitures modernes utilisent des suspensions indépendantes. Selon leur structure, les suspensions indépendantes peuvent être de type à bras oscillant, à bras oscillant, multibras, à bougie et McPherson. Le bras transversal et le bras oscillant forment une structure bi-force pour un bras unique dans le multibras, avec deux points de connexion. Deux bielles bi-force sont assemblées sur le joint universel selon un angle donné, et les lignes de connexion des points de connexion forment une structure triangulaire. Le bras inférieur de suspension avant MacPherson est un bras oscillant trois points classique avec trois points de connexion. La ligne reliant les trois points de connexion est une structure triangulaire stable capable de supporter des charges multidirectionnelles.
La structure du bras oscillant à deux forces est simple et sa conception est souvent déterminée en fonction des compétences professionnelles et des facilités de traitement de chaque entreprise. Par exemple, pour une structure en tôle emboutie (voir figure 1), la structure est conçue en une seule plaque d'acier sans soudure et la cavité structurelle est généralement en forme de « I » ; pour une structure en tôle soudée (voir figure 2), la structure est conçue en une plaque d'acier soudée et la cavité structurelle est plutôt en forme de « 口 » ; ou encore, des plaques de renfort locales sont utilisées pour souder et renforcer les positions dangereuses ; pour une structure forgée en acier, la cavité structurelle est solide et sa forme est généralement adaptée aux exigences de configuration du châssis ; pour une structure forgée en aluminium (voir figure 3), la cavité est solide et les exigences de forme sont similaires à celles du forgeage en acier ; pour une structure tubulaire en acier, la structure est simple et la cavité structurelle est circulaire.
La structure du bras oscillant trois points est complexe et sa conception est souvent déterminée en fonction des exigences du constructeur. Dans l'analyse de simulation de mouvement, le bras oscillant ne doit pas interférer avec d'autres pièces, et la plupart d'entre elles ont des exigences de distance minimale. Par exemple, l'utilisation simultanée d'une structure en tôle emboutie et d'une structure en tôle soudée modifie la structure du bras oscillant. La cavité structurelle conserve la forme d'une « bouche » et une structure fermée est préférable. Pour les structures usinées par forgeage, la cavité structurelle est généralement en forme de « I », ce qui lui confère les caractéristiques traditionnelles de résistance à la torsion et à la flexion. Pour les structures usinées par moulage, la forme et la cavité structurelle sont généralement équipées de nervures de renfort et de trous d'allègement, conformément aux caractéristiques de la pièce moulée. Soudage de la tôle. La structure combinée avec la pièce forgée, en raison des exigences d'espace du châssis du véhicule, implique l'intégration de la rotule dans la pièce forgée, qui est ensuite reliée à la tôle. La structure d'usinage en aluminium moulé-forgé offre une meilleure utilisation des matériaux et une meilleure productivité que le forgeage, et présente une résistance supérieure à celle des matériaux moulés, ce qui est l'application d'une nouvelle technologie.
2. Réduire la transmission des vibrations au corps et la conception structurelle de l'élément élastique au point de connexion du bras oscillant
La surface de la route sur laquelle roule le véhicule ne pouvant être parfaitement plane, la force de réaction verticale exercée sur les roues est souvent percutante, notamment à grande vitesse sur une chaussée en mauvais état. Cette force d'impact engendre également une sensation d'inconfort pour le conducteur. Des éléments élastiques sont intégrés au système de suspension, transformant la liaison rigide en liaison élastique. Après l'impact, l'élément élastique génère des vibrations, lesquelles, continues, gênent le conducteur. Le système de suspension nécessite donc des éléments amortisseurs pour réduire rapidement l'amplitude des vibrations.
Les points de connexion dans la conception structurelle du bras oscillant sont la connexion par éléments élastiques et la connexion par rotule. Les éléments élastiques assurent l'amortissement des vibrations et un faible nombre de degrés de liberté en rotation et en oscillation. Les bagues en caoutchouc sont souvent utilisées comme composants élastiques dans les automobiles, tout comme les bagues hydrauliques et les charnières transversales.
Figure 2 Bras pivotant de soudage de tôle
La structure de la bague en caoutchouc est généralement constituée d'un tube en acier recouvert de caoutchouc, ou d'une structure sandwich tube acier-caoutchouc-tube acier. Le tube intérieur en acier doit respecter des exigences de résistance à la pression et de diamètre, et des dentelures antidérapantes sont courantes aux deux extrémités. La couche de caoutchouc adapte la composition du matériau et la structure de conception aux différentes exigences de rigidité.
La bague en acier la plus extérieure a souvent une exigence d'angle d'entrée, ce qui est propice à l'ajustement par pression.
La bague hydraulique présente une structure complexe, un processus complexe et une forte valeur ajoutée. Le caoutchouc présente une cavité contenant de l'huile. La conception de la cavité est adaptée aux exigences de performance de la bague. Une fuite d'huile peut endommager la bague. Les bagues hydrauliques offrent une meilleure rigidité, ce qui améliore la maniabilité globale du véhicule.
La charnière transversale présente une structure complexe et est composée de caoutchouc et de rotules. Elle offre une durabilité supérieure à celle des bagues, un angle de pivotement et de rotation plus précis, une rigidité spécifique et répond aux exigences de performance de l'ensemble du véhicule. Des charnières transversales endommagées génèrent du bruit dans la cabine lorsque le véhicule est en mouvement.
3. Avec le mouvement de la roue, la conception structurelle de l'élément oscillant au point de connexion du bras oscillant
La chaussée accidentée provoque des mouvements brusques des roues par rapport au châssis, tandis que celles-ci bougent simultanément, notamment en virage ou en ligne droite, ce qui impose des contraintes de trajectoire. Le bras oscillant et le joint universel sont généralement reliés par une rotule.
La charnière à rotule du bras oscillant offre un angle de pivotement supérieur à ±18° et une rotation de 360°. Elle répond parfaitement aux exigences de voile des roues et de direction. Elle est également garantie 2 ans ou 60 000 km et 3 ans ou 80 000 km pour l'ensemble du véhicule.
Selon les différents modes d'assemblage entre le bras oscillant et la rotule (joint à rotule), on distingue les assemblages boulonnés ou rivetés (la rotule est munie d'une bride) ; les assemblages serrés (la rotule est sans bride) ; et les assemblages intégrés (le bras oscillant et la rotule sont intégrés). Pour les structures en tôle simple et les structures soudées à plusieurs tôles, les deux premiers types d'assemblage sont plus répandus ; les seconds, comme l'acier forgé, l'aluminium forgé et la fonte, sont plus répandus.
La charnière à rotule doit résister à l'usure sous charge. Son angle de travail plus grand que celui de la douille lui confère une durée de vie plus longue. Par conséquent, elle doit être conçue comme une structure combinée, incluant une bonne lubrification du pivot et un système de lubrification étanche à la poussière et à l'eau.
Figure 3 Bras oscillant forgé en aluminium
L'impact de la conception du bras oscillant sur la qualité et le prix
1. Facteur de qualité : plus c'est léger, mieux c'est
La fréquence naturelle du corps (également appelée fréquence de vibration libre du système vibratoire), déterminée par la rigidité de la suspension et la masse supportée par le ressort (masse suspendue), est l'un des indicateurs de performance importants du système de suspension, qui influence le confort de conduite du véhicule. La fréquence de vibration verticale utilisée par le corps humain correspond à la fréquence des mouvements de va-et-vient du corps pendant la marche, soit environ 1 à 1,6 Hz. La fréquence naturelle du corps doit être aussi proche que possible de cette plage de fréquences. À rigidité constante du système de suspension, plus la masse suspendue est faible, plus la déformation verticale de la suspension est faible et plus la fréquence naturelle est élevée.
Lorsque la charge verticale est constante, plus la rigidité de la suspension est faible, plus la fréquence naturelle de la voiture est faible et plus l'espace nécessaire pour que la roue puisse sauter de haut en bas est grand.
À conditions routières et vitesse du véhicule identiques, plus la masse non suspendue est faible, plus la charge d'impact sur le système de suspension est faible. La masse non suspendue comprend la masse de la roue, du joint universel, du bras de guidage, etc.
En général, le bras oscillant en aluminium est le plus léger, tandis que celui en fonte est le plus lourd. D'autres modèles se situent entre les deux.
Étant donné que la masse d'un ensemble de bras oscillants est généralement inférieure à 10 kg, par rapport à un véhicule d'une masse supérieure à 1 000 kg, la masse du bras oscillant a peu d'effet sur la consommation de carburant.
2. Facteur prix : dépend du plan de conception
Plus les exigences sont élevées, plus le coût est élevé. Si la résistance et la rigidité structurelles du bras oscillant répondent aux exigences, les exigences de tolérance de fabrication, la difficulté du procédé, le type et la disponibilité des matériaux, ainsi que les exigences en matière de corrosion superficielle ont tous une incidence directe sur le prix. Par exemple, en ce qui concerne la protection anticorrosion, le revêtement électrozingué, par passivation superficielle et autres traitements, peut atteindre une durée de vie d'environ 144 heures ; la protection superficielle se divise en deux catégories : le revêtement par électrophorèse cathodique, qui peut atteindre une résistance à la corrosion de 240 heures grâce à l'ajustement de l'épaisseur du revêtement et des méthodes de traitement ; et le revêtement zinc-fer ou zinc-nickel, qui peut satisfaire aux exigences de tests anticorrosion de plus de 500 heures. Plus les exigences de tests de corrosion augmentent, plus le coût de la pièce augmente.
Le coût peut être réduit en comparant les schémas de conception et de structure du bras oscillant.
Comme chacun sait, les différentes configurations de points d'attache offrent des performances de conduite différentes. Il convient notamment de souligner qu'une même configuration de points d'attache et des conceptions de points de connexion différentes peuvent engendrer des coûts différents.
Il existe trois types de liaison entre les pièces structurelles et les rotules : la liaison par pièces standard (boulons, écrous ou rivets), la liaison par ajustement serré et la liaison intégrée. Comparée à la liaison standard, la liaison par ajustement serré réduit le nombre de pièces (boulons, écrous, rivets, etc.). La liaison monobloc intégrée réduit le nombre de pièces de la coque de la rotule.
Il existe deux types de liaison entre l'élément structurel et l'élément élastique : les éléments élastiques avant et arrière sont axialement parallèles et axialement perpendiculaires. Des méthodes différentes déterminent des processus d'assemblage différents. Par exemple, si le sens d'insertion de la bague est le même et perpendiculaire au corps du bras oscillant, une presse à double tête monoposte permet d'emmancher simultanément les bagues avant et arrière, économisant ainsi de la main-d'œuvre, du matériel et du temps. Si le sens d'installation est différent (vertical), une presse à double tête monoposte permet d'emmancher et d'installer la bague successivement, économisant ainsi de la main-d'œuvre et du matériel. Si la bague est conçue pour être insérée par l'intérieur, deux postes et deux presses sont nécessaires pour emmanchement successif de la bague.
