Le bras oscillant est généralement situé entre la roue et le châssis ; il s'agit d'un élément de sécurité lié au conducteur qui transmet la force, atténue la transmission des vibrations et contrôle la direction.
Le bras oscillant, généralement situé entre la roue et le cadre, est un élément de sécurité essentiel pour le pilote. Il transmet la force, réduit les vibrations et assure le contrôle de la direction. Cet article présente les conceptions structurelles courantes des bras oscillants disponibles sur le marché et compare l'influence des différentes structures sur leur fabrication, leur qualité et leur prix.
La suspension d'un châssis automobile se divise en suspension avant et suspension arrière. Les deux types de suspensions comportent des 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 châssis, de transmettre la force, de réduire les vibrations et de contrôler la direction. Il s'agit d'un élément de sécurité essentiel pour le conducteur. Le système de suspension comprend des éléments structurels transmettant la force, permettant ainsi aux roues de se déplacer par rapport à la carrosserie selon une trajectoire précise. Ces éléments structurels supportent la charge, et l'ensemble du système de suspension contribue à la tenue de route du véhicule.
Fonctions communes et conception structurelle du bras oscillant d'une voiture
1. Pour répondre aux exigences de transfert de charge, conception et technologie de la structure du bras oscillant
La plupart des voitures modernes utilisent des systèmes de suspension indépendants. Selon leur structure, ces systèmes se divisent en plusieurs catégories : à double triangulation, à bras tirés, multibras, à bras oscillants et McPherson. Dans un système multibras, le bras oscillant et le bras tiré forment une structure à deux points d'appui, chacun comportant deux biellettes. Ces biellettes sont assemblées sur un joint de cardan selon un angle précis, et leurs points d'appui forment une structure triangulaire. Le bras inférieur de la suspension avant MacPherson est un bras oscillant classique à trois points d'appui. La liaison entre ces trois points d'appui forme 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 de l'expertise et des capacités de production propres à chaque entreprise. Par exemple, la structure en tôle emboutie (voir figure 1) est constituée d'une seule plaque d'acier sans soudure, et la cavité est généralement en forme de « I ». La structure en tôle soudée (voir figure 2) est constituée d'une plaque d'acier soudée, et la cavité est plutôt en forme de « 口 ». Des plaques de renfort locales sont parfois utilisées pour souder et consolider les zones critiques. La structure usinée par forgeage de l'acier présente une cavité pleine, dont la forme est généralement adaptée aux exigences d'agencement du châssis. La structure usinée par forgeage de l'aluminium (voir figure 3) présente une cavité pleine, et les exigences de forme sont similaires à celles du forgeage de l'acier. La structure tubulaire en acier est simple, et la cavité est circulaire.
La structure du bras oscillant à trois points est complexe et sa conception est souvent déterminée par les exigences du constructeur. Lors de l'analyse de simulation de mouvement, le bras oscillant ne doit pas interférer avec d'autres pièces, et la plupart d'entre elles présentent des contraintes de distance minimale. Par exemple, la structure en tôle emboutie est fréquemment utilisée conjointement avec la structure en tôle soudée. Le passage du faisceau de capteurs ou le support de fixation de la biellette de barre stabilisatrice, etc., modifient la conception du bras oscillant. La cavité structurelle conserve une forme en « bouche », et une structure fermée est préférable à une structure ouverte. Dans les structures forgées et usinées, 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. Dans les structures moulées et usinées, la forme et la cavité structurelle sont généralement dotées de nervures de renfort et d'alésages d'allègement, conformément aux caractéristiques du moulage. Enfin, dans les structures combinant tôle soudée et forgée, en raison des contraintes d'espace du châssis, la rotule est intégrée à la pièce forgée, qui est ensuite reliée à la tôle. La structure d'usinage en aluminium coulé-forgé offre une meilleure utilisation des matériaux et une productivité supérieure au forgeage, et présente une résistance des matériaux supérieure à celle des pièces moulées, ce qui constitue une application de 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
Comme la chaussée sur laquelle roule une voiture n'est jamais parfaitement plane, la force de réaction verticale exercée par la route sur les roues est souvent importante, surtout à grande vitesse sur une route en mauvais état. Cette force d'impact peut également provoquer une sensation d'inconfort chez le conducteur. C'est pourquoi des éléments élastiques sont intégrés au système de suspension, transformant ainsi les liaisons rigides en liaisons élastiques. Lorsqu'un élément élastique subit un choc, il génère des vibrations. Ces vibrations continues sont source d'inconfort pour le conducteur, et le système de suspension nécessite donc des amortisseurs pour réduire rapidement l'amplitude des vibrations.
Les points de liaison dans la conception structurelle du bras oscillant sont des liaisons par éléments élastiques et des liaisons par rotule. Les éléments élastiques assurent l'amortissement des vibrations et un nombre limité de degrés de liberté en rotation et en oscillation. Les silentblocs en caoutchouc sont fréquemment utilisés comme composants élastiques dans les automobiles ; on utilise également des silentblocs hydrauliques et des charnières transversales.
Figure 2 Bras oscillant de soudage de tôle
La structure d'une bague en caoutchouc est généralement composée d'un tube en acier recouvert de caoutchouc, ou d'une structure sandwich acier-caoutchouc-acier. Le tube en acier intérieur doit répondre à des exigences de résistance à la pression et de diamètre, et des dentelures antidérapantes sont généralement présentes à ses deux extrémités. La composition et la structure de la couche de caoutchouc sont adaptées aux différentes exigences de rigidité.
L'anneau d'acier extérieur présente souvent une exigence d'angle d'attaque, ce qui facilite l'emmanchement par pression.
La bague hydraulique possède une structure complexe et représente un produit à forte valeur ajoutée, fruit d'un processus de fabrication complexe. Elle est constituée d'une cavité en caoutchouc remplie d'huile. La conception de cette cavité est réalisée en fonction des performances requises pour la bague. Toute fuite d'huile endommage la bague. Les bagues hydrauliques permettent d'obtenir une meilleure rigidité, influençant ainsi la maniabilité globale du véhicule.
La charnière transversale possède une structure complexe et est composée de caoutchouc et de rotules. Elle offre une meilleure durabilité que les bagues, un angle de débattement et de rotation plus précis, ainsi qu'une courbe de rigidité spécifique, et répond aux exigences de performance 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
Les irrégularités de la chaussée provoquent des à-coups verticaux au niveau des roues par rapport au châssis, et simultanément, les roues effectuent des mouvements (virages, lignes droites, etc.), ce qui impose à leur trajectoire de respecter certaines contraintes. Le bras oscillant et le joint de cardan sont généralement reliés par une rotule.
La rotule du bras oscillant permet un angle d'oscillation supérieur à ±18° et une rotation de 360°. Elle répond parfaitement aux exigences de correction du voile des roues et de direction. La rotule est garantie 2 ans ou 60 000 km, et 3 ans ou 80 000 km pour l'ensemble du véhicule.
Selon le mode de fixation entre le bras oscillant et la rotule, on distingue : la fixation par boulon ou rivet (la rotule possède alors une bride) ; la fixation par emmanchement serré (la rotule ne possède pas de bride) ; et la fixation intégrée (le bras oscillant et la rotule ne font qu’un). Pour les structures monoblocs et les structures soudées multicouches, les deux premiers types de fixation sont les plus courants ; le second type, comme les pièces forgées en acier ou en aluminium et les pièces en fonte, est plus répandu.
La rotule doit résister à l'usure sous charge, car son angle de fonctionnement est plus important que celui d'une bague, ce qui exige une durée de vie plus longue. Par conséquent, elle doit être conçue comme une structure intégrée, comprenant un système de lubrification efficace de l'axe de rotation ainsi qu'un système de lubrification étanche à la poussière et à l'eau.
Figure 3 Bras oscillant en aluminium forgé
L'impact de la conception du bras oscillant sur la qualité et le prix
1. Critère 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 suspendue, est un indicateur de performance important du système de suspension, influençant le confort de conduite. La fréquence de vibration verticale du corps humain correspond à la fréquence des mouvements de haut en bas lors de 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 de suspension constante, plus la masse suspendue est faible, plus la déformation verticale de la suspension est réduite 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 basse et plus l'espace nécessaire au mouvement vertical de la roue est important.
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 réduite. La masse non suspendue comprend la masse des roues, des joints de cardan et des bras de direction, etc.
En général, le bras oscillant en aluminium est le plus léger et celui en fonte le plus lourd. Les autres se situent entre les deux.
Étant donné que la masse d'un ensemble de bras oscillants est généralement inférieure à 10 kg, comparée à celle d'un véhicule d'une masse supérieure à 1000 kg, la masse du bras oscillant a peu d'incidence sur la consommation de carburant.
2. Facteur prix : dépend du plan de conception
Plus les exigences sont nombreuses, plus le coût est élevé. En supposant que la résistance et la rigidité structurelles du bras oscillant soient conformes aux exigences, les tolérances de fabrication, la complexité du processus de fabrication, le type et la disponibilité des matériaux, ainsi que les exigences en matière de résistance à la corrosion de surface influent directement sur le prix. Par exemple, concernant la résistance à la corrosion : le revêtement électro-galvanisé, grâce à la passivation de surface et à d’autres traitements, peut atteindre une résistance d’environ 144 h ; la protection de surface se divise en revêtement de peinture électrophorétique cathodique, qui peut atteindre une résistance à la corrosion de 240 h en ajustant l’épaisseur du revêtement et les méthodes de traitement ; le revêtement zinc-fer ou zinc-nickel, qui peut satisfaire aux exigences des tests de résistance à la corrosion de plus de 500 h. Plus les exigences des tests de corrosion augmentent, plus le coût de la pièce augmente également.
Le coût peut être réduit en comparant les schémas de conception et de structure du bras oscillant.
Comme chacun sait, différentes configurations de points de fixation offrent des performances de conduite différentes. Il convient de souligner en particulier qu'une même configuration de points de fixation, associée à des conceptions de points de connexion différentes, peut engendrer des coûts différents.
Il existe trois types de liaison entre les éléments structuraux et les rotules : la liaison par pièces standard (boulons, écrous ou rivets), la liaison par ajustement serré et la liaison monobloc. Comparée à la liaison par pièces standard, la liaison par ajustement serré réduit le nombre de pièces nécessaires, telles que les boulons, les écrous, les rivets, etc. La liaison monobloc, quant à elle, réduit le nombre de pièces de la rotule.
Il existe deux types de liaison entre l'élément structurel et l'élément élastique : les éléments élastiques avant et arrière sont soit parallèles axialement, soit perpendiculaires axialement. Chaque méthode implique un processus d'assemblage différent. Par exemple, si la bague est montée dans le même sens et perpendiculairement au bras oscillant, une presse double tête monoposte permet de monter simultanément les bagues avant et arrière, ce qui représente un gain de temps, de main-d'œuvre et de matériel. En cas de montage vertical, une presse double tête monoposte permet de monter et de monter la bague successivement, optimisant ainsi les ressources. Enfin, si la bague est conçue pour être montée par pression depuis l'intérieur, deux postes et deux presses sont nécessaires pour un montage successif.
