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SUSPENSION : Partim technologies des essieux

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 SUSPENSIONS A ESSIEU RIGIDE Généralité

Les essieux hotchkiss

Les systèmes à 4 maillons

Les suspensions de Dion

LES SUSPENSIONS SEMI-RIGIDES

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Plan de l’exposé

LES SUSPENSIONS INDEPENDANTES

Avec un bras tiré

Avec un bras semi tiré

Avec axe oscillant

Mc Pherson

Double bras en A

Bras en H

5 Bras

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Données constructives des essieux

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Les essieux rigides

Sur les essieux rigides, les roues sont montées aux deux extrémités d’un arbre (rigide) de sorte que les mouvements d’une roue sont transmis à l’autre roue

Les roues ont des mouvements de carrossages et de braquage communs

Les essieux rigides moteurs sont utilisés

à l’arrière sur beaucoup de camions ou même sur certaines voitures (ex pick-up)

à l’avant sur les camions 4 roues motrices

Les essieux rigides sont utilisés

à l’avant des camions lorsqu’une charge importante est à supporter

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Les essieux rigides

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Les essieux rigides

Avantages des essieux rigides:

Le carrossage des roues n’est pas affecté par le roulis du châssis, les inégalités de la route, donc on a une faible prise de carrossage des roues en virage, excepté celui de la compression différente des pneus à cause du transfert de charge latéral

L’alignement, la voie et le pinçage des roues sont de facto préservés, économisant l’usure des pneus

Désavantage des essieux rigides

Le désavantage majeur = sensibilité aux vibrations de shimmy (=flottement) de braquage

Masse non suspendue élevée

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Les essieux rigides

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Les essieux rigides : Hotchkiss

Gillespie Fig7.1: Suspension Hotchkiss

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La plus familière et la plus ancienne forme d’essieu rigide

Essieu centré et amorti sur des ressorts à lames

Transmission de la motorisation au moyen d’un arbre muni de 2 joints universels (cardan) montés de manière homocinétique

Les ressorts à lames sont montés longitudinalement et connectés au châssis à leurs extrémités (une main fixe et une jumelle libre pour permettre l’extension du ressort)

Les ressorts à lames assurent en outre aussi les fonctions de guidage latéral et de transmission des efforts longitudinaux

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AVANTAGES

(+) Faible coût de fabrication

INCONVENIENTS

(-) Masse non suspendue importante

(-) Friction des ressorts à lame non contrôlée

(-) Voyage de l’essieu

(-) Perte de stabilité lorsque l’on veut faire des ressorts plus souples, donc plus longs pour les voitures

(-) Déformation latérale ou de torsion trop importante, d’où réintroduction de bras de traction et de barres de guidage latéral pour contrer les forces de freinage ou de traction avec des moteurs puissants

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Centre de roulis d’une suspension hotchkiss avec un ressort à lames

Milliken Fig 17.44

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Heisler Fig 7.7 Micro braquages avec des ressorts à lames

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Les essieux rigides

Essieu rigide: ressorts à lames ou à boudin

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Les essieux rigides : 4 bras

Gillespie Fig 7.2: la suspension à 4 bras

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Réponse aux difficultés des ressorts à lame

Maître choix pour les voitures assez larges avec essieu arrière moteur

Les bras inférieurs : assurent le contrôle longitudinal

Les bras supérieurs : absorbent les couples de freinage et de traction et les efforts latéraux

Les bras supérieurs peuvent être remplacés par un bras triangulaire, mais la fonction reste similaire

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AVANTAGES - INCONVENIENTS

(+) Possibilité d’utiliser des ressorts hélicoïdaux ou à air donne lieu à un meilleur confort

(-) Plus cher

(+) Meilleur contrôle de la localisation du centre de roulis

(+) Possibilité de créer des systèmes anti-plongée, anti-abaissement (anti-squat)

(+) Meilleures propriétés de raideur au roulis

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Les essieux rigides : de Dion

Gillespie Fig 7.3 : Suspension de Dion

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A mi-chemin entre les suspensions à essieu rigide et les suspensions indépendantes, on trouve le système de Dion (breveté par le conte de Dion et Georges Bouton en 1894).

Système peu répandu

Le différentiel est monté sur le châssis et relié aux roues par des demi arbres

Les deux porte-roues motrices sont éventuellement reliés par un tube courbée pour contourner le différentiel

Le tube peut être contrôlé par divers systèmes d’amortissement

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(+) Comme les essieux rigides, le système maintient les roues solidaires, mais les masses non suspendues sont réduites

(+) Contrôle de l’axe est assuré indifféremment par des ressorts à lames ou des ressorts hélicoïdaux

(-) Possibilité d’avoir un tube coulissant, ce qui ajoute de la friction au système

(+/-) Un système est nécessaire pour le guidage latéral

(+/-) Meilleur confort que les essieux rigides (masse non suspendue plus faible) mais moins bon que les suspensions indépendantes.

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Exemples: Smart Fortwo, Alfa GTV6, Mazda Cosmo…

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http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Mein_Smart003.jpg


Essieu de Dion Alpha Romeo GTV6 24


Milliken Fig 17.43 : Suspension de Dion

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Systèmes de restriction latérale

Milliken Fig. 17.16 : Systèmes de restriction du mouvement latéral 26


De nombreux éléments pour contraindre le mouvement latéral:

Paire de bras

Bras en triangle

Barre de Panhard

Liaison de Watt

Pivot dans une glissière

Lorsque l’essieu monte et descend il est nécessaire de maintenir son mouvement linéaire le long d’un axe vertical

La paire de bras, le triangle, la liaison de Watt et le pivot donnent tous lieu à un mouvement linéaire

La barre de Panhard crée un mouvement circulaire autour du point d’encrage. Le mouvement linéaire est approché (R grand, mouvement petit)

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Les systèmes doivent également transmettre des forces de réaction entre masses suspendues et non-suspendues.

Transmission de manière purement latérale sans composante verticale

Ce couplage doit être contrôlé parce qu’il tend à varier avec la hauteur de conduite et l’angle de roulis de la suspension

Les paires de bras, le triangle, le tenon glissière n’introduisent pas de couplage

Présence de couplages parasites latéraux verticaux avec la liaison de Watt et la barre de Panhard (fonction de l’angle de la barre)

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Le tenon dans la glissière n’est pas recommandé:

Introduction de jeu

Introduction de friction

La barre de Panhard:

Le couplage latéral – vertical dépendent de son inclinaison dans la vue de derrière

Le couplage conduit à un soulèvement ou un abaissement de la masse suspendue en fonction de la direction du virage et de la position d’accrochage de la barre

La barre de Panhard crée un mouvement approximativement linéaire si

Longueur de barre = Rayon grand

Mouvements petits

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Les essieux semi-rigides

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Essieu semi rigide de la Golf

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Famille d’essieux assez récente

Utilisés pour l’essieu arrière sur des voitures à traction avant

Origine de leur nom: une poutre essieu doit être mise en torsion pour permettre le mouvement de roulis de la voiture

La cinématique permet le contrôle de tous les paramètres exceptés l’anti-squat, parce qu’il n’y a pas de couple de traction arrière à contre balancer

3 types de géométrie selon la position de la poutre de torsion

Axe de roulis variable en fonction de la géométrie de la poutre de torsion

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Essieux semi rigides

C'est le type le plus simple : si on schématise à l'extrême, il s'agit de bras longitudinaux fixés au châssis, articulés par des roulements, et complétés par un ressort et un amortisseur.

Dans certains cas, les ressorts hélicoïdaux sont remplacés par des barres de torsion.

Ce type de suspension est très compact, par contre il ne permet pas de transmettre un couple moteur aux roues, c'est pourquoi on trouve ce système uniquement sur le train arrière des voitures à traction avant .

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Type a: poutre de torsion au niveau des bagues. Assez semblable à la suspension

indépendante à train tiré

Type b: poutre de torsion à mi-chemin entre les coussinets et les centres des roues. En rebond, mouvement autour des

l’axe des bagues

En roulis, propriétés d’une suspension indépendante semi-tirée

Type c: poutre de torsion dans l’axe des roues Requiert une barre de Panhard pour

le contrôle latéral

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AVANTAGES – INCONVENIENTS

(+) Large distance entre le support minimise les contraintes structurales

(+) Transfert de force favorable aux membres longitudinaux

(+) Simple à fabriquer

(+) S’attache par deux points seulement

(+) Assemblage simple

(+) Extrêmement robuste

(-) Possibilités cinématiques assez limitées

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Utilisés sur la plupart des voitures européennes de classe moyenne (segment C: VW- Golf, Fiat Punto…)

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Les essieux indépendants

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Contrairement aux suspensions avec axe rigide, les suspensions indépendantes autorisent un mouvement indépendant des roues, c.-à-d. sans affecter la roue opposée.

Presque toutes les nouvelles voitures et les petits camions ont des suspensions indépendantes à l’avant

Avantage majeur des essieux indépendants: Ils améliorent les propriétés de confort

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Avantages

Libère de l’espace pour le compartiment moteur

Donne une meilleure résistance aux vibrations dans la direction (shimmy et wobble) en découplant les roues et en interposant la masse de la voiture entre les roues

Fournit une plus grande raideur en roulis par une raideur verticale donnée

Contrôle facile du centre de roulis par la géométrie des bras

Capacité à contrôler (=minimiser) le changement de l’aire de contact avec les bonds et rebonds

Plus grand débattement de suspension

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Essieu indépendant à bras tiré

Historiquement : succès de VW et Porsche durant la seconde guerre mondiale

Bras tirés, parallèles, de dimensions identiques, connectés sur leur avant à des barres de torsion qui fournissent le système de ressort

Les roues restent parallèles par rapport au châssis et prennent du carrossage avec le roulis du châssis Gillespie Fig. 7.4

Suspension avant indépendante

à bras tiré 41

Essieu indépendant à bras tiré

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Short Long Arm (SLA) Front Suspension

Gillespie Fig 7.5 Suspension avec bras en A

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La morphologie la plus répandue parmi les suspensions des voitures après seconde guerre mondiale

Deux bras pour maintenir la roue

Les bras supérieurs et inférieurs ont généralement des longueurs différentes (d’où short long arm)

Les bras sont souvent appelés bras A-arm (USA) et wishbones (GB), triangle de suspension (en français)

Variantes (équivalentes):

Le bras supérieur est remplacé par un simple lien latéral

Le bras inférieur est remplacé par un bras latéral et une jambe de force en angle

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Short Long Arm (SLA) suspension

Variante: ressort sur le bras supérieur ou inférieur

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Short Long Arm (SLA) suspension

« Double wishbone » Type Moulton

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Heisler Fig 7.34 : effet des bras inégaux sur la réduction de la variation de voie

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Les suspensions SLA sont bien adaptées aux véhicules avec moteur à l’avant et traction arrière, car elles dégagent de l’espace pour le moteur longitudinal

Bien adaptés aux véhicules avec un faux-châssis séparé pour montage de la suspension et l’absorption des charges

La conception de la géométrie demande beaucoup d’attention pour obtenir des bonnes performances

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La géométrie des bras inégaux peut améliorer le carrossage de la roue extérieure au virage en contrecarrant le carrossage dû au roulis de la caisse, mais amène souvent un plus grand carrossage de la roue intérieure.

Prendre des bras égaux élimine les conditions défavorables sur la roue intérieure au prix d’une perte de compensation sur la roue extérieure

Il faut minimiser la changement d’aire de contact dans les débattements

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Short Long Arm (SLA) Suspension

Suspensions double triangle montées sur faux châssis

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Les essieux indépendants : 4 bras

Porsche 993 (arrière)

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Suspension Mac Pherson

Gillespie Fig. 7.6 Système Mac Pherson

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Mc Pherson a développé une suspension de géométrie similaire aux bras inégaux sur la base d’une jambe de force (strut).

Le jambe de force est un membre télescopique incorporant de l’amortissement

La roue est attachée de manière rigide à l’extrémité basse de sorte que le coulisseau maintient la roue dans un carrossage défini.

La localisation de la partie basse est réalisée par des liaisons rigides qui reprennent les forces latérales et longitudinales

La partie supérieure de la jambe est fixée au châssis par une rotule

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Parce qu’il est nécessaire de fixer la jambe à l’intérieur de la roue, les forces de la roue créent un moment de retournement qui ajoute de la friction. On le contrecarre avec un ressort hélicoïdal en angle sur la jambe.

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Exemples: Fiat Croma, Lancia Thema, Saab 9000, Fiat Tipo, Tempra, Lancia Delta, Dedra…

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Système Mc Pherson original

Système combinant l'amortisseur, le ressort et la fusée

Le système fait office de fusée.

La barre stabilisatrice sert au guidage

Le combiné est fixé en bas au porte moyeu, et en haut directement sur le châssis.

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Suspension Pseudo Mac Pherson

La fusée (5) est solidarisée au corps du Mc Pherson

Le bras inférieur (2) est triangulaire et reprend les forces longitudinales

Avec un seul triangle, pas de contrôle fin du carrossage dynamique.

Par contre, la présence de ce triangle inférieur permet de passer des puissances assez importantes.

Utilisé généralement sur des propulsions de moyenne gamme, et presque toujours sur le train avant des tractions.

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(+) Le système Mac Pherson est très compact. Il permet de placer le moteur transversalement à l’avant et il est souvent utilisé pour des tractions avants

(+) A cause de la séparation des points d’ancrage sur la carrosserie, il est bien adapté aux véhicules semi-monocoques

(+) La jambe de force a l’avantage de n’introduire que peu de pièces et est capable de répartir les charges sur une zone assez large de la carrosserie

(-) Il demande une hauteur d’installation qui limite le concepteur dans sa volonté de diminuer la hauteur du capot

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Comparaison des suspensions

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Suspensions arrières multi-points

Miliken Fig 7.33: Suspension 5 points Mercedes 60

Suspensions multi-points

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http://www.carbibles.com/images/multilink2.jpg

Suspensions arrières multi-points

Récemment, les suspensions multibras (5 liens) se sont développées (e.g. Mercedes, Corvette après 1984)

L’idée consiste simplement à utiliser 5 barres afin de créer les 5 contraintes cinématiques.

On peut également le voir comme une séparation des bras du triangles de suspension inférieurs et supérieurs.

Grande flexibilité de la cinématique

Les liens étant reliés par des joints sphériques, ils ne subissent pas de moments de flexion

L’entièreté du porte roue pivote lors des braquages de roue.

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Suspensions arrières multipoints

Miliken Fig 7.34: Suspension 5 points de la Corvette 63


Le placement et l’orientation des liens suit la même idée que pour les suspensions 3 liens et 1 triangle de suspension (un triangle = 2 liens)

Flexibilité de l’approche cinématique: ajuster les liens aux centres virtuels de rotations

Objectif: obtenir des cinématiques désirées dans le plan frontal sans compromis avec la cinématique dans le plan latéral.

Autres objectifs : avoir des axes de fusée très courts et des rayons de ripage très petits et négatifs

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Gillespie Fig 7.7 : Suspension arrière multi-bras de la Ford Taurus

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Suspensions arrière à bras tirés

Souvent utilisé sur les voitures plus coûteuses où on recherche la performance: e.g. suspension arrière de la Corvette avant 1984

Le bras de contrôle absorbe les forces longitudinales et moments de freinage et contrôle le tassement et le soulèvement d’essieu

Les bras indépendants ont l’avantage de réduire la masse non-suspendue en montant le différentiel sur le châssis

Dans la corvette d’avant 1984, un demi axe monté sur un joint universel sert de bras de contrôle latéral supérieur avec une simple jambe de force jouant le rôle de bras latéral inférieur

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Suspensions arrière à bras tirés

Gillespie Fig 7.8 : Suspension arrière de la corvette avant 1984

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Suspensions arrières à bras tirés

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Suspensions arrières à bras tirés

Milliken Fig 7.24 : Suspension arrière à bras tirés

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Suspensions à bras tirés

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Suspensions arrière à bras semi tirés

Les suspensions indépendantes à bras semi-tirés ont été popularisées sur les BMW et les Mercedes

Axe de pivot généralement autour de 25° par rapport à la direction transversale de la voiture

Donne un carrossage intermédiaire entre le bras tiré (pas de changement de carrossage par rapport au châssis) et le bras oscillant

Le bras semi-tirés donne lieu à un effet de braquage lors des débattements verticaux

La combinaison braquage / carrossage sur la roue extérieure au virage agit en sens opposé à la direction de virage, ce qui génère un roulis sous-vireur de l’essieu arrière.

Mais la souplesse à la force latérale crée lui un effet de braquage qui peut devenir survireur si non contrôlé

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Gillespie Fig 7.9 : Suspension arrière à bras semi tirés

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Milliken Fig 7.25 : Suspension arrière à bras semi tirés

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Suspensions arrière à bras oscillant

La manière la plus simple d’obtenir des suspensions arrières indépendantes

Exemple fameux: la VW coccinelle

Peut être vu comme un cas de bras traîné

Le changement de carrossage est entièrement déterminé par les axes qui pivotent autour de joints universels (cardan)

Le rayon d’oscillation est court et donc les changements de carrossage peuvent être importants

Conséquence: difficile d’avoir une bonne performance en virage de la part d’un bras oscillant

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Milliken Fig 7.26 : Suspension arrière à bras oscillant

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Milliken Fig 7.27 : Suspension arrière à bras oscillant (Corvette d’avant 1984)

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Gillespie Fig 7.10 : Suspension arrière à bras oscillant

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Problématique dans toutes suspensions indépendantes, le phénomène de « jacking » est critique avec les bras oscillants, Survient lors des virages lorsque les deux roues

développent des forces latérales importantes, mais avec la roue extérieure plus chargée

La direction intérieure de la force latérale tend à soulever le véhicule

Effet:

élévation du châssis (et donc réduction de sa résistance au retournement)

réduction de la force d’envirage à cause de la poussée de carrossage défavorable, conduisant parfois au tête à queue ou au retournement

Inclure un bras pour limiter le mouvement de la roue 80


Phénomène de jacking

Bras oscillant utilisés dans les voitures anglaises telles que les Triumph et les Sptifire

http://herald-tips-tricks.wikidot.com/rear-suspension:jacking-and-tuck-under_movie

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Suspensions arrière indépendantes

AVANTAGES – INCONVENIENTS

(+) Faible coût

(-) Options limitées pour la cinématique

(-) Le châssis est soulevé par la force latérale en virage

(-) Effet de liaison verticale avec génération de carrossage positif

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Quelques ressources sur le web

http://bielles.free.fr/bielles-mecanique/suspension.html

http://www.monroe.com.au/trade-corner/tech-info/suspension-systems/rear-suspensions.html

http://www.carbibles.com/suspension_bible_pg2.html

http://www.monroe.com.au/trade-corner/tech-info/suspension-systems/front-suspensions.html

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http://www.carbibles.com/suspension_bible_pg2.html

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