Les amortisseurs

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Les AMORTISSEURS

La première chose que l'on doit dire est que les amortisseurs ne sont pas réellement des amortisseurs.

Les pneumatiques et les ressorts de suspension jouent en fait ce rôle en absorbant les chocs causés par l'état de la route et en amortissant ceux-ci pour le confort des occupants. Les amortisseurs, pour leur part, freinent l'élasticité de la suspension afin d'empêcher les rebondissements continus.

Cependant, le nom d'amortisseur étant couramment employé, nous ferons de même dans ce manuel.

Amortisseurs de Jambes de Force

Les amortisseurs contenus dans les jambes de force fonctionnent de la même manière et jouent le même rôle que les amortisseurs télescopiques conventionnels.

Que Font les Amortisseurs

Les amortisseurs maintiennent les pneumatiques en contact avec le sol. Par conséquent, ils influencent sérieusement des facteurs de sécurité très importants du véhicule tels qu'accélération, freinage, virage, tenue de route et usure des pneus. Ils contribuent également au confort des passagers.

Comment le font-ils

Ils le font en freinant l'élasticité de la suspension. Les ressorts ont la propriété d'emmagasiner de l'énergie. Aussi lorsque l'on comprime un ressort hélicoïdal, l'énergie est emmagasinée dans ce ressort aussi longtemps que la force de compression reste appliquée. Dés que l'on supprime cette force, l’énergie est immédiatement libérée et ramène le ressort à sa longueur d'origine.

La même chose se produit quand cette force étire un ressort. Cette force supprimée, le ressort reprend sa longueur d'origine.

C'est cette propriété qui rendrait une suspension, dépendant uniquement des ressorts, inadéquate. Sur une telle suspension, le travail du ressort est modifié et devient élastique en raison du poids (ou masse) du corps du véhicule.

Celle masse suspendue est suffisamment importante pour générer un moment de force inertielle. C'est-à-dire que cette masse poursuivra son mouvement dans la même direction durant un certain temps, après que la force qui a engendré ce mouvement ne sera plus appliquée. De ce fait, le ressort dépassera sa longueur d'origine et, ce faisant, emmagasinera de l'énergie qui sera restituée par un mouvement en sens inverse du ressort et le cycle se répétera de lui-même jusqu'à épuisement du moment de force et immobilisation de la masse. Ceci reproduit les oscillations caractéristiques d'un poids suspendu à l'extrémité d'un élastique.

Le diagramme ci-dessous montre comment cet effet agit sur une suspension constituée uniquement d'un ressort.

La force initiale agissant dans la direction de la flèche, le ressort sera comprimé. Cette force cessant d'agir, au lieu de revenir à sa longueur normale, le ressort la dépassera en s'étirant, puis en sens inverse se comprimera et, le cycle se répétant, chaque oscillation diminuera en fonction des frictions, jusqu'à ce que le ressort revienne à sa longueur normale. Ces conditions dépendent de la force initiale, plus elle sera importante, plus le véhicule rebondira haut et longtemps.

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          FIG 7. Suspension non Contrôlée

Sur routes normales, ceci provoquera des mouvements de déséquilibre entre roues, d'un côté à l'autre, de l'avant à l'arrière et d'angle à angle, rendant difficile et dangereux le contrôle du véhicule. Sur mauvaises routes, il est possible d'atteindre le point de "résonance", c'est-à-dire un moment où les irrégularités du sol coïncident exactement avec les cycles de rebondissement du ressort. Ceci amplifie d'autant le phénomène d'oscillations et généralement peut entraîner une rupture de la suspension.

Une suspension sans amortisseurs ou avec de mauvais amortisseurs met en danger sérieux les occupants du véhicule et les autres usagers de la route. L'importance de bons amortisseurs ne doit donc pas être négligée dans le domaine de la sécurité.

Les amortisseurs contrôlent l'élasticité en absorbant la plus grande partie de l'énergie emmagasinée dans les ressorts lors des rebonds. Ils assurent aux ressorts des mouvements de compression et d'extension dans les limites prévues, indépendamment de la force appliquée. Le diagramme d'une suspension contrôlée montre quel effet ont les amortisseurs.

Si la force initiale agit dans la direction de la flèche, le ressort sera comprimé. Quand celte force n'est plus appliquée, le ressort revient en mouvement d'extension, mais cette fois, l'amortisseur absorbe une partie de l'énergie et réduit le dépassement de la longueur du ressort au repos. Le rebond est limité à 1/2 -11/2 cycles avant que le ressort reprenne sa longueur normale. Cet effet appelé couramment "amortissement" est celui que l'on attend d'un bon amortisseur. La variation de la puissance de la force initiale ne fera pas de différence; le niveau de rebondissement restera le même: 1/2 à 11/2 cycles.

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          FIG 8. Suspension Contrôlée

Comment Fonctionne un Amortisseur?

Le fonctionnement de l'amortisseur utilise deux propriétés de l'huile. Sa résistance à la compression incompressibilité) et sa résistance à l'écoulement épaisseur ou viscosité). Pour bien comprendre comment ces propriétés sont mises à profit, imaginons le fonctionnement d'une pompe de bicyclette.

Si la pompe n'est pas branchée à la valve, elle peut être manoeuvrée dans les deux sens sans effort. Obturons l'orifice de la pompe. Nous rencontrons maintenant une résistance progressive à l'enfoncement jusqu'à ce que, finalement, on ne puisse plus faire descendre le piston plus avant. L'air étant emprisonné sous le piston. L'air comprimé emmagasine l'énergie comme le ferait un ressort, aussi, lorsque l'on lâche la poignée, l'air emprisonné se détend et repousse le piston à sa position de départ. Ceci démontre que l'air (et tout autre gaz en ce domaine) est facilement compressible.

Libérons maintenant l'orifice et imaginons la pompe emplie d'huile. Il est maintenant plus difficile d'enfoncer le piston et nous allons constater que lorsque l'enfoncement aura atteint une certaine vitesse, l’emploi de plus de force sur la poignée n'augmentera pas celle-ci. En fait la résistance semble augmenter dans la même proportion que l'effort sur la poignée augmente. C'est parce que le degré maximum d'écoulement de l'huile par l'orifice a été atteint et ceci dépend de sa viscosité.

Si nous obturons l'orifice lors du mouvement de descente, la poignée se bloque aussitôt quelle que soit la pression que l'on exerce. En cessant toute pression, le piston ne bougera pas de sa position. Ceci démontre que l'huile n'est pas compressible.

C'est sur le principe de forcer le passage d'huile à travers un petit orifice ou une valve, avec la résistance qui en résulte, qu'est basé le fonctionnement de l'amortisseur. Plus petit sera l'orifice ou plus visqueuse sera l'huile, plus grande sera la résistance et plus "dur" sera l'amortisseur. Celte résistance est dite "effet d'amortissement".

Reprenons l'exemple de la pompe emplie d'huile, une certaine vitesse du piston atteinte, il n'a plus été possible de l'augmenter. C'est parce que la résistance varie proportionnellement à la pression exercée sur la poignée (ou plus exactement la vitesse du piston). Ainsi, plus violent est le choc, plus grand est l'amortissement. De là l'importance du fonctionnement d'une valve d'amortisseur. Elle assure le fonctionnement uniforme de la suspension qui peut être prédéterminé lors de la conception de l'amortisseur.

Continuons avec notre pompe pleine d'huile avec son piston à sa vitesse de descente maximum: nous avons vu précédemment qu'en augmentant l'effort sur la poignée à ce stade n'avait pas d'effet sur la vitesse. Supposons maintenant que l'huile, comme l'air soit compressible et imaginons ce qu'il se passerait. En appliquant plus de force sur la poignée, la vitesse augmenterait momentanément puisque l'huile se comprimerait jusqu'à ce que la pression de l'huile soit égale à celle exercée sur le piston. Une modification de cette pression ferait varier la résistance et l'arrêt de toute pression provoquerait un effet de ressort dû à l'expansion de l'huile. Ceci est à l'évidence indésirable et rendrait le fonctionnement de l'amortisseur inconstant et imprévisible. Heureusement, l'huile n'est pas compressible et c'est pour celte raison qu'on l'utilise de préférence à l'air ou à tout autre gaz.

Ainsi, l'exemple de la pompe à vélo emplie d'huile est une bonne explication du fonctionnement de l'amortisseur, mais elle est incomplète. Elle agit comme un amortisseur uniquement lorsque l'on appuie sur la poignée (en compression) et, dès que l'huile a été expulsée, le mouvement en sens inverse (ou extension) peut être effectué sans effort. Quand un amortisseur travaille dans un seul sens, comme dans ce cas, il est dit "à simple effet ".

Tous les amortisseurs modernes agissent dans les deux sens. Cette fonction peut être expliquée en utilisant encore une fois notre "pompe pleine d'huile". Avant d'enfoncer la poignée, immergeons l'orifice de la pompe dans un récipient empli d'huile similaire à celle de la pompe. En enfonçant la poignée nous ressentons l'effet d'amortissement alors que l'huile de la pompe est expulsée dans le récipient. Tirons sur la poignée et ici encore nous ressentons cette résistance du fait que l'huile est aspirée par la pompe, exactement comme dans un amortisseur à double effet.

Si nous répétons plusieurs fois ce mouvement, nous constaterons que la pompe et l'huile commencent à s'échauffer, c'est la clé du fonctionnement de l'amortisseur.

L'amortisseur freine les rebondissements du ressort en absorbant leur énergie et en la transformant sous forme d'énergie calorique.

L'amortisseur télescopique moderne à double effet est sensiblement plus sophistiqué que notre exemple. Il comporte un système complexe d'orifices et de valves de manière à ce que les caractéristiques d'amortissement puissent être établies avec précision en fonction des besoins de la suspension.

Schématiquement, il s'agit pour l'essentiel d'un piston percé de petits orifices immergés dans un fluide hydraulique contenu dans un tube fermé. Quand le piston est déplacé vers le haut ou le bas, le fluide passant par les orifices génère une résistance. Cependant, pour fonctionner, le piston doit être nécessairement relié à une tige.

Ceci pose le problème suivant: que faire du volume d'huile déplacé par la pénétration du volume de la tige lors des mouvements en compression alors que l'huile n'est pas compressible?

Le problème est résolu en plaçant une valve à la base du tube et en entourant ce dernier d'un deuxième tube dans lequel le fluide sera transféré. Ceci est à la base de fonctionnement des amortisseurs bitubes.

FIG 9. Principe de L'amortisseur

Il semblerait raisonnable d'utiliser le transfert du fluide à travers les orifices du piston pour obtenir l'effet d'amortissement lors des mouvements en compression et en extension. Cependant si ces orifices sont suffisamment réduits pour offrir un amortissement efficace, un mouvement soudain en compression pourrait augmenter le volume au dessus du piston plus vite que les orifices peuvent permettre au fluide d'être transféré dans l'espace vacant. Ceci doit absolument être évité car la dépression dans le fluide au dessus du piston provoquerait un phénomène de cavitation. En conséquence, l'amortissement en compression est assuré par une valve de base adéquate et les orifices du piston sont élargis et munis de clapets qui permettent un plus grand transfert de fluide à travers le piston. Dans la pratique, la valve de base et celles du piston sont similaires et consistent en une association complexe d'orifices et de clapets qui permet d'obtenir l'amortissement exactement requis par la suspension.

La valve de base contrôle la compression et la valve de piston contrôle l'extension.

Pour ce faire, chaque ensemble de valve se compose comme suit:

1 une petite encoche ou orifice de fuite ouvert en permanence qui procure l'amortissement lorsque le piston se meut lentement, offrant une résistance proportionnelle à cette vitesse.

2 Un clapet - ressort ou valve linéaire qui s'ouvre progressivement pour maintenir une résistance constante lors des mouvements aux vitesses moyennes.

3 Un orifice de restriction, formé par la valve linéaire à son ouverture maximum pour l'amortissement aux plus hautes vitesses, offrant une résistance à peu près proportionnelle au carré de cette vitesse.

4 Un clapet de transfert. Sur la valve de piston, il s'ouvre lors du mouvement de compression en assurant le passage d'une quantité suffisante de fluide au dessus du piston. Sur la valve de base, il s'ouvre lors du mouvement d'extension en permettant au fluide du réservoir de revenir dans le cylindre de travail. Chacun de ces clapets est fermé lors du mouvement inverse.

Les courbes de résistance sont théoriques. les courbes réelles différent de ces caractéristiques théoriques. Généralement, l'assemblage de valves de la base procure moins de résistance que celui du piston. Ceci implique que la plus grande part de l'amortissement a lieu lors du mouvement en extension, car une forte résistance lors du mouvement de compression influencerait trop les propriétés de souplesse du ressort de suspension.

Il est bon de noter, sur le dessin en coupe de l'amortisseur (Fig. l1), le circuit du fluide du haut vers le bas à travers le piston lors du mouvement d'extension. Il pénètre dans l'ensemble valve, en passant par un orifice ménagé dans la lige au dessus du piston et positionné de cette manière afin d'agir comme arrêt de course hydraulique. Lors d'un choc sévère, l'amortisseur va s'étirer au point que l'orifice de la tige pénètre dans le guide supérieur. A ce moment, l'écoulement du fluide est stoppé et le mouvement du piston va s'arrêter sur un coussin de fluide, avant qu'il ne puisse heurter le guide de lige. Ceci empêche le contact destructeur métal sur métal dans l'amortisseur et les dommages qui en découlent pour la suspension.

L'arrêt de course dans le sens de la compression est généralement assuré par un tampon de caoutchouc, placé entre le châssis du véhicule et la suspension.

La grande quantité d'énergie absorbée par l'amortisseur se transforme en chaleur. Celle-ci augmente la température du fluide hydraulique qui tend à perdre de sa viscosité et abaisse l'efficacité de l'amortissement.

Des fluides spéciaux pour amortisseurs ont été mis au point, ils possèdent un haut "indice de viscosité". De tels fluides ont moins tendance à se fluidifier à hautes températures ou à s'épaissir à basses températures.

Malgré ceci, sous de sévères conditions, le fluide peut surchauffer et se mélanger à l'air contenu dans le réservoir en formant une mousse très néfaste à l'efficacité de l'amortissement. L'émulsion est d'autant plus néfaste que l'amortisseur est incliné par rapport à la verticale.

Cette tendance est sensiblement réduite dans un amortisseur où l'air à la pression atmosphérique du réservoir est remplacé par un gaz sous pression, tel que l'azote, entre 12,5 et 14,3 kg/cm2. Ceci offre un autre avantage dans l'amélioration des performances, car le gaz sous pression agit comme un ressort auxiliaire et influe sur la vitesse de réponse aux sollicitations.

Pour ces raisons, les amortisseurs à gaz deviennent de plus en plus populaires et, lorsque le choix est possible, ils sont toujours à recommander par rapport aux amortisseurs hydrauliques normaux.  

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