Brevet FR2561178A1 — publié le 19850920

L'invention est un organe pneumatique incorporé dans une roue et engendrant l'effet d'aute-stabilisation que nous allons préciser dans la suite de la description. üne comnaraison des comportements de trois types de roues(rone à bandage d'acier, roue à bandage de caoutchoue, et roue munie d'un pneumatique) par leurs faons d'absorber et de restituer l'énergie vibratoire en fonction du temps apres la traversée d'un obstacle nous donne la figure 7 A : représente symboliquement le comportement de la roue à bandage d'acier, la quasi-totalité de l'énergie vibratoire est trans- ise instantanément au moyeu et à l'étage suivant de suspension. B : l'énergie vibratoire qui, imprime d'abord a la roue à bandage de caoutchouc un déplacement de son centre de rotation - ou moyeu - est aussitôt restituée presque intégralement au moyeu et a l'étage suivant de suspension à cause du coefficient de frottement visqueux et de la flexibilité relativement faibles du caoutchouc dont les molécules sont assez denses. C : cas d'une roue munie d'un pneumatique, l'énergie vibratoire est restituée partiellement au bout d'un temps de réponse non négligeable à cause de l'existence d'un coefficient de frottement visqueux plus important que dans le cas d'une "roue élastique" - cas B Une grande partie de l'énergie vibratoire est absorbée par suite de l'apparition de l'effet-dfåuto-stabilisation schématise sur la fig.2. Fizure 2 : A @auche, une roue munie d'un pneumatique est représentée par son rayon doyen de roulement A droite, la meme roue apres la traversée d'un obstacle, son centre de rotation est déplacé d'une quantité Z1, l'écrasement nSa pas encore le temps de reprendre sa forme initiale, le véhicule équipé de cette roue continue à se déplacer a la vitesse V, la quantité Z1 tend à se réduire plus rapidement que s'il s'agi@@@it d@ cas d'une roue vibrant verticalement en restant sur place (staticodynamique) et ayant le mêmé écrasement.Celas a cause de l'existence d'un coefficient de frottement visqueux non négligeable qui retarde la restitution de l'énergie vibratoire, et l'énergie mise en jeu dans ce mécanisme pour absorber l'énergie vibratoire est fournie, pendant un court instant, par le moteur du véhicule en déplacement Voilà un cas où l'on trouve l'effet d'auto-stabilisation tendant à réduire la cause qui le produit: le déplacement Z da centre de rotation. Ainsi, le délicat problème de temporisation des systèmes actifs - c'est a dire avec apport d'énergie extérieure - ne se pose pas. L'effet d'auto stabilisation existe aussi bien sur une roue munie d'un pneumatique radial que sur une roue munie d'un pneumatique conventionnel. Le but à atteindre de notre dispositlf est le même que celui des étouffeurs dynamiques qu'on trouve sur les 2CV Citron: diminuer les vibrations au niveau du centre de rotation des roues, par conséquence, augmenter l'adhérence des roues à la route - s'il vagit d'un véhicule du genre d'automobile -, aux rails - s'il s'agit d'un train -. Mais la manière d'y parvenir est entièrement différente: un étouffeur dynamique fonctionne à une fréquence donnée ( systeme masse-ressort-fluide visqueux ), tandis que la variété et l'impérfection du sol sont aléatoires et par conséquence, la fréquence des chocs que reçoivent les roues augmente ou diminue selon la vitesse de déplacement du véhicule, on voit qu'il y a des risques de résonance, mais les 2CV Citroën roulent à des vitesses relativement très faibles. Par analogie avec les circuits électroniques, un étouffeur dynamique se classe parmi les éléments passifs dont la dissipation diénergie vibratoire s'effectue par un mécanisme de frottement, tandis que notre dispositif, utilisant l'effet d'auto-stabilisation, se trouve parmi les éléments actifs avec apport d'énergie extérieure pour dissiper l'énergie vibratoire. La partie essentielle du dispositif, comportant des chambres à air - ou à gaz - en caoutchouc de forme torique et encadrées entre les gorges circulaires au moyen des éléments de fixation, est incorporée entre l'axe de rotation et la jante extérieure d'une roue. Considérée du point de vue de la mécanique des vibrations et après la traversée d'un obstacle, une roue munie du dispositif présente un des deux aspects schématisé6 sur la figure 3. Figure 3 M : masse que supporte la roue au niveau de son centre de rotation. K : raideur du dispositif. C : coefficient de frottement visqueux du dispositif. V : vitesse du véhicule supposée constante. R : rayon moyen de roulement. Z déplacement du centre de rotation de la roue. Z2 : déplacement de la force d'auto-stabilisation. L'équation fondamentale de la dynamique donne: MZ1" = - K(Zs + Z2) z (Z1' + Z'a) Soit Z=ZX + Z2 le déplacement du mouvement relatif, on a: Z1=Z-Z2 , Z1' =Z'-Z2' , Z1" =Z"- Z2" et l'équation du mouvement @@latif prend la forme: MZ" + Cz' + KZ = MZ2" ( Notre calcul est présenté ici comme une première approche mathéma tioue du problème dans l'intention de prouver qu'il est calculable @ous pouvons assimiler, en première approximation, Z2 à une arcade de sinusoïde de la forme: Z2= Z/2sin#t avecL = pulsation snatiale, F: fréquence spatiale donc: ( L'effet est important pendant 1/4 de cercle ) Z V Z2 = 2 si sin2 R t Prenons quelques exemples numériques, avec R = 0,35m Pour V=100 km/h = 27,78 m/s; F=1/# V/R = 25 Hz V=200 km/h F = 50 Hz V=300 km/h F = 75 Hz v=4oo km/h F = 100 Hz Or, nous savons que les fréquences propres des pneumatiques - ou des dispositifs analogues - sont souvent voisines de la bande de 10 Hz à 15Hz; ainsi, pour les vitesses couramment réalisées, notre dispositif n a pas le temps de reprendre immédiatement sa forme initiale précédant la dformation provoquée par la traversée d'un obstacle. L'effet d'autostabilisation apparait donc dans cette zone de vitesses. Reprenons notre calcul: L'équation du mouvement relatif devient: H(1- sin#t)Z" + (C-M# cos#t)Z' + (K+ M#2 sin #t)Z = 0 Dans la pratique industrielle, une solution transitoire intéressante est celle qui s'amortit rapidement, car nous recherchons la stabilité Z peut prendre la forme: Z =e-#t cos#t En remplaçant les valeurs de Z, Z' et Z" dans l'équation du mouvement relatif, on a l'équation du second degré en 5 suivante: Pour avoir une solution stable, il faut qu'au moins une des deux racines (#1, #2)de l'équation précédente soit positive. En exprimant cette condition dans des cas particuliers avec des données numériques, nous aurons des roseaux de courbes entre lesquelles doivent varier les différentes grandeurs du problème. Le d.placement Z2 de la force d'auto-stabilisation a finalement nour exr)ression: z. = ) qos) t sont= XetlaLssin(Q+ta)t+sin(Q-X)tf déterminé par la condition de stabilité # : connu par des études faites avec roulement sur tambour V : vitesse du véhicule équipé de la roue considérée R : rayon de la jante extérieure d'une roue de train,ou ra@un moyen de roulement d'une roue munie dm poeumatique. La figure 4 est la courbe représentative de Z2 (en trait plein) Au cours du calcul, nous avons négligé la déflexion statique,@@@ nous savons, par des expériences, que le centre de rotation en roule- ment monte légèrement. Une étude théorique plus approfondie de ce mro- blème sera exposée dans un autre document par l'inventeur~ Désormais, nous pouvons déjà tirer quelques conséquences pratiques de notre expo- sé théorique sommaire:l'existence de l'effet d'auto-stabilisation sur les pneumatiques permet une explication,au moins partiellement,les échecs des diverses tentatives tendant à remplacer les pneumatiques par des roues élastiques, vers les années 40.Car, nous savons que,pour les fréquences comprises entre 10 et 200 Hz, le coefficient de frottement du caoutchouc - ou élastomère - est inversement proportionnel à la fréquence. Or, pour les vitesses de déplacement des véhicules couramment réalisées - entre 100km/h et 400km/h par exemple - si les faces d'attaque des obstacles par les roues sont assez " raides ", les fréquences seraient très élevées, donc le coefficient de frottement visqueux serait pratiquement négligeable, la quasi-totalité de l'énergie vibratoire serait transmise au niveau du moyeu et à l'étage suivant de suspension.C'est aussi le cas des trains équipés des roues élastiques traversant les raccords des rails: jusqu'à présent, les performances de ces véhicules, considérées du point de vue de la statilité et de la vitesse ne sont pas meilleures que ceux munis des roues entièrement en acier. La numérotation des détails des dessins se fait d'une façon continue de 21 à 34 sur les figures 5,6,7,8,9,10,11,12,13 et 14 Nous présentons deux variantes: l'une à deux paires de chambres à air - fig. 5,6,7,8 et 9 - , l'autre à une paire de chambres à air lorsqu'on se contente d'une flexibilité moins importante et d'une rigidité plus grande - fig. 10,11,12,13 et 14 -.Chaque variante com- porte deux modèles - l'un pour roulement métal sur métal, autre pour roulement pneumatique - qui se composent des mêmés éléments, exceptimas faites pour le pneumatique-et les canalisations pratiquées dans la jante extérieure du modèle pour véhicules du genre d'autompbiles. Figure 5 et figure 6 La fig. S représente une coupe passant par l'axe de rotation d'une roue de train - chemin de fer -.La fig. 6 représente une coupe passant par l'axe de rotation d'une roue d'automobile ( : la jante extérieure comportant un bras circulaire (27) pouvant glisser dans celui da la jante intérieure (25) (22) : chabres a air - ou a gaz (2.7)) : nervures facilitant la mise en place des chambres a air (24) : cerceaux permettant la fixation élastique des chambres à air et sont mis en place après tous les autres éléments (25) la jante intérieure comportant deux parties démontables (26) : endroits permettant la fixation des deux parties de la jante(25) au moyen des boulons-vis-écrous ou rivets (27) : bras circulaire de la jante extérieure (28) : endroits permettant la fixation par paire des cerceaux (24) au moyen des boulons-vis-écrous ou rivets (29) : les gorges circulaires dont la concavité est effectuée par frai sage aux grains assez gros pour empêcher le glissement des chambres air quand la roue tourne, existent sur les cerceaux, la jante extéri- eure et la jante intérieure (30) : évidements circulaires du bras (27) dans lesquels pouvant se glisser les bosses - ou rondelles - séparant les deux cerceau~.: d'une paire. Figure 7 - pour véhicules du genre d'automobiles représente une demi-vue de droite de la fig. 6 et concernant seulement la jante extérieure (21; avec son bras (27) dont les deux faces sont couvertes d'une couche glissante - de téflon par exemple (3t) :une des quatre canalisations - pour raison d'équilibrage pratiquée dans la jante extérieure pour le passage du tuyau terminant par une valve et utilisée pour le gonflage du pneumatique. Figure 8 - pour véhicules du genre d'automobiles représente une demi-vue de-droite de la fig. 6 et concernant seulement la partie de-droite de la jante intérieure (25) (32) : un des quatre évidements circulaires pour la sortie de la valve du pneumatique. Figure > pour véhicules du genre d'automobiles A droite, une demi-vue de droite de la fig. 6 et concernant seulement les chambres a air A gauche, une demi-vue de l'intérieur de la fig. 6 et concernant seulement un cerceau (24) (33) : une section radiale d'un cerceau à un endroit de fixation t34) : une section radiale d'un cerceau à un autre endroit Les fig. 10 et 11 comportent les mêmes éléments que les fig. 5 et 6 mais concernant la variante à une seule paire de chambres à air. Les fig. 12, 13 et 14 comportent les éléments déjà cités sur les fig. 7,8 et 9 mais concernant un modèle pour train - chemin de fer - et à une paire de chambres à air. Au cours de la description, nous avons présenté deux catégories de roues dans lesquelles sont incorporées notre dispositif,l'une pour le roulement métal sur métal, l'autre pour le roulement pneumatique. Les applications de notre dispositif se trouvent donc dans l'améliora- tion des techniques de suspension des véhicules à roues: les trains, les automobiles, les trains d'atterrissage des avions, etc... Pour ces véhicules, l'augmentation de la vitesse est de loin le pro- blèse le plus important1 mais cela entraîne la nécessité d'assurer la stabilité, la sécurité et le confort en général. Quant au chemin de fer, le problème d'adhérence des roues aux rails comportant inévitablement des raccords est toujours difficile à resoudre, car la fréquence des chocs provenant å ce que les rosses descendent dans les raccords augmente avec la vitesse, et la longueur des rails soudés est limitée par le phénomène de la dilatation des solides.Concernant ce domaine, notre dispositif sera utile dars trois cas: le premier cas lorsque les étages de suspension classique et passive n'arrivent plus à assurer la stabilité pour les vitesses de plus en plus grandes; le second cas, lorsqu'on veut diminuer l'encom- brement en supprimant un étage de suspension classique, car notre dispositif constitue déjà un étage de suspension active, le troisième cas, lorsqu'on cherche à rendre les roues indépendantes pour éviter les interactions entre elles. Quant au roulement pneumatique, on doit admettre habituellement un compromis entre deux propriétés caractéristiques des pneumatiques variant dans deux sens inverses l'une de l'autre: l'augmentation de la flexibilité et la diminution des risques de crevaison et de dérives. Ces deux propriétés apparamment contradictoires sont conciliées dans l'utilisation de notre dispositif qui permet d'obtenir des roues d'une grande flexibilité et dont la hauteur des boudins des nnetmatiques sera tres réduite pour éviter les risques de crevaison et de derives. REVENDICATIONS 1) ensemble pneumatique de suspension radiale à effet autostabilisateur, tant un organe pneumatique incorporé dans une roue, caractérisé' en ce qu'l comporte: des chambres à air (22) qui sont encadrées entre les gorges circulaires concaves (29) pratiquées sur la jante extérieure (21), sur la jante intérieure (25), de même sur les cerceaux (24); et du bras circulaire (27) faisant partie de la jante (21), glisse dans la jante (25). 2) Ensemble pneumatique de suspension radiale à effet autostabilisateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la flexibilité verticale est assurée par des paires de chambres à air - ou à gaz de forme torique et pourvues des nervures. 3) Ensemble pneumatique de suspension radiale à effet autostabilisateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les gorges circulairss (2o) dont la concavité est effectuée par fraisage aux grains assez gros pour empêcher le glissement des chambres à air quand la roue tourne. 4) Ensemble pneumatique de suspension radiale à effet autostabilisateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen de fixation élastique des chambres à air se fait à l'aide d'une paire de cerceaux (24) pourvus des bosses afin d'assurer leurs écartements par rapport aux deux faces du bras circulaire (27). 5) ensemble pneumatique de suspension radiale à effet autostabilisateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les cerceaux (24) sont fixes dans les modèles à une paire de chambres à air, et susceptibles de petits déplacements verticaux dans les modèles à deux paires de chambres à air. 6) Ensemble pneumatique de suspension radiale à effet autostabilisateur selon la revendication I caractérise en ce que le bras circulaire (27) dont les deux faces sont traitées d'une couche glissante et faisant partie de la jante (21) glisse dans celui de la jante (25) permet au dispositif d'avoir la flexibilité verticale sans dérives latérales.