Brevet FR2694914A1 — publié le 19940225

Système de suspension et d'amortissement de chocs verticaux et/ou horizontaux par ressort à lame, pour voiture à bras à un essieu portant une ou plusieurs roues. L'invention concerne un système de suspension de la charge et d'amortissement des chocs verticaux etlou horizontaux engendrés par le passage des obstacles au sol, pour une voiture à bras à un essieu portant une ou plusieurs roues servant au déplacement, et particulièrement pour une brouette ou diable, motorisé ou non motorisé. Le but d'équiper une brouette avec un tel système, est de procurer un confort d'utilisation, en atténuant les effets liés à l'inertie des masses au passage des obstacles. Lors du roulage, lorsque une roue rencontre un obstacle, un choc se produit au point de contact roue / sol; une force se créee suivant la direction du rayon; On peut décomposer cette force en une force verticale de bas en haut, et une force horizontale d'avant en arrière; on les considèrera comme choc vertical et choc horizontal. Les chocs verticaux et horizontaux qui existent donc toujours simultanément sont plus ou moins violents en fonction de la vitesse de déplacement de la brouette; Le rapport d'intensité des forces verticales et horizontales est fonction de la hauteur des obstacles à franchir; Ces deux forces se repercutent intégralement à l'axe de roue, puis se répartissent différemment suivant les dimensions de construction de la brouette. Tout véhicule équipé d'une suspension a une masse suspendue et une masse non suspendue. Dans le cas des voitures à bras, la masse suspendue est définie par l'ensemble se situant entre le système de suspension et l'utilisateur. elle comprend le poids propre et la charge transportée. La masse non-suspendue est définie par l'ensemble se situant entre le système de suspension et le sol (roue, essieu, paliers, ...). Dans la généralité, les brouettes sont construites de façon totalement rigide, c'est à dire sans suspension; II n'existe donc pas de masse suspendue. Des systèmes de suspension par bras rigides articulés et ressorts existent, et sont protegés par le brevet n" 87 04667; Ces systèmes permettent seulement l'amortissement des chocs verticaux. Ces systèmes dissocient les différentes fonctions mécaniques permettant la suspension; les différents organes sont: 1 - un bras rigide qui assure le guidage relatif de la roue par rapport à la masse suspendue; ce bras en forme de fourche passe de part et d'autre de la roue, et peut former appui de vidage. 2 - un axe d'articulation entre ce bras rigide et la masse suspendue de la brouette. 3 - un ressort entre les organes suspendus et non-suspendus. Se rapportant à la présente invention, un prototype équipé d'une suspension a été réalisé à partir d'une brouette du type le plus classique, c'est à dire à une roue dans son axe longitudinal, et permettant de transporter une charge normale maximun d'environ 110Kg, poids propre compris. La figure 1 représente en perspective ce prototype équipé avec le système de suspension et d'amortissement des chocs verticaux; La charge est constituée par les poids de la masse transportée(1) et de la masse propre suspendue de la brouette (2).L'ensemble constitue la masse suspendue. Dans la présente invention, la première originalité réside dans le fait que l'ensemble des différentes fonctions mécaniques de la suspension est obtenu par deux lames souples et parallèles(3) situées de part et d'autre de la roue(4), lesquelles lames monoblocs assurent à elles seules toutes les fonctions mécaniques, de déplacement relatif, élastique et géométriquement contrôlé, entre les deux masses en étant fixées rigidement et identiquement à chacune de leurs propres extrémités, sur chacune de ces deux masses. Le déplacement relatif des deux masses de la brouette est dû à la déformation propre de ces lames, qui forment une fourche avec un angle d'incidence de 30 environ en plongée vers l'avant. Les calculs de "résistance des matériaux" permettent de définir la trajectoire de la masse non suspendue par rapport à la masse suspendue suivant la formule se rapportant au calcul de flèche d'une " poutre encastrée à une extrémité et libre à l'autre". Suivant une vue de côté de la brouette, et donc avec la lame vue suivant son épaisseur, on admet qu'un centre de rotation fictif existe au niveau de la fixation de la lame sur la masse suspendue et en est solidaire; L'autre extrémité, fixée à la masse non suspendue, décrit une courbe suivant un rayon à dimension variable liés à ce centre de rotation fictif, laquelle dimension instantanée est fonction de la contrainte de flexion dans la lame; Dans le cas du prototype, cette dimension passe par son maximum lorsque la lame n'est pas sollicitée. Vu en trois dimensions, ce centre détermine un axe de rotation fictif (8) horizontal et transversal à la brouette. Les degrés de souplesse et rigidité sont fonction simultanement et indépendement: 1 - de la section des lames et du positionnement de ces sections dans l'espace 2-de la longueur libre des lames 3-de l'espacement respectif des lames 4 -des caractéristiques propres du matériau utilisé 5 - du positionnement de l'axe de rotation fictif par rapport à l'essieu de roue. Les lames présentent donc une souplesse suivant l'axe vertical(5), et une rigidité suivant les axes horizontaux(6) et (7). La rigidité suivant l'axe (6) permet de conserver la roue centrée dans l'axe de la brouette et la rigidité suivant l'axe (7) permet de transmettre, jusqu'à la masse non suspendue, la force de poussée éxercée l'utilisateur, et de s'opposer aux chocs horizontaux de façon non amortie. La figure 2 définit les dimensions, en millimètres, adoptées pour la réalisation de ce prototype. Les forces calculées pour une charge suspendue de 110Kgc sont: sur la roue A=87DaN, et aux brancards B= 23DaN. La flèche (1) correspondante choisie pour satisfaire à un confort estimé suffisant, est d'environ 50 mm. Les lames, ainsi que l'ensemble non suspendu sans charge sont représentés en (2), et sous charge de 110kg en (3). Cette charge est représentée par P en son centre de gravité(4) Les lames doivent présenter des caractéristiques mécaniques permettant ce fléchissement sous charge, tout en présentant un bon coéfficient de sécurité en utilisation normale, par rapport à la limite de rupture du matériau. Les contraintes mécaniques dans les lames sont essentiellement dans le sens de la longueur de ces lames. Le choix du matériau se porte sur un composite fibre de verre et résine, avec une proportion au moins égale à 50% de fibres disposées longitudinalement dans ces lames. Le matériau standard choisi pour réaliser le prototype est un composite tissu fibres de verre et résine époxy des Ets Cotton frères, référence 5790.1301.40/25. Les caractéristiques fournies par le fabricant sont: Module longitudinal E (sens chaine)= 34000MPa, et limite de rupture en flexion Rf (sens chaine) = 950MPa. Les calculs de "résistance des matériaux" font ressortir les dimensions des lames notées à la figure 3; Sont représentées, les zones de fixations sur la masse suspendue (1), et sur la masse non-suspendue (2), la zone de déformation (3)d'une longueur de 325mm. Le passage de roue entre les deux lames est de120mm; Avec la section d'une lame définie à la figure 4, laquelle permet les effets de suspension précédemment définis, le rapport rigidité transversale/rigidité verticale (souplesse) est d'environ 2800. Le coefficient de sécurité avec la charge de 110ka est de 4,8 à rupture. Chaque type de voiture à bras, et même de brouette, est caractérisé par des dimensions propres, et une charge transportable; Ces caractéristiques engendrent des efforts différents sur le système de lame, obligeant ainsi à définir et construire des dimensions de lames adaptées à chaque cas. Dans le cas d'une brouette à deux roues ("viviane"), la suspension peut alors comporter qu'une seule lame disposée entre les deux roues, ou plusieurs lames en intérieur ou extérieur de celles-ci. Ce type de brouette étant prévue pour une charge supérieure laquelle est positionnée différemment par rapport à l'essieu, les dimensions des lames seront différentes. La fonction technique générale de ce système à lame souple monobloc, assurant toutes les fonctions mécaniques, reste identique quelque soit le nombre, les dimensions ou la forme du profil permettant la souplesse de suspension de la /des lames, ceci sur les voitures à bras. La deuxième originalité du système de suspension à lame, est quasiment indissociable de la première originalité dans la mesure où elle la complète; Elle consiste en un élément intégré ou non aux lames, et que l'on nomme système " anti-devers lequel permet grâce à sa rigidité propre et à sa fixation rigide sur chacune des lames de répartir la charge totale suspendue ainsi que les chocs ,de façon égale, entre chacune des lames. Dans ce système, comme par exemple sur le prototype réalisé avec deux lames de part et d'autre de la roue, la sollicitation des lames suivant l'axe vertical n'est quasiment jamais répartie également sur chacune d'elles; leur souplesse sensible propre fait que leurs déformations respectives ne sont pas indentiques. Cette répartition inégale des forces entre chacune des deux lames est dû principalement au décentrage du point d'appui roue/sol par rapport à l'axe de la brouette, ainsi qu'à un jeu mécanique important de l'essieu de roue dans les paliers, lesquels provoquent un devers de la roue qui rend l'utilisation de la brouette désagréable, sinon difficile. La figure 5 illustre cet état instantané au passage d'un obstacle (1), lorsque l'ensemble de la suspension est construit sans anti devers; Avec une roue qui mesure 50mm de largeur et les positionnements des lames tels que réalisés sur le prototype, le positionnement du point d'appui roue/sol (2) déporté à son maximum de 25mm par rapport à l'axe de la brouette, provoque sur chacune des deux lames, des couples de forces différents avec d N = 26DaN ; Calculées indépendament, les flèches respectives des lames sont alors de 70mm et 30mm, engendrant un angle de devers théorique (ss) de la roue de 20C environ. Seul le moindre jeu de l'axe de roue dans les paliers permet de limiter cette dissymétrie; Jusqu'à ce que le jeu soit totalement compensé, la résistance de la lame la moins chargée amplifie le devers de la roue. Au roulage, la roue louvoie en deversant d'un côté à l'autre. Afin que les deux lames se déforment de façon identique malgré un jeu important de l'essieu de roue dans les paliers, ce jeu important étant nécessaire au bon fonctionnement, un élément rigide reliant les deux lames a été monté sur le prototype. La figure 6 représente en perspective l'anti devers (1)monté sur le prototype; II se situe en avant de la roue en la contournant. Dans cette disposition, I'anti devers joue également le rôle d'appui de vidage de la brouette; II est réalisé en tube rond de 30mm de diamètre aplati sur chacune de ses extrémités pour être fixé avec les mêmes boulons que les paliers. La figure 7 représente, I'anti devers (1) qui a été également essayé sur le prototype; II se situe en arrière de la roue et au milieu de la zone de déformation; Dans ce cas, il n'agit donc pas sur la partie des lames comprise entre ses points de fixations sur les lames et la masse non suspendue supposée rigide. L'anti devers est d'autant plus efficace que sa fixation sur les lames est près de la masse non suspendue. Cette efficacité est proportionnelle à la longueur restant libre suivant la puissance 3ème; Tel que monté sur le prototype, et suivant les conditions de la figure 5, L'angle de devers (B) a été réduit à 3 , alors que pour un montage sans anti devers il est de 20 environ, ce qui est satisfaisant pour un fonctionnement correct. La figure 8 représente un ensemble rigide (1)non suspendu qui raccorde les paliers en passant par l'arrière de la roue pour éventuellement soutenir un organe d'entraînement motorisé ou de freinage La figure 9 représente une construction monolame qui comporte une partie rigide contournant la roue pour assurer la fonction anti devers et une partie souple suivant l'axe vertical pour assurer la fonction suspension. Par un système de drapage complexe des fibres, notamment en disposant sur les couches extérieures jusqu'à 50% des fibres suivant les angles de +/-45 par rapport à l'axe longitudinal de la lame, une lame ainsi construite a une résistance accrue en torsion sur elle même.Ce drapage complexe, étant complété par des drapages faisant surépaisseur ou par évolution de formes des sections en des emplacements judicieusement choisis, notamment dans la partie contournant la roue, permet à une seule pièce d'assurer toutes les fonctions nécessaires au bon fonctionnement d'ensemble. La troisième originalité consiste en la possibilité que le système à lame peut comprendre un ou plusieurs axes de rotation fictifs dont un est solidaire de la masse suspendue. Tous les systèmes de suspension existant pour ce type de voiture à bras, prévoient de n'amortir que les chocs verticaux, et ont en conséquence qu'un axe de rotation de la masse suspendue par rapport à la masse non suspendue ; Aucun ne prévoit d'amortir les chocs horizontaux, lesquels sont souvent les plus éprouvants pour l'utilisateur. De plus, par l'effet du développement en arc de cercle du bras durant le débattement, le choc horizontal est amplifié; le système à un axe de rotation fictif ou non fictf reste seulement valable pour les petits obstacles, qui sont les cas où la force verticale est prédominante sur la force horizontale. La figure 10 illustre les différents efforts qui se répartissent dans l'ensemble de la brouette. Avec une brouette à seul amortissement vertical, I'utilisateur reçoit: 1- une force F2 horizontale en bout de ses bras égale à la force F (sauf si la brouette est équipée de pneu glonflable), laquelle crée deux couples ayant pour centre les articulations des coudes et des épaules. 2- Un couple de torsion sur les poignées qui sont le centre de rotation des déplacements résiduels verticaux non amorties de la masse suspendue. Pour compenser cette force horizontale l'utilisateur doit faire preuve d'une force musculaire importante au niveau des biceps et pectoraux, rendant l'utilisation fatigante, voir impossible à certaines personnes sur des terrains comportant des obstacles hauts qui font que les chocs horizontaux sont importants et prédominent les chocs verticaux. Cette force horizontale, en comparaison de la force verticale, constitue l'élément le plus contraignant pour un utilisateur. Un amortissement horizontal permet de passer des obstacles plus importants sans augmenter l'inconfort. La figure 11 illustre la fonction technique d'un amortissement vertical ethorizontal combiné de façon simple; Une lame ayant une forme en equerre a pour effet d'amortir à la fois les chocs verticaux et horizontaux. Ce système de lames comporte une partie horizontale (1) qui amortit les chocs verticaux en ayant un axe de rotation (5) solidaire de la masse suspendue, et une partie verticale (2) qui amortit les chocs horizontaux en ayant un axe de rotation (6) solidaire de l'extrémité libre de la partie horizontale. Sous les deux forces verticale et horizontale au passage d'un obstacle, le système à lames se déforme et chacun des éléments de la lame prend les positions respectives (3) et (4), en amortissant simultanément les chocs horizontaux et verticaux, par des mouvements de la masse non suspendue vers l'arrière et vers le haut. Le système comporte deux axes de rotation fictifs et répond aux mêmes caractéristiques de fonctionnement que le système décrit pour la réalisation du prototype. La figure 12 illustre une possibilité de construction où la lame en forme de V (1) a 3 axes de rotation(1)(2)(3); Cette configuration de lame joue également le rôle de pieds. La figure 13 illustre une suspension où, une seule lame de construction complexe amortit les chocs verticaux et horizontaux avec 4 axes de rotation fictifs (1) (2) (3) (4) en assurant à la fois l'anti devers de roue, une isocontrainte dans la pièce grâce à un drapage complexe des fibres, ainsi que des fonctions complémentaires telles qu'une partie du pied de repos , lequel assure le couplage des deux pieds suivant (1) (2) (3); Cette lame est également support de motorisation. REVENDICATIONS 1 -Système de suspension à lames pour voiture à bras, particulièrement pour brouette ou diable, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins une lame en matériaux renforcés de fibres, pour suspendre la charge et amortir la composante verticale des chocs de la roue sur le sol, lesquelles lames assurent à elles seules toutes les fonctions mécaniques nécessaires à la suspension, c'est à dire autorisant un déplacement relatif élastique contrôlé des masses suspendue et non suspendue suivant une direction quasiment verticale, et autour d'un axe de rotation fictif. 2 - Système de suspension pour voiture à bras selon la revendication 1 caractérisé en ce que la ou les lames assurent également un amortissement horizontal suivant la direction de déplacement normal de la voiture. 3 - Système de suspension selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins une lame ayant plus d'un axe de rotation fictif permettant simultanement l'amortissement horizontal et vertical. 4 - Système selon l'une des quelconques revendications précedentes, caractérisé en ce que la forme de la ou des lames ont une forme en équerre, avec deux axes de rotation fictifs. 5 - Système selon l'une quelconques des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la forme de la ou des lames est en V,à trois axes de rotation fictifs et sert en totalité ou en partie de pied. 6 - Système selon l'une quelconques des revendications précedentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé en matériau composite fibres et résine, avec un volume de fibres au moins égal à 50% du volume total des fibres, disposé longitudinalement à la lame 7 - Système selon l'une quelconques des revendications précédentes, nommé système anti devers, caractérisé en ce que, dans le cas de plusieurs lames, il relie ces dernières entre elles rigidement, de façon à répartir les efforts des chocs et d'inertie des masses, de façon égale entre chacune des lames pour parfaire le guidage de la masse non suspendue par rapport à la masse suspendue, et qu'il soit en matériau composites ou non. 8 - Système selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il contourne la ou les roues par l'avant du véhicule et sert ainsi d'appui de vidage ou pare choc, particulièrement pour les brouettes. 9 - Système selon les revendications 1à7, caractérisé en ce qu'il combine en une seule pièce ou ensemble, de façon rigide ou articulée, lié ou non à la masse suspendue, en matériau composite ou non, la fonction anti devers avec une autre fonction telle que appui de vidage, pare choc, garde boue, support de motorisation ou freinage,esthétique. 10 - Système selon l'une quelconques des revendication précedentes, caractérisé en ce que au plus 50% des fibres, en volume, peuvent être disposées à +/- 45 suivant l'axe longitudinale des lames, par rapport volume total des fibres.