Brevet FR2774354A1 — publié le 19990806

La présente invention concerne une fourche avant suspendue pour tout véhicule a deux roues, et plus particulièrement moto et vélo tout terrain. La fourche avant d'un tel véhicule a deux rôles primordiaux à jouer: 1- Rôle directionnel : elle doit assurer le braquage et la stabilité du véhicule en permance ( virage, ligne droite, freinage, accélération) 2- Rôle de suspension: cette fonction est nécessaire pour sauvegarder le confort, mais aussi pour maintenir en toute circonstance le pneu en contact avec le sol. La difficulté à concevoir une telle fourche vient de ce que le deuxième rôle (suspension) implique une variation de géométrie par forcément compatible avec le premier rôle (directionnel). Ce compromis existe actuellement avec la fourche dite télescopique. Cette fourche est constituée d'un pivot de direction, de deux branches tubulaires et télescopiques parallèles au pivot de direction. Les parties supérieures de ces branches sont fixées à ce pivot par l'intermédiaire de deux supports en forme de T. I1 y a un T à chaque extrémité du pivot. Des combinés ressort / amortisseur sont contenus dans les deux branches pour assurer la fonction de suspension. L'axe de roue est fixé aux extrémités inférieures des deux branches. On trouve ce type de fourche sur 99% des motocyclettes produites dans le monde et sur plus de 80% des vélos tout terrain à fourche suspendue. Avantages de la fourche télescopique: 1- Esthétique: c'est un mécanisme très simple en apparence, la partie mécanique étant dissimulée à l'intérieur des tubes. 2- Coût de fabrication réduit par la simplicité du mécanisme. 3- Fonctionnement en harmonie avec la géométrie d'un véhicule à deux roues : I'inclinaison de la fourche est telle que les forces qui lui sont appliquées au freinage ou au franchissement d'un obstacle par la roue, sont coaxiales à peu de choses près avec les branches de cette fourche, d'ou peu de flexion. 4- une géométrie constante avec le débattement de la suspens ion, car le déport de l'axe de roue par rapport au pivot de direction est constant. A assiette constante (sans tangage), la chasse est donc constante. Celle ci ne varie qu'avec la variation d'assiette (tangage) : la plongée (enfoncement de la suspension avant, détente de la suspension arrière) provoque sa diminution. a l'inverse, le cabrage provoque son augmentation. Lors d'un freinage (donc en plongée), le report des masses sur l'avant alourdissant la direction, devrait interdire au pilote de tourner en même temps qu'il freine. La diminution de la chasse compensant l'augmentation de la charge sur l'avant, le pilote conserve la faculté de changer facilement de direction. Inconvénients de la fourche télescopique: 1- Les frottements. Les plongeurs doivent glisser dans les fourreaux de fourche sans jeu. Il y a donc des frottements d'autant plus importants que les bras sont soumis à des efforts de flexion. La technique motocycliste actuelle veut que les fourches soient de plus en plus verticales (moins 10 en 20 ans). Celles ci sont donc soumises à des efforts de flexion de plus en plus importants. Les progrès réalisés par les dispositifs de freinage vont dans le même sens négatif (plus d'effort en flexion). Pour les VTT, les variations d'assiette sont si importantes du fait du faible empattement, que l'on arrive au même problème: une fourche très verticale au freinage entraînant de grosses contraintes en flexion. Dans ce contexte, les fourches télescopiques fonctionnent de plus en plus mal. 2- La linéarité de la suspension d'une fourche télescopique. Une suspension avant est, plus encore qu'une suspension arrière, soumise à des variations de charge très importantes. Sur une moto, on passe facilement de zéro kg en charge minimum à 300 kg en charge maximum. Une suspension linéaire ne peut pas fonctionner correctement avec des charges aussi différentes (trop dure pour les forces minimum et trop souple pour les forces maximum). 3- La rigidité De nombreuses études montrent cette faiblesse. Sur une moto, la rigidité tortionnelle d'une fourche télescopique n'atteint pas 6 % de celle du cadre + moteur, sa rigidité à la flexion longitudinale est à moins de 60%, sa rigidité à la flexion transversale atteignant à peine 35%. 4- La géométrie: La chasse est déterminée par l'angle de chasse (angle de la colonne de direction avec la verticale), le déport d'axe de roue et la circonférence du pneumatique. Pendant le fonctionnement d'une fourche télescopique, la chasse varie en fonction de la seule variable, l'angle de chasse (par la variation d'assiette), mais l'amplitude de la variation de chasse avec l'assiette n'est pas maîtrisable. Les autres fourches: - les fourches à balancier (surtout pour les scooters) sont choisies pour leur faible encombrement en hauteur car elles sont bien adaptées aux petites roues. Elles ont peu d'amplitude, sauf la fourche EARLES qui offre un grand balancier pour un débattement plus important, mais a beaucoup d'inertie en rotation autour du pivot de direction. Ces balanciers sont généralement à roue poussée, mais il en existe à roue tirée. Rappelons qu'une fourche à roue tirée signifie que le bras est situé en avant de l'axe de roue par rapport au sens de déplacement, I'inverse pour une roue poussée. - les fourches à parallélogramme. Le parallélogramme, c est l'ancêtre de la fourche suspendue pour la moto. Elle a été détrônée aujourd'hui par la fourche télescopique. Elles ont pourtant été inventées toutes deux au début du siècle. Les fourches à parallélogramme ont disparues sur les motos mais il en existe plusieurs pour les V.T.T. Elles sont toujours à roue poussée. Elles souffrent de petit débattement (80/90 millimètres maximum), et on ne retrouve pas leurs avantages théoriques sur le terrain. La présente invention vise à reprendre les avantages de toutes ses solutions techniques et d'en exclure les inconvénients. Par rapport à une fourche télescopique, elle élimine les frottements et possède une suspension progressive, elle est beaucoup plus rigide et sa géométrie est facilement maîtrisable : les variations de chasse avec l'assiette sont contrôlables. Pour un vélo, on peut obtenir plus de 200 millimètres de débattement, beaucoup plus pour une moto tout terrain ce qui la demarque des autres fourches à parallélogramme. La fourche selon l'invention comprend selon la Figure 1 - un ou deux bras parallèles (9) comportant à leur extrémité inférieure un dispositif de fixation de l'axe de roue (10), a leur extrémité supérieure un axe (5) de biellette. Environ 15 à 20 centimètres en dessous de ce dernier axe (5), cette valeur étant un compromis entre contrainte et espace disponible, on trouve un deuxième axe (8) de biellette et un ponton réunissant les deux bras, quand il ne s'agit par d'un bras unique. - deux biellettes pivotantes (3) et (6) autour d'axes horizontaux (4) et (7) positionnés dans des platines verticales (1) réunies au pivot de direction (2) en avant de celui-ci par l'intermédiaire d'une platine (12) fLxée à l'extrémité inférieure du dit pivot ou de deux platines (11) et (12) fixées à chacune des extrémités du dit pivot. Les axes (4) et (7) sont superposés et distants de 15 à 20 centimètres environ de manière à ce que les biellettes forment l'angle approprié. Les axes (4) et (7) définissent un plan généralement parallèle au pivot de direction, mais ce plan pourra être incliné en fonction de la différence de longueur des biellettes par exemple. L'autre particularité de ces axes (4) et (7) est d'être située en avant des deux bras (9). - un combiné ressort / amortisseur actionné par la biellette supérieure ou la biellette inférieure soit directement, soit par l'intermédiaire de toute pièce assurant cette fonction, d'une part, et prenant appui sur la platine supérieure ( l l ) généralement ou la platine inférieure (12), d'autre part. Les deux bras (9) n'ont pas d'éléments télescopiques, sont parfaitement rigides. Avantageusement ils sont tubulaires, de manière à pouvoir régler la distance entre les axes (5) et (8) au moyen de colliers coulissants. Ils peuvent aussi être en alliage léger, usinés ou coulés, mécanosoudés ou encore en carbone ou similaire de manière à résister aux contraintes. Pour les bras non tubulaires, la distance entre les axes (5) et (8) est réglable par excentriques. Les biellettes (3) et (6) sont en alliage d'aluminium usiné pour le vélo, peuvent être également une construction mécano-soudée pour la moto. Comme toute fourche à parallélograrnme, la présente invention est plus rigide qu'une fourche télescopique et dépourvue de frottements. Comme une fourche télescopique, elle a plus de débattement qu'une fourche à parallélogramme à roue poussée. Contrairement à ces deux types de fourche, elle a une progressivité de suspension contenue dans son fonctionnement: - suspension détendue, les biellettes (3) et (6) ont leur axe d'articulation (4) et (7) sur les platines (1) situées au dessus et en avant des axes d'articulation (5) et (8) sur les bras. La force appliquée à l'axe de roue, donc aux bras, lors du franchissement d'un obstacle par la roue ou lors d'un freinage, est perpendiculaire aux biellettes (3) et (6) et crée un couple de compression maximum. - suspension en compression, les biellettes excécutent une rotation de l'ordre de 90 , leurs axes d'articulation sur les platines se trouvant alors en dessous et toujours en avant des axes (5) et (8) sur les bras. Les dites biellettes se trouvent donc parallèles à l'axe de la force appliquée comme précédemment à l'axe de roue et aux bras. Le couple de compression devient pratiquement nul. La suspension durcit plus vite qu'une suspension linéaire. Elle est progressive. Les fourches à parallélogramme à roue poussée ont un comportement inverse leur suspension est régressive. La fourche selon l'invention laisse à son concepteur le choix de l'amplitude de la chasse avec la variation d'assiette: si les biellettes sont parallèles (donc égales) cette amplitude dépend de la différence entre l'inclinaison des biellettes par rapport à une perpendiculaire au pivot de direction, suspension détendue, et leur inclinaison en compression maximum, ces valeurs étant prises en valeur absolue. Au plus cette différence est importante, au plus les variations de chasse sont faibles. 11 est possible de réduire encore cette amplitude de la chasse en ayant recours à des biellettes de longueurs inégales, et des entraxes sur les platines et sur les bras choisis judicieusement. Cette solution devient nécessaire pour des vélos et des motos dont les débattements dépassent 170 mm. Cependant même dans ce dernier cas, les biellettes doivent toujours décrire autour de leur axe sur les platines un angle de l'ordre de 60 à 90" pour le meilleur compromis encombrement I débattement, cet angle contenant obligatoirement la perpendiculaire au pivot de direction passant par cet axe. Compte tenu de l'amplitude de leur rotation, elles ne peuvent jamais se trouver en avant d'une parallèle au pivot de direction passant par leur axe sur les platines. La fourche est adaptable à tous les vélos, à toutes les motos : hauteur, chasse, caractéristiques de suspension (le combiné ressort amortisseur est indépendant de la fourche et peut être choisi dans la gamme des fabricants, à ressort ou pneumatique) sont adaptables à chaque cas. Première application Les figures (3) et (4) représentent une fourche de VTT de descente à très grand débattement (220 mm) à biellettes de longueurs inégales afin d'avoir une très faible variation de chasse. Elle possède un dispositif de tiges de compression s'intercalant entre la biellette inférieure et l'amortisseur destiné à augmenter la progressivité de suspension. Les biellettes, usinées en aluminium, peuvent s'articuler sur des roulements à aiguilles ou sur des bagues autolubrifiantes. Cette dernière solution a été préférée ici pour des raisons de volume et de capacité de charge. a. Variation de géométrie. Comparée à une fourche télescopique de descente de 145 mm de débattement (il n'en existe pas aujourd'hui de 220 mm) montée sur un vélo de 1050 mm d'empattement et possédant une suspension arrière de 200 mm de débattement environ, les variations extrêmes de chasse sont: - en plongée maximum: fourche télescopique usuelle 20 millimètres nouvelle fourche 60 millimètres - en cabrage maximum: fourche télescopique 150 millimètres nouvelle fourche 90 millimètres. Soit pour la fourche télescopique 130 mm d'amplitude et seulement 30 millimètres pour l'invention, malgré un débattement très supérieur pour cette dernière (220 millimètres au lieu de 145). L'axe (8) peut être déplacé sur les bras (9) par un système d'excentriques modifiant à volonté cette variation de chasse (réglage vertical) mais aussi la valeur moyenne de cette chasse (réglage horizontal). L'avantage de cette invention est donc de conserver une bonne stabilité au véhicule au freinage (plongée maximum) malgré un débattement de suspension très important, les 20 millimètres de chasse obtenus avec la fourche télescopique rendant le vélo inconduisible. A l'inverse, une chasse de 150 millimètres en cabrage, obtenu avec la même fourche télescopique interdit au conducteur de changer de direction lorsqu il roule vite. L'invention évite ces deux extrêmes. b. Progressivité de suspension: La figure 5 donne les courbes d'élasticité de la fourche de descente en tenant compte de l'angle a que fait la force appliquée à l'axe de roue avec la direction du pivot de fourche. Ces courbes montrent que l'extrême progressivité de la fourche de descente permet de concilier l'inconciliable avec une suspension linéaire: - en début de course, un force de compression de 5 kg provoque un enfoncement de 50 mm, soit une très grande souplesse de suspension. - en frn de course, la même force de 5 kg ne provoque plus qu'une compression de 2 mm. On note qu'une augmentation de a diminue encore cette compression. Or a augmente avec l'intensité du freinage. Cela signifie donc que la fourche possède dans son fonctionnement un effet antiplongée. Deuxième application: Les figure 6 et 7 représentent une fourche de vélo tout terrain polyvalente. son débattement est de 135 mm. Les variations d'assiette étant moins importantes avec 135 mm que dans le cas précédant (descente) avec 220 mm, celles ci engendrent moins de variation de chasse. Pour cette raison, les biellettes sont parallèles et de longueur égale. Il n'y a pas de tige de poussée entre biellette et amortisseur car la progressivité naturelle de cette fourche est suffisante pour une débattement de 135 mm. L'amortisseur est actionné par la biellette supérieure. On utilise avantageusement dans ce cas un combiné oléopneumatique et non un combiné ressort amortisseur. a. Variation de géométrie: -en reprenant la même base de comparaison que pour la fourche de vélo de descente ( même vélo, même fourche de référence), les variations extrêmes de chasse sont les suivantes - en plongée maximum, fourche télescopique 20 millimètres nouvelle fourche 50 millimètres - en cabrage maximum fourche télescopique 150 millimètres nouvelle fourche 140 millimètres Soit 130 millimètres d'amplitude pour la chasse de la fourche télescopique, et 90 millimètres pour la nouvelle fourche. Du fait de la suspension progressive, la nouvelle fourche se trouve très difficilement en situation de cabrage maximum, ayant beaucoup de course négative (compression résultant du seul poids vélo + pilote). Il n'est pas prévu de réglage pour la position des axes (5) et (8), les biellettes devant rester parallèles. b. progressivité de suspension La figure 8 donne les courbes d'élasticité de cette fourche vélo tout terrain polyvalente en tenant compte de l'angle a que fait la force appliquée à l'axe de roue avec la direction du pivot de fourche. La courbe a = moins 20 degrés correspond à des forces verticales le poids vélo + pilote sur l'axe de roue avant, ainsi que les forces de pompage au pédalage. Cette courbe est rectiligne (fonctionnement linéaire). Un pompage induit par le pédalage faisant varier la charge sur l'avant d'environ 20 kg ( entre 30 et 50 kg par exemple) cela représente une course de 25 millimètres, qui est diminuée par les forces d'amortissement. L'amplitude reste dans une norme acceptable. La courbe a = plus 15 correspond aux forces induites par les freinages et le franchissement d'obstacles de grande amplitude. La courbe a = 0" correspond au franchissement d'obstacles de faible amplitude. La divergence de ces deux courbes vers le haut montre un effet anti plongée de la nouvelle fourche, limitant les variations d'assiette (tangage). La courbe a = +15 montre une très grande progressivité: 5 kg provoquent un enfoncement de 15 millimètres en début de course, 5 kilogrammes provoquent un enfoncement de 5 millimètres en fin de course. Cela interdit pratiquement le talonnage sur les gros obstacles ou sur les freinages appuyés. Cette nouvelle fourche a donc un avantage de géométrie et de progressivité par rapport à une fourche télescopique. Troisième application: Les figures 9 etlO représentent une fourche pour motocyclette de route de grosse cylindrée (750 cm2 dans le cas précis). Son débattement est de 135 mm, les biellettes sont parallèles et de même longueur car du fait des faibles amplitudes de suspension, les variations d'assiette sont réduites. Les combinés ressort amortisseur de moto étant beaucoup plus longs que ceux des vélos, c'est la biellette inférieure qui comprime celui de cette fourche. Les bras sont en alliage léger usiné avec ponton de rigidification au niveau des axes de biellettes inférieures, réunissant les deux bras. Les articulations sont constituées par des roulements à aiguilles combinés. a. Variation de géométrie Les problèmes posés par la fourche télescopique dans le comportement d'une moto de route ne sont pas les memes que ceux concernant un VTT: 1- il est difficile de concilier sur une moto maniabilité en entrée de virage et stabilité à haute vitesse car il y a soit trop de chasse pour la mise sur l'angle, soit pas assez en ligne droite. L'assiette de la moto variant peu, l'amplitude de la chasse est insuffisante à l'inverse du vélo tout terrain. 2- Le cabrage en sortie de virage sous l'effet de la réaccélération, augmente beaucoup trop la chasse, obligeant le pilote à élargir sa trajectoire. Comparée à une fourche télescopique de 120 millimètres de débattement, montée sur une moto sportive de 1400 millimètres d'empattement et 130 millimètres de débattement pour sa suspens ion arrière la nouvelle fourche a les variations de chasse suivantes - en plongée maximum: fourche télescopique: 85 millimètres nouvelle fourche : 85 millimètres - en statique: fourche télescopique 104 millimètres nouvelle fourche:11 O millimètres - En cabrage maximum: fourche télescopique 133 millimètres nouvelle fourche 103 millimètres A maniabilité égale en entrée de virage (plongée maximum), la nouvelle fourche donne donc plus de stabilité en ligne droite (110 mm au lieu de 104 mm de chasse), et surtout une beaucoup plus grande facilité à sortir des virages puisque la chasse diminue. (103 millimètres au lieu de 133 millimètres pour la fourche télescopique). b. Progressivité de suspension: La figure 11 montre les courbes d'élasticité de la nouvelle fourche moto pour a = 0 et a = 25 . La première correspond aux forces induites par le franchissement de petites dénivellations, les plus couramment rencontrées sur la route. La courbe a = 25 correspond aux forces induites par un freinage violent, forces inclinées de 45" par rapport à la verticale diminué des 20 d'inclinaison du pivot de direction. Le point isolé sur le graphique correspond à l'enfoncement de la suspension sous l'effet du seul poids de l'ensemble moto + pilote (moto de 200 kg, tous pleins faits et pilote 70 kg). La position de ce point montre une course négative très importante, permettant à la suspension de fonctionner même lorsque l'avant de la moto est fortement délestée par les accélérations de celle-ci. En particulier on observe que même un appui de 10 kg crée déjà un enfoncement de 10 mm. Une fourche télescopique fonctionne toujours avec une précontrainte. Cette précontrainte à laquelle s'ajoute les forces de frottement font qu'un appui 4 à 5 fois supérieur est nécessaire pour exercer un début de compression. Cette absence de fonctionnement de la fourche télescopique sur les bosses en cas de délestage important est à l'origine d'un phénomène très dangereux à moto le guidonnage. Ce phénomène est supprimé avec la nouvelle fourche. La courbe H est plus redressée que la courbe a=250. Cela signifie que la fourche est plus souple sur les oscillations résultant de petites dénivellations que sur les réactions au freinage violent. Cela implique que les petites dénivellations sont toujours très bien absorbées, mais que les forces très élevées induites par le freinage ne peuvent pas la faire talonner. Une fourche télescopique a un débattement limité entre autre pour des raisons de géométrie traitées au paragraphe précédent. Cela explique qu'elle ait toujours de la précontrainte et néanmoins qu'elle soit toujours à la limite de talonner sur les freinages. Cela n'empêche pas qu'elle ait un coefficient d'élasticité beaucoup plus bas, (suspension plus dure) sa suspension linéaire ne pouvant concilier les extrêmes. Cette nouvelle fourche très progressive, réagissant plus souplement aux petites dénivellations qu'aux freinages violents, capable de réagir sur des variations de charge de moins de 10 kg, s'avére dans son fonctionnement très supérieure à une fourche télescopique. La diversité des applications présentées ici montre que tout véhicule à deux roues suspendu tire avantage à utiliser cette invention. Seul le cas de la moto tout terrain n'a pas été traité, mais il est assimilé au cas du vélo de descente par les débattements exigés (250 à 300 millimètres). Il est donc possible de substituer à toute fourche télescopique cette invention sans modification de leur conception générale. Seule restriction : les carénages, phares et tableau de bord des motos doivent être aménagés pour la recevoir, mais ces modifications n'entraînent pas de bouleversement esthétique. Les carénages très pointus (pour une recherche aérodynamique de portance négative) dissimulent facilement la proéminence avant de cette nouvelle fourche. Les nouvelles optiques à surface complexe gagnent aussi beaucoup de place à l'intérieur des carénages facilitant le montage de cette nouvelle fourche.Si l'adaptation de cette invention est possible à tous ces véhicules, il est également très intéressant de les étudier pour recevoir spécifiquement cette nouvelle fourche. En particulier, il est avantageux d'utiliser des angles de chasse plus réduits, les angles actuels n'étant justifiés que par le souci d'assurer le bon fonctionnement des fourches télescopiques. Cette réduction de l'angle de chasse permet de moindres variations de chasse et donc d'utiliser la version de notre invention à biellettes parallèles dans tous les cas. - REVENDICATIONS1- Fourche avant pour véhicule à deux roues, notamment vélo tout terrain et moto, caractérisée en ce qu'elle comprend: - au moins un bras (9) monté sur l'axe de roue (10), qui s'étend vers le haut, vers le pivot de direction (2). - deux biellettes (3) et (6) montées pivotantes, à distance l'une de l'autre sur la partie supérieure du bras (9) d'une part, et sur des platines verticales (1) en avant du pivot de direction (2) d'autre part, ces platines (1) étant réunies aux extrémités du dit pivot au moyen d'un support (12) ou de deux supports (1 1) et (12). - un combiné ressort amortisseur (13) reliant l'une des biellettes à une platine support, contrôlant les mouvements du ou des bras et des biellettes. 2- Fourche selon la revendication (1) caractérisée en ce que toute pièce telle que tige ou basculeur peut être interposée entre la biellette (3) ou (6) et l'amortisseur(l 3) 3- Fourche selon la revendication I caractérisée en ce que le ou les bras (9), les biellettes (3) et (6) et le segment réunissant leurs axes (4) et (7) sur les platines forment un quadrilatère déformable. 4- Fourche selon la revendication 3, caractérisée en ce que le quadrilatère déformable pourra être en particulier un parallélogramme déformable. 5- Fourche selon la revendication 3, caractérisée en ce que les biellettes (3) et (6) ont leur axe d'articulation (4) et (7) sur les platines (1) en avant des axes d'articulation (5) et (8) correspondant sur le ou les bras (9), position définie en se référant au sens de déplacement du véhicule. 6 - Fourche selon la revendication 5 caractérisée en ce que les biellettes (3) et (6) ont une amplitude de rotation autour de leur axe (4) et (7) sur les platines (1) qui ne peut en aucun cas les amener en avant d'une parallèle au pivot de direction (2) passant par cet axe. 7- Fourche selon la revendication 5 caractérisée en ce que les biellettes (3) et (6) ont une amplitude de rotation autour de leur axe (4) et (7) sur les platines (1) les amenant dans leurs positions extrêmes à se situer de part et d'autre d'une perpendiculaire au pivot de direction (2) passant par cet axe.