Brevet FR3042445A1 — publié le 20170421

SUSPENSION A RESSORT METALLIQUE ET HYDROPNEUMATIQUE POUR VEHICULE L'invention a trait au domaine des véhicules automobiles, plus particulièrement au domaine des suspensions de véhicules automobiles. La figure 1 illustre un dispositif de suspension connu de l'homme de métier. Ce dispositif est du type pseudo Macpherson avec amortisseur bitube. Le dispositif 102 comprend une cartouche 104 pourvue d'un tube extérieur 1041 et d'un tube intérieur 1042 concentrique avec le tube extérieur. Une tige 106 pénètre le tube intérieur 1042 et est équipée d'un piston 108 coulissant dans le tube en question. Un ressort métallique de compression 110, du type ressort à boudin, est disposé autour de la tige 106 et est en appui, à une extrémité, sur une surface d'appui 112 solidaire du haut de la cartouche 104 ainsi que, à l'extrémité opposée, sur une autre surface d'appui (non représentée) solidaire avec le haut de la tige 106. Le tube intérieur 1042 est totalement rempli d'huile et la chambre de section annulaire délimitée par les deux tubes 1041 et 1042 est quant à elle partiellement remplie d'huile. Un clapet 114 est disposé à l'extrémité inférieure du tube intérieur 1042 de manière à former un ou plusieurs passages de section réduite pour l'huile lorsqu'elle est repoussée par le piston 108 lors de la compression du dispositif. Dans ce dispositif, la raideur est exclusivement assurée par le ressort 110. Il s'agit d'un ressort hélicoïdal présentant une raideur constante. La loi de comportement déformation-effort est linéaire. Une telle loi a pour effet que le véhicule présente des variations d'assiette en fonction de la charge. Aussi la fréquence de suspension verticale diminue quand la charge augmente, notamment lorsque le coffre arrière est chargé ou lorsque 4 ou 5 personnes sont dans le véhicule. Une diminution de la fréquence verticale est avantageuse pour le confort, cependant la configuration de chargement susmentionnée ne correspond pas à l'utilisation la plus courante d'un véhicule. Le document de brevet publié FR 2 907 049 Al divulgue un dispositif de suspension de véhicule, comprenant essentiellement un premier étage constitué d'un premier ressort et d'un amortisseur en parallèle, et un deuxième étage constitué d'un deuxième ressort sans amortisseur et d'une raideur supérieure à celle du premier ressort. De plus, les deux étages sont reliés entre eux par une masse raccord. L'objectif de cette configuration de suspension est d'amortir de manière satisfaisante 3042445 2 les irrégularités de la route sans pour autant dégrader la tenue de route du véhicule. Cette configuration est par conséquent intéressante mais présente des inconvénients d'encombrement et de coût de production. Le document de brevet publié US 2,622,872 divulgue différentes configurations de 5 suspension de véhicule. Une de ces configurations (voir figure 2 de ce document) correspond quelque peu à celle du document précédent, à savoir avec un premier étage constitué d'un premier ressort et d'un amortisseur en parallèle, et un deuxième étage constitué d'un deuxième ressort sans amortisseur. D'autres configurations (voir figures 3 et 4 de ce document) comprennent un ressort pneumatique où 10 l'amortissement se fait par le ressort en question par voie pneumatique ou hydraulique. L'utilisation d'un ressort pneumatique est intéressante en ce que la loi de comportement déformation-effort n'est pas linéaire, à savoir que la raideur du ressort augmente avec la charge sous l'effet de la compression du gaz. Elle présente cependant des inconvénients de maintien de l'étanchéité au gaz. En effet, 15 celle-ci est habituellement réalisée au moyen d'un joint souple en forme de manchette formant un pli. Or un tel joint présente une raideur qui varie avec la température, ce qui génère une raideur parasite variable. De plus, ce joint est sujet à vieillissement et, partant, à des problèmes de fiabilité. L'invention a pour objectif de pallier au moins un des inconvénients de l'état de l'art 20 susmentionné. Plus particulièrement, l'invention a pour objectif de proposer une suspension de véhicule automobile qui présente une raideur variable en fonction de la charge tout en restant compacte et économique. L'invention a pour objet un dispositif de suspension de véhicule, comprenant : une cartouche contenant un liquide tel que de l'huile ; une tige avec, à une extrémité, un 25 piston coulissant dans la cartouche selon une course donnée, ladite tige sortant au moins partiellement de ladite cartouche ; un ressort de compression entourant la tige et en appui, à une extrémité, sur la cartouche et, à l'extrémité opposée, sur la tige ; remarquable en ce que le dispositif comprend un volume de gaz sous pression configuré pour exercer via le liquide un effort élastique sur la tige tendant à faire 30 sortir ladite tige de la cartouche. Selon un mode avantageux de l'invention, l'effort élastique moyen exercé par le gaz sur la tige est identique à l'effort exercé par le ressort sur ladite tige ou en diffère de 3042445 3 moins de 30%, préférentiellement de moins de 15%, plus préférentiellement de moins de 10%. Par effort moyen on peut entendre l'effort à l'équilibre lorsque le dispositif est monté sur le véhicule et que le véhicule est en appui sur le sol. L'effort moyen peut être celui qui correspond à une position d'enfoncement de la tige 5 compris entre 30% et 70% de la course, préférentiellement entre 40% et 60% de ladite course. Selon un mode avantageux de l'invention, le gaz exerce l'effort élastique sur la tige sur la totalité de la course de ladite tige. Selon un mode avantageux de l'invention, le volume de gaz sous pression est dans 10 une enveloppe étanche déformable en contact, préférentiellement direct, avec le liquide. Selon un mode avantageux de l'invention, la cartouche comprend un premier tube et un deuxième tube disposé à l'intérieur du premier tube de manière à former entre lesdits tubes une chambre de section annulaire en communication hydraulique avec 15 l'intérieur du deuxième tube, le piston coulissant dans le deuxième tube. Selon un mode avantageux de l'invention, le deuxième tube comprend à une extrémité opposée à la sortie de la tige de la cartouche un clapet limitant le passage du liquide repoussé par le piston lors de l'enfoncement de la tige dans la cartouche. Selon un mode avantageux de l'invention, le volume de gaz sous pression est logé 20 dans la chambre de section annulaire. Avantageusement, le gaz sous pression est de l'azote. Selon un mode avantageux de l'invention, le volume de gaz sous pression est logé dans une chambre externe à la cartouche, hydrauliquement connectée à l'intérieur de ladite cartouche. 25 Selon un mode avantageux de l'invention, la pression du gaz est supérieure à 30 bars, préférentiellement 45 bars, plus préférentiellement 60 bars sur la totalité de la course de la tige. Selon un mode avantageux de l'invention, la cartouche comprend des moyens de fixation d'une roue du véhicule, latéralement à ladite cartouche, le ressort s'étendant 3042445 4 suivant une direction principale inclinée d'un angle a par rapport à la direction principale de la tige de manière à ce que l'extrémité du ressort opposée à la cartouche soit latéralement plus éloignée de ladite roue que l'extrémité opposée dudit ressort. L'angle a est non nul. Il est avantageusement compris entre 30° et 5°, 5 plus avantageusement entre 20° et 10°. Avantageusement, le dispositif comprend un moyeu de roue rigidement fixé à la cartouche. Le moyeu de roue est avantageusement disposé latéralement à la cartouche. L'invention peut également avoir pour objet un véhicule automobile comprenant au 10 moins un dispositif de suspension conforme à l'invention. Les mesures de l'invention sont intéressantes essentiellement en ce qu'elles combinent les avantages spécifiques des ressorts métalliques et des ressorts hydropneumatiques sans pour autant en combiner les coûts et l'encombrement. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux 15 compris à l'aide de la description et des dessins parmi lesquels : - La figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de suspension selon l'état de la technique ; - La figure 2 est une vue schématique d'un dispositif de suspension selon l'invention ; 20 - La figure 3 est un schéma fonctionnel du dispositif de la figure 2 ; - La figure 4 comprend deux vues schématiques d'un dispositif de suspension selon l'invention, celle de gauche correspondant au dispositif de la figure 2 et celle de droite correspondant à une configuration alternative. La figure 1 a été décrite précédemment dans la partie relative à l'art antérieur. 25 La figure 2 illustre de manière schématique un dispositif de suspension conforme à l'invention. Le dispositif 2 comprend une cartouche 4 formant une enceinte fermée dans laquelle rentre et coulisse une tige 6. La cartouche 4 comprend un premier tube 41 qui est un tube extérieur et un deuxième tube 42 qui est disposé à l'intérieur du premier tube 41 et qui lui est concentrique. La tige 6 comprend, à son extrémité 3042445 5 située dans la cartouche 4, un piston 8 coulissant de manière essentiellement étanche dans le tube intérieur 42. A cet effet, le piston peut comprendre un ou plusieurs joints, notamment en matériau souple comme de l'élastomère, en contact avec la surface intérieure du tube 42. 5 Un ressort 10 du type à boudin ou encore hélicoïdal est disposé autour de la tige 6 et de la partie haute de la cartouche 4. Il s'agit d'un ressort de compression en appui, à une extrémité, sur un support 12 solidaire avec la cartouche 4 et, à l'extrémité opposée, sur un autre support non représenté, solidaire avec la tige 6. Le ressort 10 exerce ainsi un effort élastique d'extension entre la cartouche 4 et la tige 10 6, tendant à faire sortir la tige de la cartouche. Le tube intérieur 42 comprend à son extrémité inférieure, c'est-à-dire celle qui est opposée à l'extrémité dudit tube où la tige 6 rentre dans la cartouche 4, un clapet 14 destiné à former un ou plusieurs passages de section réduite pour un liquide tel que de l'huile 16 contenue dans la cartouche, lorsque la tige 6 s'enfonce dans la 15 cartouche et que le liquide 16 est repoussé par le piston 8 et/ou par l'enfoncement de la tige vers le clapet 14 en question. Plus précisément le clapet 14 peut être équipé d'un clapet anti-retour permettant le passage du liquide sans perte de charge ou du moins sans perte de charge significative en direction du piston 8. Similairement, le piston 8 peut comprendre un ou plusieurs passages de section 20 réduite pour le liquide lors de la sortie de la tige 6 de la cartouche 4, c'est-à-dire depuis la face du piston 8 située du côté de la tige 6 vers la face opposée dudit piston. Toujours similairement au clapet 14, le piston 8 peut être équipé d'un clapet anti-retour permettant le passage du liquide sans perte de charge ou du moins sans perte de charge significative depuis la face du piston 8 qui est opposée à la tige 6 25 vers la face dudit piston située du côté de la tige 6. L'enceinte fermée et étanche formée par la cartouche 4 comprend une entité de gaz sous pression 18. Il s'agit d'une masse donnée de gaz, tel que de l'azote, qui est comprimé et qui est configuré pour exercer sa pression sur le liquide 16 de la cartouche 4. A cet effet, la masse de gaz peut être enfermée dans une enceinte 30 étanche et déformable. En l'occurrence, cette enceinte est logée dans la chambre de section annulaire située entre le tube extérieur 41 et le tube intérieur 42. La totalité de l'enceinte formée par la cartouche 4 est avantageusement remplie par le liquide et 3042445 6 par le gaz sous pression de manière à exercer en permanence un effort élastique sur la tige 6 tendant la faire sortir de la cartouche 4. Le principe de fonctionnement de l'enceinte sous pression est le suivant. Lorsque la tige 6 s'enfonce dans la cartouche 4, un volume correspondant à la longueur 5 d'enfoncement de la tige pénètre dans l'enceinte et réduit ainsi l'espace disponible pour le liquide 16 et le gaz 18. Ces derniers sont alors mis sous pression et c'est le gaz qui se comprime, à la manière d'un ressort. Compte tenu que le clapet 14 et le piston 8 permettent le passage du liquide, la pression de ce dernier sur la tige est exercée de manière effective sur la section de la tige, résultant en un effort sur la 10 tige dirigé vers l'extérieur. Le liquide 16 mis sous pression variable par le gaz 18 forme ainsi un ressort hydropneumatique. Le dispositif de suspension 2 comporte ainsi deux ressorts disposés en parallèle, à savoir le ressort métallique 10 et le ressort hydropneumatique formé par le liquide 16 et le gaz sous pression 18. Compte tenu de l'agencement en parallèle des deux 15 ressorts, la raideur totale du dispositif de suspension est la somme des raideurs des ressorts. Cela signifie que pour une charge donnée et en comparaison avec un dispositif de suspension classique, tel qu'illustré à la figure 1, le ressort métallique peut présenter une raideur inférieure et, partant, être dimensionné en conséquence, c'est-à-dire plus léger et plus compact. 20 De plus, la présence du ressort hydropneumatique confère à la raideur totale du dispositif une composante à comportement non linéaire, ce qui est particulièrement intéressant d'un point de vue confort. En effet, la variation d'effort résistant par unité de compression du ressort hydropneumatique augmente avec l'enfoncement de la tige dans la cartouche. Ce phénomène est essentiellement lié à la loi de Boyle- 25 Mariotte selon laquelle le produit du volume et de la pression d'une quantité donnée de gaz est constante. En d'autres termes, la pression du gaz augmente selon une courbe hyperbole en fonction de la diminution de son volume. Le fait que le ressort hydropneumatique participe seulement en partie à la raideur totale du dispositif a pour effet qu'il peut être sous dimensionné par rapport à un 30 ressort hydropneumatique qui devrait assurer la totalité de la raideur. Cela signifie qu'il va pouvoir travailler à des pressions plus faibles et que les étanchéités seront moins sollicitées. 3042445 7 A titre d'exemple, pour une masse totale à porter par le dispositif de l'ordre de 500 kg, le ressort métallique n'aura que la moitié à porter, soit de l'ordre de 250 kg. Il pourra alors présenter une raideur réduite, une masse réduite et un encombrement réduit. A titre d'exemple, il pourra présenter une raideur de l'ordre 10 N/mm contre 5 une raideur de l'ordre de 20 à 40 N/mm pour un dispositif classique selon la figure 1. Similairement, le ressort hydropneumatique pourra présenter une pression d'équilibre réduite à environ 78 bars pour un diamètre de tige de 20mm, contre une pression d'équilibre d'environ 156 bars pour un ressort hydropneumatique portant la totalité de la charge. 10 Toujours en relation avec la figure 1, on peut observer que le ressort 10 est orienté de manière à ce que son axe longitudinal forme un angle a avec l'axe longitudinal de la tige 6 et de la cartouche 4. Cette inclinaison est orientée de manière à ce que l'effort élastique du ressort 10 comprenne une composante horizontale dirigée vers l'extérieur, en l'occurrence vers la droite sur la figure, destinée à s'opposer à un 15 effort parasite horizontal opposé généré par la roue supportée par le dispositif 2. En effet, la roue est destinée à être fixée latéralement et de manière solidaire au dispositif, ce dernier assurant le maintien en position de celle-ci. En référence à la figure 2, la cartouche comprend une zone de fixation 20 d'une barre anti-dévers, la roue étant destinée à être fixée du côté opposé de la cartouche 4. L'effort sur le 20 dispositif résultant de la pression de contact entre le pneu de la roue et la route génère un couple tendant à faire pivoter le dispositif dans le sens anti horloger, ce couple générant des efforts essentiellement horizontaux au niveau des contacts entre la tige 6 et la cartouche 4, ces efforts pouvant alors être au moins partiellement équilibrés par le ressort 10 disposé de manière inclinée. Il est donc intéressant que 25 le dispositif 2 puisse conserver la présence d'un ressort métallique, notamment à cet effet d'équilibrage des forces parasites. La figure 3 illustre un schéma fonctionnel du dispositif de la figure 2. La roue 22 et la masse 24 du véhicule à porter y sont représentées. Le dispositif de suspension 2 est représenté de manière fonctionnelle entre la roue 22 et cette masse 24. On peut 30 observer le ressort métallique 10 disposé en parallèle à un amortisseur classique réalisé par le piston 8 pourvu de passage(s) à section réduite et/ou de clape(s) antiretour, et par le clapet 14 également de passage(s) à section réduite et/ou de clape(s) anti-retour. On peut également observer le ressort hydropneumatique 3042445 8 formé, essentiellement, par la tige 6 rentrant dans la cartouche 4, et le liquide en connexion hydraulique avec le volume de gaz 18. De manière optionnelle, on peut prévoir une pompe 26 pour le liquide, en connexion hydraulique avec un réservoir 28 et avec l'enceinte de la cartouche 4 remplie du 5 liquide. Une telle pompe permet de modifier l'assiette du véhicule. La figure 4 illustre deux vues schématiques d'un dispositif de suspension selon l'invention. La vue de gauche correspond essentiellement au dispositif 2 de la figure 2, où le volume de gaz sous pression 18 est disposé à l'intérieur de la cartouche 4. 10 La vue de droite correspond à une configuration alternative 2' du dispositif où le volume de gaz sous pression 18 est disposé dans une enceinte spécifique 30 reliée hydrauliquement à l'enceinte de la cartouche 4 par une conduite 32. En l'occurrence l'enceinte 30 présente une forme essentiellement sphérique dans laquelle le gaz sous pression 18 est délimité par une membrane ou une enveloppe déformable. Des 15 moyens d'amortissement du type étranglement peuvent être disposés dans la conduite 32. REVENDICATIONS1. Dispositif (2, 2') de suspension de véhicule, comprenant : - une cartouche (4) contenant un liquide (16) tel que de l'huile ; - une tige (6) avec, à une extrémité, un piston (8) coulissant dans la cartouche (4) selon une course donnée, ladite tige (6) sortant au moins partiellement de ladite cartouche (4); - un ressort de compression (10) entourant la tige (6) et en appui, à une extrémité, sur la cartouche (4) et, à l'extrémité opposée, sur la tige (6) ; caractérisé en ce que le dispositif comprend un volume de gaz sous pression (18) configuré pour exercer via le liquide (16) un effort élastique sur la tige (6) tendant à faire sortir ladite tige de la cartouche (4). 2. Dispositif (2, 2') selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'effort élastique moyen exercé par le gaz sous pression (18) sur la tige (6) est identique à l'effort moyen exercé par le ressort (10) ou en diffère de moins de 30%, préférentiellement de moins de 15%, plus préférentiellement de moins de 10%. 3. Dispositif (2, 2') selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le gaz sous pression (18) exerce l'effort élastique sur la tige (6) sur la totalité de la course de ladite tige. 4. Dispositif (2, 2') selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le volume de gaz sous pression (18) est dans une enveloppe étanche déformable en contact, préférentiellement direct, avec le liquide (16). 5. Dispositif (2, 2') selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la cartouche (4) comprend un premier tube (41) et un deuxième tube (42) disposé à l'intérieur du premier tube (41) de manière à former entre lesdits tubes une chambre de section annulaire en communication hydraulique avec l'intérieur du deuxième tube (42), le piston (8) coulissant dans le deuxième tube (42). 6. Dispositif (2, 2') selon la revendication 5, caractérisé en ce que le deuxième tube (42) comprend à une extrémité opposée à la sortie de la tige (6) de la 3042445 10 cartouche (4) un clapet (14) limitant le passage du liquide (16) repoussé par le piston (8) lors de l'enfoncement de la tige (6) dans la cartouche (4). 7. Dispositif (2) selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le volume de gaz sous pression (18) est logé dans la chambre de section 5 annulaire. 8. Dispositif (2') selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le volume de gaz sous pression (18) est logé dans une chambre (30) externe à la cartouche (4), hydrauliquement connectée à l'intérieur de ladite cartouche. 9. Dispositif (2, 2') selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la 10 pression du gaz est supérieure à 30 bars, préférentiellement 45 bars, plus préférentiellement 60 bars sur la totalité de la course de la tige. 10. Dispositif (2, 2') selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la cartouche (4) comprend des moyens de fixation d'une roue du véhicule, latéralement à ladite cartouche (4), le ressort (10) s'étendant suivant une 15 direction principale inclinée d'un angle a par rapport à la direction principale de la tige (6) de manière à ce que l'extrémité du ressort (10) opposée à la cartouche (4) soit latéralement plus éloignée de ladite roue que l'extrémité opposée dudit ressort. 20