Fourches à parallélogramme et assimilées (3/3)

Dans ce 3ème article vous trouverez une vidéo de l'ensemble des animations et une méthode de construction de l'épure du mécanisme.

Méthode de construction de l'épure :

Le logiciel utilisé est SolidWorks mais la méthode reste bien-sûr valable pour d'autres outils.

Cette épure est une esquisse dans un fichier de type pièce (.sldprt).

Elle permet de piloter les dimensions de toutes les pièces du mécanisme (taille des roues, longueurs et positions des triangles...de l'amortisseur...).

Commençons par définir l'empattement et la taille des roues (ou pneus).

Définissons un axe de colonne Avec un angle et une châsse au sol définis, la valeur de déport se trouve déduite.

Poursuivons avec le schéma cinématique complet.

Sur le triangle inférieur on ajoutera un petit segment perpendiculaire au plus long côté. Ce segment permet de situer la fixation inférieure de l'amortisseur. Attention, on veillera par la suite que cette fixation soit toujours du même côté (au-dessus ou au-dessous) pour les 3 postions du mécanisme que nous tracerons.

On continue en choisissant quelques cotes.

Ce choix est arbitraire mais il est guidé par les contraintes techniques ou l'esthétique de la moto.

On peut aussi être guidé par des contraintes d'encombrement.

Ici, on a choisi de figer les positions des pivots entre le cadre et les triangles.

On s'impose aussi une longueur du triangle inférieur et une cote situant partiellement l'ancrage supérieur de l'amortisseur.

Celui-ci aura une longueur initiale également figée (300 mm).

On souhaite que sa compression soit quasi proportionnelle à l'enfoncement de la roue avec un facteur de 2 et un débattement de roue de 120 mm.

On dessine alors 2 autres postions du triangle inférieur et on indique les cotes et relations géométriques nécessaires (égalités de longueurs de segments).

L'amortisseur passe ainsi de 300 à 270 puis 240 mm quand l'axe de roue se déplace de 60 puis à nouveau 60 mm.

La trajectoire de cet axe de roue reste à définir.

On peut par exemple imposer le fait que les 3 points soient alignés afin de se rapprocher le plus possible de la cinématique d'une fourche télescopique classique.

On doit ensuite compléter les positions 2 et 3 (mi-course et fin de course) par les autres éléments du mécanisme : le triangle supérieur et le porte-roue.











Le choix d'une cote, comme ici la longueur du triangle supérieur, va permettre d'obtenir l'épure finale.

On aurait également pu choisir de quantifier l'évolution de la chasse au sol et donc imposer un déport variable.

C'est ce qui est choisi sur cette autre épure (correspondant à la vidéo).








Et si, finalement, le concepteur souhaite faire une moto à empattement quasi constant, il peut faire ceci (OK, le design reste à améliorer !) :

Fourches à parallélogramme et assimilées (2/3)

Regardons maintenant ce qui se passe avec une moto équipée d'une fourche à quadrilatère quelconque.






La figure MNLK n'est pas un parallélogramme car, si les côtés [MK] et [NL] peuvent sembler parallèles, ils ne sont pas de même longueur. Les côtés [MN] et [KL] sont visiblement ni parallèles, ni de même longueur.

Mouvement de la fourche 2 par rapport au châssis 1 :

Vous remarquerez qu'il ne s'agit plus d'une translation ! (Circulaire ou pas !!)

La fourche porte-roue pivote par rapport au châssis. Nous avons une combinaison de rotation et de translation...il s'agit d'un mouvement plan (ou mouvement plan sur plan).

Focalisez-vous sur la trajectoire de l'axe de roue.

Vous constatez que celle-ci est très proche d'un segment de droite (la variation de déport est très faible), comme avec une fourche télescopique à déport constant. On peut donc envisager un comportement comparable à celle-ci.

Mouvement du châssis 1 par rapport au sol 0 :

Tracé des trajectoires par rapport au châssis :

Fourches à parallélogramme et assimilées (1/3)

Dans cet article et les 2 suivants je vous propose de nous intéresser aux "Girder forks", aux fourches dites "à parallélogramme",  ou assimilées...ce qui sous-entend que le terme est parfois utilisé de manière inappropriée. Il s'agit en effet parfois d'un "quadrilatère quelconque" et non d'un véritable parallélogramme. Les conséquences sont très importantes sur la cinématique de la fourche et le comportement de la moto.

Toutes ces fourches reposent sur le même schéma cinématique. La roue avant est liée en pivot avec une fourche porte-roue rigide, généralement symétrique. Cette fourche porte-roue supporte également le ou les étriers de freins (non représentés dans cette étude). Le déplacement de ce porte-roue par rapport au châssis (mouvement de suspension avant) est obtenu grâce à deux leviers articulés que nous appellerons "triangles de suspension" par analogie avec les systèmes automobiles à triangles superposés. En partie basse, juste au dessus de la roue nous trouvons le triangle inférieur. Un peu plus haut, sous le guidon, nous avons le triangle supérieur. Les triangles sont tous les deux articulés sur le groupe cinématique guidon, lui-même en liaison pivot avec le châssis au niveau de la colonne de direction (de la même manière qu'une fourche télescopique habituelle). Pour contrôler et absorber ce mouvement de suspension on insère un amortisseur entre un des triangles et le le groupe guidon. Pour des raisons d'encombrement ces généralement le triangle inférieur qui est relié à cet amortisseur. Sur les motos très anciennes, il n'existait pas encore de combiné amortisseur comme aujourd'hui. On utilisait des éléments à friction et des ressorts (à lames, à spirale ou hélicoïdaux).

Définissons quelques paramètres géométriques de départ pour notre moto d'étude :

- empattement 1600 mm (OK c'est long !)

- roue avant de diamètre 600 mm

- roue arrière de diamètre 630 mm

- angle de chasse de 28°

- chasse au sol (trainée) de 130 mm au départ

On souhaite un débattement avant de 120 mm et le rapport d'enfoncement entre la roue et l'amortisseur soit quasi constant à une valeur de 2. Au départ l'amortisseur fera 300 mm de long. A mi-course, pour 60 mm de déplacement de l'axe de roue avant, l'amortisseur sera comprimé de 30 mm (donc longueur = 270 mm) et en fin de course, pour 120 mm à l'axe de roue nous aurons un amortisseur comprimé de 60 mm (l = 240 mm).

Ces choix seront conservés pour toute l'étude.

Commençons par une moto équipée d'un "vrai" parallélogramme.

Un rappel mathématique s'impose.

Observons la vue latérale de la moto et le détail des éléments articulés :

Vue latérale droite et repérage des groupes cinématiques

La figure MNLK est un parallélogramme car les côtés [MN] et [KL] sont parallèles et de même longueur.
(En conséquence, les côtés [MK] et [NL] sont également parallèles et de même longueur).

 Voici le mouvement de la fourche 2 par rapport au châssis 1 :

Comme nous avons un vrai parallélogramme, le mouvement 2/1 est une translation circulaire.

Dans une translation, il n'y a aucun pivotement. La fourche se déplace parallèlement à elle-même (cette expression n'est sans doute pas très claire alors regardez les images qui bougent !).

Il n'est donc pas possible avec ce système d'obtenir une trajectoire de l'axe de roue comparable à celle obtenue avec une fourche télescopique (un segment de droite).

 Mouvement du châssis 1 par rapport au sol 0 :

L'observation du mouvement de la fourche 2 par rapport au châssis 1 est intéressant mais dans la réalité, n'oublions pas que la moto est posée sur ses roues (sauf figure acrobatique !). Il faut donc regarder comment le châssis se déplace par rapport au sol lors des mouvements de suspension. Dans toute l'étude la suspension arrière est figée. Seule la suspension avant travaille (et vous, pour lire cette prose).

Tracé des trajectoires par rapport au châssis :

Pour effectuer ces tracés, il faut procéder étape par étape. Ne pas oublier que les pièces sont indéformables et que par conséquent de nombreuses distances sont invariables. Lorsqu'on identifie un mouvement de rotation on en déduit que les trajectoires sont des cercles. Et petit à petit on peut construire toutes ces lignes...

On pourra relever la diminution de la valeur de chasse au sol. La valeur finale de 95 mm a été choisie...nous verrons comment....

On relève également que la valeur de déport (distance entre le centre de roue et l'axe de colonne de direction) n'est pas constante, contrairement à une fourche télescopique conventionnelle.