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Page mise à jour le 24 septembre 2022

Liaisons au sol
La direction et la géométrie du train avant

Sommaire :

Liaisons au sol
La direction et la géométrie du train avant

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Histoire  

Dès que l'homme a eut inventé la roue (il semble que ce soient les Sumériens vers 4000 av.JC et non les Chinois comme ils se plaisent à le dire...), il a fabriqué le char. Tant que celui-ci n'a eu que deux roues, le problème de la direction ne s'est pas posé.

Quand on a rajouté deux autres roues pour faire un chariot, elles ont d'abord été fixes et pour tourner, il fallait faire riper l'avant. Ce n'était guère pratique et surtout cela exigeait plus de d'énergie de la part des animaux tracteurs et cela n'arrangeait pas la durée de vie des roues et des essieux.

Alors on a inventé l'essieu directeur rigide et articulé autour d'un axe central vertical appelé « cheville ouvrière ». Ce système a longtemps permis aux chariots et carrosses de circuler plus facilement et il a même été utilisé sur quelques-unes des premières automobiles.

Autant la cheville ouvrière a été abandonnée pour les automobiles, autant elle a été conservée pour les remorques à essieu avant et timon ainsi que pour réaliser l'attelage des remorques sur les camions tracteurs appelés semi-remorques.

Le principe d'une seule roue directrice a également été utilisé sur quelques véhicules hippomobiles puis automobiles mais ce système manque de stabilité dans les virages.

Planche de l'Encyclopédie de Diderot et d'Alembert
Planche de l'Encyclopédie de Diderot et d'Alembert - © DR

Théorie sommaire  

Épure de Jeantaud
Épure de Jeantaud - © P. Bérenger

Un dessin valant mieux qu'une longue explication, l'épure de Jeantaud (appelée épure d'Ackermann par les anglo-saxons) permet de comprendre immédiatement les conditions de réalisation théorique (j'insiste sur ce mot car nous verrons rapidement que la théorie sera très peu respectée) d'une direction parfaite.

Intuitivement, on perçoit que, pour que ce véhicule à essieu rigide arrière et roues directrices avant effectue un virage parfait, ses roues doivent parcourir des cercles concentriques dont le centre est situé sur l'axe des roues arrière (parce qu'elles ne sont pas directrices).

Jeantaud a postulé à partir de ses épures, que pour que cette condition soit respectée, il faut, lorsque les roues directrices sont droite, que les biellettes de direction aient leurs axes concourrants au centre de l'essieu arrière.

Attention, c'est un postulat théorique ! Elle impose des hypothèses qui sont impossibles à tenir dans la pratique :

  • les roues doivent être des disques infiniment minces et rigides ; leur contact avec le sol se réduit donc à un point ;
  • les axes de rotation des biellettes de direction doivent être verticaux ;
  • la distance entre les deux axes mobiles des biellettes de direction doit être constante.

Dans la pratique, aucune de ces conditions n'est respectée et on va voir pourquoi.

De toute façon, ce postulat n'est qu'une approximation car il s'agit d'un problème hyperstatique. Les angles de braquage des roues directrices ne peuvent pas être parfaits avec une barre de direction de longueur fixe. Il s'en faut de peu, mais c'est impossible physiquement. L'erreur reste toutefois inférieure à 1%.

Le seul mécanisme qui respecte la condition de Jeantaud pour tous les angles de braquage est le mécanisme de Davies composé de barres et coulisses peu évidentes à mettre en œuvre.

On lui préfère maintenant l'approximation du système de Bricard, dit « à quatre barres ».

Charles Jeantaud (1843-1906) était un ingénieur français, constructeur d'automobiles. En 1881, il fabrique la première automobile électrique alimentée par des batteries, la « Tilbury ». C'est avec la « Duc », que le premier record de vitesse terrestre est établi le 18 décembre 1898 (63,15 km/h). Jeantaud a produit plusieurs véhicules de forme particulière où les conducteurs étaient assis à l'arrière et en hauteur. Jeantaud n'a jamais cessé d'améliorer les sytèmes de direction à parallèlogramme.
Son entreprise ne lui a pas survécu...

 

Rodolphe Ackermann (1764-1834) était un commerçant saxon établi en Angleterre qui a breveté un système de direction à parallèlogramme inventé par le constructeur allemand Georg Lankensperger en 1817, pour les véhicules hippomobiles. Ce système avait l'énorme avantage de permettre des rayons de braquage plus petits et surtout de garder la stabilité du chariot en virage.

 

Raoul Bricard (1870–1943) était un ingénieur et un mathématicien français. Il est surtout connu pour ses contributions à la géométrie, spécialement la géométrie descriptive, le Troisième problème de Hilbert, et la cinématique, spécialement les liaisons mécaniques.

Système de Lankensperger
Système de Lankensperger - © DR

Système à quatre barres  

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Géométrie du train avant  

L'expérience a montré au fil du temps que les roues avant ou plutôt leurs axes devaient être orientés de façon optimum dans les trois plans (longitudinal X, transversal Y et vertical Z) pour assurer la meilleure tenue de route possible. On va donc détailler cette géométrie particulière et ses avantages et inconvénients.

Le parallèlisme

Il s'agit de l'angle que fait l'axe de la roue dans le plan horizontal avec l'axe transversal de l'auto. En anglais, il s'appelle toe (je l'indique car nombre de notices ou manuels d'atelier de véhicules étrangers sont rédigés en anglais).

Parallèlisme
Parallèlisme - © Philippe Bérenger

Le réglage peut être neutre, dans ce cas, les roues sont parallèles  il peut être pincé (toe-in), dans ce cas, l'avant des roues rentre vers l'intérieur (cas de la figure ci-dessus) ou être ouvert (toe-out) et dans ce cas, l'avant des roues s'ouvre vers l'extérieur.

Selon les constructeurs, ce réglage peut être indiqué en angle (angle entre les axes tiretés rouge et bleu de la figure ci-dessus) ou en différence d'écartement entre les bords avant et arrière des jantes (A et B sur la figure ci-dessus).

Pincement

Le pincement améliore la tenue de route en ligne droite mais il use le bord extérieur des pneus plus rapidement.

Ouverture

L'ouverture favorise l'entrée en virage avec l'inconvénient d'avoir tendance à entrer en virage même en ligne droite dès lors qu'une roue rencontre la moindre imperfectrion de la route. Elle use le bord intérieur des pneus plus rapidement.

Réglage

Sur les véhicules de tourisme anciens et modernes, il s'agit généralement du seul réglage possible sur le train avant, les autres, que nous allons voir plus loin, étant configurés par construction.

Le réglage du parallèlisme affecte l'usure des pneus, la stabilité en ligne droite et les caractéristiques de maniabilité en entrée de virage.

Compte tenu de ce qui vient d'être dit, il est évident que les véhicules de tourisme seront réglés avec un pincement, ce qui ne sera pas le cas pour les automobiles de rallye ou de course où le conducteur ne sera pas gêné par une correction constante de la stabilité mais aura une auto qui rentre bien dans les virages.

Si le pincement est trop prononcé, les pneus s'échauffent et la stabilité à l'accélération faiblit. A contrario, s'il est trop faible, la satbilité au freinage en pâtit.

Il est recommandé de faire vérifier son parallèlisme régulièrement (une fois par an par exemple) car les mauvaises routes et surtout la grande mode des ronds-points ont tendance à dégrader la stabilité des autos.

Il est à noter que les trains arrières présentent en général un pincement léger, en général non réglable pour contribuer à une bonne stabilité de l'auto.

Pour ma part, je déconseille fortement d'effectuer soi-même ce réglage malgré toutes les méthodes plus ou moins fiables décrites sur Internet. Votre sécurité et celle de vos passagers méritent amplement un passage chez un pro équipé d'un banc laser et qui vous fera l'opération dans les rèles de l'Art.

Ripage

Le ripage résulate d'un réglage de parallèlisme différent sur les deux roues avant. Il est évident qu'il est quasiment impossible, sauf coup de chance, d'avoir le même angle sur chacune des deux roues. Cette différence entraîne un ripage ou dérive qui fait partie des points soumis au contrôle technique obligatoire. Cette valeur s'exprime en m/km (mètres par kilomètre) et indique la variation théorique de trajectoire du véhicule. En clair, il signale si la voiture est susceptible ou non de se déporter sur la route. Actuellement (2022), le ripage maximum autorisé est de 8 m/km.

Le carrossage, l'inclinaison des pivots et le déport

Le carrossage est l'angle que fait l'axe de la roue avec la verticale dans le plan vertical transversal de l'auto. En anglais, il s'appelle camber. L'inclinaison des pivots est l'angle que fait le pivot de la roue (kingpin) avec la verticale dans le plan vertical transversal de l'auto. Le déport est la distance sur le sol entre l'axe de roue et l'axe du pivot.

Ces trois caractéristiques sont indissociables.

Carrossage
Carrossage - © Philippe Bérenger

Le carrossage est positif lorsque le haut de la roue s'écarte de la verticale (c'est la position dessinée ci-dessus) et négatif dans le cas contraire.

Le carrossage a un effet majeur sur la tenue de route de la voiture. Il est à noter qu'un pneu en virage développe un petit angle de carrossage négatif (env. 0,5 degré) à cause de son élasticité qui génère une déformation de la bande de roulement à l'interface pneu/chaussée, sur l'aire de contact.

Pour optimiser les performances d'un pneu dans un virage, le concepteur de la suspension doit supposer que le pneu fonctionne toujours avec un angle de carrossage légèrement négatif. La roue est reliée au châssis par l'intermédiaire plusieurs liaisons mobiles qui permettent l'orientation de la roue, qui est ainsi soumise à de grands changements de carrossage lorsque la suspension monte et descend. Pour cette raison, plus la roue doit s'écarter de sa position statique, plus il est difficile de maintenir un angle de carrossage idéal.

Il est important de faire la distinction entre le carrossage par rapport à la route et le carrossage par rapport au châssis. Pour maintenir le carrossage idéal par rapport à la route, la suspension doit être conçue de manière que le carrossage des roues par rapport au châssis devienne de plus en plus négatif à mesure que la suspension fléchit vers le haut. Si la suspension était conçue de manière à ne maintenir aucun changement de carrossage par rapport au châssis, alors le roulis induirait un carrossage positif de la roue par rapport à la route. Ainsi, pour annuler l'effet du roulis, la suspension doit être conçue de sorte qu'elle tire vers le haut de la roue (c'est-à-dire qu'elle accroisse le carrossage négatif) lorsqu'elle est déviée vers le haut.

Le maintien de l'angle de carrossage idéal tout au long du débattement de la suspension garantit que le pneu fonctionne avec une efficacité maximale, c'est pourquoi les suspensions avant des voitures de tourisme gagnent en carrossage positif lorsqu'elles sont déviées vers le haut. Le but d'une telle conception est de rendre la voiture de plus en plus sous-vireuse en virage, ce qui est beaucoup plus sûre et plus stable que le survirage. Attention ! ceci est à relativiser car malgré ces réglages, une survireuse restera survireuse mais dans une moindre mesure...

On l'aura compris, un carrossage fortement négatif est gage de bonne adhérence en virages, mais de faible adhérence en accélération/freinage en ligne droite (le pneu n'est pas vraiment à plat sur la route lorsque les roues ne sont pas appuyées en virage). À l'inverse, un carrossage négatif faible favorisera les reprises en ligne droite et pénalisera les vitesses de passage en courbe.

L'inclinaison du pivot contribue ainsi au carrossage global. Et la valeur du déport, positif comme sur le dessin ci-dessus, c'est à dire lorsque les deux axes se croisent sous le plan de la route, ce qui est le cas général, possède une mise au point facile. Mais, si les forces de freinage sont mal réparties, le mauvais comportement de la voiture est accentué et cel risque de provoquer un tête-à-queue...

Par contre, le déport négatif (les deux axes se croisent au dessus du plan de la route) a quelques avantage mais la mise au point de cette nouvelle géométrie des essieux a été longue. L'Audi 80 est la première voiture de grande série qui a possédé ce système. Quand la décélération est plus forte d'un côté que de l'autre pendant le freinage, la résultante des forces permet un contre-braquage automatique de 1 à 2 degrés sans que le pilote n'ait à intervenir.

La chasse

La chasse est l'angle que fait l'axe de la roue avec la verticale dans le plan vertical longitudinal de l'auto. En anglais, elle s'appelle castor (qui n'a rien à voir avec l'animal, en anglais beaver du vieux nom français bièvre).

Chasse
Chasse - © Philippe Bérenger

La chasse génère un auto-alignement des roues directrices dans l'axe de déplacement du véhicule. L'angle de chasse se mesure en degrés et le déport de chasse se mesure en centimètres ou millimètres.

La chasse améliore donc la stabilité en ligne droite, a tendance à générer un pincement des roues et favorise le braquage en virages relevés. Par contre, elle bascule le chassis dans le sens de la force centrifuge en virage non relevé.

L'influence de la chasse sur la tenue de cap du véhicule est due au fait que les roues sont tirées, c'est à dire que le point d'application du pneu sur le sol est en arrière du point de direction (intersection de l'axe du pivot avec le sol). Cette inclinaison du pivot se retrouve sur tous les véhicules (automobiles, motocyclettes, vélos, poids lourds, etc.).

Une autre méthode pour tirer la roue est de décaler le pivot de direction devant l'axe de la roue ; mais cela n'est utilisé que dans l'aviation ou pour ... les chariots de supermarchés.

Réglage et défauts

Rares sont les véhicules sur lesquels ce réglage est possible.

Lorsque la chasse est faible (inférieure à 1 deg.), le rappel de direction est mauvais et le véhicule a tendance à flotter (manque de stabilité de direction, louvoiement). Lorsque la chasse est forte (supérieure à 4 deg.), la direction est dure, la trajectoire instable en virage, le rappel trop important et cela génère des réactions désagréables au freinage.

Lorsque les angles des roues avant ne sont pas égaux, la direction tire du côté où la chasse est plus faible, la trajectoire devient instable et la direction plus dure et bien sûr les pneus s'usent éxagérément.

Au braquage, la chasse donne du carrossage négatif à la roue extérieure et du carrossage positif à la roue intérieure, ce qui est bénéfique à l'accroche du train avant. Elle déporte aussi l'avant de la caisse vers l'intérieur du virage par rapport à l'aire de contact des pneus. Un moment de rappel de la direction est ainsi généré avec la force centrifuge, la direction tendant à se tourner dans le sens opposé au virage.

 

 

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