Ressort mécanique vs pneumatique

Salut,

J'ai concocté un petit résumé comparatif du fonctionnement d'une fourche (ou amortisseur) à ressort mécanique, donc ressort métallique classique, ou ressort pneumatique, communément appelé "à air", à partir de fragments d'info que j'avais déjà posté il y a quelques temps.

Tout d'abord, il faut faire la distinction entre ressort et amortissement. Le ressort « n'amortit » pas, il ne fait qu'emmagasiner puis restituer de l'énergie lors d'un choc, lorsqu'il est sollicité en compression (ou extension). Le ressort peut être mécanique, composé de spires métalliques, ou pneumatique, il s'agit alors d'une chambre hermétique sous pression à volume variable.

L'amortissement à proprement parler est assuré sur la majorité des fourches par un piston allant et venant dans un bain d'huile, « ouvert » ou « fermé » suivant la fourche. Le laminage de l'huile à travers des trous dans la tête du piston, le corps d'une cartouche et/ou un système de clapetterie créent une force de frottement dissipant l'énergie du choc puis du ressort en retour par échauffement et dissipation thermique.
Il est réalisé par la compression / le frottement d'élastomères dans les fourches bas de gamme.

Ensuite, attention à ne pas confondre ressort à air et précharge du ressort par air. Sur pas mal de fourches il est possible de mettre sous pression une chambre voir tout un jambage afin d'obtenir une fourche plus ferme (la chambre d'air sous pression vient comprimer le ressort et agit elle-même comme un mini-ressort), mais le ressort principal reste un ressort mécanique.

Parlons un peu des différences entre ressort air et ressort à spires.
Un ressort à air est progressif (constante de raideur variable en fonction du volume, pour faire simple, à pression égale, il ne faut pas la même force d’impact pour réduire un volume V de 500 à 450cm3 que de 450 à 400cm3, contrairement à un ressort mécanique qui nécessite la même force supplémentaire pour le comprimer de 1cm peu importe sa compression initiale, seule la différence d'enfoncement ayant une influence), oui MAIS, sa "raideur équivalente" pour un enfoncement donné de la fourche est plus faible que pour un ressort mécanique sur la majeure partie du débattement, d'où :
- sensation de "vide", c’est à dire qu'on a la sensation que la fourche s'enfonce trop vite avec peu d'effort sur les 2/3 de son débattement. Dans la pratique, une fourche à air fonctionne plus loin dans son débattement. Elle consomme plus de débattement pour un même choc qu'une fourche à ressort mécanique sur les 2 premiers tiers du débattement, puis devient plus rigide qu’un ressort méca dans le dernier tiers.
- moins de capacité d'absorption sur les 2 premiers tiers, car la somme de toutes les raideurs équivalentes (= intégrale de la courbe de la raideur en fonction du volume donc de la compression de la fourche) est plus faible que pour une fourche à ressort mécanique, mais talonnage beaucoup plus difficile grâce à l’énorme raideur en fin de course.
- moins de sensibilité car les joints doivent résister à plus de pression, donc être parfaitement étanches (frottements), et l'air est sensible à la température ambiante et à l’échauffement (variation de la pression dans un volume fermé ). A noter que le problème de sensibilité est très bien maitrisé grâce à l'utilisation d'une chambre négative très efficace sur les fourches récentes moyen/haut de gamme.

Un ressort mécanique à spires classique (acier ou titane, seul le poids les démarque) est au contraire totalement linéaire dans son comportement, il possède une constante de raideur fixée (en N/m), seul la variation d'enfoncement compte dans l'énergie stockée/dépensée et non pas la position dans l'enfoncement. S'il faut 500N pour le comprimer de 5cm, il faudra 1000N pour 10cm etc. De plus, il est parfaitement possible d'utiliser la progressivité de l'air dans une fourche à ressort mécanique en jouant sur le volume d'huile, ou avec le réglage approprié (sur les marzo et RS 2010+, diminution du volume restant en fin de compression, augmentation du ratio, augmentation de la force nécessaire pour un même enfoncement sur les 20% de fin de course en gros, le reste est un peu négligeable), ou aussi avec la précharge par air comme dit au début, puisque l'air préchargé se comporte comme un ressort pneumatique dans la fourche. Cela allie donc les avantages des 2.
A noter qu'il est possible de précharger négativement sa fourche (comprimer puis faire sortir l'air) pour obtenir une plus grande sensibilité en début de course (ressort pneumatique « tirant » dans le sens de la compression donc luttant contre les frottements internes nuisant à la sensibilité ), ce qui joue le rôle d'une chambre négative pour une fourche à ressort mécanique.

Remarque : Une fourche à air peut encaisser des chocs aussi gros qu'une fourche à ressort méca, mais cela comporte plus de risques car les joints vont devoir supporter une pression énorme en fin de débattement, et cela peut nécessiter de mettre plus de pression initiale au détriment de la sensibilité.

Enfin, la gestion hydraulique des basses et hautes vitesses couplée à tout ça permet de corriger les effets de tel ou tel ressort, donc on retrouvera un comportement similaire après réglages, même si l'air consommera plus de débattement en début/milieu de course.

Avantages ressort :
- fiabilité
- gestion hydraulique non affectée par le ressort

Avantages air :
- poids
- réglage infini

Quelques mots sur l'hydraulique d'amortissement en passant : Les cartouches basiques genre RCV ont des réglages pour modifier le nombre et la taille des trous de laminage de l'huile => + ou – de laminage donc + ou – de frottements, + ou – d'amortissement.
Les cartouches plus complexes utilisent des circuits haute et basse vitesse en compression et détente, avec un système complexe de clapetterie interne.
Les basses vitesses concernent les transferts de masse au freinage par exemple, ou le fait de faire « pomper » sa fourche en statique, attention à ne pas se laisser piéger par le fait qu'une fourche soit peu ou au contraire très sensible en statique, ça ne signifie rien quant-à son comportement sur une piste. Les hautes vitesses concernent les chocs à proprement parler, et prennent le relai des BV (ou en +) quand la pression hydraulique dépasse un certain seuil, grâce à un système de clapetterie. Un clapet obstrue un chemin et est plaqué par un ressort, quand la pression est suffisante pour comprimer le ressort et déplacer le clapet, l'huile peut emprunter ce chemin. Le déplacement du clapet peut fermer le circuit BV et passer sur le circuit HV indépendant, plusieurs circuits peuvent cascader en parallèle ou en série.
Une association BV fermées / HV ouvertes permet d'avoir des suspensions fermes, qui paraissent inconfortables, mais qui réagissent très bien lors des sollicitations "qui importent", c'est à dire les chocs répétés, et permet de rester haut dans le débattement (associé à une détente rapide). Attention à ne pas trop ouvrir les HV sous peine de talonnage fréquent.

Voici quelques courbes pour illustrer mes propos concernant la raideur des 2 ressorts en fonction de leur enfoncement ainsi que la force nécessaire pour l’atteindre. C’est un exemple modélisant le fonctionnement de façon qualitative et non quantitative, c'est à dire qu'il n'est pas fidèle (surtout pour le pneumatique) au comportement d'une fourche existante.
Le ressort mécanique est classique avec précontrainte 0, modèle débattement 100mm , constante de raideur 10N/mm.
Le ressort pneumatique est isotherme et comporte une chambre à air négative pour obtenir une précontrainte de 0. Le modèle est une chambre de diamètre 30mm, longueur 130mm et débattement 100mm, pression initiale 8.3 bars (pression en talonnage 36 bars)
ATTENTION : ces courbes ne montrent que le fonctionnement RESSORT, pour une fourche complète il faut ajouter L’AMORTISSEMENT HYDRAULIQUE ce qui induit une notion d’énergie et de temps et complexifie rapidement le modèle.



Vous pouvez aussi jeter un œil ici pour d'autres explications :
fr.wikipedia.org

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