Considérations relatives à la conception des bagues en caoutchouc

Chez AVMR, nous avons discuté avec des concepteurs de suspension expérimentés qui ont montré leur frustration face aux compromis de conception qu'ils ont dû faire lors de l'utilisation de bagues. Cependant, il est évident qu'il y a souvent un manque de sensibilisation concernant les options de conception facilement disponibles pour surmonter les défis courants. Voici quelques conseils pour prendre en compte les différences de conception des bagues.

Les bagues de base en caoutchouc sont les plus simples et les moins chères. Elles sont généralement utilisées uniquement dans les applications très légères qui nécessitent peu ou pas de couple.

Photo 1 : une simple bague en caoutchouc.

Lorsque les interfaces de bagues glissent, nous commençons par ajouter des tubes ou des substrats à la conception, d'abord sur la face intérieure, puis également sur la face extérieure. Ces tubes sont normalement soit collés au caoutchouc, soit ajustés par serrage. Les tubes remplissent quatre fonctions :

• Favoriser une déformation uniforme de l'élément en caoutchouc sur la bague.
• Protégez le caoutchouc contre l'usure due aux interfaces coulissantes. Le processus d'insertion peut être l'un des événements les plus dommageables dans la vie d'une bague.
• Fournir un point d’ancrage.
• Fournir un pont. Par exemple, d'une pince extérieure très étroite à un élément en caoutchouc plus large.

Les tubes peuvent également être à ajustement coulissant, ce qui offre certains des avantages ci-dessus, mais ce n'est généralement pas le cas.

Pour faciliter l'insertion, les tubes extérieurs peuvent être chanfreinés ou martelés. Le martelage limite également la déflexion axiale, ce qui peut être intéressant, en particulier si le tube extérieur est simplement ajusté par interférence à l'élément en caoutchouc plutôt que collé.

Les luminaires

La manière la plus simple de fixer une bague de base en place est par friction, en la serrant ou en utilisant un ajustement serré.

Pour le tube extérieur , un ajustement serré dans un boîtier extérieur sur un châssis ou un bras de suspension est de loin l'option la plus courante. Pour des charges de rotation plus élevées, le frottement peut être augmenté de la manière suivante :

1. Augmenter le niveau d'interférence dans l'ajustement.
2. Augmentation de l'épaisseur de la paroi du tube extérieur, ce qui augmente la résistance à la compression dans l'ajustement serré.
3. Augmentation du diamètre extérieur de la bague.
4. Utilisation d'une finition de surface à friction plus élevée.
5. Collage de la bague en place. Moins courant aujourd'hui qu'auparavant.

Si les options ci-dessus échouent, des verrous mécaniques seront alors utilisés, mais cela est rare dans les véhicules – même dans les trains et les poids lourds, la friction est normalement suffisante pour maintenir la bague en place.

D'après notre expérience, les verrous mécaniques seront introduits soit dans certaines applications industrielles, soit dans des applications plus petites où le tube extérieur offre des fonctionnalités supplémentaires, comme un point de montage.

Photo 3 : Une bague à bride avec boulons de montage inclus.

La chambre à air est normalement fixée à un support extérieur, ou bras de suspension, à l'aide d'un simple écrou et d'un boulon au milieu du tube.

La friction peut ne pas fonctionner pour les applications à charge plus élevée qui ne tolèrent pas le glissement. Si une interface est susceptible de glisser, c'est généralement la chambre à air. C'est pourquoi des verrous mécaniques sont couramment utilisés dans ce cas.

Généralement, les méthodes suivantes sont utilisées pour fixer la chambre à air en place :

1. Friction.
2. Finitions à friction plus élevées sur le tube.
3. Extrémités moletées sur le tube intérieur. Cela doit être fait en combinaison avec une interface miroir pour que les moletages se verrouillent, sans ce miroir, nous constatons que la finition moletée n'ajoute que peu de valeur. Les moletages vont des créneaux peu profonds aux créneaux lourds.
4. Une rainure de clavette. Elle permet un positionnement serré et un blocage rotatif robuste dans un produit relativement compact. Comme dans cet exemple, la forme de la chambre à air fournit certaines des propriétés d'une chambre à air « à ventre » (voir la section sur les taux de ressort), si nécessaire.

5. Boulonné pour empêcher tout mouvement rotatif ou axial. Ce type de fixation est couramment utilisé dans les véhicules lourds, les bus et les applications industrielles, mais peut également être utilisé dans les applications légères haut de gamme. L'un des avantages de cette méthode de fixation est qu'elle peut être alignée de manière lâche, puis serrée en place.

Photo 6 : Une bague de poids lourd typique avec des points de boulonnage.

Les verrous coniques peuvent être utilisés pour les chambres à air intérieures et extérieures et offrent deux fonctionnalités vraiment utiles :

1. Ils permettent une insertion et un retrait plus faciles que les tubes à diamètre constant lors de l'utilisation d'un ajustement serré. Ceci est particulièrement utile sur la ligne de production ou lors du remplacement des bagues.
2. Si les bagues sont orientées verticalement, les verrous coniques empêchent le glissement axial.

 Tarifs des ressorts

Le rôle de la bague est d'atténuer les vibrations et d'absorber les chocs, ce qui est réalisé grâce à l'élément en caoutchouc du produit. Cependant, les approches courantes visant à améliorer les performances dans un degré de liberté auront un impact négatif sur les performances dans d'autres degrés de liberté.

Il peut donc être important d’utiliser une gamme de méthodes pour obtenir le résultat souhaité :

1. Dimensions

La variation des diamètres internes et externes, et donc de l'épaisseur de la paroi en caoutchouc, ainsi que de la longueur de l'élément en caoutchouc ont le plus grand impact sur le produit final.

2. Dureté et module du caoutchouc

La rigidité des ressorts peut être ajustée en modifiant le caoutchouc utilisé. Il est également possible d'avoir différents composés de caoutchouc dans différentes zones de la bague, mais cela peut vite devenir coûteux.

3. Caries

Ils sont importants et couramment utilisés, car ils ont peu d’impact sur les coûts récurrents et réduisent le poids du produit final. Ils sont donc souvent considérés comme un investissement judicieux.

Les cavités à l'intérieur de la bague en caoutchouc peuvent être positionnées pour avoir un impact sur les taux de ressort dans certaines directions tout en ayant peu d'impact dans d'autres.

Il est important de noter que les cavités peuvent rapidement se compliquer. Elles peuvent être incroyablement efficaces et sont bien plus que de simples interstices dans le caoutchouc.

Photo 7 : Une bague en caoutchouc Meyle avec une conception de cavité complexe.

4. Inserts

Les inserts peuvent être utilisés pour limiter le mouvement dans certaines directions. Par exemple, un troisième tube dans la bague a peu d'impact sur la rigidité en rotation mais double la rigidité radiale.

Photo 8 : Bagues en caoutchouc à triple collage. Le troisième tube est un simple insert.

5. Forme de tube irrégulière

Les « tubes à ventre » ou « tubes évasés » constituent une solution moins coûteuse pour certains types d'inserts. Cependant, ils présentent un coût potentiel lié à une résistance réduite aux forces de serrage axiales élevées.

Photo 9 : Chambres à air ventrues.

Un exemple de problème courant :

Un problème courant dans la conception de suspensions est de savoir comment concevoir une bague qui permettra de grandes quantités de rotation sans permettre trop de mouvement radial, ce qui est important pour l'alignement des voitures de route.

Remarque : dans les véhicules tout-terrain, la conformité radiale est potentiellement l’exigence la plus importante.

Dans le cas d'une suspension à triangle, cela se traduirait par le souhait du concepteur de suspension d'avoir un mouvement de roue libre verticalement (rotation de la bague) sans avoir de problèmes potentiels d'alignement des roues (mouvement radial de la bague).

Une décision courante consiste à compromettre le mouvement vertical en utilisant une bague plus rigide et de plus petit diamètre, mais il pourrait exister une meilleure solution qui pourrait inclure :

• Augmentation de l'épaisseur de la paroi en caoutchouc de la bague, ce qui permettra plus de mouvement.
• L'utilisation d'inserts ou d'un tube intermédiaire peut doubler la rigidité radiale tout en ayant un impact minimal sur la rigidité en rotation.
• Comme indiqué ci-dessus, un « tube ventru » peut réduire la rigidité radiale du ressort qui s'accompagne d'une épaisseur de paroi en caoutchouc accrue.
• Utilisation de cavités en caoutchouc dans les zones non critiques de la bague. Cela peut grandement faciliter la rotation tout en ayant un impact relativement faible sur le mouvement radial.
• L’utilisation d’un composé de caoutchouc plus souple ou plus dur avec l’un des outils ci-dessus peut aider à affiner davantage les propriétés de déflexion du produit final.

 Gestion du poids du produit

Le poids devient de plus en plus important en raison de son lien avec la consommation de carburant et la maniabilité. Naturellement, le poids du produit est affecté à la fois par la quantité de matériaux utilisés et par les matériaux sélectionnés.

Le poids peut être réduit en :

1. Utilisation de cavités dans le caoutchouc, en combinaison avec un caoutchouc plus rigide plutôt qu'en utilisant des inserts supplémentaires.
2. Utiliser des matériaux de substrat alternatifs, par exemple l'aluminium ou le plastique plutôt que l'acier.
3. Réduction de l'épaisseur de la paroi du substrat, éventuellement associée à l'utilisation d'un matériau plus résistant. L'un des défis posés par les sections de paroi plus fines sur les substrats métalliques est la résistance à la corrosion.

Résistance à la corrosion

La résistance à la corrosion est naturellement importante. Les options couramment disponibles que nous utilisons pour les substrats en acier offrent jusqu'à 1 000 heures de résistance à la corrosion par brouillard salin, ce qui, d'après notre expérience, est à peu près le niveau le plus élevé que quiconque puisse exiger.

Des substrats alternatifs à l’acier méritent également d’être envisagés ; les options courantes incluent les plastiques, l’aluminium et l’acier inoxydable.

Lorsque vous examinez différentes options de placage, il est important de prendre en compte :

1. Le niveau de résistance à la corrosion requis.
2. Si la bague doit être soulagée des contraintes (nécessaire pour les bagues à longue durée de vie), le placage devra être flexible. De nombreux placages sont compromis car ils se fracturent au cours de ce processus.
3. La friction est un facteur important, comme indiqué ci-dessus. Un placage incorrect peut lubrifier efficacement l'interface.
4. Le placage doit être réalisé avec des agents de liaison classiques. Toutes les options de placage ne peuvent pas être collées.

En résumé, choisissez avec soin !