Le châssis (ou cadre) est une structure qui localise et monte toutes les autres parties du véhicule. Il fournit également un espace protégé pour le ou les occupants.
Types de châssis
Il existe plusieurs types de châssis, mais ils peuvent tous être classés dans l’une des deux approches suivantes:
- Utilisez des longueurs de tubes ronds ou carrés, ou d’autres formes métalliques structurelles pour former la structure du châssis (cadre spatial, multi-tubes, cadre d’échelle)
- Utilisez des panneaux joints pour former la structure du châssis (Monocoque, Monocoque)
Les deux approches peuvent fournir une structure capable de monter d’autres composants du véhicule, mais chacune a ses propres avantages et inconvénients.
Châssis Spaceframe
Le châssis Spaceframe utilise de nombreuses pièces découpées et façonnées de tubes métalliques structurels (généralement en acier) assemblées pour former un cadre solide. Le schéma SF1 ci-dessous du livre de Ron Champion « Construisez votre propre voiture de sport pour aussi peu que £ 250 » montre un exemple de châssis à cadre spatial.
Diagramme SF1. Châssis Spaceframe pour une voiture « Lowcost ». Extrait du livre de Ron Champion « Construisez votre Propre Voiture de Sport pour aussi peu que £ 250 et Courez-la! »,
Le principe de la conception du cadre spatial consiste à utiliser la triangulation des tubes pour créer une structure rigide. Les diagrammes SF2 et SF3 ci-dessous montrent comment la triangulation est utilisée pour rigidifier une structure:
Diagramme SF2. Une boîte non triangulée (dont il manque les côtés) se déforme facilement.
Une boîte non triangulée a très peu de force. Vous pouvez le voir en action ci-dessus. Lorsque la main pousse contre le coin de la boîte, la forme se déforme en un parallélogramme.
Maintenant, si nous croisons ou triangulons la boîte avec un tube, la résistance est considérablement augmentée:
Diagramme SF3. Une boîte avec une traverse forme deux triangles (Représentés en rouge) et est dite triangulée. La force appliquée à la boîte tente de séparer la traverse.
Dans le diagramme SF3 ci-dessus, le tube est tiré en tension comme si les coins de la boîte à l’endroit où il est attaché essayaient de le déchirer. En raison de la force du tube en tension, la boîte ne se déformera pas dans le parallélogramme du diagramme SF2
La triangulation peut également fonctionner avec des tubes en compression. Cependant, la conception idéale a toujours les tubes de membre fonctionnant en tension, ce qui fournit une résistance de loin supérieure aux tubes fonctionnant en compression.
Le diagramme SF4 ci-dessous montre comment la charge appliquée tente maintenant d’écraser ou de comprimer le tube au lieu de le déchirer. En raison de la résistance réduite à la compression, le flambage peut devenir un problème.
Diagramme SF4. Une boîte triangulée. La force appliquée à la boîte comprime la traverse, la faisant potentiellement flamber si la force est suffisante..
Pour revenir au diagramme SF1, il existe de nombreux exemples dans ce diagramme de la façon dont les structures de tubes à caisson ouvert ont été triangulées pour créer un châssis beaucoup plus rigide. Le schéma montre également la suspension et d’autres supports de montage.
Les cadres spatiaux utilisent généralement des tubes carrés ou ronds. Le tube carré est plus facile à travailler car la coupe implique des coupes droites à un angle particulier. Les tubes ronds ne se heurtent pas bien aux autres tubes ronds et nécessitent donc un entailleur de tubes spécial pour y découper des formes rondes.
L’aspect clé de la conception du cadre spatial est d’identifier et d’analyser les charges attendues, et de concevoir le cadre et la triangulation pour gérer ces charges de manière optimisée. Comme les tubes en tension offrent une résistance supérieure à la compression, un tube de calibre plus léger peut être utilisé dans les zones chargées en tension pour économiser du poids. Dans les zones où les tubes subissent des charges de compression, il peut être préférable d’utiliser un tube de calibre plus lourd ou de diamètre plus grand.
Châssis monocoque
Le châssis monocoque est techniquement une amélioration par rapport au châssis spaceframe. Le diagramme MC1 ci-dessous montre un exemple simple de la différence entre la conception spaceframe et monocoque.
Diagramme MC1. Comparaison du comportement d’une monocoque par rapport à un châssis spatial sous charge de tension.
La « Boîte » monocoque à gauche utilise un panneau de matériau pour « compléter » structurellement la boîte. Lorsque la main pousse contre elle dans la direction indiquée par la flèche verte, elle crée une force de cisaillement à travers le panneau. Cette force est efficacement gérée de la même manière qu’une charge de tension par la boîte triangulée à cadre spatial à droite. Cependant, si la main poussait de l’autre côté de la boîte, le tube spaceframe pourrait potentiellement s’effondrer en compression, alors que la boîte monocoque se comporterait de la même manière qu’auparavant. Voir le diagramme MC2 ci-dessous :
Diagramme MC2. Comparaison du comportement d’une monocoque par rapport à un châssis spatial sous charge de compression. Notez la tenue en charge de tension supérieure de la monocoque et la tenue en charge de compression inférieure du châssis spatial.
Les deux types de châssis peuvent être aussi solides l’un que l’autre. Cependant, pour réaliser une trame spatiale de résistance équivalente, il faut généralement plus de matière et donc plus de poids. Les matériaux utilisés font également une grande différence.
Dans le diagramme MC3 ci-dessous, la « boîte » monocoque à gauche et la « boîte » de cadre spatial entièrement triangulée à droite géreraient les charges de la même manière (Nous avons omis l’arrière de la « boîte » de cadre spatial pour éviter de compliquer visuellement le diagramme)
Diagramme MC3. Boîte monocoque et cadre spatial triangulé « équivalent ». (L’arrière du cadre spatial n’est pas représenté pour garder la clarté du diagramme.)
Bien que le monocoque puisse généralement être rendu plus léger et plus résistant qu’un châssis spatial, il présente certains inconvénients qui le rendent plus compliqué à concevoir, à construire et à utiliser.
Tout d’abord, la monocoque nécessite que la structure formée par les panneaux soit « complète ». Si vous observez la « boîte » dans le diagramme MC3 que nous avons utilisée pour démontrer la monocoque, imaginez qu’un côté de celle-ci manque comme indiqué dans le diagramme MC4 ci-dessous:
Diagramme MC4. Une manipulation incomplète de la charge par une monocoque entraînera sa déformation et sa boucle.
Nous pouvons pousser sur le coin de la boîte où trois panneaux se rencontrent (montré à gauche) et cela ne se déformera pas (beaucoup), mais pousser sur un coin à côté de l’endroit où le côté manquant doit être et la boîte se bouclera (comme indiqué à droite). Lorsqu’une ouverture existe, le châssis doit supporter des charges à travers une sous-structure de support.
Un objectif principal dans la conception monocoque est de s’assurer qu’il n’y a pas de chemins de charge non manipulés qui peuvent provoquer une boucle de la structure monocoque. Une monocoque bouclée n’est pas mieux qu’un tube à cadre spatial bouclé.
Dans le cas de trajectoires de charge mal manipulées, le cadre spatial peut être plus tolérant car le diamètre du tube et le matériau en acier fournissent généralement une défaillance plus progressive qu’une monocoque. Cependant, il est préférable de concevoir le châssis correctement en premier lieu, puis de s’appuyer sur la constatation de défaillances progressives.
Cela nous amène à un autre point clé sur la monocoque— si elle est endommagée, elle est difficile à réparer par rapport aux tubes à cadre spatial. Il est également difficile de détecter les dommages sur une monocoque alors que les tubes pliés ou cassés sont assez faciles à repérer.
Rigidité en torsion
La rigidité en torsion est une propriété de chaque châssis de véhicule qui détermine la torsion du châssis lorsque des charges sont appliquées à travers les roues et la suspension. Le schéma TR1 ci-dessous montre le principe.
Diagramme TR1. Rigidité en Torsion. Moins le châssis se tord, plus il est considéré comme rigide en torsion.
Un châssis qui a beaucoup de torsion ne se manipulera pas de manière aussi prévisible qu’un châssis qui en a très peu car en se tordant, le châssis commence à agir comme une extension de la suspension. La suspension est conçue pour permettre aux roues / pneus de suivre les bosses et les creux de la route. Si le châssis se tord lorsqu’un pneu heurte une bosse, il agit comme une partie de la suspension, ce qui signifie que le réglage de la suspension est difficile, voire impossible. Idéalement, le châssis doit être ultra-rigide et la suspension conforme.
La rigidité en torsion est mesurée en lb-pi/ degré ou en kg-m/ degré. Une extrémité du châssis (avant ou arrière) est maintenue immobile et l’autre extrémité est équilibrée sur un point et la torsion est appliquée via une poutre. Le diagramme TR2 ci-dessous montre l’idée de base:
Diagramme TR2. Méthode de mesure de la rigidité en torsion.
Conseils de conception du châssis (1/2)
Modification du châssis de production
Lorsque vous envisagez de modifier un châssis basé sur la production pour monter une suspension, des moteurs ou une transmission alternatifs, passez du temps à étudier les structures monocoque (véhicule plus récent) ou à cadre en échelle (véhicule plus ancien). Les structures formées par les concepteurs de châssis du fabricant ont des zones fortes destinées aux charges et des zones faibles non destinées à supporter des charges. Il est essentiel d’identifier les parties correctes de la structure du châssis à couper ou à modifier.
Envisagez d’utiliser des modèles réduits du véhicule (si des modèles en plastique ont été fabriqués), pour modéliser les modifications, ou un logiciel de modélisation 3D pour faire de même. Si les modifications impliquent la suspension, comme l’abaissement du véhicule, modélisez d’abord la nouvelle suspension. Parfois, l’abaissement du véhicule tout en utilisant les mêmes points de ramassage de suspension créera une mauvaise maniabilité.
Construire des modèles de châssis
La modélisation d’un châssis spaceframe avec des bâtons en bois de balsa vous permet de voir de visu les différences de triangulation par rapport à la rigidité d’un châssis. Herb Adams, dans son livre « Chassis Engineering », fournit un chapitre entier sur la modélisation de châssis à l’aide de balsa et de papier. Sa recommandation est pour un modèle à l’échelle 1/12.
De même, utiliser du carton, du papier et de la colle pour construire des monocoques modèles peut également être une expérience d’apprentissage très enrichissante et peu coûteuse. La grande chose à propos de ces matériaux est qu’ils n’ont pas beaucoup de résistance et que les déformations créées par les charges peuvent être facilement visibles lorsque des charges sont appliquées.
Concevoir le châssis après la suspension
Il est beaucoup plus facile de concevoir une suspension provisoire selon les règles et une bonne géométrie, puis de construire le châssis pour se conformer aux points de montage de la suspension et aux ressorts / supports d’amortisseur. Voir notre section « Concevoir sa propre voiture de course »
Considérez les trajectoires de charge
Un châssis ne consiste pas à « absorber » l’énergie, mais plutôt à soutenir. Lorsque vous envisagez de placer des tubes, visualisez les « chemins de charge » et envisagez d’utiliser FEA (logiciel d’analyse par éléments finis) pour aider à analyser les scénarios de charge. Les trajets de charge sont définis comme les forces résultant de l’accélération et de la décélération, dans les directions longitudinale et latérale qui suivent le tube d’un élément à l’autre. Les premières forces qui viennent à l’esprit sont les supports de suspension, mais des éléments comme la batterie et le conducteur exercent des contraintes sur la structure du cadre spatial.
Maximisez le placement du CG et l’équilibre du véhicule
Le centre de gravité affecte la voiture comme un pendule. L’endroit idéal pour le CG est absolument entre les roues avant et arrière et les roues gauche et droite. Placer le CG à l’avant ou à l’arrière ou à gauche ou à droite de ce point signifie que le poids se transfère de manière inégale en fonction de la direction dans laquelle la voiture tourne et de son accélération ou de sa décélération. Plus on s’éloigne de ce point idéal, plus une extrémité de la voiture agit comme un pendule et plus il est difficile d’optimiser la maniabilité.
Le CG dépend également de la hauteur. Placer un moteur plus haut hors du sol soulève le CG et force le transfert de plus grandes quantités de poids dans les virages, les accélérations ou les décélérations. L’objectif de la conception du véhicule est de maintenir les quatre roues plantées si possible pour maximiser l’adhérence, de sorte que placer toutes les pièces de la voiture à leur emplacement le plus bas possible aidera à abaisser la hauteur du CG.
