Les essieux directeurs

[Kevpation]

Les essieux directeurs


Suite à un de mes projet,s j'ai effectué un certain nombre de recherches, d'études et de tests sur les essieux directeurs.

Je vais vous faire partager mon travail, qui débouche sur certaine conclusions, avec le croisement des informations que j'ai collectées.

Attention ce poste est long, réservé aux membres soucieux d’apprendre, de comprendre certains fonctionnements.

La suite est divisée en plusieurs parties bien distinctes.

1. Le fonctionnement de base, la forme et les termes d'un essieu directeur.
2. L'effet "Ackermann"
3. L'effet "Ackermann" sur châssis multi-essieux
4. Le carrossage
5. La pratique
6. Le point de pivot de la fusée
7. Conclusion

1)Le fonctionnement de base, la forme et les termes d'un essieu directeur

Pour commencer prenons le temps de connaitre les différents éléments de la direction.
Une petite image vaut mieux qu'un long discours.



Ce qui donne schématiquement :



Lorsque l'on prend un virage, la roue intérieure décrit un arc de cercle de diamètre plus petit que la roue extérieure.
L'animation ci-dessous montre clairement cette différence de diamètre.



Partant de là, avec un essieu directeur classique formant un rectangle comme celui-ci :
rectangle formé par la liaison des points d'attache du porte-fusée.



Une fois les roues braquées à fond, elles restent parallèles.
Sur le schéma ci-dessous, les lignes rouges montrent bien la parallèle des roues.
L'arc de cercle vert, soit le rayon intérieur de braquage, coupe la ligne rouge parfaitement au début et la fin du pneu.
L'arc de cercle bleu, soit le rayon extérieur de braquage, quant à lui coupe la ligne rouge à l'axe du pneu, puis ensuite bien loin devant le pneu.



Cette erreur va induire des forces néfastes au bon fonctionnement de l’essieu.
La roue extérieure sera inévitablement tirée vers l'extérieur, ce qui va induire du ripage (glissement) sur celle-ci.
Si le pneu a une trop bonne adhérence ne permettant pas ce ripage, avec les LEGO c'est la roue qui va simplement sortir de son axe étant attiré vers l'extérieur.

À chaque problème une solution.
Pour ce faire, il faut que les roues n'aient pas le même angle de braquage entre la roue intérieure et extérieure.
Comme sur ce schéma :



On y voit très clairement que l'arc de cercle bleu coupe la ligne rouge presque dans le centre du pneu.
Ainsi l'incidence est diminuée, donc moins de ripage nécessaire pour un bon fonctionnement.

Afin d'obtenir cet angle de braquage différent pour chaque roue, il faut procéder à un montage en forme de trapèze, formé par la liaison des points d'attache du porte-fusée.
Comme sur les schémas ci-dessous :



Ce type de montage porte un nom : L'effet "Ackermann".

[Kevpation]

2) L'effet Ackermann

Du nom Ackermann steering geometry.

Voici le schéma de l'épure de Janteaud permettant de définir comment rendre la direction avec un effet Ackermann.



Comment déterminer les bons angles de braquage des roues ?
En fait c'est simple, il faut tirer un trait partant du point de pivot de la porte fusé, passant par le point d'ancrage de la bielle.
En faisant ainsi pour chaque roue et en prolongeant les traits jusqu’à ce qu'ils se rencontrent.
Ce point de rencontre doit être le point correspondant à l'axe de l’essieu arrière, comme ici :



Ce qui donne le parfait angle pour chaque roue.

En revanche, si le point de liaison est avant l’essieu arrière, ça donne ça :



L'angle n'est pas bon.

Tout comme, si le point de liaison est après l’essieu arrière, ça donne ça :

[Kevpation]

3) L'effet "Ackermann" sur châssis multi-essieux

Maintenant que vous connaissez le calcul de l'effet "Ackermann" sur un simple essieu, vous allez vous demander comment ça marche avec du multi-essieux.
En fait c'est très simple, il faut partir de l’essieu fixe comme référence de départ en partant de son axe.
En partant de ce point, vous tirez les 2 droites sur l’essieu suivant jusqu'au point de pivot des fusées.
Vous obtenez ainsi le point d'ancrage des bielles à respecter.
Vous reproduisez cette opération en partant toujours du même essieu et en tirant les droites sur les essieux 2, 3, 4, etc.
Voici un petit schéma pour mieux comprendre.

• - Le trait blanc est l'axe du châssis sur sa longueur,
  - le grand trait bleu vertical au centre du châssis est l’essieu fixe de référence,
  - les traits bleus correspondent aux axes des essieux directeurs,
  - les traits verts correspondent aux axes des crémaillères,
  - l'ensemble des traits rouges sont les tracés déterminant l'angle de positionnement du point d'ancrage des bielles,
  - les points noirs déterminent le positionnement exact du point d'ancrage des bielles.

Avec ce schéma, vous remarquerez que plus l'essieu est loin de l'autre, plus l'angle entre l'axe de l’essieu et la ligne rouge se rapproche d'un angle droit à 90°.
Ce qui veut simplement dire que sur de grand espace entre essieux, l'effet "Ackermann" devient de moins en moins essentiel voire même négligeable.

[Kevpation]

4) Le carrossage

Maintenant que nous avons vu les inclinaisons horizontales des roues, passons à l'inclinaison verticale.
Ce phénomène s'appelle le carrossage
C'est l'inclinaison des roues comme sur les schémas suivants :



Dans la majorité des cas, les roues sont verticales en LEGO.
Hélas dans certaines situations comme avec des MOCS très lourds, les axes plient, ainsi que le reste du montage, ce qui implique un carrossage négatif.
Il existe une solution pour compenser cet affaissement des essieux.
Lors du montage de l'essieu, il faut que les roues soit en position carrossage positif pour qu'une fois sous le poids, les roues soient bien verticales.

Un décalage d'un demi tenon, entre le point de fixation haut et bas du pont-portique fera l'affaire.

[Kevpation]

5) La pratique

C'est bien beau tout ça, me diriez-vous.
Mais la théorie reste la théorie.
Alors passons à la pratique immédiatement.

Comme vous le savez, les LEGO reste un jouet, tout ce qui est expliqué au-dessus y est applicable, mais avec certaines contraintes et compromis inévitables.
À commencer par les jeux que présentent les assemblages, sans oublier les dimensions que nous impose les LEGO avec des pas de 1 tenon voir 1/2 tenon, en ce grattant la tête un minimum.
L'élasticité du plastic change aussi la donne sur les calculs, avec les déformations.
Le but de tout cela étant de se rapprocher au mieux, voire au plus près du montage idéal dans la réalité, pour limiter au maximum les contraintes pour un bon fonctionnement du montage.
Les LEGO nous imposent beaucoup de contraintes, si nous en rajoutons des inutiles en plus, plus rien ne marche ou du moins ça marche moyennement bien.

- Réglage de l'effet "Ackermann"
Voici un ensemble de petit montage montrant les différentes possibilités de réglage de l'effet "Ackermann".
Le montage est simple :

• - une grande poutre rouge de 16t représentant le châssis.
  - 2 Liftarm 5 x 3 bleues représentant le porte-fusée,
  - une poutre grise représentant la crémaillère,
  - les pins rouges représentent les points de pivot du montage

Le montage de départ est en forme de rectangle, donc sans effet "Ackermann".




Ensuite, j'ai décalé de 1/2 tenon sur chacune des photos suivantes, le point d'ancrage de la crémaillère sur le porte-fusée.













On remarque clairement que plus la crémaillère (poutre grise) diminue en longueur plus l'effet "Ackermann" est fort.

Bien entendu, le fait de travailler sur des demi-tenons offre plus de possibilités mais hélas complique énormément le montage.
Décalé d'un demi-tenon de chaque côté implique de travailler un coup en chiffre pair et un coup en chiffre impair, ce qui n'est pas évident en studfull et ça prend une certaine place.
J'ai ma petite idée là-dessus, je vous la dévoilerais dans le sujet de ma grue si tout va bien.

Sur les petits MOC, travaillez au tenon, c'est plus simple, moins volumineux et les contraintes ne sont pas assez fortes pour chercher une précision plus grande.

Sur les gros MOC, il est préférable de commencer un travail aux demis tenons, c'est plus compliquer, mais les contraintes sont tellement grandes qu'il est préférable de chercher le réglage le plus fin possible.
Bien entendu ça prend une certaine place non négligeable.
Il est surement possible de travailler au quart de tenon, mais je ne crois pas que ça apporte un réel plus au montage.
La complexité, la place et les jeux occasionnés seront beaucoup trop importants pour apporter un plus au montage.

- Déterminer sa longueur de châssis.
Ci-dessous 2 montages permettant de voir comment déterminer la longueur d'un châssis suivant l’empattement et l'effet "Ackermann" choisit.

Avec un empattement de 15 tenons et un décalage de 2 tenons du point de fixation des bielles, l'essieu arrière devra être à 15 ou 16 tenons de l'essieu l'avant.


Avec un empattement de 15 tenons et un décalage de 1 tenon du point de fixation des bielles, l'essieu arrière devra être à 29 tenons de l'essieu l'avant.



Ce qui veut dire en résumé :

1) pour une même largeur de voie :

• - plus vous diminuer votre crémaillère (ou jeu de bielles), donc accentuer la forme du trapèze, plus le châssis est raccourci,
  - plus vous augmenter votre crémaillère (ou jeu de bielles), donc diminuer la forme du trapèze, plus le châssis est long

2) pour un même angle de raccordement entre le point de pivot des portes fusée et des bielles (donc angle du trapèze identique) :

• - plus vous élargissez le châssis, plus il est long,
  - plus vous diminuer la largeur du châssis, plus il est court

[Kevpation]

6)Le point de pivot de la fusée

Ce point est très important pour le bon fonctionnement de la direction.
Une direction peut vite devenir dure sur certain montage, ce qui entraine des efforts sur la mécanique.
Il faudra un gros couple pour actionner la crémaillère.
Le but étant de diminuer au maximum les efforts à fournir, par la colonne de direction, sur la crémaillère, afin de rendre la direction la plus fluide possible.

Pour ce faire, il y a deux points à travailler :

1) la distance entre : le point d'ancrage du porte-fusée sur le châssis et le point d'ancrage de la roue.

Plus cette distance sera grande plus le mouvement de rotation sera dur.

• - Si cet espace est de 2 tenons, lorsque l'on braque et contrebraque à fond le diamètre formé sera de 3 tenons.
  - Si cet espace est de 5 tenons, le diamètre formé sera de 9 tenons donc la roue aura une plus grande distance à parcourir donc plus de friction, de ripage (glissement).

Donc il faut réduire au maximum cette distance pour gagner en fluidité.

Ici nous avons un décalage de 3 tenons :


Ici nous avons un décalage de 5 tenons :


Ici nous avons un décalage de 3 tenons :


Ici nous avons un décalage de 5 tenons :


2) la distance entre : le point d'ancrage de la bielle sur le porte-fusée et l'axe de la roue.

C'est le principe du bras de levier.

Plus la distance "d2" sera longue plus la force "f2" à fournir sera faible et plus la force "f1" sera forte.

Donc sur nos essieux c'est pareil, il faut allonger cette distance pour diminuer le couple à fournir pour la mise en mouvement.
Plus la crémaillère est proche de l'axe des roues, plus la direction est dure et plus elle est loin, moins la direction est dure.

L’inconvénient dans l’allongement du bras de pivot, c'est qu'avec une même course de crémaillère le rayon de braquage est diminué.
Il faut donc allonger aussi la course de la crémaillère pour garder le même angle de braquage.

Ici nous avons un décalage de 2 tenons :


Ici nous avons un décalage de 5 tenons :

[Kevpation]

7)Conclusion

Comme vous le voyez, un essieu directeur semble simple mais dans la réalité, énormément de facteurs rentrent en compte.
Chaque facteur ayant ses propres particularités et entrainant des contraintes entre eux.
Il nous faut donc jongler avec tout ça pour trouver un équilibre en adéquation avec le MOC.

Bien entendu sur de petit MOC, il ne sert à rien de vouloir tout prendre en compte.
Travailler l'effet "Ackermann" peut suffire.
Le faible poids ne remet pas en cause les problèmes de carrossage, de point de pivot.

Par contre, sur de gros MOC, long ou lourd, où les 2 cumulés, demandent un minimum de réflexion sur tout l'ensemble des points énumérés ci-dessus.
De là en découleront un bon fonctionnement et une bonne fluidité des mouvements en limitant les contraintes sur la mécanique.
Voilà pour ce qui est des essieux directeurs.

Bien sûr je n'ai pas la science infuse, des erreurs peuvent apparaitre dans mon raisonnement.

Il y aussi beaucoup de variante à tout cela que je n'ai pas énuméré,
notamment sur l'effet "Ackerman" où je n'ai parlé que du véritable montage pour obtenir l'effet.

Je compte sur vous pour apporter votre pierre à l’édifice pour étoffer ce poste qui ne demande qu'à s'enrichir et grandir.

[carl]

Merci pour cette....astuce
Ça a du te prendre un temps fou pour faire ça !
à toi et merci !

[Kevpation]

Ça a du te prendre un temps fou pour faire ça !

Quelques paires d'heures étalées sur 2 semaines à chercher, comprendre et essayer.
Le mieux dans cet exercice, c'est le meilleur moyen d’apprendre sans que ce soit rébarbatif.

[GuiliuG]

Beau post, il y a juste une petite erreur dedans : la direction ackermann n'est pas connue sous le nom d'épure de janteaud en français, l'épure de janteaud étant juste le moyen de trouver comment concevoir la direction ackermann.

Je pense que tu as bien expliqué les principaux points pour concevoir une direction efficace, l'angle de chasse et la king pin inclinaison étant souvent bien trop dur à mettre en place...

[Kevpation]

il y a juste une petite erreur dedans

Voilà qui est rectifié.

l'angle de chasse et la king pin inclinaison étant souvent bien trop dur à mettre en place...

Tout à fait pour l'angle de chasse je me suis casé le nez dessus , par contre pour ma culture LEGO que veut dire: king pin inclinaison?
L'inclinaison des pins pour avoir un angle de chasse?

[GuiliuG]

Une vidéo pour tout comprendre :

[video]http://www.youtube.com/watch?v=Rvzw5rX50_o&feature=plcp[/video]

Si tu ne comprends pas bien l'anglais, j'essaierai de t'expliquer après mais cette vidéo est vraiment bien faite.

[Kevpation]

Merci pour la vidéo fort bien faite.
Hélas je ne parle pas plus de 30 mots en anglais pour te situer dans mon niveau.

J'ai quand même compris la base avec les 2 inclinaisons.

Quels sont les avantages autres que la réduction de la surface de contact au sol du pneu (inconvénient aussi dans certaines situations genre TT) et un retour au neutre grandement facilité?

[GuiliuG]

Les avantages de cette solution sont que tu réduis le déport ( distance pivot/bord extérieur de la roue) puisque le pivot se compte à partir du contact diagonal/sol. En plus, lorsque tu tournes, le moyeu tend à monter. Sous le poids naturel, du véhicule, le moyeu veut retrouver sa position basse par défaut et tu as donc un retour au neutre facilité !

[valentin]

Merci pour ce sujet vraiment très intéressant et très enrichissant.