Mécanique - principe de l'amortisseur

Publié le 4 Mai 2014

Bon je vais donner ici les informations nécessaires pour comprendre comment fonctionne la fourche (et l'amortisseur arrière) de ton vtt. Attention hein, moi je vais tout faire pour être pédagogique, mais tu devras aussi faire un gros effort de concentration !

D'abord on fait un petit retour vers tes cours de physique de la classe de seconde (eh oui ...)

- Te rappelles-tu le fonctionnement du ressort ?

- Et le comportement du piston dans un pot de miel ??

Eh bien on va commencer par ça :

le comportement du ressort 'destabilisé'

Bon alors analysons le graphique ci-dessus :

Un ressort est accroché par sa partie haute. Sa partie basse est elle libre de bouger verticalement.

- A l'instant A, le ressort est dit 'en position d'équilibre' : c'est sa position naturelle. Cela correspond au moment où tu roules sur un beau single idéal, complètement lisse, sans aucune aspérité : ta fourche est en position 'au repos' : sa position d'équilibre lorsque tu es sur le vélo.

- A l'instant B, le ressort est comprimé instantanément par une force magique : il a quitté sa position d'équilibre. Cela correspond au moment précis ou tu roules sur un caillou : ta fourche se comprime.

- Les instants C, D, E, F, G correspondent à une séquence de moments après que la force qui comprimait le ressort (en B donc : tu suis hein !) est relâchée. Que voit-on ? Et bien le ressort oscille autour de sa position d'équilibre, alternant successivement entre une conformation étirée, puis comprimée.

- La figure H montre cela sous forme de graphique : le ressort ne s'arrêtera jamais d'osciller (attention c'est purement théorique, car en vérité même un simple ressort a un peu de frottements qui finiront par amortir son mouvement).

CONCLUSION : si ta fourche n'avait qu'un ressort à l'intérieur, et bien tu passerais ton temps à rebondir sur les cailloux, de façon très désagréable, car rien n'arrêterait le mouvement oscillant de ce ressort.

=> Pas terrible ça. Il va donc falloir ajouter une partie amortissante à ta fourche !

bon mais d'abord, un p'tit café. ouf..........

Bon on repart direction tes souvenirs de lycée. Le piston dans le pot de miel, tu t'en souviens ? imagine un pot de miel dans lequel tu enfonces un piston. Ce piston peut avoir différents diamètres par rapport à la taille du pot. Et bien cela va influer grandement sur ta capacité à bouger ce piston !! (si, si)

En images :

le pot de miel et son piston : on peut y accrocher un poids et regarder le résultat : génial non ?

Bien que voit-on sur cette deuxième figure ? Un pot de miel (un peu spécial certes, mais bon on n'est pas là pour prendre le p'tit dej non plus !) est accroché par sa partie supérieure. Il reste donc fixe pendant toute l'expérience. Un piston peut coulisser librement dans le pot. D'ailleurs, une tige qui lui est reliée sort du pot, et tu peux lui accrocher un poids.

- à l'instant A, le piston est immobile, en position haute.

- à l'instant B, (juste un peu avant en fait) tu accroches un poids et tu laisses faire. Que vois-tu ?

- en B, C, .. ton piston se met à descendre. C'est NORMAL ! Sous l'effet de la force appliquée (le poids), le piston descend.

- en D, une figure te montre l'évolution de la position du piston : cette position descend linéairement avec le temps (eh oui), jusqu'au moment où le piston arrivera en butée dans le fond inférieur du pot de miel, c'est-à-dire quand le trait qui descend sur la figure D atteint l'axe des x (héhé).

Maintenant que se passe-t-il si la taille du piston est différente ?

- en E, le piston est plus large, l'espace entre les bords du piston et les bords du pot est beaucoup plus petit que précédemment. Le piston descend alors plus doucement.

- en F, le piston est plus étroit, l'espace entre les bords du piston et les bords du pot est beaucoup plus grand que précédemment. Le piston descend alors plus vite.

!! ATTENTION : dans tous les cas, le piston descend de façon constante et inexorable, et il finit sa course au fond du pot !!

Ce qui régit ce phénomène s'appelle le frottement. Le frottement n'existe que parce que le piston se meut dans un fluide (un liquide quoi) qui a une certaine 'viscosité'. La viscosité est une propriété des fluides : les industriels savent fabriquer des huiles plus ou moins visqueuses : un même piston, placé dans deux même pots, mais contenant chacun un fluide de viscosité différente, descendra avec une vitesse différente suivant le cas : mais l'allure de son déplacement en fonction du temps sera toujours identique, et parfaitement décrit par la figure D.

Bon, encore un café !

ouf ! au fait, le café n'est pas du miel, si tu essayes de bouger un piston il descendra très vite ! et pourtant il mettra quand même plus de temps à tomber que s'il tombait dans l'air : même l'eau a une viscosité non nulle !

Bien, alors que se passe-t-il si on couple un piston et un pot de miel ? Genre ce qui est dessiné sur la figure suivante, en A.

Et bien le mouvement sera donné par la somme des contributions des deux éléments (ben voyons).

Donc :

- soit le ressort est très costaud et le miel peu visqueux : c'est le cas B : on déplace l'ensemble de sa position d'équilibre, et on regarde comment le système se stabilise : le ressort prend le dessus et on observe des oscillations pendant un temps long (mais bon tout cela finit par s'amortir quand même hein) : c'est la figure C.

- soit le ressort est faible, et le frottement élevé (cas D) : c'est le pot de miel qui dirige le mouvement : le ressort revient tout doucement vers sa position d'équilibre (figure E).

- soit les forces de viscosité et de ressort sont savamment ajustées (cas F), et on observe un beau mouvement d'oscillation amortie (figure G).

ouh là, compliqué non ? un p'tit café peut être ?

Bien. Si tu as compris tout ça, tu va comprendre le fonctionnement de ta fourche, ou de ton amortisseur arrière.

Eh oui, ces deux éléments fonctionnent uniquement sur ce principe.

Simplement, la mise en pratique, c'est-à-dire l'élaboration d'un système fiable et efficace qui fournit cette prestation, n'est pas des plus simples, et donc, si tu démontes ta fourche ou ton amortisseur, tu risques d'être dérouté par toutes les pièces qui le composent. Pourtant, je t'assure, il n'y a rien d'autre qu'un ressort et un amortisseur !

Bon une toute petite et dernière remarque : sur nos vtt, la course au gain de poids a amené les constructeurs à fabriquer des fourches et des amortisseurs à air, et non à ressort métallique, mais le principe reste le même : une chambre surgonflée d'air avec un piston qui le comprime lors des mouvements de la fourche (ou de l'amortisseur), fait très bien office de ressort (amuse-toi à boucher ta pompe à vélo avec ton doigt et comprime l'air : et bien la poignée revient vers le haut : c'est l'effet ressort de l'air comprimé).

Bon, ici je me contente de te donner un schéma de principe de la fourche (l'amortisseur, c'est un peu plus compliqué car tout est plus petit, et puis je ne peux pas te mâcher tout le travail ...).

fourche typique d'un vtt haut de gamme : fourche à air.

Bien alors regardons les différentes parties qui composent cette fourche à air :

- A : les plongeurs. Ils sont très lisses, traités en surfaces pour coulisser sans frottement dans la partie B, qu'on appelle les fourreaux.

Si 'd' est le débattement de la fourche, il faut imaginer que le plongeur descend dans le fourreau jusqu'à une distance 'd+' du fond du fourreau, de façon à ce que quand la fourche est enfoncée au maximum, le plongeur n'aille pas cogner dans le fond du fourreau (élémentaire mon cher Watson).

La partie gauche (en tout cas sur ce dessin c'est à gauche), est dédiée à l'air. On voit qu'un piston, solidaire du fond du fourreau, coulisse dans le plongeur de gauche. Le haut du piston est rempli d'air et le piston est étanche. Donc, sur une bosse, quand le plongeur s'enfonce dans le fourreau, le piston lui, qui reste fixe par rapport au fourreau, se retrouve plus près du haut du plongeur : il comprime donc l'air qui y est contenu et l'air n'a qu'une idée en tête, se détendre, ce qui repousse le plongeur et donc le vélo, vers le haut : c'est l'effet ressort de la fourche.

On notera qu'il y a un peu d'air dans la partie du plongeur sous le piston : c'est la chambre négative, qui permet que le piston ne tape pas contre le fond du plongeur lors de la remontée du plongeur: c'est à nouveau un petit ressort qui évite les chocs lors de la détente de la fourche.

La partie droite de cette fourche est dédiée à l'huile d'amortissement : à nouveau, tout se passe dans le plongeur, qui est rempli d'huile. Un piston, également solidaire du fond du fourreau, baigne dans cette huile et peut coulisser dans le plongeur quand le plongeur plonge (ben tiens). C'est le piston dans son pot de miel. Sauf qu'ici, le passage de l'huile de part et d'autre du piston ne se fait pas entre les bords du piston et les parois du plongeur, mais dans un petit chenal au centre du piston. D'ailleurs la largeur du chenal est réglable par une vis située sous le fourreau : c'est comme cela qu'on règle l'effet viscosité (ou amortissement) : en tournant la molette, on enfonce plus ou moins un cône mâle dans le chenal conique femelle, ce qui modifie la largeur de passage pour l'huile. Evidemment, la viscosité de l'huile préconisée est telle que la réaction de ta fourche lors d'un choc correspond à un mouvement oscillant assez amorti (quelque part entre E et G sur l'antépénultième figure), mais pas trop quand même sinon ta fourche ne revient pas à sa position d'équilibre avant la bosse suivante. C'est ce qui se passe si tu tournes trop la vis d'amortissement, donc si tu fermes trop le passage pour l'huile, et que tu roules sur une section très bosselée : la position d'équilibre de ta fourche va descendre petit à petit au cours de la descente et n'aura jamais le temps de remonter : tu vas perdre en débattement au cours de cette descente (tu ne la connaissais pas celle là hein?).

Enfin, tu noteras que si l'huile d'amortissement est en rouge sur le dessin, il y a aussi, au fond de chaque fourreau, de l'huile en vert : c'est l'huile de lubrification : son rôle est simplement de lubrifier les zones de frottements entre plongeur et fourreau : au niveau des bagues de guidage, en haut du fourreau. Attention, un bon entretien de la fourche nécessite de vérifier souvent la quantité d'huile de lubrification : il y en a peu (quelques ml à peine) et elle s'échappe par le haut petit à petit au cours des sorties à vtt. Et quand il n'y en a plus, et bien les plongeurs vont racler contre les bagues de guidage, les rayer, et ta fourche sera bonne à jeter.

Et puis, pour l'entretien, il faut aussi sortir les fourreaux (facile, va voir sur le web), nettoyer la crasse éventuelle, et nettoyer les joints situés en haut des fourreaux, qui empêchent la saleté d'entrer surtout grâce au joint racleur situé à l'extérieur du fourreau, en haut.

Et voilà !