Tesla S – Évaluation de la conception de la suspension

La Tesla S est le deuxième modèle de voiture produit par cette célèbre compagnie de voitures électriques.  Leur premier modèle, le roadster était une adaptation d’une carrosserie d’une voiture à essence de série, la Lotus Élise.  Dans le cas de la S, nous avons lu et traduit cet article de Edmunds.com qui fait une évaluation éclairée de la suspension de la modèle S.  Bien qu’assez technique, cet article est éclairant et permet d’évaluer la valeur de la conception de la modèle S.  Cela faisait quelque temps que je n’avais pas écrit un article plus technique, il était temps que je m’y mette!

 
Avec un pneu avant retiré, voici un aperçu de la suspension et des freins avant:

On peut y voir l’étrier de freins à 4 pistons Brembo (avec le lettrage Tesla), et un arrangement à double triangle qui permet de garder un angle de carrossage stable dans les variations de vitesse et d’accélération.    La table du haut est située très loin de la table du bas, ce qui permet une grande stabilité anti-plongeon, et la capacité de supporter les effets de couple élevés d’un freinage d’urgence.

On peut voir que la table triangulée du bas n’est pas mono-pièce, comme sur la plupart des voitures.  Elle est constituée de deux liens en aluminium coulé et forgé, avec des ouvertures pour en diminuer le poids.   Chaque lien a son propre ball joint, ce qui permet de mettre la rencontre des A  au centre de la bande de roulement du pneu.  On peut voir par les lignes jaunes la géométrie du triangle et le point de rencontre qui est conçu pour se situer au centre de la bande de roulement du pneu.  Cela permet un changement de direction avec un minimum de râpage du pneu.

La bielle de direction (tie rod end identifiée par la ligne jaune) est placée en avant de la suspension à double A.  Sur beaucoup de voitures à essence, elle est placée derrière.  Cette configuration permet de libérer vers l’avant de l’espace au niveau plancher pour la batterie de 85 kWh (ligne rouge).

L’utilisation étendue de l’aluminium dans les pièces de suspension permet de garder le poids non suspendu à un niveau minimum.  Le knuckle massif est avec des cavités pour l’alléger.  On peut voir (flèches jaunes) le lien avec la barre stabilisatrice, qui est pratiquement vertical et s’attache directement au knuckle (au bout de la table en A inférieure), ce qui amène un rapport de 1 pour 1 dans l’effet du mouvement vertical de la suspension avec cette barre.  Cette conception optimise l’effet de la barre stabilisatrice, ce qui permet de ne pas avoir à la grossir et la rendre plus pesante que nécessaire.

Cette protection en caoutchouc protège l’amortisseur à pression Bilstein.  Cela remplace/élimine le ressort de suspension habituel par une pression d’air.  Cela diminue aussi le poids non suspendu.  Un compresseur contrôlé par ordinateur génère la pression d’air requise pour monter ou descendre la voiture selon les volontés du conducteur, la charge à bord (nombre de passagers) et les conditions de conduite:   à vitesse d’autoroute, le système abaisse automatiquement la suspension de façon à diminuer la quantité d’air qui passe sous l’auto et donc les pertes d’énergie par écoulement de l’air.  La hauteur nominale est de 6 pouces, on peut monter la voiture de deux niveaux pour permettre le passage d’une entrée de garage difficile ou de passer un obstacle.  À vitesse d’autoroute le système abaisse la voiture sous les 6 pouces.  Sur cette photo, on voit très bien la table triangulée du haut de la suspension (en noir).

Un petit lien mécanique (en jaune) relie la table de suspension du haut à un senseur de hauteur (en vert), qui permet à l’ordinateur de bien gérer la hauteur de suspension par l’envoi ou le retrait d’air dans l’amortisseur.  La table du haut, en acier, a un ball joint qui y est riveté.  L’utilisation de l’acier au lieu d’aluminium ne représentait pas une pénalité de poids trop importante.

L’étrier de freins Brembo à 4 pistons serre les plaquettes sur un disque en acier ventilé et massif de 14 pouces de diamètre et 1.3 pouce d’épaisseur.  Cet arrangement est plus que suffisant pour arrêter une voiture de 4770 livres.  Il faut aussi garder en mémoire que les arrêts de routine (jusqu’à 0,25g) sont gérés par le moteur électrique qui récupère l’énergie de mouvement en la convertissant en électricité et la retourne dans la batterie.  Mais la preuve d’efficacité est dans la distance d’arrêt de 100km/h à 0 en 108 pieds, et sans dégradation ou allongement avec 6 essais consécutifs.
La ligne de séparation au milieu de l’étrier montre que cette pièce est consitituée de deux parties, tenues ensembles par des boulons.  On peut remplacer les plaquettes de freins sans toucher aux boulons, parce que ces plaquettes sortent par la fenêtre d’accès.  On peut voir 4 petits poids sur les plaquettes, qui servent à réduire les vibrations et les bruits associés qui peuvent se produire quand le système ABS et de stabilisation de trajectoire pulse les freins.  Les boulons ne devront être retirés que lors de la remise à neuf des étriers, quand les pistons devront être retirés des étriers.
Supension arrière

Sur cette photo de la roue arrière, on peut voir deux liens de suspension: le lien central (en jaune) et le lien de trainée (en rouge).  Le lien central permet de bien gérer l’angle de carrossage (camber).  Il y a eu quelques sujets de forums sur des S performance qui affichaient une usure prématurée des pneus arrière, parce que le carrossage était mal ajusté de l’usine.  Prenez la peine de vérifier que l’usure des pneus est régulière sur toute sa surface.  Les deux liens sont faits d’une extrusion d’aluminium qui a été coupée en tranches de l’épaisseur souhaitée.
De sous la voiture, on peut voir que la table arrière est elle aussi triangulée (en A).

Le lien arrière (en rouge) permet de bien gérer les couples élevés lors des accélérations et freinages.  Cela aide à maintenir la roue dans sa position avant-arrière souhaitée.  Ce lien permet aussi de faire en sorte que les joints de caoutchouc puissent “travailler” dans le sens de leur rotation prévue, sans être mis en torsion, comme on le voit dans des conceptions de compromis.

Cette vue prise de l’arrière permet de voir la table en A et le lien intégral (en rouge).  En jaune, le lien avec la barre stabilisatrice a une orientation verticale, ce qui encore là permet une optimisation de la dite barre.  La connexion à la table en A est juste un peu vers l’intérieur, ce qui donne un ratio de mouvement de 0,6 : 1  (on aurait 1: 1 si la barre s’attachait à l’extrémité de la table en A, dans l’axe du boulon avec la ligne verte).

On peut voir que l’amortisseur à air est connecté directement au knuckle de roue.  L’amortisseur a une orientation quasi verticale, ce qui en optimise l’efficacité à bien amortir les chocs et supporter la voiture (car il remplace les ressorts en spirale conventionnels).  À l’arrière, pointé par la flèche rouge, on peut voir que le lien arrière (toe link) a  une came excentrique, ce qui permet d’ajuster le pincement (toe-in/toe out) statique.

On voit ici une vue de l’amortisseur combiné au ressort pneumatique, le tout protégé par la capote de caoutchouc.

 
Comme pour la suspension avant, on peut voir pointé par la flèche jaune le lien qui relie la suspension au senseur de hauteur qui permet à l’ordinateur d’avoir le feedback nécessaire afin d’ajuster la pression d’air dans les amortisseurs pneumatiques pour bien gérer la hauteur de la voiture par rapport à la route.  La flèche rouge pointe vers une ouverture dans le chassis arrière (rear sub frame), qui est en aluminium et est creux pour en optimiser le poids.
 

Nous pouvons voir ici l’arrangement des deux étriers.  Le petit étrier (en jaune) est à simple piston, activé électriquement.  Il sert simplement de frein de stationnement/frein d’urgence.  Le gros étrier à l’arrière est à 4 pistons, similaire à celui des roues avant.  Tous les étriers sont fabriqués par Brembo.

La surface sous la carrosserie est aussi plane que possible.  Cela permet de réduire efficacement la traînée aérodynamique.  On pense souvent que cette traînée concerne la surface visible du haut de la carrosserie, mais l’air circule également en dessous de la voiture!    Dans une voiture à essence, l’air rencontre beaucoup d’obstacles à son écoulement: réservoir d’essence, silencieux, transmission, bosses du plancher, etc.  Toutes ces irrégularités forment des obstacles à l’écoulement de l’air aussi efficaces que s’ils étaient situés sur le dessus de la voiture!  Dans la Tesla S,  le design du dessous de carrosserie place cette voiture dans une classe à part et au-dessus des Mercedez et BMW.
On peut voir sous le nez de la voiture qu’elle a râpé un peu sur l’asphalte.  Le système d’ajustement de la hauteur de la suspension a 2 niveaux de hauteur qu’on peut demander, mais il ne faut pas oublier de l’ajuster avant de franchir un obstacle.  On peut mieux voir les marques de frottement sur l’asphalte, dans la photo suivante.
Cette vue de la suspension avant permet de comprendre pourquoi les concepteurs ont choisi une direction avec la bielle placée à l’avant: la grande surface gris pâle qui rejoint presque l’axe des roues avant, c’est la batterie! il fallait lui laisser le maximum d’espace possible.
La largeur et profondeur (donc la surface) de la batterie explique pourquoi elle ne requiert que 4 pouces de hauteur, ce qui n’impacte pas du tout l’espace pour les passagers et le chargement.  La boîte de batterie va d’un puits de roue à l’autre et d’un seuil de porte à l’autre.
À l’arrière, le plancher (toujours sans apérités) se relève progressivement, du centre des roues jusqu’au pare-chocs.  Ceci amène un effet sol qui aide à coller l’auto à la route.
Les quatre barrières verticales que l’on voit sous le plancher arrière empêche l’air de passer par les côtés de la voiture, (un peu comme les bouts d’aile verticaux sur les avions de ligne) ce qui génère une dépression (une succion) d’air qui colle l’arrière de la voiture à la route.  Cela permet d’éviter d’avoir à installer un aileron arrière et la traînée associée à un tel aileron.  C’est une solution originale que je n’ai jamais vue auparavant sur une autre voiture de production de série.
Conclusion
Avec l’analyse de la suspension de la Tesla S, nous pouvons dire que cette compagnie a de brillants ingénieurs sur sa liste de paie!  La modèle S a un niveau de sophistication qui dépasse l’apparence d’une belle carrosserie.  Ce niveau de finesse dans la conception permet d’avoir confiance dans la qualité élevée de cette auto.  La tenue de route exceptionnelle est le résultat direct de cette conception de haut niveau.