FR2829818A1 - Support de suspension assurant la liaison et le filtrage entre la caisse et la suspension d'un vehicule - Google Patents

Abstract

La présente invention se rapporte à un support de suspension assurant la liaison et le filtrage entre la caisse et la suspension d'un véhicule composée d'un ressort hélicoïdal (4) et d'un amortisseur (5), qui comprend une armature principale (1) et une armature secondaire (2) formant couvercle, qui délimitent entre elles un espace interne (E), l'armature principale (1) ayant la forme générale d'une assiette avec un fond (10) percé d'une ouverture (13) et un rebord périphérique (12) sensiblement parallèles, le ressort (4) venant en appui contre un premier organe élastique (7) positionné contre la face inférieure dudit rebord périphérique (12), l'extrémité libre (51) de la tige (50) de l'amortisseur (5) étant reçue dans l'espace interne (E) au travers de l'ouverture (13) pratiquée dans son fond, les débattements axial et radial de ladite tige (50) étant limités par un disque (6) contre lequel elle s'appuie, logé dans ledit espace interne (E), ce disque étant pris en sandwich entre un deuxième (8) et un troisième (8') organes élastiques en forme de bague, l'ensemble étant inséré dans un quatrième organe élastique annulaire (9).Ce support est remarquable par le fait qu'au moins lesdits deuxième (8) et troisième éléments (8') sont en polyuréthanne thermoplastique cellulaire, ce matériau ayant des cellules fermées d'un diamètre moyen d'environ 100 m, une densité de cellules d'environ 107 / cm3 , une densité comprise entre 0, 4 et 0, 9 et une dureté comprise entre environ 75 et 85 shore A.

Description

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La présente invention est relative à un support de suspension assurant la liaison et le filtrage entre la caisse et la suspension d'un véhicule composée d'un ressort hélicoïdal et d'un amortisseur.

Par le terme"véhicule", on entend aussi bien un véhicule léger, qu'un camion ou un véhicule ferroviaire.

Dans les supports de suspension de type connu, on a affaire à une armature principale et une armature secondaire formant couvercle, qui délimitent entre elles un espace interne. L'armature principale a la forme générale d'une assiette avec un fond percé d'une ouverture et un rebord périphérique sensiblement parallèles. Le ressort vient en appui contre un premier organe élastique positionné contre la face inférieure dudit rebord périphérique. L'extrémité libre de la tige de l'amortisseur est reçue dans l'espace interne au travers de l'ouverture pratiquée dans son fond. Les débattements axial et radial de ladite tige sont limités par un disque ou analogue contre lequel elle s'appuie, logé dans ledit espace interne, ce disque étant pris en sandwich entre un deuxième et un troisième organes élastiques en forme de bague, l'ensemble étant inséré dans un quatrième organe élastique annulaire.

Les organes sont majoritairement réalisés en caoutchouc. Or, l'usage d'un tel matériau est source d'inconvénients.

En matière de rigidification, le caoutchouc présente l'inconvénient majeur de voir sa valeur de rigidité augmenter en fonction du déplacement et de la vitesse de sollicitation, ce surtout dans le cas d'un matériau à forte dureté ou fort amortissement.

Si la courbe de déflexion statique d'un support de suspension à organes en caoutchouc peut être identique à celle d'un support de suspension à organes en polyuréthanne, ce support à organes en caoutchouc produira des valeurs de rigidité beaucoup plus importantes sous sollicitations dynamiques.

Des valeurs de rigidité plus élevées signifient davantage d'efforts, de vibrations et de bruits parasites au niveau de la caisse du véhicule. Ce sont autant d'éléments qui sont source d'inconfort pour les passagers.

Le caoutchouc présente également l'inconvénient d'être incompressible, ce qui signifie qu'il se déforme à volume constant. En d'autres termes, sous de fortes sollicitations, le caoutchouc doit toujours avoir de la place

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pour se déformer. Dans le cas contraire, la pièce possédera des valeurs de rigidité très élevées. D'autre part, une sollicitation dans une direction pourra engendrer des sollicitations selon d'autres directions.

On connaît également des supports de suspension qui font usage de polyuréthanne thermodurcissable moussé. La fabrication des pièces commence par le mélange d'un polyol, d'un isocyanate et d'un agent de réticulation. Les produits utilisés sont toxiques et nécessitent de grandes précautions pour leur mise en oeuvre. Le mélange est ensuite coulé avec du CO2 gazeux dans un moule. La réticulation du mélange ou cuisson s'effectue dans le moule. Le temps de cuisson est d'environ 30 minutes à 80 C. La pièce est ensuite démoulée, ébavurée puis stabilisée thermiquement.

La densité des pièces obtenues par ce procédé varie entre 0,1 et 0,9, avec une dimension des cellules comprise entre 100 et 700 um et une densité cellulaire de 103 à 106 cellules par cm3. La structure de ce type de pièce est loin d'être homogène.

Les limites liées à l'usage d'un tel matériau résident essentiellement dans son temps de fabrication très long et dans son prix élevé résultant du coût des matières premières.

De plus, ce type de matériau est très sensible à l'eau. En effet, l'humidité ambiante est absorbée par les cellules. Aux températures inférieures à O'C, la pièce gèle, ce qui provoque la destruction des cellules. Par ailleurs, la matière est sensible à l'hydrolyse, ce qui provoque la destruction prématurée de la pièce.

Enfin, il s'agit d'un matériau non recyclable, ce qui est un inconvénient majeur dans le domaine de l'industrie automobile.

On décrit dans le document DE-U-201 00 723 un support de suspension du type décrit ci-dessus, dans lequel les organes élastiques sont en élastomère, notamment en polyuréthanne. Toutefois, on ne précise par la nature exacte du polyuréthanne utilisé.

Par rapport aux supports de suspension à organes en caoutchouc selon d'état de la technique, la présente invention a pour but de proposer un support dont au moins une partie des organes élastiques est compressible, de façon à permettre une plus grande liberté de conception quant à leur forme.

Un autre objectif de l'invention, par rapport aux supports connus à organes en polyuréthanne thermodurcissable moussé, est de fournir un support à

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organes peu sensibles à l'humidité, d'un coût de revient raisonnable et dont la fabrication peut être réalisée sans danger.

Encore un autre objectif est d'obtenir un support de suspension qui permet de filtrer séparément les vibrations provenant de la tige d'amortisseur de celles du ressort.

Enfin, un dernier objectif est de fournir un support de suspension dont au moins une partie des organes élastiques fournit un bon compromis entre rigidification et amortissement, ceci à tout niveau de densité de matière.

Ainsi, la présente invention se rapporte à un support de suspension assurant la liaison et le filtrage entre la caisse et la suspension d'un véhicule composée d'un ressort hélicoïdal et d'un amortisseur, qui comprend une armature principale et une armature secondaire formant couvercle, qui délimitent entre elles un espace interne, l'armature principale ayant la forme générale d'une assiette avec un fond percé d'une ouverture et un rebord périphérique sensiblement parallèles, le ressort venant en appui contre un premier organe élastique positionné contre la face inférieure dudit rebord périphérique, l'extrémité libre de la tige de l'amortisseur étant reçue dans l'espace interne au travers de l'ouverture pratiquée dans son fond, les débattements axial et radial de ladite tige étant limités par un disque contre lequel elle s'appuie, logé dans ledit espace interne, ce disque étant pris en sandwich entre un deuxième et un troisième organes élastiques en forme de bague, l'ensemble étant inséré dans un quatrième organe élastique annulaire.

Ce support se caractérise essentiellement par le fait qu'au moins lesdits deuxième et troisième éléments sont en polyuréthanne thermoplastique cellulaire, ce matériau ayant des cellules fermées d'un diamètre moyen d'environ 100 J. m, une densité de cellules d'environ 107/cm3, une densité comprise entre 0,4 et 0,9 et une dureté comprise entre environ 75 et 85 shore A.

Par l'expression"organe élastique", on entend un organe qui se déforme élastiquement sous l'effet d'une sollicitation et qui reprend sa forme initiale quand la sollicitation a cessé.

Par le terme"disque", on entend aussi bien un objet de forme ronde et plate percé en son centre, qu'un objet du même type pourvu d'une collerette annulaire bordant son ouverture.

Selon d'autre caractéristiques avantageuses mais non limitatives de ce support : - le quatrième organe est réalisé dans le même matériau que les deuxième et troisième organes ;

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- les deuxième, troisième et quatrième organes constituent une seule et même pièce ; - ledit premier organe est également dans le même matériau que les deuxième et troisième organes ; - au moins un des premier et quatrième organes est en caoutchouc.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre de certains modes de réalisation privilégiés. Cette description sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe, selon un plan médian longitudinal, d'un premier mode de réalisation d'un support de suspension conforme à l'invention ; - les figures 2 à 4 sont des figures analogues à celle de la figure 1, montrant trois autres modes de réalisation.

Le support selon la présente invention comprend essentiellement une armature principale 1 et une armature secondaire formant couvercle 2, qui délimitent toutes les deux un espace interne E. Elles sont par exemple réalisées toutes les deux en acier ou en aluminium.

L'armature 1 a la forme générale d'une assiette, avec un fond 10 et un rebord périphérique 12 généralement parallèles entre eux, mais perpendiculaires à l'axe médian longitudinal XX'du support.

Le fond 10 est percé d'une ouverture circulaire 13, centrée sur l'axe XX'. Contre le bord libre de cette ouverture est sertie une coupelle de limitation de butée 3, d'axe XX', qui est dirigée à l'opposé du rebord 12.

Dans une forme de réalisation non représentée, cette coupelle pourrait avoir une forme différente, ou être absente du dispositif.

Ce dernier et le fond 10 sont reliés par une paroi intermédiaire 11 qui est légèrement divergente en direction du rebord 12.

L'armature secondaire 2 s'appuie sur le rebord 12. Elle y est fixée, au niveau de son pourtour 22, par exemple par sertissage.

Ce couvercle présente également une ouverture axiale circulaire 23, dont le diamètre est supérieur à celui de l'ouverture 13.

En des zones régulièrement réparties, par exemple au nombre de trois, les deux armatures reçoivent, au travers d'orifices appropriés, des vis F de fixation à la caisse d'un véhicule. Une seule vis est visible à la figure 1. Pour des raisons de clarté, la caisse du véhicule n'y apparaît pas.

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Le support selon l'invention comprend un ressort hélicoïdal dont une seule spire 4 est représentée sur les figures. Ce ressort est d'axe XX'. Il prend appui contre un premier organe élastique 7 positionné contre la face inférieure du rebord périphérique 12 de l'armature principale. Dans l'exemple représenté ici, cet organe est constitué d'un anneau à section en"L", qui prend appui non seulement contre ledit rebord 12, mais également contre la paroi intermédiaire 11.

Selon l'axe XX'est engagé, par l'ouverture 13, la tige cylindrique 50 d'un amortisseur 5. L'extrémité libre de sa tige, de section réduite, ressort partiellement de l'armature secondaire 2 par l'ouverture 23.

Cette extrémité est référencée 51 et on a désigné par la référence 52 l'épaulement périphérique qui correspond au changement de section de la tige 50.

L'extrémité 51 est taraudée de manière à permettre la mise en place d'un écrou (non représenté) sur celle-ci.

Contre l'épaulement 52 s'appuie un disque 6 qui présente une ouverture centrale 60 de diamètre adapté pour venir s'engager sur l'extrémité 51 de la tige de l'amortisseur, sans jeu notable. Ce disque est maintenu en place par l'écrou dont il a été fait état ci-dessus.

Comme le montre clairement la figure 1, ce disque 6 est pris en sandwich entre un deuxième et un troisième organes élastiques en forme de bague, qui portent respectivement les références 8 et 8'.

Ces bagues s'appuient sur les zones planes de la paroi de fond 10 de l'armature principale 1 et 20 de l'armature secondaire 2.

L'ensemble disque 6/organes élastiques 8 et 8'est inséré à l'intérieur d'un quatrième organe élastique annulaire 9 qui occupe la zone exclusivement périphérique de l'espace E.

Ces éléments sont de préférence fixés aux armatures par collage à l'aide d'un adhésif, ou par adhérisation (traitement de surface préalable tel que sablage ou enduction ad hoc) lorsque les organes sont en caoutchouc.

Grâce à ces éléments élastiques, on comprend que, quel que soit le mouvement de débattement de la tige l'amortisseur, ceux-ci sont en partie compensés par au moins l'un de ces organes élastiques.

Conformément à l'invention, au moins lesdits deuxième et troisième éléments 8 et 8'sont en polyuréthanne thermoplastique cellulaire (TPU moussé), ce matériau ayant des cellules fermées d'un diamètre moyen d'environ 100 pu, une densité de cellules d'environ 107/cm3, une densité comprise entre 0,4 et 0,9 et une dureté comprise entre environ 75 et 85 shore A.

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Ces organes peuvent être réalisés à l'aide d'un dispositif de moulage par injection, tel que décrit dans le document WO-98/31521 au nom de la société américaine TREXEL INC.

Le moussage peut être effectué par exemple par le procédé décrit dans les documents US-4 473 665 et US-5 160 674, connu sous la dénomination "MUCELL".

Ce procédé de moussage précité se déroule de la façon suivante.

Un gaz inerte, tel que du dioxyde de carbone ou de l'azote, est injecté à l'état supercritique, dans le polymère fondu, à travers le fourreau de l'extrudeuse, afin de former une solution monophasique. Pour cela, le gaz passe à travers de très petits orifices au niveau des injecteurs. Les bulles formées sont cassées par cisaillement afin d'accélérer la diffusion du gaz dans le polymère. En effet, lorsqu'on déforme ces bulles, on augmente leur énergie de surface et on favorise la diffusion du gaz. De plus, le polymère fondu est supersaturé par le gaz à l'intérieur de l'extrudeuse. La pression dans le fourreau et la filière doit être élevée, car la solubilité du gaz augmente avec la pression.

Ensuite, le procédé consiste à mettre en forme à travers la filière, la solution gaz/polymère et à créer brutalement une instabilité thermodynamique à l'intérieur de la solution. Cette instabilité thermique est obtenue par la chute brutale de la pression au moment ou la solution précitée passe à travers l'orifice étroit de la filière. On obtient ainsi simultanément de nombreux sites de nucléation (ou germination) distribués uniformément à travers le polymère.

Le gaz diffuse alors dans les sites de nucléation et la dimension des bulles augmente de façon uniforme.

Le nombre de cellules de nucléation et donc de bulles dépend à la fois de la perte de pression et de la durée de cette perte de pression. Ces deux critères dépendent de la forme de la buse de nucléation (rayon et longueur), à un débit de matière donné.

La densité du matériau moussé obtenu dépend de la quantité de gaz injecté dans le polymère fondu. De préférence, et comme précisé dans le document US 5 866 053, la quantité de gaz supercritique par rapport au débit de polymère est de l'ordre de 10 %. Toutefois, la quantité soluble maximale de gaz supercritique dépend des conditions de pression et de température du polymère dans le fourreau de l'extrudeuse.

Enfin, il est également important de réguler la température au cours du procédé, afin de contrôler les déformations de la matrice plastique durant la

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croissance des cellules. En effet, plus la température du polymère est élevée et plus la nucléation et la diffusion du gaz sont rapides. Pour contrôler la croissance des cellules, on maintient une température proche de la température de fusion du polymère, puis on diminue rapidement la température de la filière pour conserver la structure micro-cellulaire du profilé moussé obtenu. Cette baisse de température a pour effet d'augmenter la résistance de la matrice viscoélastique, de diminuer le volume spécifique de la phase gazeuse et d'augmenter la tension de surface.

Les organes ainsi obtenus présentent une densité comprise entre 0,1 et 0,6. En dessous de 0,1, les propriétés mécaniques du matériau telles que la résistance à la traction sont insuffisantes et au-dessus de 0,6, il n'y a pas de gain de masse par rapport à un organe réalisé en caoutchouc.

Les organes obtenus présentent une structure cellulaire constituée majoritairement de cellules fermées, d'un diamètre compris entre 70 et 100, um, avec une densité de cellules supérieure à 106/cm3. Cette structure cellulaire est homogène. Au contraire, les matériaux obtenus avec des procédés de moussage de l'art antérieur présentent des cellules de dimensions plus importantes (100 à 1 000 jim) et une densité de cellules de 103 à 106/cm3 de matériau
Ainsi, des tests comparatifs effectués avec une partie tubulaire en TPE moussé à l'aide d'un agent physique tel que l'eau montrent que le produit obtenu a une structure cellulaire non homogène dont les cellules ont un diamètre de 200 J. lm. De même, une partie tubulaire en caoutchouc vulcanisé possède des cellules d'un diamètre d'environ 300 p. m. En outre, la taille des cellules varie en fonction de leur position par rapport à la surface du tube. La structure cellulaire n'est donc pas homogène.

Dans la variante de réalisation de la figure 1, le premier 7 et le quatrième organe élastique 9 sont en caoutchouc.

Dans un tel support de suspension, les troisième 8 et quatrième 8' organes ont pour rôle de filtrer les sollicitations axiales de la tige d'amortisseur, c'est-à-dire dans le sens de la flèche V ou dans un sens opposé. Le mode de rebond de roues est amorti par l'amortisseur. Ces organes n'ont donc pas le rôle fonctionnel d'amortir. Ils doivent filtrer et à ce titre peu rigidifier en fonction des fréquences et des amplitudes d'excitation des sollicitations.

L'organe 9 a davantage un rôle de guidage. Il doit garantir une raideur et une saturation lorsque la tige d'amortisseur subit des sollicitations radiales (c'est-à-dire dans le sens de la flèche W ou dans le sens contraire) ou conique.

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Quant à l'élément 7, il subit en permanence une précharge qui correspond au poids du véhicule. Il ne doit donc pas fluer sous l'effet de cette charge permanente. D'autre part, son rôle est de filtrer les sollicitations provenant du ressort. A l'instar des organes 8 et 8'de filtrage de la tige d'amortisseur 5, sa raideur dynamique doit peut augmenter en fonction des fréquences et des amplitudes d'excitation des sollicitations. Enfin, cet élément de filtrage se doit d'amortir la fréquence du premier mode de structure de ressort qui a généralement lieu autour de 60 Hz. Cette valeur peut varier suivant le type de ressort. Enfin, il peut présenter une structure complexe. Cependant, il lui est souvent demandé d'empêcher uniquement tout bruit de contact entre la spire du ressort et l'armature de suspension.

Comme précisé plus haut, dans le mode de réalisation de la figure 1, les deuxième et troisième organes sont en polyuréthanne thermoplastique cellulaire (TPU moussé), tandis que les premier et quatrième organes sont en caoutchouc.

Cette forme de réalisation est la plus pertinente en terme de rôle fonctionnel demandé à chacun des organes élastiques. Le TPU moussé est une matière qui réalise un excellent compromis entre rigidification et amortissement, ce à tout niveau de densité de matière. Il joue un excellent rôle de filtrage contre les sollicitations axiales de la tige d'amortisseur. Du fait qu'il est moussé, il est compressible. Par conséquent, une sollicitation axiale ne créera pas de déformation radiale qui pourrait induire des sollicitations dans d'autres directions.

Par contre, le caoutchouc est un excellent élément de guidage contre les sollicitations radiales de la tige d'amortisseur.

Dans la forme de réalisation décrite, les organes 7 et 9 sont simplement montés puis collés contre les éléments du support contre lesquels ils s'appuient. Dans une forme de réalisation différente, ces organes pourraient être adhérisés contre l'armature au moment du moulage, après enduction préalable de leurs faces avec de l'adhésif. Encore une autre solution consiste à prévoir des orifices dans les éléments du support, afin d'y permettre la diffusion du caoutchouc et créer ainsi des"rivets"ou"pions"en caoutchouc. Cela permet de se dispenser d'une enduction coûteuse.

La forme de réalisation de la figure 2 se différencie uniquement de la précédente par le fait que non seulement les organes 8 et 8', mais également l'organe 9 sont en TPU moussé.

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Bien que cela ne soit pas représenté sur les figures, ces trois organes pourraient constituer une seule et unique pièce, puisque leur matériau est le même.

L'assemblage du support s'en trouve ainsi facilité.

Dans la forme de réalisation de la figure 3, seul l'organe 9 est en caoutchouc, tandis que les autres sont en TPU moussé.

Les rôles des organes de filtration de la tige d'amortisseur sont analogues à ceux décrits pour la première forme de réalisation. L'organe 7 de filtration du ressort est en TPU moussé, afin de permettre un meilleur amortissement du mode de structure du ressort, tout en gardant une rigidification peu élevée en fonction des fréquences et des amplitudes de sollicitation.

Enfin, dans la forme de réalisation de la figure 4, tous les organes sont en TPU moussé, ce qui permet de garantir tous les avantages liés à ce matériau et notamment assurer une meilleure recyclabilité de ces organes.

Comme précisé plus haut, les avantages des organes en TPU moussé par rapport aux mêmes organes en caoutchouc sont principalement d'ordre mécanique.

Le TPU moussé compressible. Cet avantage permet une grande liberté de conception au niveau de la forme des pièces. Une sollicitation axiale sur un tel organe ne se transforme pas en sollicitation radiale, car le matériau se comprime.

D'autre part, le support de suspension à organes en TPU moussé possède un meilleur comportement dynamique sur véhicule. Ce matériau rigidifie moins en fonction de la vitesse de sollicitation, absorbe plus et restitue moins d'énergie qu'un organe en caoutchouc.

Les valeurs peu élevées de pression nécessaire à la mise en oeuvre des éléments en polyuréthanne thermodurcissable moussé permettent de réaliser des moules prototype en aluminium, possédant des empreintes interchangeables. Ce dispositif permet de changer rapidement les formes et ainsi facilite une mise au point rapide des éléments en polyuréthanne thermodurcissable moussé sur véhicule.

Cet aspect est important car le support de suspension est généralement une pièce mise au point en dernier dans le développement d'un véhicule. A ce titre, les délais de réalisation de pièces prototypes sont extrêmement courts.

Enfin, la masse volumique d'un élément en TPU moussé est beaucoup plus faible qu'un élément en caoutchouc.

Par rapport aux organes en polyuréthanne thermoplastique moussé, les organes en TPU moussé sont peu sensibles à l'humidité.

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Cette solution présente l'avantage d'être réalisable à coût moindre par rapport aux organes en polyuréthanne thermodurcissable moussé. Les produits de base sont standards, utilisés dans bien d'autres applications, et le temps de cycle est plus court.

Contrairement aux éléments en polyuréthanne thermodurcissable moussé, les produits développés à l'aide du procédé MUCELL de TREXEL ne sont pas sensibles aux UV. Les couleurs restent stables malgré une exposition aux UV.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Support de suspension assurant la liaison et le filtrage entre la caisse et la suspension d'un véhicule composée d'un ressort hélicoïdal (4) et d'un amortisseur (5), qui comprend une armature principale (1) et une armature secondaire (2) formant couvercle, qui délimitent entre elles un espace interne (E), l'armature principale (1) ayant la forme générale d'une assiette avec un fond (10) percé d'une ouverture (13) et un rebord périphérique (12) sensiblement parallèles, le ressort (4) venant en appui contre un premier organe élastique (7) positionné contre la face inférieure dudit rebord périphérique (12), l'extrémité libre (51) de la tige (50) de l'amortisseur (5) étant reçue dans l'espace interne (E) au travers de l'ouverture (13) pratiquée dans son fond, les débattements axial et radial de ladite tige (50) étant limités par un disque (6) contre lequel elle s'appuie, logé dans ledit espace interne (E), ce disque étant pris en sandwich entre un deuxième (8) et un troisième (8') organes élastiques en forme de bague, l'ensemble étant inséré dans un quatrième organe élastique annulaire (9), caractérisé par le fait qu'au moins lesdits deuxième (8) et troisième éléments (8') sont en polyuréthanne thermoplastique cellulaire, ce matériau ayant des cellules fermées d'un diamètre moyen d'environ 100 J. m, une densité de cellules d'environ 107/cm3, une densité comprise entre 0,4 et 0,9 et une dureté comprise entre environ 75 et 85 shore A.

2. Support selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le quatrième organe (9) est réalisé dans le même matériau que les deuxième et troisième organes.

3. Support selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les deuxième (8), troisième (8') et quatrième organes (9) constituent une seule et même pièce.

4. Support selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait que ledit premier organe (7) est réalisé dans le même matériau que les deuxième et troisième organes.

5. Support selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'au moins un des premier (7) et quatrième (9) organes est en caoutchouc.