Brevet FR2730033A1 — publié le 19960802

La présente invention a pour objet une poutre d'absorption d'énergie et un flan métallique pour la réalisation de cette poutre d'absorption d'énergie destinée à former notamment un longeron ou une traverse d'un véhicule automobile ou ferroviaire. Les véhicules automobiles ou ferroviaires comportent des éléments de structure essentiellement constitués de longerons et de traverses destinés à servir de support et de points d'ancrage à différents organes du véhicule, comme par exemple dans le cas d'un véhicule automobile, le moteur, le train avant ou arrière, et les éléments formant la carrosserie. Ces longerons et traverses sont généralement constitués par des poutres qui sont calculées et dimensionnées pour absorber un maximum d'énergie en cas de choc du véhicule. En effet, il est communément admis que le corps humain ne peut pas encaisser une accélération ou une décélération instantanée supérieure à 50g, c'est à dire 50 fois 9,81m/s2 pendant plus de 3 millisecondes sans entraîner des lésions mortelles. Si la structure des véhicules n'absorbe pas suffisamment d'énergie en cas de choc, des lésions sinon mortelles, du moins graves et irréversibles peuvent se produire sur les occupant s même en cas de choc relativement peu violent. Pour éviter cela, les législateurs ont mis en place des normes auxquelles doivent répondre tous les véhicules. Par exemples, les véhicules automobiles doivent subir un test consistant à les lancer contre un obstacle fixe et indéformable à une vitesse de 15m/s, soit environ 57km/h sans que les mannequins instrumentés modélisant les occupants ne subissent une décélération supérieure à 50g. La décélération moyenne ne doit pas dépasser 25g et l'habitacle doit être préservé. De plus, en cas d'un choc frontal à 16km/h sur un obstacle fixe, seul le pare-choc doit être endommagé. Un véhicule comportant des poutres d'absorption d'énergie élémentaires de section carrée ou rectangulaire réalisées à partir d'un flan métallique mince ne permet pas de subir avec succès ce test d'impact car elles n'absorbent pas suffisamment d'énergie lors de leur déformation si bien qu'une trop grande décélération est transmise aux occupants. En effet, l'analyse du mode de déformation de poutres lors d'une sollicitation en compression axiale ou quasi-axiale montre que ces poutres se déforment essentiellement en flexion. Les seules parties subissant une déformation en allongement ou encore appelée traction ou extension plane, sont les arêtes se qui représente entre 5 et 10k de la surface totale développée de la poutre. Or, on sait que la déformation d'un flan métallique en allongement absorbe une quantité d'énergie nettement supérieure à celle de la déformation d'un même flan métallique en flexion pure. C'est pour cela que les poutres d'absorption d'énergie utilisées jusqu'à maintenant présentent des sections complexes généralement en forme de I permettant de multiplier le nombre d'arêtes travaillant en allongement et de ce fait d'augmenter le pourcentage de la surface totale développée de la poutre se déformant en allongement. Une solution pour que les poutres puissent absorber, à géométrie égale, une plus grande quantité d'énergie consisterait à augmenter l'épaisseur du flan métallique constituant ces poutres. Mais, cette solution a pour inconvénient d'augmenter considérablement le poids de ces poutres d'absorption d'énergie. L'invention a pour but de proposer une poutre d'absorption d'énergie permettant d'absorber l'énergie cinétique lors d'un choc et d'augmenter de manière importante le pourcentage de la surface totale de la poutre se déformant en allongement lors d'une sollicitation en compression axiale ou quasi-axiale ainsi que d'augmenter la sécurité des occupants des véhicules, tout en diminuant le poids de ces véhicules par l'utilisation de flans métalliques minces pour la réalisation de ladite poutre d'absorption d'énergie. L'invention a donc pour objet une poutre d'absorption d'énergie comportant au moins trois côtés, caractérisée en ce qu'elle est formée à partir de deux parements métalliques minces superposés et soudés entre eux selon des lignes de soudure déterminées constituant une alternance de zones soudées et de zones non soudées générant, lors d'une sollicitation en compression axiale ou quasi-axiale de cette poutre, une déformation de ladite poutre en accordéon en mode symétrique. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - les lignes de soudure sont réalisées, d'une part, sur les arêtes longitudinales de la poutre et d'autre part, sur au moins deux parois opposées de ladite poutre, entre deux arêtes, pour former des zones soudées en forme d'anneau, - les zones soudées en forme d'anneau sont réalisées sur l'ensemble des parois de la poutre, - les zones soudées en forme d'anneau sont réalisées dans des zones déterminées de la poutre nécessitant une augmentation maximale du périmètre de cette poutre par allongement du métal constitutif des parements métalliques, - chaque zone soudée est en forme d'anneau circulaire ou d'anneau elliptique ou d'anneau oblong, - chaque zone soudée est en forme d'anneau dont le périmètre est formé par plusieurs tronçons d'ellipses constituant approximativement un profil ovoïde, - la poutre comporte, entre deux zones soudées en forme d'anneau d'un même côté, des lignes de soudure orientées parallèlement à l'axe longitudinal de la poutre et/ou entre deux zones soudées en forme d'anneau et les arêtes de ladite poutre, des lignes de soudure orientées perpendiculairement à l'axe longitudinal de la poutre, - un film de polymère chargé de particules métalliques est intercalé entre les parements métalliques. L'invention a également pour objet un flan métallique pour la réalisation d'une poutre d'absorption d'énergie comportant au moins trois côtés, notamment d'un longeron ou d'une traverse d'un véhicule automobile ou ferroviaire, caractérisé en ce qu'il comporte deux parements métalliques minces superposés et soudés entre eux selon des lignes de soudure déterminées constituant une alternance de zones soudées et de zones non soudées générant un maximum de déformations en allongement du matériau constitutif des parements métalliques lors d'une sollicitation en compression axiale ou quasi-axiale de ce flan métallique. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le flan métallique comporte des portions parallèles dont le nombre est égal au nombre de côtés de la Poutre, - le matériau constitutif des deux parements métalliques est de l'acier ou de l'aluminium ou un alliage d'aluminium. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig. 1 est une vue schématique en perspective d'un premier mode de réalisation d'une poutre d'absorption d'énergie conforme à l'invention, - la Fig. 2 est une vue schématique en perspective d'un second mode de réalisation d'une poutre d'absorption d'énergie conforme à l'invention, - la Fig. 3 est une vue schématique en perspective d'un flan métallique mince selon l'invention et à partir duquel est formée une poutre d'absorption d'énergie, - la Fig. 4 est une vue schématique en perspective d'une poutre d'absorption d'énergie partiellement déformée, - la Fig. 5 est une vue en perspective partiellement arrachée d'une poutre d'absorption d'énergie partiellement déformée. La poutre 1 d'absorption d'énergie comprend au moins trois côtés et dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures, cette poutre 1 est de section parallélépipèdique. Selon l'invention, la poutre 1 d'absorption d'énergie est formée à partir de deux parements métalliques 2 et 3 minces, superposés et soudés entre eux selon des lignes de soudure 10 déterminées constituant une alternance de zones soudées et de zones non soudées générant, lors d'une sollicitation en compression axiale ou quasi-axiale de cette poutre 1, une déformation de ladite poutre 1 en accordéon en mode symétrique. Les lignes de soudure 10 sont réalisées sur les arêtes de la poutre 1 pour former des zones soudées 11 longitudinales et également sur au moins deux côtés opposés de ladite poutre 1 et entre deux arêtes pour former des zones soudées 12 en forme d'anneau. Ainsi, les lignes de soudure 10 forment une alternance de zones non soudées 13 et de zones soudées constituées par les zones soudées longitudinales 11 et les zones soudées 12 en forme d'anneau. Selon un mode de réalisation préférentiel, les zones soudées 12 en forme d'anneau sont réalisées sur l'ensemble des côtés de la poutre 1. D'une manière générale, les zones soudées 12 en forme d'anneau sont réalisées dans des zones déterminées de la poutre 1 nécessitant une augmentation maximale du périmètre de cette poutre par allongement du métal constitutif des parements métalliques 2 et 3. Chaque zone soudée 12 est en forme d'anneau circulaire, ou en forme d'anneau elliptique ou encore en forme d'anneau oblong. Selon une variante, chaque zone soudée 12 est en forme d'anneau dont le périmètre est formé par plusieurs tronçons d'ellipse constituant approximativement un profil ovoïde. Les zones soudées 12 en forme d'anneau peuvent avoir des dimensions identiques ou variables et peuvent être uniformément réparties sur le côté correspondant de la poutre 1 ou peuvent avoir un écartement différent et cela en fonction de la déformation à obtenir. Selon un second mode de réalisation représenté à la Fig. 2, la poutre 1 comporte, entre deux zones soudées 12 en forme d'anneau d'un même côté, des lignes de soudure 14 orientées parallèlement à l'axe longitudi nal de le poutre et/ou entre deux zones soudées 12 en forme d'anneau et les arêtes de ladite poutre, des lignes de soudure 15 orientées perpendiculairement ou sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal de ladite poutre 1. Les lignes de soudure 14 et/ou 15 peuvent reliées entre elles les lignes de soudure 10 ou peuvent laisser entre ces lignes de soudure une zone non soudée. Les lignes de soudure 10, 14 et/ou 15 peuvent être réalisées à la molette ou par un faisceau d'électrons dont les déplacements sont asservis à la géométrie des zones soudées ou non soudées à obtenir. Par ailleurs, les lignes de soudure 10, 14 et/ou 15 peuvent également être réalisées par brasage. Les dimensions et/ou l'espacement des zones soudées 11 et 12 et des zones non soudées 13 ainsi que leur géométrie peuvent être variables sur la longueur de l'un ou de plusieurs côtés de la poutre 1 en fonction de la géométrie de ladite poutre et des déformations par allongement du métal constitutif dans des zones déterminées de façon à piloter l'absorption d'énergie et non pas la subir. La poutre 1 d'absorption d'énergie peut être de section constante sur toute sa longueur ou de section progressivement croissante ou décroissante. Comme représenté à la Fig. 3, la poutre 1 est formée à partir d'un flan métallique 20 qui comporte deux parements métalliques 2 et 3 minces, superposés et soudés entre eux selon des lignes de soudure déterminées constituant une alternance de zones soudées 11 et 12 et de zones non soudées 13 générant un maximum de déformations en allongement du matériau constitutif des parements métalliques 2 et 3 lors d'une sollicitation en compression axiale ou quasi-axiale de ce flan métallique 20. Le flan métallique 20 comporte des portions parallèles 21, 22, 23 et 24 dont le nombre est égal au nombre de côtés de la poutre 1. Ainsi que représenté sur la Fig. 3, le flan métallique 20 comporte quatre portions parallèles 21, 22, 23 et 24 de telle sorte que chaque portion forme un côté de la poutre 1 d'absorption d'énergie. Pour réaliser la poutre 1 d'absorption d'énergie, les bords latéraux libres du flan métallique 20 sont reliés entre eux par soudage, après pliage de ce flan métallique 20 selon les lignes de séparation des positions 21,22, 23 et 24. Les portions 21, 22, 23 et 24 du flan métallique 20 comportent les lignes de soudure 10 qui sont réparties en fonction de la géométrie de la poutre et des déformations en allongement à obtenir pour piloter l'absorption d'énergie. Les lignes de soudure 10 sont formées, d'une part, par des zones soudées 11 longitudinales séparant deux portions adjacentes et, d'autre part, sur les portions 21, 22, 23 et 24 et entre deux zones soudées 11 longitudinales, par des zones soudées 12 en forme d'anneau. Les portions 21, 22, 23 et 24 peuvent également comporter des lignes de soudure 14 s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal de la portion correspondante et/ou des lignes de soudure 15 s'étendant perpendiculairement ou sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal de la portion correspondante. Comme cela apparaît sur les figures 4 et 5, la poutre 1 d'absorption d'énergie, lors d'une sollicitation en compression axiale ou quasi-axiale, s'écrase en accordéon selon son axe longitudinal et cela grâce à la répartition et à la disposition des zones soudées 11 et 12 et des zones non soudées 13. Le mode de déformation de la poutre 1 est symétrique car, en cas de choc, les lobes formés de part et d'autre de chaque arêtes sont convexes. D'autre part, on sait que la flexion d'une poutre varie en fonction du carré de son épaisseur et du cube de sa longueur. Par conséquent, dans les zones soudées 11 et 12, la poutre 1 se comporte comme un seul parement de double épaisseur "2e" et dans les zones non soudées 13 comme deux parements d'épaisseur unitaire "e. De ce fait, lors d'une sollicitation en compression axiale ou quasi-axiale de la poutre 1, dans les zones non soudées 13, la flexion de cette poutre 1 varie comme le carré de l'épaisseur c'est à dire "e211, alors que dans les zones soudées 11 et 12 la flexion est moindre. Ainsi, les zones soudées 12 en forme d'anneau sont réalisées dans des zones déterminées de la poutre 1 nécessitant une augmentation maximale du périmètre de cette poutre 1 par allongement du métal constitutif des parements métalliques 2 et 3, comme cela apparait à la Fig. 5. L'augmentation du périmètre externe de la poutre 1 génère un maximum de déformations en allongement du matériau constitutif des parements métalliques 2 et 3 ce qui permet d'augmenter la quantité d'énergie absorber par gramme du matériau. De plus, les lignes de soudure 10 réalisées sur les arêtes de la poutre 1 permettent également d'augmenter le pourcentage de déformation en allongement du matériau constitutif des parements métalliques 2 et 3, ce qui permet d'absorber encore plus d'énergie. Par conséquent, la répartition et la disposition des zones non soudées 13 et des zones soudées 11 et 12 permettent d'initialiser et d'organiser la déforma tion de la poutre 1 lors d'une sollicitation en compression axiale ou quasi-axiale de la poutre 1. Ainsi, il est possible en organisant la géométrie et la disposition de ces zones d'imposer la courbe force/déplacement de la déformation, ainsi que les courbes force/temps et déplacement/temps et en particulier de supprimer le pic d'accélération habituel à l'origine d'un choc. Le pas optimal p entre deux zones soudées en forme d'anneau, c'est à dire la distance séparant deux zones soudées en forme d'anneau sur le même côté de la poutre, qui organise l'amplitude des plis lors de la déformation, est fonction de la ductilité du matériau employé, car en plus de l'organisation de cette déformation il faut éviter la rupture pendant la déformation. Selon une variante, un film de polymère, non représenté, chargé de particules métalliques est intercalé entre les deux parements métalliques 2 et 3, ces particules métalliques permettent de réaliser les lignes de soudure entre les deux parements. Ce film de polymère permet d'insonoriser la poutre 1 d'absorption d'énergie. Les parements 2 et 3 peuvent être réalisés en acier ou en aluminium ou encore en alliage d'aluminium. Un longeron ou une traverse pour véhicules automobiles ou ferroviaires réalisé à partir d'une poutre selon l'invention génère donc un maximum de déformations en allongement du matériau constitutif de ladite poutre, ce qui permet d'augmenter la sécurité des occupants des véhicules, tout en diminuant le poids de ces véhicules par l'utilisation de parements métalliques minces. La poutre d'absorption d'énergie selon l'invention permet de maximiser le rapport énergie absorbée-masse, d'assurer la progressivité de la déformation de l'avant du véhicule vers l'arrière de ce véhicule ce qui est le gage d'une bonne répartition en cas de choc et de maîtriser la cinématique de déformation pour rendre le flambement local de la poutre d'énergie non aléatoire. REVENDICATIONS 1. Poutre d'absorption d'énergie comportant au moins trois côtés, caractérisée en ce qu'elle est formée à partir de deux parements métalliques (2, 3) minces, superposés, et soudés entre eux selon des lignes de soudure (10) déterminées constituant une alternance de zones soudées (11, 12) et de zones non soudées (13) générant, lors d'une sollicitation en compression axiale ou quasi-axiale de cette poutre (1), une déformation de ladite poutre en accordéon en mode symétrique. 2. Poutre selon la revendication 1, caractérisée en ce que les lignes de soudure (10) sont réalisées, d'une part, sur les arêtes longitudinales de la poutre (1) et, d'autre part, sur au moins deux côtés opposés de ladite poutre (1), entre deux arêtes, pour former des zones soudées (12) en forme d'anneau. 3. Poutre selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les zones soudées (12) en forme d'anneau sont réalisées sur l'ensemble des côtés de la poutre (1). 4. Poutre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les zones soudées (12) en forme d'anneau sont réalisées dans des zones déterminées de la poutre (1) nécessitant une augmentation maximale du périmètre de cette poutre (1) par allongement du métal constitutif des parements métalliques (2,3). 5. Poutre selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que chaque zone soudée (12) est en forme d'anneau circulaire. 6. Poutre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que chaque zone soudée (12) est en forme d'anneau elliptique. 7. Poutre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que chaque zone soudée (12) est en forme d'anneau dont le périmètre est formé par plusieurs tronçons d'ellipse constituant approximativement un profil ovoïde. 8. Poutre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que chaque zone soudée (12) est en forme d'anneau oblong. 9. Poutre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte, entre deux zones soudées (12) en forme d'anneau d'un même côté, des lignes de soudure (14) orientées parallèlement à l'axe longitudinal de la poutre (1). 10. Poutre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte, entre deux zones soudées (12) en forme d'anneau et les arêtes de ladite poutre (1), des lignes de soudure (15) orientées perpendiculairement à l'axe longitudinal de la poutre (1). 11. Poutre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un film de polymère chargé de particules métalliques est intercalé entre les deux parements métalliques (2 et 3). 12. Poutre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle forme un longeron ou une traverse d'un véhicule automobile ou ferroviaire. 13. Flan métallique pour la réalisation d'une poutre (1) d'absorption d'énergie comportant au moins trois côtés, notamment d'un longeron ou d'une traverse d'un véhicule automobile ou ferroviaire, caractérisé en ce qu'il comporte deux parements métalliques (2, 3) minces, superposés et soudés entre eux selon des lignes de soudure (10) déterminées constituant une alternance de zones soudées (11, 12) et de zones non soudées (13) générant un maximum de déformation en allongement des matériaux constitutifs des parements métalliques (2, 3) lors d'une sollicitation en compression axiale ou quasi axiale de ce flan métallique (20). 14. Flan métallique selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte des portions parallèles (21, 22, 23, 24) dont le nombre est égal au nombre de côtés de la poutre (1). 15. Flan métallique selon les revendications 13 et 14, caractérisé en ce que les lignes de soudure (10) sont formées, d'une part, par des zones soudées (11) longitudinales séparant deux portions adjacentes et, d'autre part, sur les portions (21, 22, 23, 24) et entre deux zones soudées (11) longitudinales, par des zones soudées (12) en forme d'anneau. 16. Flan métallique selon la revendication 15, caractérisé en ce que chaque zone soudée (12) est en forme d'anneau circulaire. 17. Flan métallique selon la revendication 15, caractérisé en ce que chaque zone soudée (12) est en forme d'anneau elliptique. 18. Flan métallique selon la revendication 15, caractérisé en ce que chaque zone soudée (12) est en forme d'anneau dont le périmètre est formé par plusieurs tronçons d'ellipse constituant approximativement un profil ovoide. 19. Flan métallique selon la revendication 15, caractérisé en ce que chaque zone soudée (12) est en forme d'anneau oblong. 20. Flan métallique selon l'une quelconque des revendications 13 à 19, caractérisé en ce qu' il comporte, entre deux zones soudées (12) en forme d'anneau et d'une même portion (21, 22, 23 et 24), des lignes de soudure (14) orientées parallèlement à l'axe longitudinal de la portion correspondante. 21. Flan métallique selon l'une quelconque des revendications 13 à 19, caractérisé en ce qu'il comporte, entre deux zones soudées (12) en forme d'anneau et les zones soudées (11) longitudinales séparant deux portions (21, 22, 23, 24) adjacentes, des lignes de soudure (15) orientées perpendiculairement à l'axe longitudinal de la portion correspondante. 22. Flan métallique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un film de polymère chargé de particules métalliques est intercalé entre les deux parements métalliques (2, 3). 23. Flan métallique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau constitutif des deux parements métalliques (2, 3) est de l'acier. 24. Flan métallique selon l'une quelconque des revendications 13 à 22, caractérisé en ce que le matériau constitutif des deux parements métalliques (2, 3) est de l'aluminium ou un alliage d'aluminium.