Brevet FR2802596A3 — publié le 20010622

FR 2802596 A3 20010622 FR 9915949 A 19991217 Poutre creuse d'absorption d'énergie de choc. L'invention concerne une poutre creuse d'absorption d'énergie de choc ayant un le long duquel, pour absorber ledit choc, sa longueur est réduite d'une maniere approximativement uniforme en réponse à une force d'impact de choc dont la projection sur cet axe représente la composante principale, ladite absorption d'énergie étant essentiellement irréversible procédant essentiellement par déformation plastique des parois de ladite poutre. Ainsi, la poutre se déforme et s'écrase pour absorber le choc par exemple par formation de lobes successifs se pliant en accordéon les uns les autres, ou par retournement des parois de la poutre comme décrit dans demandes de brevet EP 0 763 448 (HOOGOVENS) et FR 2 698 674 (GKN - LOHR). Dans le domaine des véhicules de transport, certaines pièces de structure, comme des supports de pare-choc ou des longerons, sont adaptées pour se déformer en cas de choc accidentel et pour absorber l'énergie cinétique du véhicule soumis au choc, comme cette énergie cinétique est proportionnelle à la masse du véhicule soumis au choc, on cherche donc à alléger les véhicules de manière à diminuer l'énergie à absorber en cas de choc ; on recherche donc en particulier des absorbeurs d'énergie à la fois efficaces et légers. Une poutre adaptée pour amortir les chocs peut être de section ouverte ou fermée. Une section ouverte peut comprendre, par exemple comme dans le document US 4 684 151 (G.M.), une base, deux ailes adjacentes formant un U avec la base et un rebord parallèle à la base à l'extrémité de chaque aile : la poutre comprend alors cinq parois : une base, deux ailes et deux rebords. Une poutre de section fermée est appelée tube ; elle peut être réalisée en assemblant plusieurs poutres de section ouvertes, par exemple en assemblant par leurs rebords deux poutres en U précédemment décrites ; elle peut être réalisée d'une autre façon à partir d'un flan cintré dont les bords cintrés opposés sont soudés. Une poutre creuse est donc formée d'une ou plusieurs parois : plusieurs parois globalement planes formant entre elles un angle de fermeture pour les poutres à section polygonale, généralement une seule paroi cintrée pour les poutres à section circulaire. Pour fabriquer une poutre d'absorption de choc à partir d'une tôle métallique, on procède par des moyens classiques de mise en forme, notamment l'emboutissage, le pliage et l'hydroformage et, le cas échéant, par des moyens classiques d'assemblage, comme le rivetage, le collage et le soudage. Pour poutres d'absorption de choc dont les parois sont en tôle métallique, notamment d'acier, l'absorption d'énergie procède essentiellement par déformation plastique du matériau des parois, les parois de la poutre se plissant et déformant de manière continue ; quelques ruptures locales peuvent apparaître au cours de la déformation. Pour alléger de telles poutres métalliques d'absorption, on peut utiliser des nuances d'acier présentant de meilleures propriétés mécaniques intrinsèques et des tôles plus faible épaisseur ; cette solution a cependant ses limites dans la mesure ou elle entraîne une diminution importante des moments d'inertie de flexion de la tôle et des risques consécutifs de flambement de la poutre. Le comportement au choc de différents types de poutres tubulaires a été présenté dans le document intitulé Energy Absorption in stainless steel structural members , écrit par H.L. GROTH et al. de la Société AVESTA présenté en octobre 1990 au Nordic Symposium on Mechanical Properties Stainless Steels qui a eu lieu à SIGTUNA en Suède. D'une manière classique, pour évaluer le comportement aux chocs, applique une charge de compression dans l'axe de la poutre et on mesure déformation sous charge ; comme illustré à la figure 3 de ce document, déformation de la poutre commence dès qu'on atteint une charge maximale déclenchement Pmax. , puis, les parois de la poutre se déforment de maniere continue et le niveau de la charge oscille autour d'une valeur moyenne Pm avec une amplitude Pa jusqu'à obtenir le rétrécissement maximum de la poutre (longueur minimum) ; l'aire sous la courbe reliant la charge à la déformation représente d'énergie absorbée. La charge maximale Pmax. de déclenchement de la déformation correspond donc au niveau maximum de décélération subi par le véhicule au moment du choc, et, notamment, par les passagers de ce véhicule ; pour limiter la valeur de cette charge maximale Pn-,ax.@ il est connu d'appliquer sur la poutre, après mise en forme, des moyens d'amorçage de la déformation ; les parois la poutre peuvent être à cet effet dotées de nervures ou de trous adaptes, comme dans les document suivants - DD-272-442-A pour une poutre à section fermée : les parois sont dotées de trous, - JP-55-136660 A (FUJI), JP2175452 A (ISUZU), US 4 702 51 (TOYOTA) pour une poutre à section fermée : les parois sont dotées nervures, - 4 684 151 (G.M.) pour une poutre à section ouverte : les parois sont dotées nervures. réalisation de tels trous ou nervures nécessite une étape supplémentaire de fabrication après l'étape de mise en forme des tôles, ce qui pénalise économiquement ce mode de réalisation des moyens d'amorçage. L'invention a pour but de fournir un absorbeur de choc à la fois économique, léger et présentant une faible charge maximale Pmax. déclenchement de déformation. A cet effet, l'invention a pour objet une poutre creuse d'absorption d'énergie de choc ayant un axe le long duquel, pour absorber ledit choc, longueur est réduite d'une manière approximativement uniforme en réponse à une force d'impact de choc dont la projection sur cet axe représente la composante principale, ladite absorption d'énergie étant essentiellement irréversible et procédant essentiellement par déformation plastique des parois de ladite poutre, caractérisé en ce qu'au moins une desdites parois est en tôle métallique gaufrée. L'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - toutes lesdites parois sont en tôle gaufrée. - ladite tôle métallique est en acier. - le gaufrage de ladite tôle est formé de motifs en creux et/ou en relief régulièrement distribués. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une poutre creuse d'absorption d'énergie de choc selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à - gaufrer une tôle métallique plane, - puis, conférer à ladite tôle gaufrée la forme desdites parois et, le cas échéant, assembler lesdites parois pour former ladite poutre creuse. La tôle étant ainsi gaufrée avant mise en forme des parois de la poutre, notamment par un procédé classique en continu, est très economique à fabriquer. Pour mettre en oeuvre l'invention, on utilise une tôle gaufrée de manière classique, telle que décrite par exemple dans les documents suivants - US 587 233, qui décrit des tôles gaufrées à rigidité améliorée grâce à des ondulations pas rectilignes (cas classique) mais sinusoïdales . - DE 826 , EP 167 874, US 4 059 000, W094112294, 2 063 735 et GB 2 095 595, AU 28578I95, qui décrivent des tôles gaufrées et des cylindres de gaufrage pour fabriquer ces tôles. - US 2 969 586 et EP 139 066, qui décrivent des procédés pour augmenter l'épaisseur et la résilience de feuilles métalliques par indentations en forme de pyramides. - DE 1 222 881, qui décrit un procédé de gaufrage de tôle par matriçage. - US 4 047 417, qui décrit un matériau gaufré en profondeur. Selon l'invention, le marquage de la tôle des parois de la poutre par gaufrage provoque une instabilité qui diminue la pic d'effort en compression PmaX. au début du choc et limite donc le niveau de décélération que subit le passager du véhicule soumis au choc ; le gaufrage sert donc de moyen d'amorçage de la déformation ; ce gaufrage étant réalisé avant l'étape de mise en forme de la tôle, le procédé de fabrication de la poutre selon l'invention est plus économique que les procédés de l'art antérieur dans lesquels les moyens d'amorçage de la déformation sont réalisés après l'étape de mise en forme de la tôle ; en effet, le gaufrage peut être réalisé très économiquement sur des bandes continues de tôles, par exemple en faisant passer la tôle à gaufrer entre des rouleaux de gaufrage comme décrit dans plusieurs documents cités ci- dessus, alors que la réalisation de nervures ou de trous comme dans l'art antérieur est étape beaucoup plus coûteuse. Grâce gaufrage, on limite par ailleurs les risques de flambement des parois de la poutre, ce qui permet d'utiliser des tôles à la fois moins épaisses et plus résistantes, et d'aboutir à une poutre à la fois légère et performante en capacite d'absorption d'énergie ; grâce â la tôle gaufrée, on peut donc en outre aboutir à une amélioration importante d'énergie spécifique dissipée par kilogramme de matériau, mesurée sur la base du niveau moyen de la charge Pm après le pic (PmaX.) de déclenchement de déformation. poutre selon l'invention est de section quelconque, ouverte fermée ; notamment dans les cas de section fermée, la cavité interne de la poutre peut renfermer un matériau amortissant, comme de la mousse métallique ou organique. Pour réaliser une poutre selon l'invention à partir de ces tôles gaufrées, on peut utiliser des moyens conventionnels de mise en forme de tôles métalliques, notamment l'emboutissage, le pliage et l'hydroformage ; la poutre peut être réalisée à partir de plusieurs parois assemblées par moyens conventionnels, par exemple par rivetage, collage ou soudage, notamment dans les cas de poutre à section fermée. possibilité d'utiliser ces moyens conventionnels contribue également à l'avantage économique de l'invention. L'invention sera mieux comprise à la lecture des exemples ci-après, donnés à titre non limitatif, et en référence aux figures annexées sur lesquelles - figures 1A à 1C illustrent des motifs possibles de gaufrage et les figures 2A à 2C des distributions possibles de ces motifs pour des tôles utilisables, selon l'invention, pour la fabrication de poutre d'absorption de choc. - Les figures 3A, 3B ; 4A, 4B ; 5A, 5B illustrent des poutres selon l'invention (A) et leur déformation après un choc (B). Exemple 1 Cet exemple a pour but d'illustrer un premier mode de réalisation d'une poutre d'absorption selon l'invention, dans le cas d'un motif de gaufrage linéaire distribué dans deux directions perpendiculaires. Pour fabriquer la tôle gaufrée nécessaire à la fabrication de poutre, on prend une tôle galvanisée sur les deux faces, d'épaisseur 1,5 de nuance de type Dual Phase dite 600 . Les caractéristiques mécaniques intrinsèque de l'acier des parements sont - contrainte à la rupture Rm = 625 MPa, -limite d'élasticité Re = 411 MPa, - allongement réparti Ag% = 16.4 lo. - allongement à la rupture A% = 25.3 %. Par un procédé classique de gaufrage qui a pour effet d'écrouir localement le métal donc d'augmenter ses caractéristiques mécaniques meure dans les zones de faible déformation après emboutissage, on imprime relief à cette tôle de manière à obtenir les caractéristiques suivantes motif de gaufrage oblong représenté à la figure 1A, caractérisé par - longueur L = 24 mm ; - largeur L' = 6 mm ; - profondeur: environ 1 mm ; répartition périodique des motifs de gaufrage linéaire représentée à la figure 2A, caractérisée par une distance entre les motifs d'une même ligne de P1 = mm, et une distance entre les lignes de P1 = 27 mm - les axes deux motifs voisins sont perpendiculaires entre-eux. plie ensuite la tôle gaufrée de manière à obtenir deux profilés comprenant une base de largeur 54 à 55 mm, deux ailes de hauteur 27 mm environ adjacentes et perpendiculaires à cette base formant avec cette base un U. Les conditions de pliage sont les suivantes : rayon de poinçon : 1 mm matrice à fond fixe en V - pour un format de tôle 216 mm x 108 mm. On assemble ensuite les deux emboutis en appliquant les bords des ailes du deuxième profilé renversé (ouvert vers le bas) sur les bords des ailes du premier profilé ouvert vers le haut et en solidarisant les deux profilés par soudage continu par rayonnement LASER. obtient ainsi une poutre de section fermée approximativement carrée (55 x 55 mm), telle que représentée à la figure 3A. La poutre obtenue est alors testée sans rajouter d'amorce de déformation, dans les conditions suivantes : la poutre est fixée horizontalement sur un chariot se déplaçant dans la direction de l'axe de la poutre avec une vitesse initiale (contrôlée au moment de l'impact) vers un mur rigide, manière à ce que, au moment du choc du chariot contre le mur, ce soit l'une extrémités de cette poutre qui impacte directement le mur ; à l'aide de capteurs adaptés, on mesure l'effort d'écrasement et l'écrasement (déformation longitudinale) instantanés de la poutre ; pendant le choc, on mesure la charge maximale de déclenchement Pmax. , puis on calcule ensuite l'effort moyen d'écrasement Pm à partir de la moyenne des mesures d'effort instantané d'écrasement. Avec un chariot d'une masse de 500 kg lancé à une vitesse initiale de 36 km/h perpendiculairement au mur, l'énergie cinétique du chariot est donc de l'ordre de 25 kJ ; dans ces conditions on obtient les résultats suivants pour 140 mm d'écrasement de la poutre - Pmax. = 16 kN - Pm = kN - capacite d'absorption d'énergie = 7420 J. A l'issue choc, on constate que la poutre s'est déformée par formation et écrasement lobes successifs en accordéon, comme représenté à la figure 3B ; quelques ruptures apparaissent en fin d'écrasement de lobes, sans modifier la stabilité de la poutre durant l'impact. En prenant en compte le poids de la poutre, on évalue alors l'énergie spécifique dissipée par kilogramme de matériau à 20,6 kJ/kg. Exemple 2 Cet exemple a pour but d'illustrer un deuxième mode de réalisation d'une poutre d'absorption selon l'invention dans le cas d'un motif hémisphérique réparti linéairement, avec un décalage des motifs entre deux lignes égal à la demi distance entre deux motifs d'une même ligne et une distance entre lignes égale à la distance entre motifs d'une même ligne. On procède à la fabrication d'une poutre comme dans l'exemple 1, excepté les motifs du gaufrage et la distribution de ces motifs ; en référence aux figures 1 B et le motif est de forme hémisphérique (D = 10 et se répartit en rectangles face centrée de longueur 2 P2 = 27, 5 mm , largeur P2 = 13,75 mm, avec un motif à chaque arête et au centre du rectangle. On obtient la poutre représentée à la figure 4A. Dans les mêmes conditions d'essai que dans l'exemple 1, on obtient les résultats suivants pour 140 mm d'écrasement - Pmax. = 106 kN - Pm = 56,3 kN - capacité d'absorption d'énergie = 7883 J. A l'issue du choc, comme représenté à la figure 4B, on constate que la poutre s'est déformée par formation et écrasement de lobes successifs accordéon, la stabilité de la poutre durant l'impact est bonne. En prenant en compte le poids de la poutre, on évalue alors l'énergie spécifique dissipée par kilogramme de matériau à 21,9 kJ/kg. Exemple 3 Cet exemple a pour but d'illustrer un troisième mode de réalisation d'une poutre d'absorption selon l'invention dans le cas d'un motif en forme de croix distribue comme dans l'exemple 2. procède à la fabrication d'une poutre comme dans l'exemple , excepte les motifs du gaufrage et la distribution de ces motifs. référence à la figure 1C, le motif est en forme de croix carrée, de côté C = 16 mm ; aux extrémités des branches de la croix et à leur intersection, on les rayons de courbure suivants - aux extrémités : Rc = 2 mm ; - à l'intersection : R'c = 4 mm. En référence à la figure 2C, le motif se répartit en carrés à face centrée de côté 2 P3 = 22 mm, avec un motif à chaque arête et au centre du carré. On obtient la poutre représentée à la figure 5A. Dans les mêmes conditions d'essai que dans l'exemple 1, on obtient les résultats suivants pour 140 mm d'écrasement - Pmax. = 96 kN - Pm = 64.5 kN - capacité d'absorption d'énergie = 9034 J. A l'issue du choc, comme représenté à la figure 5B, on constate que la poutre est déformée par formation et écrasement de lobes successifs en accordeon, la stabilité de la poutre durant l'impact est bonne. En prenant en compte le poids de la poutre, on évalue alors l'energie spécifique dissipée par kilogramme de matériau à 25,1 kJ/kg. Exemple comparatif A partir d'une tôle d'acier identique à celle de l'exemple 1, sans gaufrage préalable, on emboutit, on assemble et on teste une poutre dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1. Dans les mêmes conditions de test, on obtient les résultats suivants pour 140 mm d'écrasement de la poutre - Pmax. = 147 kN - P m = 43 kN - capacité d'absorption d'énergie = 6020 J. En prenant en compte le poids de la poutre, on évalue alors l'energie spécifique dissipée par kilogramme de matériau à 16.7 kJ/kg. Les résultats des exemples 1, 2 et 3 montrent que l'invention permet - d'abaisser de 15 à 35% environ la charge maximale de déclenchement Pmax. d'augmenter d'au moins 20 à 55%, à poids égal, l'effort moyen d'écrasement ou l'énergie spécifique dissipée par kilogramme de matériau par rapport à une configuration classique de l'art antérieur de l'exemple comparatif. résultats de ces exemples montrent que la réponse au choc d'une poutre selon l'invention peut être optimisée par un choix adapté du gaufrage. Les résultats de ces exemples montrent que, quelles que soient le motif et la distribution du gaufrage, l'utilisation d'une tôle gaufrée pour la fabrication d'une poutre d'absorption en améliore le comportement en écrasement axial. REVENDICATIONS 1.- Poutre creuse d'absorption d'énergie de choc ayant un axe long duquel, pour absorber ledit choc, sa longueur est réduite d'une manière approximativement uniforme en réponse à une force d'impact de choc dont la projection sur cet axe représente la composante principale, ladite absorption d'énergie étant essentiellement irréversible et procédant essentiellement par déformation plastique des parois de ladite poutre, caractérisé en ce qu'au moins une desdites parois est en tôle métallique gaufrée. 2.- Poutre selon la revendication 1 caractérisée en ce que toutes lesdites parois sont en tole gaufrée. 3.- Poutre selon l'une quelconque des revendications précedentes caractérisée en que ladite tôle métallique est en acier. 4.- Poutre selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le gaufrage de ladite tôle est formé de motifs en creux et/ou en relief régulièrement distribués. 5.- Procédé de fabrication d'une poutre creuse d'absorption d'énergie de choc selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à - gaufrer une tôle métallique plane, - puis, conférer à ladite tôle gaufrée la forme desdites parois et, le cas échéant, assembler lesdites parois pour former ladite poutre creuse.