Brevet FR2894219A1 — publié le 20070608

- 1 - " Coque automobile, procédé pour fabriquer une telle coque " La présente invention se rapporte au domaine de la carrosserie automobile, particulièrement à une coque d'habitacle utilisant des matériaux composites. Elle se rapporte aussi à des moyens et à un procédé pour réaliser une telle coque. Les matériaux composites sont utilisés en carrosserie automobile, notamment pour leur légèreté et une certaine facilité de mise en oeuvre. Cependant, pour des raisons de sécurité, une coque en matériau composite doit être renforcée. Le renforcement se fait généralement en montant la coque sur un renfort tubulaire, ou bien en noyant un renfort tubulaire dans le matériau composite. Un renfort tubulaire nécessite cependant de nombreux assemblages généralement par soudage. Il nécessite, pour faire participer conjointement les tubes et le matériau composite à la résistance de la coque, un assemblage souvent délicat à réaliser. En outre, un tel renfort est généralement peu esthétique et il nécessite donc un habillage important. Ces inconvénients peuvent, au moins en partie, être levés lorsque le renfort est noyé dans la coque. Cependant l'épaisseur des tubes est une difficulté pour leur enrobage. En outre, les tubes sont généralement de section circulaire, section qui offre à la fois une plus grande facilité d'enrobage et une meilleure résistance. Or, du fait de leur section circulaire, leur adhérence avec le composite est généralement insuffisante pour transmettre des efforts de torsion selon l'axe d'un tube. Le but de l'invention est de proposer un élément de renfort pour une coque en matériau composite; élément de renfort facile à mettre en oeuvre et apte à coopérer avec le matériau composite à la résistance globale de la coque ainsi réalisée. Le but de l'invention est aussi de proposer une telle coque, ainsi qu'un procédé pour la réaliser. Selon l'invention, un tel élément de renfort pour une coque en matériau composite, d'un véhicule automobile, est caractérisé en ce qu'il comprend au moins une plaque. Une plaque étant défini comme étant de section pleine et ayant une épaisseur plus petite que ses autres dimensions. Une plaque est plus facile à usiner et former que les tubes. En - 2 - outre, elle a une section sensiblement allongée dans un sens perpendiculaire à son épaisseur qui permet une meilleure transmission des efforts entre le renfort et le matériau composite. L'élément peut être en plusieurs parties assemblées entre elles, par exemple par soudage, en une plaque d'un seul tenant et réalisée par découpe dans une seule tôle. Une ou plusieurs découpes pouvant être prévues, notamment pour recevoir un pare-brise. L'élément comprend avantageusement deux montants latéraux s'étendant sensiblement symétriquement de part et d'autre d'un axe longitudinal. Ces montants permettent la reprise d'efforts longitudinaux sur la carrosserie, notamment en cas de choc frontal ou arrière. Un bandeau transversal s'étendant d'un montant latéral à l'autre permet de reprendre des efforts transversaux et/ou de servir d'arceau au-dessus de l'habitacle du véhicule. Un deuxième bandeau peut être aussi prévu, sensiblement parallèle au premier, de sorte que l'élément comprend, entre deux bandeaux et les deux montants, une découpe prévue pour recevoir un pare-brise. Chaque montant peut avoir une extrémité respective en forme de fourche, par exemple prévue pour renforcer une aile de la carrosserie, notamment une aile arrière au dessus d'un passage de roue. La plaque peut être métallique, de préférence en acier, de préférence encore, en acier inoxydable. La plaque aura de préférence une épaisseur sensiblement inférieure ou égale à 6 millimètres, ou même inférieure ou égale à 5 millimètres. Elle forme ainsi une surépaisseur faible dans le matériau composite, ce qui est notablement avantageux relativement à des renforts tubulaires de l'art antérieur. Selon un autre objet de l'invention, une coque pour véhicule automobile est caractérisé en ce qu'elle comprend un élément de renfort selon l'une des revendications 1 à 11, ledit élément de renfort étant disposé entre deux nappes de fibres d'un matériau composite. Une telle coque est particulièrement adaptée à former un habitacle pour le véhicule. Elle peut aussi être adaptée à former une autre pièce dudit véhicule. - 3 - La coque peut en outre comprendre des moyens de fixation, notamment pour la fixer sur un châssis du véhicule. Ces moyens peuvent comprendre une patte de fixation, ladite patte étant une partie de l'élément de renfort s'étendant en dehors du matériau composite. Une telle patte peut être formée à deux extrémités longitudinalement opposées d'un montant longitudinal de l'élément de renfort. De préférence, là où le matériau composite enrobe l'élément de renfort, la coque a une épaisseur sensiblement inférieure ou égale à 10 millimètres, encore plus de préférence, cette épaisseur est inférieure à 8 millimètres. Selon un autre objet de l'invention, un véhicule selon l'invention comprend une telle coque. Cette coque peut être fixée sur châssis du véhicule par des pattes de fixation formées à des extrémités d'un l'élément de renfort selon l'invention. Avantageusement, le châssis d'un tel véhicule est un châssis tubulaire. Selon un autre objet, un procédé pour mettre en forme un élément de renfort selon l'invention est, caractérisé en ce qui est mis en forme par pliage selon des cylindres. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description ci-après, relative à des exemples non limitatifs. Aux dessins annexés - la figure 1 est une vue en plan d'un élément de renfort selon l'invention, à plat; - la figure 2 est une vue en perspective de l'élément de la figure 1, après mise en forme; - la figure 3 est une vue en perspective d'une coque selon l'invention en matériau composite et comprenant l'élément de renfort de la figure 2, l'élément de renfort y étant représenté en pointillés et la coque étant représentée au-dessus du châssis d'un véhicule automobile donc elle constitue au moins partiellement la carrosserie; - la figure 4 est une coupe d'un détail de la coque de la figure 3; et, - la figure 5 illustre un mode de mise en forme par pliage pour l'élément des figures 1 et 2. - 4 - Les figures 1 et 2 représentent un élément de renfort 1 pour une carrosserie 10, illustrée à la figure 3, d'une voiture. Dans l'exemple illustré, le renfort 1 est une plaque d'acier d'une seule pièce. La plaque est d'épaisseur constante sensiblement égale à 5mm. La forme plane illustrée à la figure 1 est obtenue par découpe d'une tôle dudit acier, de préférence de l'acier inoxydable. L'élément de renfort est sensiblement symétrique. Dans sa forme plane, l'élément est sensiblement symétrique de part et d'autre d'un axe de symétrie Xl. L'élément comprend deux montants 2, longitudinaux relativement à l'axe Xl. Les montants longitudinaux s'étendent chacun entre un extrémité avant 21 et une extrémité arrière 22. L'élément comprend en outre deux bandeaux parallèles 3,4 s'étendant transversalement entre les deux montants 2 Les bandeaux et les montant sont relativement allongés relativement leur largeur. Leur largeur est sensiblement homogène sur toute leur longueur respective. Comme illustré à la figure 3, un bandeau inférieur 3 parmi les bandeaux 3,4 est prévu pour renforcer une partie de la carrosserie adjacente à la partie inférieure d'un pare-brise 6, alors que l'autre bandeau, dit bandeau supérieur 4 est prévue pour renforcer une partie de la carrosserie adjacente à la partie supérieure du pare-brise 6. Ainsi, les bandeaux 3,4 et des zones intermédiaires 34 des montants 2, forment entre eux une découpe 234 destinée à renforcer la carrosserie 10 autour de l'endroit où elle doit recevoir le pare-brise 6. Chaque montant 2 comprend une branche antérieure 213 qui s'étend vers l'avant, au-delà du bandeau inférieur jusqu'à l'extrémité avant 21. Il comprend aussi et une branche postérieure 224, qui s'étend vers l'arrière jusqu'à l'extrémité arrière 22 du montant 2. L'extrémité arrière a une forme de fourche, c'est-à-dire qu'elle se sépare en deux parties 221,222, dont une 221 est sensiblement dans le prolongement d'une partie commune de la branche 224, et l'autre 222 diverge en s'éloignant de l'axe X1. La forme plane 6 étant obtenue, elle est ensuite travaillée pour prendre une forme secondaire adaptée à celle de la carrosserie 10 (voir la figure 2) la forme secondaire est sensiblement symétrique relativement à - 5 un plan vertical P1. Dans l'exemple illustré de la forme secondaire, les branches antérieures les bandeaux 3,4 et les zones intermédiaires 34 sont maintenue sensiblement dans un même plan, parallèle à la position prévue pour le pare-brise. Dans la position illustrée à la figure 2, correspondant à celle que prend le renfort 1 lorsqu'il est monté dans une voiture, ce plan est incliné de sorte qu'il s'élève d'avant en arrière. Au-delà du bandeau supérieur 4, les branches postérieures 224 sont progressivement et symétriquement courbées selon des cylindres virtuels, illustrés à la figure 2 par des axes XC. Les termes 'selon des cylindres virtuels' expriment la possibilité en tout point de la branche où la courbure n'est pas infinie, c'est-à-dire là ou la branche n'est pas plane, de disposer un cylindre tangent le long de l'une de ses génératrices à la branche, le cylindre s'étendant de s'étendant de part et d'autre de la branche. Chaque branche postérieure, en s'éloignant du bandeau supérieur 4, est d'abord courbée progressivement vers le bas, selon des cylindres successifs parallèles entre eux, et d'axes XC sensiblement horizontaux et perpendiculaires à l'axe X1, de façon à venir encadrer et renforcer une zone de la carrosserie 10 formant pavillon 7, au-dessus de l'habitacle du véhicule. Ensuite, toujours en s'éloignant encore du bandeau supérieur 4, les branches sont progressivement rabattues latéralement, de façon à venir renforcer une zone de la carrosserie 10 formant aile arrière 8. Pour ce faire, les axes XC des cylindres de courbure sont progressivement inclinés vers le bas du côté extérieur, en même temps que vers l'avant. Ainsi, la branche postérieure est vrillée, de sorte que son extrémité 221 se trouve sensiblement en vis-à-vis de l'extrémité de l'autre branche postérieure, sensiblement dans deux plans symétriques relativement au plan P1, et pratiquement parallèles entre eux. Une fois dans sa forme secondaire, le renfort 1 est moulé ensuite dans un matériau composite. Comme particulièrement illustré à la figure 4, au moins une première couche 11 de fibres peut être disposée dans un moule, puis le renfort 1 être disposé au-dessus de cette première couche, et ensuite au moins une deuxième couche 12 de fibres. Le moule est ensuite refermé et une matrice 13 de résine injectée dans le moule. Le matériau - 6 - composite peut comprendre des fibres de carbone ou de verre dans une matrice polyester ou époxy. Il peut aussi comprendre des fibres carbone dans une matrice carbone, ce qui permet une résistance améliorée ou une diminution du poids à résistance constante, mais pour coût plus élevé. Du fait que le renfort 1 est en forme de plaque, c'est-à-dire qu'il a une section pleine et épaisseur faible El relativement à ses autres dimensions, l'épaisseur totale E2 de la coque, c'est à dire l'épaisseur du renfort et celles des couches de matériau composite qui l'encadrent, dans une région où se trouve une partie du renfort est faible aussi. Ainsi, dans l'exemple illustré, l'épaisseur E2 de la coque 10 dans cette région est voisine de 8mm. Avantageusement, les nappes 11 et 12 sont cousues entre elles de part et d'autre du renfort afin d'en assurer un bon maintien et éviter la séparation de ces couches par déchirement. La forme de plaque du renfort permet aussi une bonne transmission des efforts entre le renfort et le composite. Ainsi, contrairement à une matrice tubulaire, de section carrée et a fortiori de section ronde, les efforts de torsion autour d'un axe perpendiculaire à la section, telle qu'illustrée à la figure 4, sont sans risque de rotation du renfort relativement au composite dans lequel il est inséré. Le renfort 1 et le composite 11-13 coopèrent dont ensemble et de façon optimisée à la résistance de la coque 10. Une même résistance peut donc être obtenue avec une structure plus légère. La coque ainsi réalisée comprend des voiles en matériau composite s'étendant entre et au-delà des différentes parties du renfort 1. Ces voiles correspondent à des zones formant principalement un habillage du véhicule, par exemple entre les branches postérieures 224, un voile 7 forme pavillon, au-dessus de l'habitacle. La coque est ensuite montée sur un châssis 14 du véhicule, partiellement et schématiquement illustré à la figure 4. Le châssis est tubulaire. Dans l'exemple illustré, les extrémités 21,222 des montants 2 ne sont pas moulées dans le matériau composite 11-13. Elles s'étendent donc en dehors du matériau composite. Ces extrémités 21,222 forment ainsi des pattes de fixation prévues pour être fixées, ici par soudage, sur les parties correspondantes 131,132 du châssis 13, comme illustré par les flèches S. - 7 - Les carrosseries automobiles en tôles métalliques ont des formes généralement plus complexes, avec des courbures qui s'interceptent, et nécessitent l'utilisation de moyens de matriçage et d'emboutissage complexes et coûteux pour les fabriquer. Or, comme précédemment dit, les courbures successives du renfort 1 sont en tout endroit en appui sur la génératrice d'un cylindre virtuel. Aucune courbure n'est donc interceptée par une autre courbure. Le renfort 1 peut donc être réalisé de façon simple sans outillage spécifique, éventuellement de façon artisanale pour de petites séries. Ainsi, comme particulièrement illustré à la figure 5, on peut utiliser un dispositif de courbage, ou de cintrage, avec trois rouleaux 16,17 disposés en quinconce, la partie à plier du renfort étant progressivement acheminée entre un premier 16 des rouleaux et les deux autres 17 des rouleaux. La distance entre le premier 16 et les deux autres 17 des rouleaux étant réglée selon la courbure que l'on veut obtenir. Si l'on souhaite une courbure variable le long de la partie à courber, on peut faire varier la distance entre les rouleaux 16,17 à mesure de l'acheminement de la partie entre les rouleaux. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être 20 décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, plutôt que de réaliser l'élément de renfort à partir d'une tôle d'un seul tenant, il est possible de le réaliser à partir de bandes de tôles assemblées entre elles, par exemple par soudage. Chacune des bandes 25 peut servir à réaliser un montant ou un bandeau. Elles peuvent être avantageusement de section sensible constante sur leur longueur. Au lieu que la coque soit fixée par soudage sur le châssis, d'autres moyens de fixation peuvent être prévus. Ainsi, les extrémités peuvent comprendre des perçages pour permettre une fixation par vissage. Elles 30 peuvent aussi porter des tubes pour venir s'emboîter sur des tubes correspondants du châssis. Encore, les courbures peuvent ne pas être progressives le long de l'élément de renfort, mais peuvent être des courbures de loin en loin le long du renfort. Ces courbures peuvent aussi ne pas être limitées à la - 8 - branche postérieure. Ainsi, l'encadrement du pare-brise peut aussi être courbe, le long des parties intermédiaires et/ou des bandeaux. D'autres parties de renfort peuvent aussi être prévues. Ainsi, il peut être prévues des parties de renfort autour d'une lunette arrière du véhicule, 5 ou encore autour d'une ouverture prévue pour recevoir un capot de coffre. REVENDICATIONS 1. Elément de renfort pour une coque (10), en matériau composite, d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une plaque. 2. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur (El) de l'élément est sensiblement constante. 3. Elément selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est en plusieurs parties assemblées entre elles. 4. Elément selon la revendication 3, caractérisé en ce que les parties sont assemblées par soudure. 5. Elément selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la plaque est d'un seul tenant et comprend au moins une découpe (234). 6. Elément selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il 20 comprend deux montants latéraux (2) s'étendant sensiblement symétriquement de part et d'autre d'un axe longitudinal (Xi). 7. Elément selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un bandeau (3,4) transversal s'étendant d'un montant latéral à l'autre. 8. Elément selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend, entre deux bandeaux et deux montants, la découpe (234) prévue pour recevoir un pare-brise (6). 30 9. Elément selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que chaque montant possède une extrémité respective (22) en forme de fourche, prévue pour renforcer une aile arrière (8). 25- 10. Elément selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la plaque est métallique, de préférence en acier inoxydable. 11. Elément selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'épaisseur (El) de la plaque est sensiblement inférieure ou égale à 6 millimètres. 12. Coque pour véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comprend un élément de renfort selon l'une des revendications 1 à 11, ledit élément de renfort étant disposé entre deux nappes (11,12) de fibres d'un matériau composite (11-13). 13. Coque selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle forme l'habitacle du véhicule. 14. Coque selon la revendication 13, caractérisée en que l'élément de renfort comprend une patte de fixation (21,222) s'étendant en dehors du matériau composite. 20 15. Coque selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'une patte est formée à deux extrémités longitudinalement opposées d'un montant longitudinal de l'élément de renfort. 16. Coque selon l'une des revendications 12 à 15, caractérisée en ce 25 que, là où le matériau composite enrobe l'élément de renfort, ladite coque a une épaisseur (E2) sensiblement inférieure ou égale à 10 millimètres. 17. Coque selon la revendication 16, caractérisée en ce que l'épaisseur (E2) de la coque est inférieure à 8 millimètres. 18. Coque selon l'une des revendications 12 à 17, caractérisée en ce que le matériau composite forme un voile (7) entre deux parties (224) distantes de l'élément de renfort. 30 10- 11 19. Véhicule automobile comprenant une coque selon l'une des revendications 12 à 18. 20. Véhicule selon la revendication 19, caractérisé en ce que la coque comprend des pattes de fixations situées a des extrémités (21,222) de l'élément de renfort (1) et fixées sur un châssis (14) dudit véhicule. 21. Véhicule selon la revendication 20, caractérisé en ce que le châssis est tubulaire. 22. Procédé de mise en forme d'un élément de renfort selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il est mis en forme par courbure selon des cylindres (XC). 15