Brevet FR2903070A1 — publié le 20080104

PIECE DE STRUCTURE OBTENUE PAR RABOUTAGE POUR VEHICULE AUTOMOBILE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente invention se rapporte à des pièces de structure pour véhicule automobile obtenues par raboutage et un procédé de réalisation de telles pièces. Actuellement, les pièces de structure de carrosserie susceptibles d'être sollicitées par un choc, par exemple les longerons et les montants, sont généralement fabriquées en tôle d'acier. Leur épaisseur est fixée de telle sorte qu'elles sont capables d'absorber l'énergie du choc, tout en limitant la déformation en compression et en flexion. Cependant l'acier a une densité importante. La masse du véhicule ainsi réalisé est donc élevée. On peut prévoir de réduire l'épaisseur des pièces dans les zones faiblement sollicitées, cependant le gain de masse est limité. En effet, l'acier a une densité de 7,8, alors que l'aluminium a une densité de 2,7. Il faudrait alors réduire de plus de la moitié l'épaisseur de la pièce en acier pour se rapprocher de la masse d'une pièce en aluminium. Le raboutage consiste à joindre deux plaques de métal, les deux plaques étant faites du même métal ou alliage métallique ou de deux métaux ou alliages métalliques différents, généralement 2903070 2 d'épaisseur différente, par soudage. Cela permet de réaliser des éléments ayant des zones d'épaisseur variable adaptée à la sollicitation à laquelle chaque zone peut être soumise. 5 Ce procédé est, par exemple utilisé pour réaliser des planchers de véhicule automobile, tels que décrits dans le document DE 197 13 325, ou des tabliers séparant le compartiment moteur de l'habitacle, tels que décrits dans le document US 2005/0076604. 10 Ce procédé est utilisé pour réaliser des pièces destinées à être visibles ou à des pièces peu sollicitées d'un point de vue mécanique. C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir des pièces de structure pour 15 véhicule automobile de masse réduite tout en conservant un haut niveau de sécurité lors des chocs, par exemple les chocs avant, les chocs arrière et les chocs latéraux. EXPOSÉ DE L'INVENTION 20 Le but précédemment énoncé est atteint par une pièce de structure apte à supporter de fortes sollicitations mécaniques, réalisée par raboutage d'au moins un élément en alliage d'aluminium et au moins un élément en acier. 25 En d'autres termes, la pièce de structure est composite et comporte des zones en acier et des zones en alliages d'aluminium, l'acier et l'alliage d'aluminium étant disposés suivant le type de sollicitations auquel chaque zone est susceptible 30 d'être soumise, afin de réaliser une pièce adaptée à 2903070 3 résister aux chocs, tout en réduisant la masse de la pièce. En effet, certaines sections en alliage d'aluminium offrent des propriétés de résistance en 5 compression comparables à celles de l'acier pour une densité sensiblement moindre, tandis que l'acier offre une résistance en flexion supérieure à celle d'un alliage d'aluminium en raison de son module d'élasticité plus élevé. Ainsi, l'étude des types de sollicitations mécaniques auxquels les différentes zones de la pièce peuvent être soumises permet d'adapter le matériau, dont les propriétés mécaniques sont suffisantes pour la sollicitation attendue. On peut donc réduire considérablement la masse de la pièce. La présente invention a, par conséquent, principalement pour objet une forme allongée pour véhicule 20 supporter une importante comportant au moins un élément et au moins un élément en raboutage. Dans un exemple de réalisation, cette pièce 25 de structure peut être un longeron, dans lequel l'élément en alliage d'aluminium est sensiblement rectiligne et est destiné à être fixée à un pare-choc et l'élément en acier est coudé et est destiné à être fixé à un plancher du véhicule automobile. 30 Dans un autre exemple de réalisation, la pièce de structure selon l'invention peut être un 10 15 pièce de structure de automobile destinée à contrainte mécanique en alliage d'aluminium acier solidarisés par 2903070 4 montant destiné à être disposé entre deux portières, comportant deux éléments en alliage d'aluminium formant les extrémités inférieure et supérieure du montant destinées à se raccorder respectivement à une extrémité 5 longitudinale d'un plancher et à un pavillon de toit, et l'élément en acier formant la partie médiane du montant. Dans un exemple de réalisation, l'alliage d'aluminium peut avoir un module d'élasticité d'environ 10 7GPa et l'acier peut avoir un module d'élasticité d'environ 20 GPa. Par exemple l'acier est du type HE450M, 650, TRIP 800, DP 800, 1000 ou TWIP, et un alliage d'aluminium du type 6060, 6182, 6008 ou 7005. 15 La présente invention a également pour objet un véhicule automobile comportant au moins une pièce de structure selon la présente invention. Le véhicule peut comporter au moins une paire de longerons avant ou arrière selon la présente 20 invention et/ou au moins une paire de montants selon la présente invention. La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce de structure selon la présente invention comportant les 25 étapes : a) raboutage d'au moins une partie en acier et d'au moins une partie en alliage d'aluminium, b) emboutissage des parties raboutées. Lors de l'étape a), deux parties en alliage 30 d'aluminium peuvent être raboutées de part et d'autre de la partie en acier. 2903070 5 L'étape a) de raboutage s'effectue avantageusement par soudage par friction en mode translation. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS 5 La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un véhicule automobile montrant un longeron avant de 10 l'état de la technique, - la figure 2 est une vue en perspective partiellement éclatée d'un détail d'un véhicule automobile montrant un longeron avant selon la présente invention, 15 - la figure 3 est une vue en perspective d'un véhicule automobile montrant un montant de l'état de la technique, - la figure 4 est une vue en perspective partiellement éclatée d'un détail d'un véhicule 20 automobile montrant un montant selon la présente invention, - la figure 5 est une représentation schématique d'une étape de raboutage. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS 25 Sur la figure 1, on peut voir un longeron avant de l'état de la technique. La réglementation impose que le pare-choc d'un véhicule automobile se situe à 500 mm au dessus de la bande de roulement, alors que le plancher d'un 2903070 6 véhicule automobile se trouve à 200 mm au dessus de la bande roulement Ainsi, afin de respecter la réglementation, un longeron avant 1 comporte une partie rectiligne 2 5 dont une extrémité 2.1 est destinée à être fixée à un pare-choc 4 et une partie coudée 6 fixée par une première extrémité 6.1 à une autre extrémité 2.2 de la partie rectiligne 2 et par une autre extrémité 6.2 à un plancher 8. Le pare-choc 4 se trouve alors au dessus du 10 plancher 8. En cas de choc frontal, la partie rectiligne 2 est soumise à une contrainte de compression selon son axe longitudinal X et la partie coudée 6 est soumise à un effort de flexion. 15 On cherche à ce que les longerons se déforment plastiquement et ne se rompent pas. Les matériaux sont donc choisis pour avoir leur limite élastique en dessous de la valeur inférieure de la contrainte de choc et leur limite à la rupture au 20 dessous de la valeur supérieure de la contrainte de choc. Les contraintes de choc sont généralement comprises entre un intervalle inférieur [250 MPa ; 650 MPa], ce qui correspond à la limite 25 élastique du longeron, et un intervalle de valeurs supérieures [350 MPa ; 1000 Mpa], ce qui correspond à la limite à la rupture du longeron. Ces valeurs sont données à titre indicatif et dépendent de la zone d'application d'effort. 30 Ainsi un longeron de l'état de la technique est réalisé d'une seule pièce entièrement en acier avec 2903070 7 des épaisseurs aptes à supporter des niveaux de contrainte en flexion et en compression donnés. Or un tel longeron a une masse importante. Un longeron avant selon la présente 5 invention, tel que représenté sur la figure 2, permet de résoudre ce problème. Le longeron 101 selon la présente invention comporte un premier élément 102 de forme allongée rectiligne réalisé en alliage d'aluminium et un 10 deuxième élément 106 de forme coudée vers le bas en acier, le premier 102 et le deuxième élément 106 se raccordant par raboutage au niveau de leurs extrémités 102.2 et 106.1. Une autre extrémité 102.1 du premier 15 élément est destinée à se raccorder à un pare-choc avant 104 et une autre extrémité 106.2 du deuxième élément 106 est destinée à se raccorder à un côté de caisse. Ainsi la zone F pouvant être sollicitée 20 principalement en flexion est réalisée en acier offrant un module d'élasticité élevé de l'ordre de 20GPa. En effet, la résistance à la flexion est proportionnelle au module d'élasticité. Par contre la zone C pouvant être sollicitée principalement en compression, est 25 réalisée en alliage d'aluminium qui offre une résistance à la compression comparable à celle de l'acier. Par contre le module d'élasticité de l'aluminium est de 7 GPa, ce qui le rend inadapté pour résister à une contrainte de flexion importante. 30 Par ailleurs, l'acier présente une densité de 7.8, tandis que l'aluminium présente une densité de 2903070 8 2.7. Par conséquent un longeron comportant des parties en acier et des parties en alliage d'aluminium présente une masse sensiblement inférieure à celle d'un longeron entièrement en acier. 5 Le deuxième élément coudé 106 comporte avantageusement une cale de renfort 110, disposée dans le creux du coude. Le raboutage de l'acier et de l'alliage d'aluminium est réalisé, par exemple par soudage par 10 friction en mode translation par voie semi solide. En effet, l'acier et les alliages d'aluminium ne peuvent être soudés par voie liquide. Sur la figure 5, on peut voir un schéma représentant la solidarisation d'une plaque 200 et 15 d'une plaque 300 par raboutage au moyen d'un outil 400 d'axe Y, rotatif de diamètre compris par exemple entre 10 et 15 mm et ayant. L'outil 400 comporte un épaulement 500 et un poinçon 600 en contact avec l'une de pièce sur sa plus grande surface. Les plaques 20 présentent une épaisseur, par exemple comprise entre 0,8 mm et 4mm. Pour réaliser le raboutage, l'outil 400 se déplace longitudinalement selon un axe X par exemple avec une vitesse de 1 m/min selon la flèche 800, avec 25 une vitesse de rotation autour de son axe Y comprise entre 1500 t/minet 3000 t/min, et en exerçant suivant la flèche 700 un effort selon l'axe de l'outil représenté par la flèche 700 compris entre 500 daN et 1000 daN. 30 Les parties des plaques 200 et 300 en arrière de l'outil 400 sont déjà reliées par raboutage. 2903070 9 Ce procédé de raboutage permet d'obtenir une tenue mécanique très élevée, notamment au niveau de la zone de raccord. En effet, dans le cas des autres techniques d'assemblage, par soudure ou brasure, la 5 zone de raccord présente des caractéristiques mécaniques inférieures à celles des deux matériaux raccordés. Or, dans le cas du raboutage entre aluminium et acier, la zone de raccord a des propriétés mécaniques au moins aussi élevée que celle de 10 l'aluminium. Il peut apparaître des défauts de comportement dans le cas où la zone de raboutage est très sollicitée, on peut alors prévoir une conception de pièces particulière limitant les sollicitations dans 15 cette zone. Le procédé de fabrication d'un longeron selon la présente invention comporte les étapes suivantes . - raboutage d'une plaque en acier et d'une 20 plaque en alliage d'aluminium, -emboutissage de la pièce ainsi formée pour obtenir la forme du longeron. Une étape de découpage peut également être prévue pour ajuster la forme du longeron. 25 Le choix des matériaux à rabouter est effectué de manière à ce que les matériaux présentent des limites d'élasticité et des épaisseurs relativement proches pour assurer un emboutissage homogène. Dans le tableau a ci-dessous, on peut voir 30 les caractéristiques mécaniques de l'acier et d'un alliage d'aluminium en fonction de l'épaisseur. 2903070 10 Tableau a Epaisseur Module Limite Résistance (mm) d'élasticité élastique (MPa) (GPa) (MPa) Acier 0,8-4 20 250-800 350-1200 Alliage 1-5 7 150-300 200-450 d'aluminium La pièce de structure selon l'invention est donc allégée et apte à résister à de fortes 5 contraintes, afin d'assurer la sécurité du conducteur et du passager. La présente invention s'applique également aux longerons arrière. A titre d'exemple, on peut utiliser un 10 acier du type HE450M, 650, TRIP 800, DP 800, 1000, TWIP, et un alliage d'aluminium du type 6060, 6182, 6008, 7005... L'alliage d'aluminium 6182 présente une densité de 207, un module d'élasticité de 6,7 GPA, une 15 limite élastique de 250 MPa et une résistance mécanique de 350 MPa. Sur la figure 3, on peut voir un montant 12 de l'état de la technique disposé entre une portière avant et une portière arrière (non représentées). Le 20 montant se raccorde par une extrémité inférieure 12.1 aux extrémités longitudinales du plancher 14 et par une extrémité supérieure 12.2 à un pavillon de toit 16. La partie médiane 12.3 est la zone susceptible d'être soumise aux plus grandes contraintes de flexion, 25 qui peuvent notamment être provoquées par un choc 2903070 11 latéral. Pour cela le montant est réalisé d'un seul tenant en acier embouti, apte à supporter un niveau de charge de flexion imposé. Les valeurs des contraintes de chocs sont 5 similaires à celles indiquées précédemment pour les chocs frontaux. Or, ces montants présentent une masse élevée. La présente invention résout ce problème. 10 Sur la figure 4, on peut voir un montant 112 selon la présente entre deux portières, s'étendant entre un plancher (non représenté) et un pavillon de toit (non représenté). Le montant 112 selon la présente invention 15 comporte trois éléments 118, 120, 122. Le premier élément 118 et le deuxième élément 120 sont réalisés en alliage d'aluminium et sont destinés à se raccorder respectivement au plancher et au pavillon de toit. 20 Le deuxième élément 122 définissant la partie médiane du montant est en acier. Les premier 118 et deuxième 120 éléments se raccordent au troisième élément 122 par raboutage, de la même manière que décrite précédemment. 25 Les zones du montant 112 qui sont peu sollicitées en flexion, i.e. les extrémités longitudinales du montant, sont réalisées en alliage d'aluminium, par contre la zone du montant qui peut être très sollicitée en flexion, i.e. la partie médiane 30 122, est réalisée en acier. 2903070 12 Ainsi, le montant selon la présente invention offre un niveau de sécurité équivalent, cependant la masse du montant est sensiblement réduite. Le procédé de réalisation est similaire à 5 celui du longeron, cependant lors de l'étape a) de raboutage, deux plaques en aluminium sont raboutées de part et d'autre d'une plaque centrale en acier. Par exemple, un montant de l'état de la technique réalisé entièrement en acier a une masse de 10 3,5 kg. Selon l'invention, grâce à laquelle, environ 60 % de sa masse est réduite de 40, un montant selon l'invention a une masse de 2,5 kg. La présente invention offre l'avantage supplémentaire de faciliter l'assemblage ultérieur des 15 montants sur des longerons extérieurs tels que des bavolets ou brancard en alliage d'aluminium, puisque il s'agit d'un raccord entre éléments en alliage d'aluminium. Le montant selon l'invention est donc 20 capable avec une masse réduite de tenir des contraintes mécaniques comme un montant entièrement en acier. La présente invention s'applique à toutes les pièces de structure qui peuvent être mécaniquement fortement sollicitées. 25 REVENDICATIONS 1. Pièce de structure de forme allongée pour véhicule automobile destinée à supporter une importante contrainte mécanique comportant au moins un élément (102, 118, 120) en alliage d'aluminium et au moins un élément (106, 122) en acier solidarisés par raboutage. 2. Pièce de structure selon la revendication précédente formant un longeron, dans lequel l'élément (102) en alliage d'aluminium est sensiblement rectiligne et est destiné à être fixée à un pare-choc (104) et l'élément en acier (106) est coudé et est destiné à être fixé à un plancher (108) du véhicule automobile. 3. Pièce de structure selon la revendication 1 formant un montant destiné à être disposé entre deux portières, comportant deux éléments (118, 120) en alliage d'aluminium formant les extrémités inférieure et supérieure du montant (112) destinées à se raccorder respectivement à une extrémité longitudinale d'un plancher et à un pavillon de toit, et l'élément en acier (122) formant la partie médiane du montant (112). 4. Pièce de structure selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'alliage d'aluminium a un module d'élasticité d'environ 7 GPa et l'acier a un module d'élasticité d'environ 20 GPa. 2903070 14 5. Pièce de structure selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'acier est du type HE450M, 650, TRIP 800, DP 800, 1000 ou TWIP, et un alliage d'aluminium du type 6060, 6182, 6008 ou 7005. 6. Véhicule automobile comportant au moins une pièce de structure selon l'une des revendications 1 à 5. 10 7. Véhicule automobile selon la revendication 6, comportant au moins une paire de longerons (101) avant ou arrière selon la revendication 2 et/ou au moins une paire de montants (112) selon la revendication 3. 15 8. Procédé de fabrication d'une pièce de structure selon l'une des revendications 1 à 5 comportant les étapes : a) raboutage d'au moins une partie (106, 20 122) en acier et d'au moins une partie (102, 118, 120) en alliage d'aluminium, b) emboutissage des parties raboutées. 9. Procédé de fabrication d'un montant 25 selon la revendication précédente dans lequel lors de l'étape a), deux parties (118, 120) en alliage d'aluminium sont raboutées de part et d'autre de la partie en acier (122). 5 2903070 15 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel l'étape a) de raboutage s'effectue par soudage par friction en mode translation.