Brevet FR2909618A1 — publié le 20080613

CAISSON D'ABSORPTION D'ENERGIE DE CHOC L'invention concerne un caisson d'absorption d'énergie de choc, du type communément dénommé par le terme anglais crashbox , destiné à être intégré entre un support ou une entretoise transversal(e) de pare-choc et des longerons d'un véhicule à moteur, comprenant un profilé de déformation en forme de boîtier en tôle métallique qui forme des plis en cas de flambage axial. Les caissons de ce type contribuent à protéger la carrosserie d'un véhicule à moteur en cas de choc à faible vitesse, afin que cette dernière ne subisse aucun dommage. Les caissons de ce type absorbent l'énergie résultant d'un choc en la transformant en travail de déformation. Les structures anti-choc d'un véhicule à moteur sont perfectionnées en permanence en vue d'améliorer leur capacité de dissipation de l'énergie, tant et si bien qu'il existe désormais un grand nombre de réalisations diverses de tels caissons. Outre les matériaux métalliques classiques, il est notoire d'employer aussi des structures composites renforcées par des fibres, qui présentent un fort coefficient de dissipation d'énergie tout ne représentant qu'une faible proportion du poids total du véhicule. Dans la pratique, l'utilisation de structures composites renforcées par des fibres est limitée jusqu'à présent au segment des véhicules haut de gamme. En règle générale, les crashbox en aluminium et en acier disponibles sur le marché sont des réalisations irréversibles et reposent sur la déformation plastique d'éléments. Il convient à ce titre de citer comme exemple DE 198 33 250 Al. Trois principes de déformation différents sont essentiellement utilisés : les crashbox sont fréquemment pliées pendant la contrainte axiale. Il est également notoire d'employer des tubes emboutis par retournement, dans le cas desquels un profilé tubulaire est retroussé sur lui-même par déformation plastique. De même, la réduction d'un diamètre de tube par enfoncement au moyen d'une matrice est également connue. L'expérience a montré qu'un pli de la crashbox défini de manière spécifique provoque des courbes de force et de trajectoire extrêmement fluctuantes à partir d'un certain niveau de force. Ces fluctuations résultent en une absorption d'énergie qui est inférieure à l'absorption d'énergie maximale possible. Si la capacité d'absorption 290961 8 2 d'énergie de telles crashbox doit être améliorée, il est alors nécessaire par la force des choses de définir également un dimensionnement plus important pour les crashbox, ce qui implique par conséquent un poids plus élevé des éléments. Les crashbox qui fonctionnent exclusivement selon principe du 5 retournement ou retroussement atteignent certes les courbes de force et de trajectoire souhaitées les plus constantes possible, mais cela se fait alors au détriment d'un net surpoids par rapport aux crashbox formant des plis, car des plaques de butée configurées de manière correspondante et équipées de congés ou d'éléments similaires sont nécessaires à l'initiation de l'emboutissement par retournement ou 10 retroussement. Les crashbox dans lesquelles des profilés métalliques sont combinés à des structures composites renforcées par des fibres, présentent de bien meilleurs résultats selon la conception. Cependant, cela implique souvent une disposition spécifique des fibres de la structure composite en plastique renforcée par des fibres. De plus, il 15 convient de tenir compte du fait que les crashbox ont aussi, en règle générale, une fonction porteuse, étant donné qu'elles servent à stabiliser l'avant-corps d'un véhicule à moteur et supportent en règle générale l'avant-train avec un pare-choc, un radiateur et des équipements auxiliaires. Ces exigences impliquent souvent des solutions dont la conception s'avère coûteuse. 20 En raison de la disposition spatiale de montage des atténuateurs ou absorbeurs de choc, les constructeurs automobiles préfèrent mettre en place des systèmes qui absorbent l'énergie cinétique au moment de la survenue des dommages dans un diagramme caractéristique de force et de course le plus idéal possible, et qui sont transformés, après une augmentation initialement abrupte de la force, en un 25 niveau de force constant, de telle sorte que l'intégrale sous le diagramme caractéristique de force et de course soit maximale. C'est la raison pour laquelle il a été proposé dans DE 197 36 803 C2 un élément de déformation pour lequel un corps en mousse, positionné de manière à donner lieu au diagramme caractéristique de force et de course le plus favorable possible, est disposé, tout au moins par section, sur la paroi intérieure de l'élément de déformation réalisé sous la forme d'un corps tubulaire. 290961 8 3 De même, il est notoire de réaliser des éléments de déformation à double paroi. Dans DE 103 43 431 B4 est décrit un élément de déformation qui comprend un corps tubulaire qui, par emboutissage par retroussement d'une section tubulaire, transforme l'énergie provoquée par un choc, où l'extrémité libre du tube vient 5 s'appuyer sur un élément pourvu d'un congé concave déterminant le rayon extérieur d'emboutissage. En outre, un insert servant également à transformer l'énergie est disposé dans la section tubulaire. L'insert doit reposer, tout au moins en partie, sur la paroi intérieure du corps tubulaire et comprendre une matrice avec des fibres de verre ou de carbone noyées qui éclatent et se désagrègent sous la contrainte mécanique en 10 cas d'intervention d'une force suffisamment importante. A l'inverse des tubes séparés, cette combinaison doit permettre de parvenir à une meilleure résistance à la flexion par compression axiale et de réaliser un angle d'emboutissage plus important. Par le document DE 197 17 473 B4, on connaît un élément d'absorption de l'énergie qui est construit à partir de plusieurs éléments en forme de tube emboîtés les 15 uns dans les autres et constitués de divers matériaux. En cas de dommage, un premier élément en forme de tube absorbe de l'énergie par rupture et un deuxième élément en forme de tube absorbe de l'énergie par déformation déroulante, les éléments en forme de tubes emboîtés les uns dans les autres se stabilisant mutuellement. En combinant un élément se déformant par déroulement avec un élément se brisant, il 20 est certes possible de lisser la courbe de force et de courbe, mais la combinaison de ces deux principes de transformation d'énergie demande un espace de construction correspondant qui n'est pas forcément disponible au niveau d'une voiture particulière. C'est pourquoi un tel élément d'absorption de l'énergie est plutôt destiné à l'amortissement des chocs des véhicules sur rails. 25 Par le document DE 40 40 459-A1 on connaît une crashbox destinée à être intégrée entre un support ou une entretoise transversale de pare-choc et des longerons d'un véhicule à moteur, comprenant des ressorts à lames qui sont reliés ensemble par un enroulement fibreux. Les ressorts à lames se composent d'un matériau en plastique renforcé par des fibres et sont déformables aussi bien élastiquement que 30 plastiquement. Deux ressorts à lames sont fixés d'un côté au longeron d'un véhicule et le troisième ressort à lames est fixé par les deux côtés à un support transversal de 2909618 4 pare-choc. Les extrémités libres des deux ressorts à lames fixés au longeron du véhicule s'étendent vers l'avant et sont en forme de coude vers l'extérieur. Le troisième ressort à lames fixé à l'entretoise transversale de pare-choc est conçu en forme de U et fixé à l'entretoise transversale de pare-choc par ses extrémités 5 libres s'étendant vers l'avant et en forme de coude vers l'extérieur. Partant de ce principe, le but de l'invention consiste à perfectionner en ce sens un tel caisson destiné à être intégré entre un support transversal de pare-choc et des longerons d'un véhicule à moteur d'une manière permettant à la fois la plus grande économie possible en termes de poids, de coûts et d'espace de construction en vue de 10 parvenir à une courbe caractéristique force/course la plus idéale possible, qui présente initialement une augmentation abrupte de la force et pouvant être transformée en un niveau de force le plus constant possible, tant et si bien que l'intégrale sous la courbe caractéristique force/course est maximale. Cet objectif est atteint au moyen d'un tel caisson destiné à être intégré entre 15 un support transversal de pare-choc et des longerons d'un véhicule à moteur, comprenant un profilé de déformation en forme de boîtier en tôle métallique qui forme des plis en cas de flambage axial. Le profilé de déformation, tout au moins dans les zones dans lesquelles des plis se forment en cas de choc, est pourvu extérieurement d'une gaine, composée d'un matériau composite en plastique renforcé 20 par des fibres, qui repose mécaniquement par coopération de formes sur la partie extérieure du profilé de déformation, une extrémité de la gaine étant disposée de manière à pouvoir être retroussée sur une plaque de support pendant le choc. Des perfectionnements avantageux du concept de l'invention sont présentés ci-après. 25 Dans le cas du caisson selon l'invention, le profilé de déformation est pourvu à l'extérieur, tout au moins dans les zones qui forment des plis en cas de choc, d'une gaine, conçue à partir de matériaux composites en plastique renforcés par des fibres et retenue mécaniquement par des formes complémentaires sur la partie extérieure du profilé de déformation. 30 Grâce à la gaine en contact à l'extérieur et à la liaison mécanique étroite, il se produit en cas de flambage du profilé de déformation métallique une force radiale 290961 8 5 opposée par rapport à la formation du pli, par laquelle la formation du pli du corps de déformation peut être contrôlée. En particulier, la tendance de l'élément de déformation à former des plis provoque une force de compression dirigée vers l'extérieur qui est transformée en force de traction à l'intérieur de la gaine. La 5 distribution de la tension à l'intérieur de la gaine dépend du coefficient de tension entre les fibres et la matrice entourant les fibres. Fondamentalement, les fibres et les composants sont harmonisés entre eux de manière à ce que les pics de force survenant puissent être répartis le mieux possible dans le matériau. L'avantage d'une gaine reposant à l'extérieur permet en particulier de faire en 10 sorte qu'une contrainte de traction plutôt qu'une contrainte de compression se produise à l'intérieur de la gaine. Lors d'une contrainte de compression, la matrice fonctionne comme un ballast, dans lequel est logée une poutre élastiquement encastrée, c'est à dire la fibre. Par conséquent, tant la rigidité de la matrice que la résistance à la flexion de la fibre s'avèrent critiques pour la résistance à la 15 compression du matériau. Le calcul de la rigidité à la compression est donc beaucoup plus complexe, car en plus de la résistance pure à la traction de la fibre, le diamètre de la fibre joue également un rôle en raison du moment quadratique intervenant dans le calcul de la rigidité à la flexion. Il s'agit par conséquent d'un problème de stabilité, pour lequel même les moindres changements dans la composition du matériau ont 20 des répercussions considérables sur les forces supportables, avec pour conséquence qu'une rupture par compression peut se produire de manière très soudaine et en partie sans avertissement préalable. Une gaine reposant à l'extérieur qui absorbe les force de traction est donc essentiellement bien mieux adaptée pour modifier le comportement de déformation dans le sens d'une absorption d'énergie homogène, 25 qu'un élément de déformation se trouvant à l'intérieur et composé d'un matériau composite en plastique renforcé par des fibres. Bien évidemment, le matériau de la gaine et tout particulièrement la proportion et l'alignement des fibres, ont une influence décisive sur le comportement de déformation. Il est particulièrement avantageux que le profilé de déformation soit 30 enveloppé par les fibres de la gaine ou que le profilé de déformation soit entouré par un entrelacs de fibres. Fondamentalement, est particulièrement approprié, en vue 290961 8 6 de contrôler le comportement des plis, d'orienter individuellement les fibres de la gaine, par exemple en disposant plusieurs nattes de fibres superposées, en observant diverses directions pour les fibres principales. Le lissage de la courbe force/course peut être atteint par le fait qu'une 5 extrémité de la gaine est disposée de manière à pouvoir être retroussée sur une plaque de support pendant le choc. La gaine possède donc une double fonction. Pour atteindre la liaison mécanique la plus étroite possible entre le profilé de déformation et la gaine, le procédé par enroulement de fibres est particulièrement pertinent, étant donné que des filaments sans fin sont juxtaposés de manière rigide et 10 étroite et positionnés avec une grande précision de mesure en face du profilé de déformation. Un ou plusieurs filaments peuvent dans un premier temps être dirigés à travers un bain d'imprégnation dans lequel les fibres sont imprégnées avec le matériau de la matrice. Ensuite, le bobinage est effectué autour du profilé de déformation. Mais il est aussi possible d'appliquer des bandes fibreuses de type 15 Prepreg , c'est à dire des bandes fibreuses préalablement imprégnées sur l'élément de déformation, en particulier sous forme de nattes ou mats de fibres. Dans ce cas, le matériau de la matrice n'est plus liquide, mais présente une consistance solide et légèrement collante. La gaine peut aussi bien être collée en certains endroits au profilé de 20 déformation que comprimée ou pressée sur le profilé de déformation. Dans le cas d'un collage, il peut s'agir d'agents de liaison rigides à viscoplastiques qui influent sur le pliage de l'élément de déformation en raison de leurs propriétés physiques. Les fibres de carbone sont utilisées en particulier comme fibres du matériau composite renforcé par des fibres. Cependant, il est aussi possible d'imaginer des cas 25 d'application dans lesquels les fibres du matériau composite en plastique renforcé par des fibres sont composées de verre et/ou d'aramide. De même, un enrobage supplémentaire, tout au moins en certains endroits, de la gaine avec une autre coque métallique est envisageable, formant ainsi une sorte de structure en sandwich. La composition de la matrice du matériau composite en plastique renforcé par 30 des fibres est également critique pour la capacité d'absorption de l'énergie. Plus la matrice présente des propriétés viscoplastiques, plus le pouvoir d'absorption de 2909618 7 l'énergie est fondamentalement élevé. Dans le cas de la matrice, il peut s'agir de matériaux de synthèse thermodurcissables à thermoplastiques. II est également possible de recourir à des résines viscoplastiques nano-modifiées. A cet égard, une matière de charge qui est composée de particules ayant un diamètre défini dans la 5 plage nanométrique, est ajoutée à la résine. Les particules peuvent être par exemple des nano-fibres de carbone ou même être composées de matières céramiques. Ces matières de charge modifient la ductilité de la résine au niveau de son comportement viscoplastique. Par conséquent, est possible de modifier un agent thermodurcissable, de manière à ce que son comportement s'approche des agents 10 thermoplastiques viscoplastiques. De même, l'utilisation de thermoplastiques à polymérisation in situ peut être envisagée. A cet effet, le CBT (cyclic butylene therephthalat) constitue un excellent exemple ; il s'agit d'un produit de la société Cyclics qui réunit avantageusement les proprités des agents thermodurcissables et des thermoplastiques. Le produit initial 15 CBT est composé de molécules de butylène téréphtalate qui sont disposées dans un circuit fermé. Par l'adjonction d'un catalyseur, les molécules sont rompues et liées à de longues chaînes de polymères, donnant ainsi naissance au produit final, à savoir le thermoplastique PBT (Poly-butylène téréphtalate). Les propriétés particulières du matériau permettent de le traiter comme un agent thermodurcissable tout en obtenant 20 un thermoplastique comme produit final. Afin d'augmenter encore plus le pouvoir d'absorption de l'énergie, il est possible de prévoir une garniture en mousse à l'intérieur du profilé de déformation. Cette méthode permet d'obtenir des effets positifs supplémentaires lors du pliage. Le pliage ciblé peut être soutenu par des zones à seuil de flexion mis en place 25 dans le profilé de déformation. L'invention se caractérise en ce sens qu'une courbe force/course constante avec une absorption d'énergie optimisée correspondante est réalisable grâce à la combinaison d'un profilé de déformation pliable avec une gaine composée d'un matériau composite en plastique renforcé par des fibres. Le poids de l'élément 30 composite est très faible. Par ailleurs, une telle crashbox peut être fabriquée de manière économique en utilisant des matières particulièrement rentables. Les 290961 8 8 avantages selon l'invention résultent en particulier de l'application directe de la gaine par un procédé de bobinage ou d'entrelacs correspondant sur le corps métallique principal. Si des structures fibreuses sèches sont appliquées, la matrice peut être rapidement mise en place et imprégnée par des processus d'imprégnation liquides, 5 comme par exemple l'injection en matière thermodurcissable, C'est aussi valable pour des thermoplastiques viscoplastiques (CBT). Des temps de cycle courts sont donc possibles. L'invention est décrite plus en détail par la suite à l'aide des exemples de réalisation représentés dans les dessins schématiques. Les schémas suivants sont 10 représentés : figure 1 : une représentation en coupe d'une crashbox avant un choc ; figure 2 : une représentation en coupe à travers la crashbox de la figure 1 après un choc ; figure 3 : un diagramme caractéristique force/course; 15 figure 4 : diverses formes de coupe transversale du profil de déformation ; figure 5 : deux géométries différentes de crashbox en coupe longitudinale ; figure 6 : plusieurs formes de déclenchements d'une gaine et 20 figure 7 : des gaines déclenché es de différentes manières en combinaison avec divers flasques en plaques. La figure 1 montre, dans une représentation purement schématique un caisson d'absorption d'énergie de choc ou crashbox 1, dont les proportions ne sont absolument pas représentées à l'échelle, mais qui ne sert qu'a expliquer la structure 25 de ce caisson. Le caisson 1 est intégré entre un support transversal de pare-choc, qui n'est pas représenté plus en détail et qui se raccorderait dans le plan de l'image à droite, et un longeron du véhicule à moteur qui se trouverait à gauche dans le plan de l'image. Dans cet exemple de réalisation, le caisson 1 est pourvu de plaques d'appui 2, 3 dessinées de manière schématique, par l'intermédiaire desquelles la force axiale 30 F transmise du support transversal de pare-choc sur le longeron est transmise sur un profilé de déformation en métal 4 disposé entre les plaques d'appui 2, 3, ainsi que sur 2909618 9 une gaine 5, composée d'un matériau composite renforcé par des fibres, et s'enroulant sur le côté externe autour du profilé de déformation 4. Dans cet exemple de réalisation, le profilé de déformation 4 est soutenu sur des raccords d'extrémité 6, 7, qui sont chacun relié à une plaque de support 2 ou 3, 5 respective. Dans ces zones, la gaine 5 est reliée au profilé de déformation au moyen d'une technique de collage. Dans cet exemple de réalisation, la gaine 5 n'est pas collée au profilé de déformation 4 entre les raccords 6, 7. Dans la figure 1, plusieurs zones à seuil de flexion 8 sont indiquées dans la partie entre les raccords 6, 7. Les zones à seuils de flexion 8 sont destinées à 10 contrôler le pliage ou plissement du profilé de déformation 4 dans certaines limites, de manière à ce que le pliage ne se déroule pas complètement hors de contrôle en cas de choc. L'état d'écrasement du caisson 1 représenté sur la figure 1 peut être observé sur la figure 2. Il est possible de reconnaître que la gaine 5 est recourbée vers 15 l'extérieur dans la zone de la plaque d'appui 3, de sorte que le renversement ou retroussement vers l'extérieur permet d'absorber une partie de l'énergie du choc. En outre, le travail de déformation a eu lieu dans la zone du profilé de déformation 4. Les plis dessinés 9 expliquent une déformation possible après un choc. La superposition du pliage ou plissement du profilé de déformation 20 métallique 4 et du renversement ou retroussement inversé en continu de la gaine 5 permet d'établir en théorie la courbe force/course en résultant et représentée sur la figure 3. Il est possible de reconnaître que la force nécessaire à la déformation augmente fortement dans un premier temps, mais reste presque constante après la mise en oeuvre de la déformation, tant et si bien que l'intégrale sous la courbe, et 25 donc la contrainte réalisée dans le caisson, sont maximales. Les avantages selon l'invention de cette combinaison d'un profilé de déformation métallique 4 et d'un élément en matériau composite en plastique renforcé s'étendant à l'extérieur et formant la gaine 5, sont obtenus même dans le cas de géométries de coupe transversale totalement diverses du caisson 1. La figure 4 30 montre cinq exemples de réalisation en coupe transversale que peut avoir ledit caisson L Partant de coupes transversales rondes ou ovales (figure 4a), b)), ledit 2909618 10 caisson 1 peut également, dans l'absolu, posséder une coupe transversale avec des angles (carrée ou polygonale), comme les figures 4c)-e) l'indiquent. La coupe transversale dudit caisson 1 peut rester constante sur toute la longueur du caisson 1. Dans l'absolu cependant, il est aussi imaginable de faire 5 varier la coupe transversale et en particulier de la réduire dans la direction allant vers le support transversal de pare-choc. Les figures 5a) et b) montrent deux exemples de réalisation d'une telle coupe transversale d'un tel caisson, réduite dans la direction allant vers le support transversal de pare-choc. La figure 5a) montre une coupe longitudinale de forme essentiellement trapézoïdale, pour laquelle un côté supérieur 10 et un côté inférieur dudit caisson s'étendent inclinés ou en angle par rapport à l'horizontale. Dans le mode de réalisation de la figure 5b, il est prévu que seul un côté inférieur dudit caisson s'étende incliné ou en angle par rapport à l'horizontale, tandis qu'un côté supérieur dudit caisson s'étend à l'horizontale. Il en résulte ainsi également une structure de forme trapézoïdale. 15 Ce que l'on appelle la force de déclenchement a une influence essentielle sur la courbe force/course. Par force de déclenchement, il convient de comprendre le pic de force qui se produit généralement au début de la déformation. Pour réduire les pics de force, ce que l'on appelle un déclenchement de déformation de la gaine est proposé. Il convient à cet effet de comprendre une configuration géométrique 20 particulière de l'extrémité de la gaine qui est associée à la plaque d'appui 3 située du côté du support transversal de pare-choc. La figure 6 montre quatre exemples de réalisation différents d'un possible déclenchement. Les figures 6a) et b) indiquent à chaque fois les extrémités respectives extérieurement ou intérieurement chanfreinées de la gaine 5a. Un tel déclenchement peut aussi être défini comme un déclencheur 25 chanfreiné . La figure 6c) montre ce que l'on appelle un déclencheur Kri . figure 6d) montre ce que l'on appelle le déclencheur en tulipe . Deux configurations d'assemblage sont représentées dans la figure 7. La gaine 5a avec le biseau du côté extérieur est fixée à une plaque de support 3, comme cela est déjà connu d'après les figures 1 et 2. Dans cette plaque de support 3, une 30 ouverture 1 0 est prévue en plus, servant à équilibrer la pression entre l'intérieur dudit caisson et la zone environnante. 290961 8 11 A la différence du mode de réalisation de la figure 7a), le flasque en plaque d'appui 3" de la figure 7b) est pourvu d'un congé 11, qui est destiné à mieux contrôler le processus de retournement ou de retroussement lorsque la force F est introduite. Liste des numéros de référence : 1 Crashbox ou caisson d'absorption 5 2 - Plaque d'appui 3 - Plaque d'appui 3' - Plaque d'appui 4 - Profilé de déformation 5 - Gaine 10 5a Gaine 6 - Raccord 7 -Raccord 8 ù Zones à seuil de flexion 9-Pli 15 10 ù Ouverture 11 Congé F -Force REVENDICATIONS 1. Caisson d'absorption d'énergie de choc (1) destiné à être intégré entre un support transversal de pare-choc et des longerons d'un véhicule à moteur, comprenant un profilé de déformation (4) en forme de boîtier (4) en tôle métallique qui forme des plis (9) en cas de flambage axial, caractérisé en ce que le profilé de déformation (4), tout au moins dans les zones dans lesquelles des plis (9) se forment en cas de choc, est pourvu extérieurement d'une gaine (5, 5a), composée d'un matériau composite en plastique renforcé par des fibres, qui repose mécaniquement par coopération de formes sur la partie extérieure du profilé de déformation (4), une extrémité de la gaine (5, 5a) étant disposée de manière à pouvoir être retroussée sur une plaque de support (3, 3 pendant le choc. 2. Caisson selon la revendication 1, caractérisé en ce que le profilé de déformation (4) est enveloppé de fibres de la gaine (5, 5a). 3. Caisson selon la revendication 1, caractérisé en ce que le profilé de déformation (4) est entouré par un entrelacs de fibres (5, 5a). 4. Caisson selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la gaine (5, 5a) est collée, tout au moins sur certaines zones, au profilé de déformation (4). 5. Caisson selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la gaine (5, 5a) est pressée sur le profilé de déformation (4). 6. Caisson selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un 25 corps en mousse est disposé dans le profilé de déformation (4). 7. Caisson selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le profilé de déformation (4) est pourvu de zones à seuil de flexion (8) en vue de la formation de plis (9). 2909618 13 8. Caisson selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les fibres du matériau composite en plastique renforcé par des fibres sont des fibres de carbone.