Brevet FR2989347A1 — publié le 20131018

Châssis de véhicule automobile à coque autoporteuse monolithique et élément de renfort 10 Domaine technique de l'invention L'invention concerne le domaine des châssis de véhicules automobiles, comprenant au moins une coque autoporteuse. 15 L'invention a pour objet plus particulièrement une partie d'un tel châssis, notamment une partie centrale du châssis suivant une direction longitudinale du châssis ou du véhicule, cette partie étant, dans ce cas, destinée à être interposée entre des parties avant et arrière du châssis. Elle concerne aussi le châssis en tant que tel et le véhicule automobile 20 en tant que tel. État de la technique Il est connu de prévoir qu'au moins une partie du châssis d'un véhicule 25 automobile, notamment pour des raisons de gain de poids, soit réalisée au moyen d'au moins une coque autoporteuse ou d'un assemblage de telles coques entre elles. C'est notamment le cas dans le domaine des véhicules à vocation sportive, avec des coques à base de fibres de carbone, par exemple. 30 L'une des difficultés dans la conception et la constitution de tels châssis est de fournir un châssis présentant une rigidité en torsion et en flexion suffisante et une résistance élevée aux chocs, notamment frontaux. Une solution connue à l'heure actuelle consiste à utiliser un assemblage entre elles de coques autoporteuses où chaque coque autoporteuse est une structure de type « sandwich », constituée d'au moins deux parois (aussi appelées peaux) denses reliées, dans le sens de l'épaisseur de la coque, par un matériau ayant une densité inférieure, tel qu'une mousse ou un milieu alvéolé de type « nid d'abeille ». Mais cette solution est couteuse, complexe à implémenter et reste perfectible concernant le poids de l'ensemble. Objet de l'invention Le but de la présente invention est de proposer une solution qui remédie aux inconvénients listés ci-dessus et qui réponde aux objectifs généraux précités. Notamment, un objet de l'invention est de fournir tout ou partie d'une partie de châssis d'un véhicule automobile qui présente de bonnes caractéristiques concernant d'une part la tenue aux chocs (notamment frontaux ou arrière) et d'autre part la rigidité en flexion et/ou en torsion, tout en améliorant le poids, le coût et la simplicité de l'ensemble. Un premier aspect de l'invention concerne une partie de châssis d'un véhicule automobile, notamment une partie centrale du châssis suivant une direction longitudinale du châssis destinée à être interposée entre des parties avant et arrière du châssis, comprenant au moins une coque autoporteuse monolithique et au moins un élément de renfort assemblé à ladite coque et configuré de sorte à s'étendre sur toute la longueur de ladite partie centrale de châssis suivant la direction longitudinale du châssis afin d'assurer une reprise d'efforts de traction ou de compression parallèles à la direction longitudinale, une reprise d'efforts et de couples de flexion autour d'une direction transversale du châssis et/ou autour d'une direction verticale et une reprise de couples de torsion autour de la direction longitudinale. Elle peut avantageusement comprendre deux éléments de renfort de part et d'autre de ladite partie de châssis suivant la direction transversale du 10 châssis. Elle peut aussi comprendre une pluralité de coques autoporteuses monolithiques configurées et assemblées entre elles, notamment par collage, de sorte à délimiter entre elles au moins un corps creux de forme 15 tubulaire sur toute la longueur de ladite partie de châssis suivant la direction longitudinale, chaque corps creux ainsi délimité formant un élément de renfort donné. À au moins l'une de ses extrémités longitudinales, au moins l'un des 20 corps creux comprend des éléments de reprise d'efforts de traction ou de compression parallèles à la direction longitudinale, d'efforts et de couples de flexion autour de la direction transversale du châssis et/ou autour de la direction verticale, et de couples de torsion autour de la direction longitudinale. 25 Les éléments de reprise d'efforts et de couples peuvent comprendre un logement délimité par le corps creux et destiné à recevoir par engagement un longeron appartenant à une autre partie du châssis, notamment une partie avant ou arrière du châssis. 30 Certains corps creux peuvent comprendre une portée d'appui destinée à supporter des efforts globalement verticaux transmis par un élément structurel tel qu'un montant de baie. Chaque corps creux peut être délimité par au moins une coque autoporteuse monolithique principale et par une coque monolithique de renfort en forme de profilé de section ouverte s'étendant sur toute la longueur de ladite partie de châssis suivant la direction longitudinale et fixé, notamment par collage, contre au moins une paroi de ladite au moins une coque autoporteuse principale. La section du profilé formant une coque monolithique de renfort peut présenter une forme générale d'oméga. La coque monolithique de renfort peut être formée par moulage d'un matériau composite, notamment à base de fibre de carbone. Un deuxième aspect de l'invention concerne un châssis d'un véhicule automobile, comprenant une telle partie de châssis. Notamment, ladite partie de châssis peut constituer une partie centrale du châssis suivant la direction longitudinale du châssis, interposée entre une partie avant du châssis et une partie arrière du châssis. Au moins l'une des parties avant et arrière de châssis peut comprendre au moins un longeron, notamment en aluminium, venant s'insérer dans un logement délimité par une extrémité longitudinale d'un corps creux constitutif d'un élément de renfort appartenant à la partie centrale du châssis. Un troisième aspect de l'invention concerne un véhicule automobile qui comprend une telle partie de châssis et/ou un tel châssis. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la 5 description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés sur les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est un éclaté de la constitution d'un châssis comprenant un exemple de partie de châssis selon l'invention, formant ici une 10 partie centrale du véhicule, - les figures 2 et 3 sont des vues en perspective illustrant une coupe transversale-verticale du châssis de la figure 1 réalisée à proximité d'un bord du châssis, à la jonction entre la partie centrale et une partie avant du châssis, le longeron de la partie avant de châssis 15 étant respectivement absent et présent, - et la figure 4 est une vue en coupe transversale-verticale à la jonction entre la partie centrale et la partie avant du châssis, le longeron de la partie avant de châssis étant présent. 20 Description de modes préférentiels de l'invention La suite de la description est associée à un véhicule automobile, par exemple à motorisation électrique ou hybride, qui comprend un châssis détaillé ci-dessous. Ainsi, la figure 1 est une vue en éclaté de la 25 constitution du châssis du véhicule. Notamment, le châssis se compose de plusieurs parties assemblées entre elles. Une première partie du châssis comprend au moins une coque autoporteuse monolithique, voire plusieurs telles coques 30 autoporteuses monolithiques alors assemblées entre elles pour former un bloc homogène d'un seul tenant. Il convient d'entendre par le terme « monolithique » le fait que chaque coque comprend une seule paroi (aussi appelée peau) dense et n'est donc pas constituée par une structure « sandwich » à deux parois enserrant un matériau alvéolé ayant une densité nettement inférieure, de type « nid d'abeille ». Avantageusement mais non exclusivement, la première partie de châssis est destinée à former la partie centrale du châssis suivant une direction longitudinale X du châssis, destinée à être interposée entre des deuxième et troisième parties du châssis détaillées plus loin, respectivement avant et arrière, de part et d'autre de sa partie centrale. La direction transversale Y du châssis correspond à la largeur du véhicule et la direction verticale est repérée Z. Selon une caractéristique essentielle, la première partie du châssis comprend également au moins un élément de renfort assemblé à ladite au moins une coque autoporteuse. Cet élément de renfort, détaillé plus loin, est configuré de sorte à s'étendre sur toute la longueur de la partie centrale de châssis suivant la direction longitudinale X du châssis afin d'assurer, de manière générale : - une reprise d'efforts de traction ou de compression parallèles à la direction longitudinale X, - une reprise d'efforts et de couples de flexion autour de la direction transversale Y du châssis et/ou autour de la direction verticale Z, - et une reprise de couples de torsion autour de la direction longitudinale X. Autrement dit, l'aménagement dudit au moins un élément de renfort permet, au niveau de la première partie du châssis, de compenser d'une part la faible résistance intrinsèque en torsion et en flexion et d'autre part la faible résistance intrinsèque aux chocs, notamment frontaux, des coques autoporteuses monolithiques utilisées en complément de l'élément de renfort dans la première partie de châssis. 2 98934 7 7 Dans la variante illustrée, la première partie de châssis comprend deux éléments de renfort de cette nature, disposés de part et d'autre de la première partie de châssis suivant la direction transversale Y du châssis. 5 Cet aspect permet de conférer une très grande rigidité en torsion et en flexion à l'ensemble de la première partie de châssis, à moindre coût et pour un poids global contenu. Plus précisément, à titre d'exemple n'apportant aucune limitation à la 10 liberté de conception, la première partie de châssis (ici la partie centrale du châssis) comprend une pluralité de coques autoporteuses monolithiques assemblées entre elles, notamment par collage. La première partie de châssis comprend essentiellement au moins une coque inférieure 10, au moins une coque supérieure 11, une coque 15 formant le tablier 12 du véhicule, au moins une coque latérale intérieure 13 (ici une seule du côté droit du véhicule), deux coques latérales de renfort 14a (agencée du côté droit du véhicule selon Y) et 14b (agencée du côté gauche du véhicule selon Y) et deux coques 15a et 15b formant chacune un renfort de coupelle avant (respectivement droit et gauche). 20 Ces coques autoporteuses monolithiques 10, 11, 12, 13, 14a, 14b, 15a, 15b constituent des éléments structurels du châssis au niveau de la première partie de châssis. Elles sont avantageusement réalisées en matériau composite, par exemple à base de fibres de carbone. Dans le 25 cas où la première partie de châssis comprend une pluralité de coques autoporteuses, comme c'est le cas dans le mode de réalisation illustré, celles-ci sont assemblées entre elles, notamment par collage. Les coques autoporteuses monolithiques 10, 11, 12, 13, 14a, 14b, 15a, 30 15b de la première partie de châssis sont configurées (formes, dimensions, organisation spatiale, etc...) et assemblées entre elles de sorte à délimiter entre elles au moins un corps creux de forme tubulaire sur toute la longueur de la première partie de châssis suivant la direction longitudinale X. Chaque corps creux (figures 2 et 4) ainsi délimité forme un élément de renfort tel qu'évoqué précédemment. Par « forme tubulaire », il convient d'entendre une forme générale de tube, allongée globalement selon X, ayant une section en coupe présentant un contour fermé et de forme quelconque, par exemple globalement parallélépipédique. Une disposition possible consiste à prévoir que les coques 11 et 12 soient rapportées par-dessus la coque 10, la coque 12 venant en avant de la coque 11 suivant la direction X. Du côté droit du châssis, la coque 13 vient se rapporter latéralement sur l'intérieur de la coque 11, à proximité de sa jonction avec la coque 12. Les coques 15a, 15b sont assemblées sur les bords transversaux opposés de la coque 12. Les coques 14a, 14b viennent se rapporter latéralement par l'extérieur, sur les bords opposés selon Y du sous-ensemble constitué par les coques 10 à 13. Dans l'organisation précédente, chaque corps creux est concrètement délimité par au moins une coque autoporteuse monolithique principale (dont la nature dépend de l'emplacement) et par une coque monolithique de renfort constituée ici par l'une des coques 14a, 14b. Pour cela, les coques 14a, 14b ont une forme de profilé, le profilé ayant une section en coupe de forme ouverte. Le profilé s'étend sur toute la longueur de la première partie de châssis suivant la direction longitudinale X et est fixé, notamment par collage, contre au moins une paroi de ladite au moins une coque autoporteuse principale. Le profilé peut présenter, le long de sa longueur selon la direction X, une inflexion dirigée transversalement vers l'extérieur du châssis. La figure 4 montre l'organisation générale de cet assemblage à proximité de la jonction entre la première partie et la deuxième partie du châssis. La section du profilé formant une coque monolithique de renfort 14a, 14b présente une forme générale d'oméga. Par « oméga », il convient d'entendre une forme ayant une cavité dont les extrémités sont prolongées vers l'extérieur par des ailes latérales. La cavité est ouverte transversalement en direction de l'intérieur du châssis. Les faces formées par les ailes latérales de l'oméga sont destinées à la fixation de la coque 14a, 14b par collage sur une autre coque, dite « principale » car structurelle, de la première partie. Par ses ailes latérales, la coque 14b sur la figure 4 est donc collée, sur au moins une partie de sa longueur, sur la coque supérieure 11. A proximité de fond de la cavité de l'oméga, dans sa partie inférieure, la coque 14b est collée, sur au moins une partie de sa longueur, sur la coque inférieure 10. A proximité de fond de la cavité de l'oméga, dans sa partie supérieure au contraire, la coque 14b est collée, sur au moins une partie de sa longueur, sur la coque 15b. La coque 14b et la face extérieure de la coque supérieure 11 contre laquelle la coque 14b est fixée délimitent entre elles un premier corps creux V1 tel que défini précédemment. Le bord supérieur de l'oméga, la coque supérieure 11 et la coque 15b délimitent entre eux un deuxième corps creux V2 tel que défini précédemment. Enfin, le bord inférieur de l'oméga, la coque inférieure 10 et la coque supérieure 11 délimitent entre eux un troisième corps creux V3 tel que défini précédemment. Sur le côté transversalement opposé de la première partie de châssis, une organisation symétriquement identique est réalisée à l'aide de la coque 14a. Toutefois, sur une partie de la longueur de la coque 14a, il est possible de prévoir que la coque 13 vienne éventuellement fermer la base de l'oméga en lieu et place de la coque supérieure 11. Il ressort de ce qui précède que les coques de renfort 14a, 14b permettent, de chaque côté de la première partie de châssis, de cloisonner des corps creux V1 à V3, lesquels augmentent la rigidité statique de torsion et de flexion de la première partie de châssis, et donc du châssis dans sa globalité. Dans le cas d'un véhicule électrique ou hybride, la première partie de châssis peut aussi assurer le support d'une batterie d'alimentation de puissance. Notamment, celle-ci peut être rapportée de manière amovible par le dessous de la coque inférieure 10. Des éléments de renforcement indépendants de la batterie peuvent être aménagés de sorte à protéger la batterie contre des efforts extérieurs appliqués au véhicule selon la direction longitudinale X (choc frontal ou choc arrière) et/ou la direction transversale Y (choc latéral par un objet extérieur tel qu'un poteau) notamment en cas de choc. Les éléments de renforcement comprennent avantageusement des profilés longitudinaux 16 de structure orientés selon la direction X et des profilés transversaux 17 de structure agencés selon la direction Y. De préférence, les profilés sont formés dans un matériau métallique tel qu'un acier, un aluminium ou un alliage d'aluminium. L'utilisation de profilé aluminium permet d'une part d'intégrer des nervures et ainsi assurer une bonne rigidité en flexion, d'autre part de contenir le poids de l'ensemble. Des simulations ont montré qu'une épaisseur des profilés d'aluminium 16, 17 comprise entre 2 et 3,5 mm donnait des résultats satisfaisants de rigidité et de résistance. Les profilés 16, 17 sont assemblés deux à deux entre eux, notamment par mécano-soudage, afin d'apporter une résistance recherchée aux chocs, pour former un cadre, par exemple de forme rectangulaire, encadrant la batterie dans un plan horizontal donné. L'ensemble est conçu de sorte à créer au moins un renforcement transversal continu du soubassement du châssis garantissant une intégrité optimale de la batterie en cas de choc. Le cadre de protection ainsi constitué par les profilés 16, 17 autour de la batterie doit rester le plus intègre possible afin de limiter les efforts appliqués sur le boîtier de fermeture de la batterie. Les profilés longitudinaux 16 orientés selon la direction X sont destinés à absorber tout ou partie de l'énergie, par déformation ou rupture, en cas de choc latéral selon la direction Y. Les éléments de renforcement, qui peuvent toutefois être de toute autre nature adaptée à la fonction recherchée, sont rapportés par le dessus selon Z sur la coque inférieure 10 au niveau de sa face supérieure par collage. Il en résulte d'une part que les éléments de renforcement sont disposés entre les coques 10 et 11 suivant la direction verticale Z, d'autre part que la coque inférieure 10 est prise en sandwich entre la batterie et les éléments de renforcement, suivant la direction verticale Z. Les éléments de renforcement assurent donc une rigidification supplémentaire de l'ensemble de la première partie de châssis, notamment pour des cas de charges en flexion et/ou en torsion appliqués au châssis. Toutefois, d'autres moyens de fixation à la coque 10 peuvent être envisagés tel que le vissage ou le soudage, suivant la nature des éléments de renforcement. D'autre part, les éléments de renforcement peuvent être assemblés à une autre coque de la première partie de châssis, telle que la coque 11 par exemple. A son extrémité longitudinale avant, au moins l'un des corps creux V1 à V3, ici le corps creux V1, comprend des éléments de reprise d'efforts de traction ou de compression parallèles à la direction longitudinale X, d'efforts et de couples de flexion autour de la direction transversale Y du châssis et/ou autour de la direction verticale Z et de couples de torsion autour de la direction longitudinale X. Ces éléments de reprise d'effort sont globalement destinés à reprendre les efforts transmis par la deuxième partie de châssis. A son extrémité longitudinale arrière, au moins l'un des corps creux V1 à V3, ici le corps creux V1, comprend des éléments de reprise d'efforts de traction ou de compression parallèles à la direction longitudinale X, d'efforts et de couples de flexion autour de la direction transversale Y du châssis et/ou autour de la direction verticale Z et de couples de torsion autour de la direction longitudinale X. Ces éléments de reprise d'effort sont globalement destinés à reprendre les efforts issus de la troisième partie de châssis. Les éléments de reprise d'efforts et de couples, à l'avant de la première partie de châssis, comprennent un logement délimité par le corps creux V1 et destiné à recevoir par engagement un longeron 18 appartenant à la deuxième partie avant du châssis. De manière identique, les éléments de reprise d'efforts et de couples, à l'arrière de la première partie de châssis, comprennent un logement délimité par le corps creux V1 et destiné à recevoir par engagement un longeron 19 appartenant à la troisième partie arrière du châssis. La deuxième partie de châssis, en sus des longerons 18, comprend une traverse avant supérieure 20 reliant les extrémités libres avant des longerons 18. La troisième partie du châssis, en sus des longerons 19, comprend une traverse arrière 21 reliant les extrémités libres arrière des longerons 19. Ainsi, au moins l'une des parties avant et arrière du châssis comprend au moins un tel longeron 18 ou 19, notamment réalisé en aluminium, venant s'insérer dans le logement correspondant délimité par une extrémité longitudinale du corps creux V1. Il en résulte que les corps creux V1 à V3, délimités grâce aux coques de renfort 14a, 14b, relient les longerons 18 de la deuxième partie avant du châssis aux longerons 19 de la troisième partie arrière de châssis afin d'assurer une transmission d'efforts satisfaisante entre ces parties en cas de choc longitudinal, notamment. La deuxième partie avant de châssis comprend, en sus des longerons 18 et de la traverse avant supérieure 20, une ossature inférieure agencée à hauteur du soubassement du véhicule. L'ossature comprend, dans la variante illustrée, au moins deux longerons avant inférieurs 22 orientés selon la direction X, reliés entre eux à leurs extrémités avant par une traverse avant inférieure 23. Les éléments de renforcement collés à la coque 10 comprennent alors au moins un profilé de liaison pour le raccordement à la partie avant de châssis, ici au nombre de deux, s'étendant vers l'avant selon la direction X depuis le profilé transversal 17 avant. De manière générale, les profilés de liaison sont solidarisés aux longerons 22 de manière réversible, notamment par vissage. Une disposition possible consiste à prévoir que chaque profilé de liaison de la première partie de châssis coopère par un montage mâle-femelle avec l'extrémité arrière d'un longeron 22 de la deuxième partie de châssis, un vissage ultérieur maintenant le montage. Avantageusement, chacun des corps creux de renfort V1 comprend une portée d'appui destinée à supporter des efforts globalement verticaux transmis par un élément structurel du châssis tel qu'un montant de baie 24 encadrant le pare-brise. Une telle portée d'appui peut être constituée par une face supérieure, éventuellement localement élargie, de la coque 14a, 14b correspondante. La coque monolithique de renfort 14a, 14b est préférentiellement formée par moulage d'un matériau composite, notamment à base de fibre de carbone. De nombreux essais et simulations ont montré que le matériau composite pouvait comprendre : - un empilement de quatre plis où chaque pli est lui-même un stratifié à trois couches, les quatre plis possédant les empilements suivants (0/90/0) (+45/-45/+45) (+45/-45/+45) (0/90/0) où l'orientation 0° est parallèle à la direction longitudinale X du châssis, - ou un ou deux empilements de trois plis où chaque pli est lui- même un stratifié à trois couches, les trois plis possédant les 5 empilements suivants (+45/-45/+45) (0/90/0) (+45/-45/+45) où l'orientation 45° est parallèle à la direction longitudinale X du châssis.