Brevet FR3037916A1 — publié le 20161230

PLANCHER COMPOSITE ET LIAISON POUR UN TEL PLANCHER Domaine de l'invention La présente invention se situe dans le secteur des transports en général et le ferroviaire en particulier. Dans ce secteur, elle concerne l'utilisation des matériaux composites de façon à permettre d'alléger à moindre cout les structures des véhicules. Comme dans tout domaine de transport, l'allégement des structures permet à l'utilisation une moindre consommation d'énergie, ce qui a un intérêt à la fois économique et écologique. La présente invention traite plus particulièrement d'un plancher composite et des liaisons d'un tel plancher avec une structure de voiture, ferroviaire notamment, et concerne encore plus particulièrement la façon de concevoir un plancher intermédiaire d'une voiture ferroviaire et sa fixation aux extrémités longitudinales de la voiture en tenant compte des spécificités des matériaux composites. La présente demande revendique la priorité des demandes de brevets FR1556075 déposée le 29 juin 2015 et FR1558645 déposée le 15 septembre 2015. Arrière plan technologique La figure 1 représente une voiture de train à deux étages qui comporte un plancher intermédiaire. La problématique concerne la réalisation d'un tel plancher en matériaux composites et sa fixation aux deux extrémités du véhicule. En effet, la fixation du plancher doit garantir la 3037916 2 maitrise de diverses exigences comme la tenue structurale du véhicule, mais aussi une fabrication aisée et un remplacement éventuel du plancher simplifié. Un véhicule de type ferroviaire ou articulé est pourvu à 5 ses extrémités de dispositifs de liaison avec d'autres véhicules. Ces dispositifs sont en général assez complexes puisqu'ils reprennent tous les efforts statiques et dynamiques du véhicule, de façon ponctuelle au sens que ces efforts de liaison ne sont pas répartis sur toute la largeur 10 du véhicule : en effet d'un véhicule à l'autre, ces efforts sont transmis par exemple par des dispositifs à rotule, des crochets ou autre dispositif d'attache. Ces dispositifs de liaison génèrent par ailleurs en général de l'encombrement et la reprise des efforts internes 15 au véhicule est complexe, notamment en ce qui concerne les efforts qui peuvent être répartis sur toute la largeur du véhicule. La structure de référence ferroviaire est une structure en matériaux métalliques, acier ou aluminium. L'introduction 20 de matériaux composite implique des contraintes notamment du fait que les matériaux composites ne se prêtent pas au soudage et nécessitent d'autres solutions d'assemblage. En outre une structure en matériaux composite optimisée doit être reconçue par rapport à la même structure en 25 matériaux métalliques pour limiter les conséquences du coût important de ces matériaux. Brève description de l'invention La présente invention a particulièrement pour objectif de permettre l'assemblage d'un plancher en matériaux 30 composites sur les extrémités d'un véhicule. Cet assemblage doit contribuer avec le châssis à la reprise des efforts longitudinaux de traction/compression entre les véhicules, être compatible avec l'aménagement 3037916 3 cabine qui introduit des dissymétries, par exemple du fait de la présence d'escaliers. Il doit être conçu pour s'assembler avec les liaisons d'extrémité, en terme de jeux de montage et de fabrication. 5 En outre un tel plancher doit être adapté à la reprise de la charge verticale qu'il subit, notamment le poids des passagers. Pour ce faire la présente invention propose principalement un plancher de véhicule constitué d'une part 10 d'un panneau composite sandwich pourvu d'une peau supérieure, d'une peau inférieure et d'une âme et d'autre part de traverses d'extrémité sur lesquelles se reprennent les extrémités longitudinales des peaux du panneau, lesdites traverse d'extrémité comportant une aile d'appui sur une 15 structure d'extrémité du véhicule et constituant des moyens de reprise et de diffusion des efforts de liaison du véhicule dans la largeur du plancher. Avantageusement, les traverses d'extrémité sont des traverses métallique. 20 Les traverses d'extrémité comportent préférablement un profil creux tubulaire pourvu d'une face supérieure sur laquelle vient s'appuyer la peau supérieure du plancher et d'une face inférieure sous laquelle est reçue la peau inférieure du plancher. 25 L'aile d'appui prolonge avantageusement la face supérieure du profil creux en alignement avec la peau supérieure. Selon un mode de réalisation particulier, les peaux sont rivetées sur lesdites face supérieure et inférieure. Les traverses d'extrémité comportent avantageusement entre les faces supérieure et inférieure un premier montant côté plancher. 3037916 4 Elles comportent préférablement un second montant côté structure d'extrémité. Les bords latéraux du plancher comportent avantageusement des terminaison d'assemblage latérales 5 comportant un élément renfort tubulaire longitudinal intégré au panneau et longeant le bord du panneau. Le plancher de l'invention peut notamment constituer un plancher intermédiaire de véhicule ferroviaire à deux étages. Il comporte dans ce cas préférablement un embrèvement 10 destiné à laisser passer un escalier entre lesdits étages. Le plancher peut comporter des surépaisseurs de peau localisées pour en accroître localement la résistance. L'invention concerne en outre un assemblage comportant un plancher de véhicule selon l'invention pourvu de deux 15 traverses d'extrémité et des structures d'extrémité d'un véhicule pour lequel les structures d'extrémité comportent chacune un bâti pourvu d'une poutre de réception des traverses d'extrémité, ladite poutre étant pourvue d'une face supérieure de réception de ladite aile, d'une face frontale 20 et une aile inférieure de réception d'un sabot de la traverse. Les poutres sont préférablement conçues de façon à dépasser des zones d'encombrement liées aux dispositifs de liaison. 25 Un matériau de bourrage tel qu'un mastic est avantageusement disposé entre des butées frontales des poutres et des traverses en sorte d'assurer la reprise des jeux de fabrication et d'assemblage du plancher. Le plancher peut comporter en outre au niveau de ses 30 bordures latérales des renforts tubulaires longitudinaux sous lequel se termine la peau inférieure tandis que la peau supérieure se prolonge selon un bord libre en porte à faux au delà des renfort tubulaires, l'assemblage comportant sur 3037916 5 chaque face latérale une équerre à deux niveaux de fixation étagés et décalés recevant la terminaison de la peau inférieure sous le renfort sur un premier desdits niveaux et recevant ledit bord libre terminant la peau supérieure sur un 5 second desdits niveaux. La fixation des traverses sur les poutres et/ou la fixation du plancher aux faces latérales est préférablement réalisée par rivetage. Brève description des dessins 10 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'un exemple non limitatif de réalisation de l'invention en référence aux dessins qui représentent: en figure 1: une vue perspective éclatée schématique 15 d'une voiture de train à plancher intermédiaire; en figure 2: une vue en perspective d'un plancher selon l'invention applicable à une voiture selon la figure 1; en figure 3: une coupe du plancher de la figure 2 en figure 4: une vue en perspective d'un plancher de 20 l'invention et de sa fixation sur une structure d'extrémité d'une voiture de train; en figure 5: une vue schématique en coupe de la fixation de la figure 4; en figure 6: une vue partielle en perspective d'une 25 traverse selon l'invention et d'un élément de structure la recevant; en figure 7: une vue schématique éclatée d'un assemblage conforme à l'invention; en figure 8: une vue schématique en perspective de la 30 fixation du plancher sur une face de la voiture. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention 3037916 6 L'invention concerne un plancher 100 de véhicule 10 d'un seul tenant structurel qui participe à la reprise des efforts appliqués à la voiture le comprenant. Dans le cadre de l'exemple représenté on se place dans 5 le cas d'une voiture ferroviaire qui subit des efforts d'attelage de 100 tonnes en traction et 200 tonnes en compression ce qui sont des valeurs habituelles dans le domaine. Le plancher tel que représenté à la figure 2 notamment 10 est constitué d'une part d'un panneau composite sandwich pourvu d'une peau supérieure 101, d'une peau inférieure 102 et d'une âme 103 représentées en figure 3. Ce plancher est réalisés sans raidisseurs tels que traverses rapportés de place en place sur la longueur du plancher. 15 Le plancher de l'invention comporte d'autre part des traverses d'extrémité 104 qui permettent un assemblage aisé du plancher avec la structure support de la voiture au niveau des terminaisons d'extrémité de la voiture comme représenté à la figure 7 où les terminaisons 20 portant les attaches 21 20 reçoivent par le dessus les traverses 104 terminant le plancher. Le plancher est réalisé avant montage dans la voiture en solidarisant le panneau composite avec les traverses 104 à chacune de ses deux extrémités longitudinales. 25 Selon la figure 5 notamment, les extrémités longitudinales des peaux 101, 102 du panneau sont reprises sur les faces inférieure et supérieure de la traverse 104, ladite traverse d'extrémité comportant une aile 114 d'appui sur une structure d'extrémité du véhicule 20. 30 Selon cette conception, les traverses constituent des moyens de reprise et de diffusion des efforts de liaison appliqués sur les structures d'extrémité notamment par le 3037916 7 dispositif d'attelage 21 de la voiture dans la largeur du plancher. Ces traverses sont renforcée autant que de besoin et comportent un profil creux tubulaire 124 pourvu d'une face 5 supérieure 125 sur laquelle vient s'appuyer la peau supérieure 101 du plancher et d'une face inférieure 126 sous laquelle est reçue la peau inférieure 102 du plancher. Les peaux sont rivetées avec des rivets aveugles 501 sur la partie tubulaire 124 de la traverse. 10 Le plancher est alors un sous ensemble complet qui peut être posé au niveau de ses traverses sur les poutres d'extrémité 201 qui, comme représenté notamment en figure 6, comportent pour recevoir les traverses une face d'appui 202 recevant l'aile 114 de la traverse et une aile inférieure 204 15 recevant une face inférieure de la traverse, ici comportant un sabot 116 réalisant une surface d'appui en prolongement de la peau inférieure du panneau composite 102 comme représenté en figure 5. Une fois le plancher posé, des rivets 502, 503 20 solidarisent la traverse et la poutre. Pour mieux réaliser l'interface entre le plancher et la structure 20 d'extrémité et transmettre les efforts, la traverse d'extrémité 104 est une traverse métallique. La poutre d'extrémité peut aussi être métallique et 25 réalise avec un bâti en caisson 22 pourvu d'ailes 22a, 22b fixées sous la poutre la structure de fixation de l'attache 21 de la voiture comme représenté à la figure 4. La solution proposée comporte ainsi un plancher composite monobloc réalisé en matériau sandwich sur 30 l'essentiel de sa longueur et dépourvu de raidisseurs pour en simplifier la fabrication. Il comporte en outre des traverses terminant le plancher et transmettant les efforts de 3037916 8 compression et de traction entre la structure d'extrémité et le plancher. Un plancher sans raidisseur implique que les efforts de liaison soient repris sur toute la largeur du plancher ce que 5 permettent les traverses situées aux extrémités du plancher. Le dimensionnement des peaux et de l'âme du plancher est réalisé suivant les méthodes de calcul usuelles notamment aux éléments finis qui prennent en compte la forme du plancher et les efforts subis par le plancher et le véhicule selon les 10 conditions de charge et d'efforts d'attelage applicables. Les traverses comportent entre les faces supérieure et inférieure un montant 128 côté structure d'extrémité 20, ce montant transmettant les efforts de compression entre la structure d'extrémité et les peaux 101 et 102. 15 Ces traverses métalliques sont conçues également de telle façon qu'elles se trouvent en dehors des zones d'encombrement liées aux dispositifs de liaison et aux cadres d'extrémité servant de support aux faces et au plafond de la voiture. Ainsi, la mise en place du plancher monobloc 20 composite peut se faire en toute facilité puisqu'il suffit pour le monter de poser ses traverses sur les structures d'extrémités puis de les fixer sur ces dernières. Dans l'optique de poser le plancher simplement sur les structures d'extrémité qui sont assemblées avec les faces du 25 véhicule, l'aile d'appui 114 prolonge la face supérieure du profil creux 124 en alignement avec la peau supérieure 101. Comme représenté en figure 5, un matériau de bourrage 40 tel qu'une résine de comblement assure la reprise des jeux de fabrication/assemblage du plancher et transmet les efforts 30 entre des butées frontales 128, 203 des poutres et des traverses. Cette résine de type époxy bi-composant telle que par exemple connue sous la référence EP05019 + durcisseur de la 3037916 9 société Hexcel est caractérisée par une tenue en compression suffisante soit une contrainte à rupture en compression pure suivant NF ISO 604 supérieure à 80MPa pour l'application citée. L'épaisseur du comblement est limitée à 5mm dans le 5 dimensionnement du plancher et du châssis de la voiture. La liaison entre la traverse et la poutre est particulièrement sollicitée puisqu'elle reprend une partie significative des cas de charge de traction 100 tonnes et compression 200 tonnes, ce qui justifie les renforts 10 d'extrémités. Une traverse en profilé en aluminium a été retenu car il permet d'assurer le passage des efforts de compression dans la résine de comblement entre les butées frontales. Cette solution présente l'avantage de limiter le nombre de rivets à 15 mettre en oeuvre au niveau de la liaison plancher/traverse et traverse/poutre, puisque les lignes de rivets sont dimensionnées pour le seul cas de traction et une avec des efforts de 100 tonnes. Selon un mode de réalisation représenté aux figures 3 et 20 8, les bords latéraux du plancher comportent des terminaison d'assemblage latérales comportant un élément renfort tubulaire longitudinal 300 intégré au panneau et longeant le bord du panneau. Selon la figure 3, le plancher comporte en outre des 25 inserts 301 qui servent par exemple à la fixation des sièges de la voiture. Les renforts tubulaires longitudinaux 300 sous lequel se termine la peau inférieure 102 servent de moyens de fixation du plancher aux faces du véhicule et selon le mode de 30 réalisation représenté en figure 8, la peau supérieure 101 se prolonge selon un bord libre en porte à faux au delà des renfort tubulaires 300. 3037916 10 Les faces latérales 600 du véhicules sont équipées d'équerre 400 à deux niveaux de fixation étagés et décalés 401, 402 pour recevoir la terminaison de peau inférieure 102 sous le renfort sur un premier 402 desdits niveaux et 5 recevoir ledit bord libre terminant la peau supérieure 101 sur un second 401 desdits niveaux. Comme pour la fixation des traverses aux poutres, la solution choisie est un rivetage des peaux 101, 102 et des renforts 300 sur les faces 401, 402 de réception de ces 10 derniers sur les équerres ce qui simplifie le montage du plancher est son implantation dans la voiture. Le panneau composite du plancher est configuré en fonction de l'implantation des aménagements internes du véhicule et par exemple comporte au moins un embrèvement 150 15 destiné à laisser passer un escalier entre lesdits étages et comporte des découpes et profils adaptés aux équipements du véhicule. Selon la figure 2, le plancher présente des surépaisseurs de peau 101a, 101b localisées dans ses parties 20 extrêmes et réalisées lors du drapage des peaux. Les poutres 201 sont conçues de façon à dépasser des zones d'encombrement liées aux dispositifs de liaison ce qui évite toute interférence entre ces dernières et le plancher lors de sa pose. 25 Pour fixer les idées, les efforts à passer dans le plancher sont la partie des 100 tonnes en traction et des 200 tonnes en compression ne passant pas par les autres structures du véhicules, faces, plafond, châssis et autre éventuel plancher. La solution de l'invention est 30 parfaitement adaptée à ces contraintes sans nécessiter de moyens de raidissage supplémentaires. L'introduction des efforts dans les traverses d'extrémités est ponctuel et désaxé. L'inertie des traverses 3037916 11 permet de diffuser les efforts de façon homogène dans l'extrémité du plancher; les efforts étant répartis sur la largeur du plancher. Les surépaisseurs 101a, 101b sont notamment réalisées avec des peaux de drapage orienté à ±45° 5 par rapport à l'axe longitudinal du plancher pour parfaire la diffusion des efforts. Dans l'exemple d'une voiture à deux étages le plancher peut comporter une âme de l'ordre de 50 mm d'épaisseur et des peaux d'une épaisseur de l'ordre de 3,5mm à 4mm dans les 10 zones non renforcées et de 4mm à 5mm dans les zones renforcées. Les fibres utilisées pour le plancher sont par exemple un carbone haute résistance avec une succession des plis orientés à 0°, 45°, 90° de l'axe longitudinal du plancher. Le 15 grammage sec des plis peut être choisi entre 100 et 500 g/m2 selon les contraintes mesurées. L'invention a été décrite dans le cadre d'une application pour des voitures de trains à deux étages mais peut être utilisée pour tout type de véhicule ferroviaire, 20 trains à grande vitesse, trains régionaux , véhicules urbains tels que métros, tramways, trains -trams et d'autres types de véhicules, le plancher de l'invention pouvant réaliser un plancher bas ou un plancher intermédiaire. 25 REVENDICATIONS1 - Plancher (100) de véhicule (10) caractérisé en ce qu'il est constitué d'une part d'un panneau composite sandwich pourvu d'une peau supérieure (101), d'une peau inférieure (102) et d'une âme (103) et d'autre part de traverses d'extrémité (104) sur lesquelles se reprennent les extrémités longitudinales des peaux (101, 102) du panneau, lesdites traverses d'extrémité comportant une aile (114) d'appui sur une structure d'extrémité du véhicule (20) et constituant des moyens de reprise et de diffusion des efforts de liaison dans la largeur du plancher. 2 - Plancher de véhicule selon la revendication 1 pour lequel les traverses d'extrémité (104) sont des traverses métallique. 3 - Plancher de véhicule selon la revendication 1 ou 2 pour lequel les traverses d'extrémité (104) comportent un profil creux tubulaire (124) pourvu d'une face supérieure (125)sur laquelle vient s'appuyer la peau supérieure (101) du plancher et d'une face inférieure (126) sous laquelle est reçue la peau inférieure (102) du plancher. 4 - Plancher de véhicule selon la revendication 3 pour lequel l'aile d'appui (114) prolonge la face supérieure du profil creux (124) en alignement avec la peau supérieure (101). 5 - Plancher de véhicule selon la revendication 3 ou 4 pour lequel les peaux (101, 102) sont rivetées sur lesdites face supérieure et inférieure (125, 126). 6 - Plancher de véhicule selon la revendication 3, 4 ou 5 pour lequel les traverses d'extrémité comportent entre les 30 faces supérieure et inférieure un premier montant (127) côté 3037916 13 plancher et un second montant (128) côté structure d'extrémité (20). 7 - Plancher de véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel les bords latéraux du 5 plancher comportent des terminaison d'assemblage latérales comportant un élément renfort tubulaire longitudinal (300) intégré au panneau et longeant le bord du panneau. 8 - Plancher de véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes constituant un plancher 10 intermédiaire de véhicule ferroviaire à deux étages et comportant au moins un embrèvement (150) destiné à laisser passer un escalier entre lesdits étages. 9 - Plancher de véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant des surépaisseurs de 15 peau (101a, 101b) localisées. 10 - Assemblage comportant un plancher de véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes pourvu de deux traverses d'extrémité (104) et des structures d'extrémité (20) d'un véhicule pour lequel les structures 20 d'extrémité comportent chacune un bâti pourvu d'une poutre (201) de réception des traverses d'extrémité, ladite poutre étant pourvue d'une face supérieure (202) de réception de ladite aile (114), d'une face frontale (203) et d'une aile inférieure (204) de réception d'un sabot (116) de la 25 traverse. 11 - Assemblage selon la revendication 10 pour lequel les poutres sont conçues de façon à dépasser des zones d'encombrement liées aux dispositifs de liaison. 12 - Assemblage selon la revendication 10 ou 11 pour 30 lequel un matériau de bourrage (40) est disposé entre des butées frontales (128, 203) des poutres et des traverses en sorte d'assurer la reprise des jeux de fabrication et d'assemblage du plancher. 3037916 14 13 - Assemblage selon la revendication 10, 11 ou 12 pour lequel le plancher comporte en outre au niveau de ses bordures latérales des renforts tubulaires longitudinaux (300) sous lequel se termine la peau inférieure (102) tandis 5 que la peau supérieure (101) se prolonge selon un bord libre en porte à faux au delà des renfort tubulaires (300), l'assemblage comportant sur chaque face latérale une équerre (400) à deux niveaux de fixation étagés et décalés (401, 402) recevant la terminaison de peau inférieure (102) sous le 10 renfort sur un premier (402) desdits niveaux et recevant ledit bord libre terminant la peau supérieure (101) sur un second (401) desdits niveaux. 14 - Assemblage selon l'une quelconque des revendications 10 à 13 pour lequel la fixation des traverses 15 sur les poutres et/ou la fixation du plancher aux faces latérales est réalisée par rivetage.