Brevet FR3039489A1 — publié le 20170203

CHASSIS FERROVIAIRE Domaine de l'invention La présente invention se situe dans le secteur des transports en général et le ferroviaire en particulier et ce pour tous les segments concernés : trains à grande vitesse, trains régionaux ou véhicules ferrés de transport urbain et les différentes architectures de châssis de trains. Elle se rapporte à la réalisation de structures en 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 concerne encore plus particulièrement la façon de réaliser un châssis en matériau composite d'un véhicule tout en prenant en compte ses contraintes d'utilisation. La structure de référence ferroviaire est depuis toujours et encore aujourd'hui une structure en matériaux métalliques, acier ou aluminium. Arrière plan technologique La figure 1 donne un exemple plus détaillé de réalisation d'un véhicule de transport ferroviaire ici à étage avec châssis métallique 1. Le châssis comporte une partie centrale plane 2 qui constitue le fond du châssis, comportant des traverses 3. Selon la figure 2, le fond comporte une tôle de protection 4a, une tôle support des équipements intérieurs 4b et comporte deux structures latérales longitudinales remontantes 5a, 5b sous forme de structures auto raidies, qui sont reliées aux faces auto raidies 7a, 7b par des éléments de liaison 6a, 6b ou brancards. 3039489 2 Les éléments de liaison 6a, 6b sur les bords du châssis assurent la résistance à la flexion longitudinale et la jonction avec les faces latérales. Les traverses 3 assurent la résistance à la flexion transverse. Le châssis d'un véhicule ferroviaire se situe en partie basse et est donc 5 potentiellement soumis à des projections depuis le ballast. Dans l'exemple ci-dessus, le fond et les structures latérales sont revêtus d'une couche épaisse d'un élastomère destinée à en assurer la protection au choc du ballast. La tôle de protection 4a participe à la rigidité d'ensemble de part son épaisseur et contribue aussi à la robustesse aux chocs de ballast. 10 Les chocs de ballast sont définis en France selon la norme NF 07101 qui définit les conditions d'essais et de chocs à prendre en compte pour la conception de châssis de trains. Par exemple, il y est écrit qu'on doit considérer la projection d'objets de 60 grammes heurtant la structure du châssis. Par ailleurs, une incidence entre 0 et 35° par rapport à la normale à la surface, et une énergie pouvant varier de 12 à 285J sont à 15 prendre en compte. La norme définit également différentes classes de résultats en fonction des énergies et des incidences des projections. Ces spécifications sont définies dans une enveloppe qui englobe des situations pas toutes réalistes. Par exemple, dans le cas d'un train roulant à grande vitesse, si l'énergie d'un caillou du ballast peut être très grande, son incidence par rapport à la normale à la 20 surface sera plus proche de 90°. Au final, en ce qui concerne la tenue au chocs du châssis de la présente invention une énergie de 60 Joules avec une incidence de 45° a été retenue. Le chocs jusqu'à 60J sont des chocs à basse énergie, qui peuvent induire dans le cas des matériaux métalliques des déformations plastiques locales et dans le cas des 25 matériaux composites, des délaminages locaux. La protection des matériaux composites contre de tels chocs n'est pas généralement réalisée à demeure sur des pièces de structure. Par contre, traditionnellement dans les structures composites on s'assure de la possibilité de détecter les chocs, et on conçoit et on dimensionne les structures en matériaux composites de 30 façon qu'elles puissent continuer à être utilisée malgré la présence de défauts occasionnés par des chocs. 3039489 3 Lorsque cela n'est pas possible, il existe des solutions consistant à protéger les matériaux composites par des couches protectrices comportant un matériau de type mousse déformable revêtu d'une tôle métallique. Une telle solution est connue 5 notamment du document FR 2 933 331 Al et s'applique aux énergies de chocs jusqu'à une centaine de Joules. Pour des énergies beaucoup plus importantes, on tombe dans le domaine du blindage typiquement vis-à-vis des projectiles, où les solutions sont soit à base de matériaux métalliques beaucoup plus épais, soit utilisent des tissus en polymère aramides 10 connu sous la marque Kevlar notamment associés éventuellement avec des céramiques. Les blindages sont adaptés pour protéger les structures d'impacts d'objet ayant des vitesse pouvant atteindre plusieurs centaines de m/s. Brève description de l'invention L'invention vise donc à concevoir un châssis ferroviaire allégé en matériau 15 composite compatible avec les risques de chocs du ballast et qui reste simple à réaliser et peu épais. Pour ce faire, la présente invention propose un châssis composite inférieur de véhicule de type ferroviaire comportant un fond en matériau sandwich comportant deux peaux séparées par une première âme en mousse polymère, caractérisé en ce que le 20 matériau sandwich réalise le fond et le bas des faces du véhicule et est recouvert sur l'une de ses peaux dite peau inférieure destinée à réaliser la face externe du châssis du véhicule d'une seconde âme en mousse revêtue d'un tissu Kevlar formant protection antichoc. Les peaux sont avantageusement continues d'une extrémité de bas de face à l'autre. Le châssis comporte avantageusement des éléments de fixations intégrés dans le matériau sandwich. Le pré-imprégné est préférablement constitué de deux plis de tissus à fibres orientées à 0° et à 90° ±5°. 3039489 4 Les plis à 0° et 90° sont notamment dans un rapport équilibré de 45/55% à 55/45%. L'épaisseur totale de la peau en fonction des contraintes rencontrées est préférablement de 1,2 mm ±0,1 mm. Selon un premier mode de réalisation, le tissu de la protection antichoc est 5 constitué d'un pré-imprégné de fibres en polymère aramide imprégné d'une résine époxy. Selon un mode de réalisation alternatif, le tissu de la protection antichoc est constitué d'un pré-imprégné de tissus de verre imprégné d'une résine époxy. La seconde âme de la protection antichoc est avantageusement une mousse PET de 80Kg/m3 ±20 Kg/m3 ou une mousse PMI de 60Kg/m3 ±20 Kg/m3, d'épaisseur 8 mm ±2 10 mm, elle-même collée sur la peau inférieure du matériau sandwich. Les peaux comportent avantageusement 3/7 ± 5% de fibres à 0° ± 5°, 2/7 ± 5% de fibres à 90° ± 5°, 2/7 ± 5% de fibres à +/-45° ± 5°. Les peaux du matériau sandwich sont préférablement en fibres de carbone. Selon l'exemple, les peaux sont d'une épaisseur de 4 mm ± 0,4 mm. 15 pour l'application concernée, la première âme a avantageusement une épaisseur de 55 mm ± 1 mm. La première âme est avantageusement réalisée en mousse PET ou en nid d'abeille aluminium de masse volumique 100Kg/m3±20 Kg/m3. Brève description des dessins 20 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 en coupe longitudinale d'une voiture ferroviaire à châssis métallique de l'art antérieur; 25 En figure 2: une vue en coupe transversale de la partie inférieure d'une voiture comportant une structure inférieure de l'art antérieur; En figure 3: une vue en perspective d'un châssis inférieur de voiture selon un mode de réalisation de l'invention; En figure 4: une vue en coupe transversale de la partie inférieure d'une voiture comportant un châssis inférieur selon l'invention; Description détaillée de modes de réalisation de l'invention 3039489 5 La présente invention consiste en une architecture de châssis composite, complétée d'une solution de protection contre les chocs de ballast. La figure 3 est une vue générale d'un châssis 10 en matériau composite sous forme de sandwich. Le châssis est typiquement monobloc sur toute la longueur de la caisse du 5 véhicule et inclue le fond 11 et le bas des faces 12. Des éléments de liaison répartis sur toute la périphérie du châssis, mais non représentées servent à fixer le châssis au véhicule. Selon la figure 4, le châssis est réalisé en matériau sandwich comportant deux peauxl3, 14 séparées par une première âme 15 en mousse pour assurer la tenue structurale du châssis. Cette solution porte sur l'ensemble du châssis, les structures 10 latérales et le fond. La protection contre le ballast comporte une seconde mousse 16 revêtue d'un tissu 17 en polymère aramide. Selon l'exemple représenté la protection remonte sur les flancs du châssis réalisant le bas des faces du véhicule. On note que le châssis comporte des éléments de fixation nécessaires pour les 15 équipements intérieurs tels que les sièges 22 et les faux planchers 23 sous forme de profilés tubulaires 18, 19, 20, 21 notamment des tubes carbone intégrés dans le sandwich sur la longueur du châssis. Les éléments de dimensionnement (épaisseurs de l'âme, des peaux, quantités et orientation des fibres, nature de l'âme des peaux) du sandwich sont déterminés selon les 20 règles de l'art en fonction des contraintes que doit subir le véhicule selon des procédés classiques de dimensionnement des matériaux. Pour une voiture de type train à grande vitesse à deux niveaux de longueur 20 m on choisira des peaux, d'une épaisseur de 4 +/-0,4 mm qui comportent : 3/7 de fibres +/- 5% à 0°+/- 5°, 25 2/7 de fibres +/- 5% à 90°+/- 5°, 2/7 de fibres +/- 5% à +/-45° +/- 5. Les fibres peuvent être alors des fibres de carbone haute résistance, par exemple de type T700 de la société Toray. L'âme a une épaisseur de 55 +/- 1 mm, elle est réalisée soit en mousse polyéthylène 30 téréphtalate ou poly(téréphtalate d'éthylène) PET à cellules fermées de masse volumique 100Kg/m3 ±20 Kg/m3 soit en nid d'abeille aluminium. La protection antichoc comporte une 3039489 6 couche externe 17 réalisée soit en tissu aramide réalisé avec un pré imprégné de fibres en polymère aramide connu notamment sous la marque Kevlar, de grade 29 imprégné d'une résine époxy soit avec un tissu de verre lui même pré imprégné. Le pré imprégné est constitué de deux plis de tissus équilibrés 0/90° ±5° dans un rapport de 45/55% à 55/45%, 5 pour une épaisseur totale de 1,2 ±0,1 mm. Pour compléter la protection antichoc, les plis reposent sur une mousse 16 de type PET 80 +/-20Kg/m3, d'épaisseur 8 +/- 2mm, elle-même collée sur la peau inférieure du sandwich structural. Des poutres 24, sur lesquelles sont reprises les garnitures internes 26 de la caisse 10 formant avec la peau 14 des conduits de ventilation et les dossiers des sièges 22, se fixent aux profilés tubulaires 20, 21 sur les bas de faces. Des jambes support ou des profilés longitudinaux 25 se fixent sur les profilés tubulaires 18, 19 du fond. Ces jambes support ou profilés 25 soutiennent le faux plancher 23 et des montants 26 sur lesquels sont fixées les assises des sièges 22. L'espace entre le 15 faux plancher 23 et la peau interne 14 peut servir de passage pour des conduits 27 de câbles électriques ou autres. Du point de vue procédé, l'ensemble est réalisé par co-moulage du matériau composite et de sa protection. On pourra adapter la gamme de fabrication selon les cas particuliers, en suivant les 20 règles de l'art. La fabrication du châssis peut en particulier être réalisée selon le processus ci après: - Réalisation d'un moule femelle représentant l'ensemble du châssis avec protection ballast, ce moule ayant un état de surface permettant d'assurer la qualité de la surface externe du châssis. 25 - Préparation du moule suivant des procédés connus et en particulier nettoyage du moule et mise en place d'un produit démoulant adapté, Puis, on commence la fabrication par la partie de protection antichoc par le drapage des plis du tissus de protection antichoc, pré-imprégnation au rouleau; On procède à la mise en place de la mousse de protection antichoc, puis on dépose 30 un film de colle sur cette mousse, par exemple un film de colle supporté c'est à dire un film 3039489 7 de colle déposé sur une trame, comme connu dans le domaine des composites, par exemple de type R 1035 de la société Structil. On procède alors à un drapage de la peau externe de la structure et on procède à une polymérisation sous vide à 120°C pendant 5 heures de la résine. 5 Après polymérisation, sans démoulage interopération, on poursuit l'empilement avec la partie structurale: On procède à la mise en place d'un deuxième film de colle par exemple une colle traditionnelle de la réalisation des panneaux composites sur la peau externe de la structure, on réalise la mise en place de la mousse du sandwich structural, comportant les inserts 10 nécessaires aux fixations. Ensuite, on procède à la mise en place d'un troisième film de colle adaptée à la réalisation des panneaux composites et on met en place la deuxième peau destinée à réaliser la face interne à la voiture du châssis par drapage. Un fois l'ensemble assemblé, on procède à une polymérisation sous vide à 120°C 15 pendant 5 heures de la résine comme précédemment. La fabrication se poursuit avec le démoulage, puis les finitions telles qu'ébavurages, usinages, pose d'éléments de fixation autant que nécessaire. L'invention n'est pas limitée à l'exemple représenté et notamment les bas de faces peuvent comporter d'autres découpes que des découpes de portes telles que représentées 20 en figure 1. REVENDICATIONS1- Châssis composite inférieur de véhicule de type ferroviaire comportant un fond en matériau sandwich comportant deux peaux séparées par une première âme en mousse polymère, caractérisé en ce que le matériau sandwich réalise le fond et le bas des faces du véhicule et est recouvert sur l'une de ses peaux dite peau inférieure destinée à réaliser la face externe du châssis du véhicule d'une seconde âme en mousse revêtue d'un tissu Kevlar formant protection antichoc. 2 - Châssis composite selon la revendication 1 pour lequel les peaux sont continues d'une extrémité de bas de face à l'autre. 3 - Châssis composite selon la revendication 1 ou 2 pour lequel le châssis comporte des éléments de fixations intégrés dans le matériau sandwich. 4 - Châssis composite selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel le pré-imprégné est constitué de deux plis de tissus à fibres orientées à 0° et à 15 90° ±5°dans un rapport équilibré de 45/55% à 55/45% pour une épaisseur totale de 1,2 mm ±0,1 mm. 5 - Châssis composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 pour lequel le tissu de la protection antichoc est constitué d'un pré-imprégné de fibres en polymère aramide imprégné d'une résine époxy. 20 6 - Châssis composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 pour lequel le tissu de la protection antichoc est constitué d'un pré-imprégné de tissus de verre imprégné d'une résine époxy. 7 - Châssis composite selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel la seconde âme de la protection antichoc est une mousse PET de 80Kg/m3 25 ±20 Kg/m3 ou une mousse PMI de 60Kg/m3 ±20 Kg/m3, d'épaisseur 8 mm ±2 mm, elle-même collée sur la peau inférieure du matériau sandwich. 8 - Châssis composite selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel les peaux comportent 3/7 ± 5% de fibres à 0° ± 5°, 2/7 ± 5% de fibres à 90° ± 5°, 2/7 ± 5% de fibres à +/-45° ± 5°. 3039489 9 9 - Châssis composite selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel les peaux sont en fibres de carbone. 10 - Châssis composite selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel les peaux sont d'une épaisseur de 4 mm ± 0,4 mm. 5 11 - Châssis composite selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel la première âme a une épaisseur de 55 mm ± 1 mm. 12 - Châssis composite selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel la première âme est réalisée en mousse PET ou en nid d'abeille aluminium de masse volumique 100Kg/m3±20 Kg/m3. 10