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Institut Supérieur des Formations Automobiles. Bordeaux

Centre d’intérêt : Carrosserie – Peinture

Nature du document :

RESSOURCES Technologie Professionnelle

Les structures des voitures particulières.

1. Introduction. La carrosserie d’un véhicule est formée à partir d’un élément essentiel : La structure (ou châssis). Se comportant comme la « colonne vertébrale » du véhicule, elle reçoit l’ensemble les autres organes (moteur, suspension, équipements…) et garantie la rigidité nécessaire pour résister aux contraintes d’utilisation. Depuis le début de la fabrication automobile, les principes de conception et d’assemblages n’ont cessés d’évoluer, afin d’augmenter la sécurité et le confort des occupants.

2. Châssis et carrosserie automobile : « Un peu d’histoire ». 2.1. Les carrosseries à revêtement non travaillant. La carrosserie (ou habitacle) est dissociée du châssis. Elle ne remplit que les fonctions de protection, de décoration et d’aérodynamique.

2.2. Le châssis profilé. Il est formé de deux poutrelles appelées « longerons » reliés par des traverses et renforcés par des croisillons et des goussets. Les profils utilisés sont formés en I ou en U. Encombrants et lourds, ces châssis sont principalement utilisés en poids lourds, mais totalement disparus sur les véhicules particuliers (sauf 4X4). 2.3. Le châssis plate-forme.

Sa conception est très proche de celle du châssis profilé. Les longerons et les traverses sont recouverts d’une tôle d’acier, servant de plancher à la carrosserie. Le restant de la carrosserie est généralement vissé sur le châssis. Cette solution fut abandonnée après les légendaires Citroën 2CV et Renault 4.

2.4. Le châssis tubulaire. Les traverses, longerons et support de structures sont en tubes. Cette ossature permet une grande rigidité avec un poids restreint. Ce type de châssis est principalement utilisé pour des réalisations « marginales » et pour certains véhicules de compétition.

2.5. Le châssis poutre.

Ce type de châssis comporte une poutre centrale de forte section, et des éléments latéraux de plus faible section pour supporter et maintenir en position les organes mécaniques. La carrosserie « monocoque » est souvent en polyester ou autres matériaux composites.

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3. La sécurité automobile. 3.1. Introduction. Depuis de longues années maintenant, les facteurs d’évolution ont amené, pour ne pas dire obligé, les pouvoirs publics à prendre des mesures en matière de sécurité routière (limitation de la vitesse, aménagement du réseau routier...). Dans un même temps les constructeurs ont amélioré sans cesse les performances et la qualité de leurs produits. Les structures des voitures actuelles répondent à des « normes » strictes visant à réduire la gravité des dommages corporels dus aux accidents de la route.

3.2. Les 3 niveaux de sécurité. 3.2.1. La sécurité primaire (ou active) : Avant l’accident. Il s’agit de tout ce qui permet d'éviter les situations dangereuses, c'est à dire tout ce qui est mis en œuvre pour éviter l'accident.

Que font les constructeurs ? Que font les pouvoirs publics ?

Amélioration du comportement routier des véhicules : Stabilité de trajectoire, Efficacité du freinage… Amélioration du système d'éclairage, Augmentation des surfaces vitrées (suppression d'angles morts), Amélioration de l'ergonomie (position de conduite confort). …

Limitation de vitesse, Contrôles de police, Amélioration du réseau routier et de la signalisation, Éclairage des carrefours dangereux. …

3.2.2. La sécurité secondaire (ou passive) : Pendant l’accident. Ensemble des solutions techniques et des dispositions visant à limiter les conséquences des accidents.

Que font les constructeurs ? Que font les pouvoirs publics ?

Amélioration des véhicules au niveau des structures : Plancher renforcé, barres anti-intrusion…

Airbags,

Système de retenue progressive des ceintures de sécurité…

Suppression des arbres et autres obstacles analogues, Poteaux déformables, Glissières de sécurité...

3.2.3. La sécurité tertiaire : Après l’accident. Efficacité des secours apportés aux victimes.

Que font les constructeurs ? Que font les pouvoirs publics ?

Mesures facilitant l’extraction et la désincarcération des occupants, Coupe circuit automatique, Réservoir de carburant résistant aux fuites. …

Organisation et rapidité des secours, Formation des secouristes. …

3.3. Normes Euro NCAP Tout nouveau modèle de voiture doit réussir certains tests de sécurité avant de pouvoir être vendu. Mais les normes de sécurité imposées par la loi sont minimales. C’est pourquoi Euro NCAP s’est fixé pour objectif d’encourager les constructeurs à dépasser ces exigences basiques. Par ailleurs, Euro NCAP fournit aux consommateurs du monde automobile une évaluation indépendante et réaliste des performances de sécurité des voitures parmi les plus vendues en Europe. L’ensemble des tests Euro NCAP a été élaboré afin de refléter les principaux types d’accidents qui occasionnent des blessures graves et/ou mortelles. Principe : Par véhicule testé, l’organisation attribue une note globale et des étoiles (au nombre de cinq maximum). La note repose sur les résultats obtenus dans quatre domaines : protection des occupants adultes, protection des occupants enfants, protection des piétons et aide à la sécurité. Les étoiles attribuées pour la protection des occupants adultes et enfants résultent de trois crash-tests : choc frontal, choc latéral et choc poteau. La protection des piétons est évaluée séparément par une série de tests spécifiques.

Fondée en 1997, l’organisation Euro NCAP bénéficie aujourd’hui du soutien de sept gouvernements

européens, de la Commission européenne ainsi que des clubs

automobiles et des associations de consommateurs au sein de chaque

pays de l’UE.

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Les tests : Choc Frontal :

La collision frontale se fait à une vitesse de 64 km/h (vitesse d’impact qui englobe une grande partie des accidents graves et mortels) contre une barrière déformable (afin de reproduire le caractère déformable des voitures) qui est décalée de 40% de la largeur maximale du véhicule.

Les données fournies par les mannequins sont utilisées pour évaluer la protection des occupants adultes à l’avant du véhicule. La cause principale des blessures graves et/ou mortelles chez les occupants adultes qui ont bouclé leur ceinture est l’intrusion de divers éléments dans l’habitacle.

Choc latéral : Le deuxième type d’accident le plus fréquent est le choc latéral entre deux voitures. Il est simulé en lançant une barrière mobile déformable contre la portière du côté conducteur à 50 km/h. Un mannequin spécialement conçu pour le choc latéral est installé sur le siège du conducteur et permet de mesurer le risque de blessures. il est important d’examiner la manière dont l’intrusion se fait sur le flanc du véhicule. Au fil des années, Euro NCAP a pu constater de nombreuses améliorations des performances au choc latéral. L’apparition des airbags latéraux n’y est pas étrangère. Choc latéral du poteau :

Environ un quart des blessures graves et/ou mortelles sont dues à des collisions latérales contre un autre véhicule ou contre un objet fixe et étroit comme un arbre ou un poteau. Le choc poteau ne peut être réalisé que sur les voitures possédant des dispositifs de protection de la tête, l’objectif étant d’inciter les constructeurs à équiper leurs véhicules de tels systèmes. Grâce à leur effet amortisseur, les airbags ou rideaux latéraux aident à protéger le haut du buste et la tête et évitent à cette dernière de passer au travers des fenêtres. Lors du test, la voiture testée est projetée latéralement à 29km/h contre un poteau rigide. Le poteau est relativement étroit et pénètre donc en grande partie dans le flanc du véhicule.

Protection des enfants : Euro NCAP incite les constructeurs à s’impliquer dans la protection des jeunes occupants et à proposer des systèmes de fixation adaptés à l’installation des sièges pour enfants. Lors des chocs frontal et latéral contre une barrière, des mannequins représentant des enfants âgés de 18 mois et 3 ans sont placés à l’arrière du véhicule dans les systèmes de retenue recommandés par le constructeur. La cote « protection des enfants » ne s’applique qu’à la voiture et aux sièges enfants testés, qui ont été recommandés par le constructeur. Cette combinaison pouvait remporter jusqu’à cinq étoiles pour la protection des enfants.

Protection des piétons :

Une série de tests est effectuée pour simuler des accidents impliquant des piétons enfants et adultes à une vitesse d’impact de 40 km/h. Comme il est particulièrement difficile d’évaluer la protection des piétons avec un mannequin complet, les tests sont effectués à l’aide de composants individuels, appelés « impacteurs ».

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Les zones d’impact sont mesurées et évaluées comme étant « bonnes », « moyennes » ou « insuffisantes ».

L’impacteur de jambe évalue la protection offerte à la partie inférieure de la jambe lors d’un impact contre le pare-choc.

L’impacteur représentatif de la cuisse évaluera la protection offerte par le bord avant du capot.

Les impacteurs de tête représentatifs de la tête d’un enfant et d’un adulte seront utilisés pour évaluer la protection offerte par le haut du capot.

Coup du lapin : Il est occasionné par la déformation soudaine de l’épine dorsale et peut entraîner des symptômes douloureux et incapacitants sur une longue période. Bien que le coup du lapin ne soit pas rare en cas de choc frontal ou latéral, il apparaît le plus souvent lors de chocs arrière à vitesse réduite. Les lésions ne sont pas aisées à diagnostiquer et sont difficiles à traiter. La fréquence élevée du coup du lapin, les souffrances qu’il engendre et son coût pour la société ont poussé Euro NCAP à intégrer un test sur le choc arrière dans son programme de crash-tests. La procédure de test a pour objectif de promouvoir les meilleures pratiques dans la conception des sièges, et plus particulièrement au niveau de la géométrie de l’appuie-tête, de sa facilité d’utilisation, de son adaptation et son verrouillage ainsi que de l’intégrité du siège dans son ensemble.

Le score du test du coup du lapin est constitué d’une part des aspects géométriques du siège (tant du conducteur que du passager), taille et forme de l’appuie-tête et sa distance par rapport à la tête de l’occupant, et d’autre part des performances dynamiques du siège et de l’appuie-tête lors du crash-test proprement dit. Ces performances dynamiques sont évaluées en installant un siège sur une plateforme mobile soumise à plusieurs degrés d’impact (faible, moyen, élevé).

Contrôle électronique de stabilité :

Les analyses des accidents réels révèlent que les voitures équipées de système de contrôle de stabilité sont impliquées dans moins d’accidents et dans des accidents moins graves que les voitures sans contrôle de stabilité. En 2009, pour promouvoir la vulgarisation de cet équipement auprès de tous les constructeurs automobiles, Euro NCAP « récompense » un véhicule si le contrôle de stabilité est présent dans l’équipement standard des modèles de la gamme ou s’il s'agit d'une option sur chaque variante et que le constructeur espère vendre au moins 95% des véhicules munis de cet équipement. A partir de 2012, seul le contrôle de stabilité présent dans l’équipement standard de tous les modèles d’une même gamme est récompensé par Euro NCAP.

Les systèmes de contrôle de stabilité sont vérifiés au moyen d'une série de tests dans lesquels la direction et le comportement en cas d'embardée peuvent être évalués simultanément. Ils sont basés sur un double changement de voie effectif. Ils sont effectués à une vitesse de 80 km/h avec de brusques rotations du volant allant jusqu’à 270 degrés.

Le déplacement latéral doit être supérieur à 1,83 m. En d'autres termes, le déplacement sur le côté doit être suffisant pour réellement changer de voie afin d'éviter un objet sur la route. Après le braquage, la voiture doit rester stable. Ceci est vérifié au moyen de critères qui déterminent le taux d'embardée après la fin du braquage.

Système de bouclage des ceintures de sécurité : La ceinture reste l’équipement de sécurité le plus efficace. Les constructeurs élaborent sans cesse de nouveaux systèmes de ceinture de plus en plus performants. De nombreuses personnes continuent cependant de conduire sans ceinture. Les études révèlent que les occupants des voitures équipées d’un rappel de bouclage de ceinture ont davantage tendance à boucler leur ceinture que ceux dont les voitures n’en disposent pas.

Afin de récompenser tout effort visant à garantir le bouclage des ceintures de sécurité, Euro NCAP contrôle les systèmes de rappel de bouclage de ceinture au niveau de leur robustesse et vérifie que les informations fournies aux occupants sur le statut de leur ceinture sont claires et précises : Sur un parcours expérimental les ceintures sont bouclées et débouclées. La position et la clarté de tous les avertissements visuels doivent convenir à des occupants de différentes tailles. L’intensité et la durée du signal sonore sont évaluées.

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Limiteurs de vitesse : La vitesse excessive est non seulement la source de nombreux accidents de la route mais elle influence aussi leur degré de gravité. Les limitations de vitesse sont destinées, entre autres, à garantir la sécurité des automobilistes et des autres usagers de la route. Euro NCAP récompense les systèmes qui aident les conducteurs à contrôler leur vitesse. Pour l’instant, cette récompense ne concerne que les systèmes réglés volontairement par le conducteur. Euro NCAP récompense deux types de systèmes : ceux qui peuvent être réglés par le conducteur et qui empêchent activement la voiture de dépasser cette vitesse maximale, et ceux qui avertissent simplement le conducteur que la voiture dépasse la vitesse maximale déterminée. La fonctionnalité du système est examinée pour s’assurer que le système peut être activé et désactivé facilement, sans trop distraire le conducteur. La clarté des signaux donnés au conducteur est évaluée afin de veiller à ce qu’aucune confusion ne soit possible sur la vitesse maximum choisie et de s’assurer que le système émette un avertissement approprié s’il ne parvient pas à limiter la vitesse à ce maximum. Sur les systèmes actifs, on vérifie que le système est capable de limiter la vitesse du véhicule à la vitesse maximale réglée par le conducteur.

4. La structure des carrosseries actuelles. 4.1. Carrosserie à revêtement travaillant : La coque autoporteuse. Cette solution technologique est, aujourd’hui, la plus rependue. Elle répond à 2 fonctions essentielles :

La maîtrise des déformations (c’est pourquoi, on utilise également le vocable « carrosserie à structure différenciée »,

Le maintien de l’intégrité de l’habitacle. Ressemblant à une coque, la carrosserie à revêtement travaillant est constituée d’éléments en tôle formés sur presse et assemblées pour former un ensemble très résistant.

4.2. Contraintes mécaniques. La carrosserie doit résister en permanence à des contraintes :

de flexion provoquées par la charge transportée de torsion provoquées par le déplacement vertical des axes de roues

4.3. Constitution. L’infrastructure et la superstructure ne font qu’un. Le constructeur a prévu l’assemblage par boulonnage d’éléments fréquemment accidentés aux cours de petits chocs, en plus des portes et du capot. La carrosserie est composée de trois parties : l’unit avant, l’habitacle et l’unit arrière. La structure est rigidifiée pour former autant que possible une cellule de survie indéformable.

Variante : Carrosserie dite « monocoque ». Parfois difficilement dissociable de la notion de carrosserie autoporteuse, ce type de carrosserie a pour particularité de réduire les éléments amovibles aux seuls éléments d’accès aux volumes (portes et capots).

Unit avant (ou bloc avant)

Habitacle (ou cellule de survie) Unit arrière

(ou bloc arrière)

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4.4. L’infrastructure (ou soubassement). Il s’agit de l’ensemble des éléments qui reçoivent les organes mécaniques.

4.5. La superstructure. Il s’agit de l’ensemble des éléments d’habillage extérieurs ne participant pas directement à la rigidité de la carrosserie. L’assemblage des éléments est réalisé par un mode de liaison non démontable et dont le désassemblage nécessite la destruction de ce mode de liaison (exemple : les éléments soudés, collés, rivetés..).

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4.6. Les éléments d’habillage amovibles. Il s’agit des éléments d’habillage de carrosserie ou assimilés dont l’assemblage est réalisé par un mode de liaison démontable qui rend l’élément amovible (ex : éléments vissés, boulonnés). On distingue les éléments amovibles :

mobiles : portes, capot moteur, malle arrière,

fixes : aile avant, panneau ou traverse avant.

4.7. Les zones fusibles.

En cas de collision, il est important que les déformations des parties de structure se fassent sur des éléments prédéterminés. Les zones fusibles permettent d’absorber l’énergie du choc en protégeant l’habitacle.

4.8. Matériaux utilisés.

4.8.1. L’acier. 4.8.1.1. Composition de l’acier.

4.8.1.2. La résistance et l’élasticité des aciers. Pour connaitre les caractéristiques d’un acier, il faut procéder au test de traction d’une éprouvette (allongement graduel). La valeur de dureté s’exprime en Pascal (1 MPa = 1 n/mm²).

Zones pré-pliées formant des

nervures

Longerons en forme de « col de cygne »

Zones en « accordéon »

placées en embout de longeron ou de

renfort

Trous embouties

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Le test de traction permet de mesurer : - La limite d’élasticité (Re), - La résistance à la traction (Rm), - L’allongement à la rupture (entre B et C)

Jusqu’au point A, la déformation est réversible. Au-delà, il y a déformation jusqu’au point B, où apparaissent les premiers signes de rupture (félures). La rupture est franche au point C.

4.8.1.3. Les différents aciers utilisés. Dans la structure de la carrosserie et en fonction du rôle de chacune des pièces, nous trouverons des aciers doux, des aciers à haute limite élastique (H.L.E) et des aciers à très haute limite élastique (T.H.L.E). C’est donc en fonction du choix et de la teneur des éléments d’addition que la nature de l’acier variera.

Acier Doux

Exemple d’utilisation : Coté de caisse Composition :

Caractéristiques : Résistance élastique : 140 – 180 MPa Résistance à la traction : 270 – 330 MPa % allongement après rupture : >40%

Acier H.L.E

Exemple d’utilisation : Porte, aile, renfort de pavillon

Composition :

Caractéristiques : Résistance élastique : 260 – 310 MPa Résistance à la traction : 380 – 440 MPa % allongement après rupture : >30%

Acier T.H.L.E

Exemple d’utilisation : Traverse de pare choc, renfort de pied milieu

Composition :

Caractéristiques après traitement thermique : Résistance élastique : 1200 MPa Résistance à la traction : 1600 MPa % allongement après rupture : 4.5%

Répartition arbitraire des catégories d’acier sur un véhicule « classique » grande série : Acier jusqu’à 280 MPa 40%

Acier jusqu’à 450 MPa 45%

Acier jusqu’à 1200 MPa 10 à 13%

Autres matériaux 2 à 5%

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Exemple d’utilisation de tôles à haute limite élastique.

4.8.2. L’aluminium.

4.8.2.1. Un peu d’histoire. Remplacer simplement l'acier par l'aluminium n'est pas envisageable sans d'importantes modifications de la structure. En 1993, Audi dépose le brevet d’un système de châssis d'automobile en aluminium. Un an plus tard, le constructeur présente la première voiture jamais produite en série avec une carrosserie entièrement en aluminium : l'Audi A8. Les avantages directs de cette technologie sont, entre autres, la diminution de poids donc de la consommation, l’amélioration de la tenue de route, la facilité de réparation.

Des tests ont prouvé que l'extrême rigidité du châssis procure, en cas d'accident, une protection supérieure à celle d'un châssis en acier. Pour ce qui est de la durabilité, l'aluminium est le seul métal non sujet à la corrosion. Grâce à sa grande malléabilité, l'aluminium offre aussi davantage de liberté pour concevoir des pièces nouvelles et plus performantes. Le brevet de Audi est un châssis autoporteur, dans lequel chaque élément remplit plus d'une fonction, en supportant par exemple d'autres pièces. L'approche « multitâche » diminue de plus de 17% le nombre de pièces nécessaires par rapport à un châssis traditionnel.

4.8.2.2. Les limites. Depuis qu'Audi a rendu possible la fabrication de carrosseries de voitures en aluminium, d'autres constructeurs se sont jetés dans la brèche. Cependant les coûts d’exploitation et de fabrication restent un frein à la grande production. Il est donc souvent fait une utilisation partielle de l’aluminium. La BMW série 5 en est un exemple avec un châssis en acier, une structure et des panneaux en alliage d'aluminium. La difficulté technique a été la liaison entre ces deux matériaux de dilatation thermique et de potentiel électrochimique différents. Ce concept permet cependant de gagner 75 kg sur l'avant du véhicule.

4.8.3. Le plastique. Dans les années 50 et 60 se sont développées les ailes en plastique habillées de thermodurcissables. En 1972, la Renault 5 inaugure le premier pare-chocs en plastique produit en grande série. Les années 90 consacrent l'avènement des ailes en thermoplastique injecté. Elles permettent une très forte personnalisation des styles, une grande audace de forme et un atout de différenciation concurrentielle. En plus de sa fonction esthétique, le plastique est un facteur important de sécurité : Elasticité, absorption des chocs, reprise de la forme initiale sans dommages apparents… Pour toutes ces raisons, les plastiques sont plébiscités pour la fabrication des pare-chocs et des éléments de protection latérale.

4.8.4. Les matériaux composites.

Châssis Porsche Carrera GT

L’utilisation de matériaux composites comme le carbone pour la réalisation d’un châssis ou d’une carrosserie reste « marginale » dans le secteur de la voiture de tourisme. Seuls les voitures très chères en bénéficient, comme la Ferrari Enzo, la Mc Laren MP4...