PLASTIQUES ET COMPOSITES DANS LES VEHICULES RENAULT
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DE/DEMAT/0854 G.ALVEZ - P.ROUBINET Le 1er juin 1990

Protection des véhicules contre les chocs à faible vitesse Annexe 3

LES ABSORBEURS EN MATERIAUX ORGANIQUES

1 - DEFINITION

Un absorbeur est un élément capable de se déformer sous l'effet d'un choc, en absorbant ainsi la perte d'énergie cinétique des masses en présence.

L'énergie absorbée (Wa) au moment de l'enfoncement maximum correspond à l'aire du diagramme effort-enfoncement F = f(Dl)

A la fin du choc il peut y avoir rebond ou non, suivant le matériau utilisé.
L'énergie absorbée peut être ainsi restituée (choc élastique) ou dissipée (choc mou).

L'amortissement se défini ainsi:

                                      W dissipée
Amortissement % = -------------- x 100

                                      W absorbée

Le rendement de diagramme correspond au rapport de l'aire du diagramme sur l'aire du rectangle dans lequel il s'inscrit:

                                Wa
                   Rd = -----------
                          
Fmax Dlmax

Un absorbeur d'épaisseur l que l'on enfonce d'une valeur Dl subit une déformation Dl / l.

Une fonction de maintien en position du bouclier est souvent demandée aux absorbeurs.

Nota : Le calcul des absorbeurs a déjà été traité dans le document principal.

2- SELECTION DES MATERIAUX

I1 convient de comparer les matériaux pour chocs à l'aide des diagrammes contrainte déformation
F/S = f(Dl / l), obtenus en comprimant des éprouvettes dont le volume est au moins d'un dm3.

La plupart des matériaux étant sensibles à la vitesse de déformation (v/l) et à la température, il faut les soumettre à des essais statiques et dynamiques, à froid, à l'ambiante, et à chaud (c'est à dire dans les conditions normales et extrêmes d'utilisation)

Les propriétés de certains matériaux se dégradent plus ou moins en fonction du nombre et de la violence des chocs subits.

Les matériaux organiques pour absorbeurs de chocs peuvent ainsi se classer en trois catégories:

La relation générale:

    W           F                   Dl
------ = -------- x Rd x --------
    V           S                      l

permet de mieux comprendre quels critères de sélection adopter suivant les applications.

                                      Dl
                   Rg = Rd x -------
                                        l

La comparaison des matériaux en considérant la portance F/S pour Dl/l = 50%, n'est pas valable pour les absorbeurs.
En effet, si nous prenons le cas des mousses semi-rigides, nous allons trouver des diagrammes différents en fonction de la densité de la mousse.

Un accroissement de la masse volumique apparente réduit l'effet mousse, et donc les possibilités de déformation :

          Dl                rc - ra                
       ----- max = -------------
          1                       rc
ra = masse volumique apparente de la mousse,
rc = masse volumique de la matière à l'état compact.

Plus de 150 matériaux organiques, sous différentes formes, ont été caractérisés.

3 - LES DIFFERENTS TYPES D'ABSORBEURS

Les premiers boucliers (AR R17 et AV+AR R5 en 1970, puis R14 en 1973) étaient en appui sur des contrelames en acier placées au droit des longerons. Ces "absorbeurs en tôle" n'étaient efficaces que lors du premier choc, les déformations subies sortant du domaine élastique (voir figure 1)

Progressivement, à partir de 1978, presque tous les boucliers en SMC ont été équipés d'absorbeurs alvéolés en polyéthylène basse densité (PEBD), moulés par injection.

Un nouveau concept de bouclier souple sur absorbeur continu en PEBD a été appliqué sur R9 et R11, puis sur AR R21 et AR R19.
Ces absorbeurs continus sont également alvéolés et moulés par injection, mais les surfaces comprimées étant plus grandes, les cloisons sont plus espacées afin d'obtenir les bons diagrammes effort enfoncement.

Pour les R5 USA, ce sont des absorbeurs en mousse PU semi-rigide à peau autoformée qui ont été choisis. Ils sont plus performants, mais plus chers, que les absorbeurs en PEBD.. Toutefois, leur fabrication demande moins d'investissements.

Signalons les absorbeurs hydrauliques dont étaient équipées les R18 USA, FUEGO USA, et R21 USA (MEDAILLON). Ce sont des absorbeurs performants, mais qui sont lourds, chers, et difficiles à implanter sur les châssis.

4 - LES FACTEURS GEOMETRIQUES

Les impacteurs normalisés et les boucliers ont des formes qui ne sont pas planes, et l'on note un accroissement des surfaces en contact en fonction de l'enfoncement.
Dans le cas d'un bouclier souple reposant sur un absorbeur continu, l'accroissement de la surface comprimée pendant un choc peut être important. Il en résulte un rendement géométrique Rgéom <1 qui affecte le rendement de diagramme.

Toutefois, pour éviter la pointe d'effort initiale qui précède le flambage simultané de toutes les alvéoles (absorbeurs mousses ou PEBD injectés), et pour ne pas entraîner des déformations des longerons dans les chocs à froid, il est nécessaire de réduire la surface d'appui initiale (voir figure 2 et figure 3)

Dans le cas des absorbeurs alvéolés injectés (en PEBD ou en élastomère thermoplastique), le choix du pas et de la forme des alvéoles influe fortement sur le comportement aux chocs.
Plus le pas est petit, plus la raideur est grande. Le diagramme effort enfoncement comporte des ondulations dont la longueur d'onde est sensiblement égale au pas. Ces ondulations sont atténuées quand les alvéoles n'ont pas toutes le même pas.

En ce qui concerne la forme des alvéoles, c'est la disposition hexagonale en nid d'abeille qui donne la plus grande raideur, mais dans une seule direction privilégiée. Or, il est souvent demandé aux absorbeurs d'assurer une fonction de maintien en position des boucliers, et d'autre part, les forces induites pendant les chocs ont souvent des composantes verticales (surtout dans la configuration du choc à vide, avec l'impacteur ISO)
C'est la raison pour laquelle les alvéoles rectangulaires (avec parfois un accroissement du nombre des parois verticales) ont été adoptées.

Quand un bouclier a une forme fuyante vers le bas (intégration pare-chocs + jupe) il convient d'incliner également les absorbeurs légèrement vers le bas (de 5 à 8°)

Un autre paramètre qui modifie la raideur d'un absorbeur est la géométrie des éjecteurs placés dans le moule (voir figure 4). En effet, les modifications de dessin demandées par le mouleur font varier la raideur de l'absorbeur. Il faut en tenir compte suffisamment tôt dans l'étude.

5 - INFLUENCE DU NOMBRE DE CHOCS

En fonction du nombre et de la violence des chocs, les caractéristiques des absorbeurs sont plus ou moins altérées.
Les variations de raideur se remarquent déjà dans les essais de compression statiques (voir figure 5)
Les pertes de rendement de diagramme au cours des essais de chocs peuvent être mises en évidence à l'aide d'un diagramme effort max - enfoncement max.

Suivant le matériau choisi, un absorbeur peut conserver une certaine déformation après choc, puis reprendre plus ou moins sa forme et ses propriétés un peu plus tard.
De toute façon, il s'agit d'un endommagement non visible et non perceptible par l'usager, ce qui n'est pas le cas avec les éléments de protection en tôle d'acier.

6 - INFLUENCE DE LA TEMPERATURE

Le module d'élasticité des plastiques varie plus ou moins en fonction de la température (surtout les thermoplastiques et les caoutchoucs). I1 en résulte que les absorbeurs présentent des raideurs différentes à chaud et à froid (voir figure 6)
Un exemple d'essai de chocs à différentes températures sur des absorbeurs expérimentaux en mousse de polypropylène, est donné sur la figure 7 et la figure 8.

Il est clair, à la vue de ces diagrammes, que si la résistance des zones d'appuis et la garde ont été prévues pour des absorbeurs satisfaisants les chocs à 4 km/h, de -20 à +40°C, ces mêmes absorbeurs pourront encaisser des chocs d'environ 5 km/h à 20°C.
Notons au passage, l'influence de la masse volumique apparente d'une mousse sur ses possibilités de déformation, dont nous avons déjà parlé plus haut.

7 - INFLUENCE DE LA VITESSE DE DEFORMATION

La vitesse de déformation (v*) se défini comme étant la déformation subie par unité de temps :

                                             d Dl / l
                                 v* = ------------
                                               dt

                                            v                           d Dl
Ou encore                 v* = ------       puisque  --------   = v (vitesse d'impact)
                                             l                              dt

Beaucoup de matériaux voient leur module d'élasticité apparent s'accroître en fonction de la vitesse de déformation. I1 en va de même pour la raideur des absorbeurs (voir figure 9)

I1 faut remarquer que la vitesse de déformation est constante pendant toute la durée d'un essai statique, tandis qu'elle décroît au cours d'un choc jusqu'à devenir nulle au moment de la déformation maximum. C'est pourquoi l'augmentation de raideur est plus importante en début de courbe qu'à la fin.

8 - CALCUL DES ABSORBEURS

Le calcul des absorbeurs a déjà été abordé dans la première partie. Nous rappellerons simplement ici les limites d'implantation sur véhicule (voir figure 10) qui sont:

Un exemple de calcul de prédimensionnement d'absorbeurs en PEBD est donné sur la figure 11.
I1 est important de noter que le calcul de l'enfoncement est valable quel que soit le concept du pare-chocs.
Par contre l'énergie volumique à prendre en compte dans le choix du matériau sera plus grande dans le cas de deux absorbeurs localisés que dans le cas d'un absorbeur continu (même s'il est constitué de plusieurs éléments adjacents, moulés séparément)

9 - CONCLUSION

Dans l'étude de l'implantation d'absorbeurs de chocs sur un véhicule, il faudra tenir compte :

Si pour des raisons de prix, le cahier des charges RENAULT redescend au niveau de la norme ECE 42 (laquelle permet le remplacement du pare-chocs après chaque essai), il serait bon, avant de revenir à des solutions métalliques (dont le coût final risque d'être sous estimé), d'essayer et de chiffrer des absorbeurs moins chers que ceux en PEBD (ex: fibres, cartons, "boites à oeufs" thermoformées, PS expansé, mousse PP,...)

A l'inverse, des solutions plus performantes, mais avec supplément de prix, existent (élastomères TP, mousses PU semi-rigide, absorbeurs hydrauliques,...)

                                                                            Pierre ROUBINET                   Gilbert ALVEZ                  

Archivage PR : fichier World 2000 « ProtectChAnx2.doc », avril 2002
Conversion en fichier HTML en mai 2012

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