PLASTIQUES ET COMPOSITES DANS LES VEHICULES RENAULT
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DEVELOPPEMENT INDUSTRIEL DES LAMES DE RESSORT EN COMPOSITE

Pierre ROUBINET - Bernard DELACROIX (Régie RENAULT)

 1 - INTRODUCTION

La capacité d'absorption d'énergie par déformation élastique des composites fibres-résine est largement utilisée (depuis la RENAULT 5) dans les pare-chocs, boucliers et autres éléments de protection.
Ces pièces sont le plus souvent moulées avec un préimprégné polyester (SMC) dont l'armature en verre E comporte, en plus des fibres coupées, des fils continus orientés dans le sens des plus grandes sollicitations (figure 1)

La suite logique a été, compte tenu des recherches d'allègement induites par les crises pétrolières, d'envisager l'utilisation des composites unidirectionnels pour des ressorts de suspension.

 2 - QUEL COMPOSITE ? ET QUEL RESSORT ?

 2.1 CHOIX DE LA STRUCTURE DU COMPOSITE

En accroissant le taux, la longueur et la maîtrise du positionnement de fibres de renforcement associées à des polymères, on obtient des matériaux dont les propriétés thermiques et mécaniques sont améliorées (figure 2)

On note parallèlement une évolution du vocabulaire : plastiques, plastiques renforcés, plastiques armés, composites à hautes performances.
Le terme "composite" tend aujourd'hui à englober les plastiques renforcés traditionnels, leur donnant ainsi une seconde jeunesse.
Les meilleures performances pour des applications telles que les ressorts sont obtenues avec les composites unidirectionnels dont les fibres sont continues, parallèles et orientées.

2.2 CHOIX DES FIBRES

Sur le plan de l'allègement les fibres de carbone présenteraient un avantage (figure 3), mais sur le plan des prix seul le verre E répond aux impératifs économiques de l'automobile (figure 4)

2.3 CHOIX DE LA RESINE

Les résines polyester et vinylester sont moins chères que les résines époxy, mais elles présentent un retrait de moulage plus important.
Compte tenu qu'un composite unidirectionnel ne comporte environ que 1/4 de résine pour 3/4 de verre en poids, nous pouvions nous permettre de choisir une résine Epoxy

 

2.4 CHOIX DU RESSORT

On distingue deux grandes classes de ressorts de suspension (figure 5) :

1) ceux travaillant en flexion,
  • ressorts monolames,
  • ressorts multilames,

 2) ceux travaillant en torsion,

  • barres de torsion,
  • ressorts hélicoïdaux.

En flexion, l'avantage du composite unidirectionnel est certain. Surtout quand un ressort monolame en composite remplace un ressort multilames en acier.

En torsion, la solution composite consiste généralement à réaliser un tube avec la majorité des fibres enroulées à ± 45°.
Sous cette forme, le composite absorbe moins d'énergie en phase élastique que l'acier, mais pour un même Cahier des Charges les géométries optima sont différentes, ce qui peut être intéressant dans certains cas.

 3 - TECHNIQUES DEVELOPPEES CHEZ RENAULT

3.1 METHODES DE CALCUL

La connaissance des propriétés des résines, des fibres et des adjuvants divers, permet de prévoir les propriétés des composites en fonction de la proportion et de la disposition de chaque constituant (figure 6). Ces données doivent évidemment s'inscrire dans le domaine possible pour la technique choisie.
En ce qui concerne le calcul des lames de ressort, nous avons mis au point un programme sur micro-ordinateur permettant à partir des propriétés mécaniques du composite et du Cahier des Charges d'obtenir directement la géométrie de la lame optimum sur une table traçante (figures 7 et 8 )

3.2 LA PULTRUSION COURBE

Ce procédé mis au point en collaboration avec la Sté GRILLO (RFA) a fait l'objet d'une communication ici même il y a deux ans. L'étude a été poursuivie sur des profilés verre-époxy (travaux de M. BONNIAU). La pultrusion courbe devrait permettre de fabriquer des lames de ressort dans des conditions favorables à la grande série (faible coût productivité élevée) à condition d'accepter que le profil et le rayon de courbure soient constants (figure 9)

3.3 LA COMPRESSION DE RENFORTS UNIDIRECTIONNELS PREIMPREGNES (RUP)

Le procédé que nous avons adopté pour fabriquer les lames de ressort prototypes s'apparente à l'enroulement-compression, mais en utilisant des nappes de fibres de verre préimprégnées (figure 10). Pour la fabrication en série, nous avons mis au point un procédé de compression à chaud à partir d'ébauches (figure 11)
Ces ébauches sont obtenues en assemblant plusieurs bandes de préimprégné (RUP). La mise en forme est terminée par la fermeture de la presse, laquelle est pilotée par un microprocesseur.
Le temps de cuisson est fonction de la température du moule, de l'épaisseur de la lame et de la réactivité du préimprégné.
Une post-cuisson améliore ensuite les propriétés thermomécaniques.

4 - EXPERIENCE SUR LE TRAFIC

4.1 CAHIER DES CHARGES

Le Cahier des Charges des ressorts de suspension arrière du véhicule utilitaire TRAFIC T1200 choisis pour l'expérimentation des lames en composite est résumé sur le tableau de la figure 12. La photo 13 montre une lame assemblée.

Par rapport à l'acier, il convient de définir :

 

 

4.2 ESSAIS SUR BANC D'ENDURANCE

Une bonne corrélation a pu être établie entre les essais d'endurance sur les ressorts (photo 14) et les essais de fatigue en flexion ondulée sur éprouvettes (travaux de M. DE ROO)

 4.3 ESSAIS SUR VEHICULE

 A partir d'avril 1983 une dizaine de véhicules équipés de lames de ressort de suspension arrière en composite ont roulé sur tous les types de chaussée, sous tous les climats, sans qu'aucun incident sérieux n'ait été constaté. En juillet 1985 la distance totale parcourue dépassait un million de km.

 4.4 ESSAI INDUSTRIEL

 Une installation expérimentale a été mise en place par les Méthodes de l'Unité Plastique (DPIA). Elle a permis de mouler plusieurs centaines de lames de ressort selon le procédé de compression/RUP.

 A cette occasion, il a été possible :

  1.  de mettre au point le Cahier des Charges et les méthodes d'essais concernant le contrôle de réception du RUP,
  2. de perfectionner le procédé et les moyens de fabrication,
  3. d'expérimenter différentes méthodes de contrôle non destructif (travaux de M. GAULTIER),
  4. de fournir des ressorts en composite à l'usine de montage de Creil (CHAUSSON) pour équiper une centaine de TRAFIC T1200, ce qui a permis de vérifier l'interchangeabilité avec les ressorts en acier.

5 - DEVELOPPEMENT DES PROCEDES INDUSTRIELS

 5.1 AVENIR DU MOULAGE PAR COMPRESSION/RUP

Dès aujourd'hui l'atelier pilote mis en place à l'usine RENAULT de DREUX (photo 15) permet de vérifier que ce procédé est rentable pour la petite et la moyenne série. C'est à dire pour des véhicules sportifs (exemple : la CORVETTE GM aux USA), des véhicules utilitaires (cas exposé ici), et des véhicules industriels (en développement chez RENAULT V.I). Mais il faut remarquer que le moulage par compression/RUP possède un potentiel d'améliorations qui devrait permettre de l'appliquer également à la grande série :

  1. ce procédé laisse une grande liberté de forme au bureau d'études pour la conception des pièces,
  2. nous avons bon espoir de réduire les temps de cycle de moulage d'au moins 50%,
  3. le prix de revient du RUP devrait baisser en fonction de l'accroissement du volume,
  4. l'automatisation du processus de fabrication ne devrait pas présenter de difficulté.

 5.2 LE PULFORMING

Le pulforming est un procédé développe par la Sté GOLDSWORTHY (USA) qui est une filiale de MFL (F) depuis 1983. Le principe en est le suivant :

  • les mèches de verre sont imprégnées par passage dans un bac de résine puis assemblées progressivement en une seule nappe.
  • cette nappe subit un préchauffage HF et est engagée ensuite dans une succession de moules chauffés placés sur une table tournante.
  • une bande sans fin applique une pression sur la matière et assure l'étanchéité pendant la cuisson.
  • les lames de ressort sont démoulées selon une trajectoire spirale, puis sont séparées automatiquement à l'aide d'une scie circulaire.

Ce procédé semble intéressant pour la grande série à condition que la forme des ressorts soit relativement simple, ce qui est le cas de la lame TRAFIC dans sa version actuelle.

 6 - CONCLUSION

Les expériences effectuées sur des lames de ressort en composite unidirectionnel verre-époxy ont permis d'effectuer des progrès en ce qui concerne :

Les connaissances acquises permettent aux Bureaux d'Etudes de concevoir de nouveaux types de train et de suspension faisant appel aux matériaux composites.
Le choix entre les différents procédés de fabrication sera fonction de la complexité des pièces et de l'importance des séries.

 Ce développement de lames de ressort en composite a fait l’objet d’un exposé aux Journées Européennes des Composites (JEC) à Paris en avril 1986.
Archivage sur le fichier Word 2000 « RessortComposite.doc » en juillet 2003. Fichier "ressortcomposite.htm" en décembre 2008.

Voir également "Historique: lames de ressort en composite"

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