PLASTIQUES ET COMPOSITES DANS LES VEHICULES RENAULT
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UTILISATION DES PLASTIQUES POUR L'ALLEGEMENT DES VEHICULES

Exposé de Pierre Roubinet (Renault) au "Symposium sur les applications des plastiques dans l'industrie du véhicule"
le 10 mai 1982 au SITEV (Genève)

1 - PROGRESSION DES PLASTIQUES DANS L'AUTOMOBILE

La proportion de matières plastiques entrant dans la fabrication des automobiles croît régulièrement.

Figure 1

Les facteurs de progrès principaux sont :

  1. La mise au point de nouvelles matières permettant d'élargir l'éventail des applications.

  2. Les perfectionnements apportés aux outillages et aux machines pour mouler des pièces de plus en plus volumineuses et complexes.

  3. Le développement d'unités de fabrication industrielles avec amélioration de la productivité, de la qualité et des conditions de travail, et abaissement des prix de revient.
  4. Les possibilités de réaliser des pièces intégrant plusieurs fonctions, de colorer les pièces dans la masse, de répondre aux normes de sécurité et de se plier aux exigences du style, compensent parfois le handicap sur les prix des matières.

Les plastiques sont de plus en plus renforcés par des fibres de verre. La disposition des fibres et leur proportion en volume influent fortement sur les propriétés mécaniques et thermiques du plastique ainsi armé (figures 2 et 3)

Figure 2

Figure 3

Pour les bureaux d'études, les critères de choix entre les différentes solutions possibles sont : le prix, les performances, le poids, l'aspect et la tenue en service.
Jusqu'à présent le poids n'a pas été le critère de choix le plus important pour l'automobile. Mais si le prix des carburants continuent d'augmenter, il est possible que l'on accepte de payer plus cher un véhicule allégé consommant moins, de nouvelles applications peuvent apparaître pour les plastiques.

2 - LES ECONOMIES D'ENERGIE

Le coût énergétique global d'un véhicule est formé de deux grands postes :

  1. Le coût "réalisation",
    . matières premières,
    . transformation,
    .recyclage des déchets,
  2. Le coût "utilisation",
    . consommation,
    . durée de vie,
    . récupération des épaves.

Les principales actions engagées pour réduire la consommation des véhicules sont les suivantes :

L'allègement, objet de cet exposé, n'est donc qu'un facteur d'économie d'énergie parmi d'autres.

3 - INTERET DE L'ALLEGEMENT

Un allègement de 70 kg sur l'ensemble caisse, châssis, équipements intérieurs, se traduit par un allègement du véhicule de 100 kg, si la mécanique est modifiée en conséquence. La consommation de carburant est alors réduite de 0,3 à 0,5 l/100 km suivant le cas.
Cela représente une économie d'environ 250 1 de carburant en 5 ans (pour un parcours moyen de 12 000 km/an).
En fonction du prix du carburant il est donc possible de calculer le surcoût acceptable par kg gagné.

L'allègement ne doit évidemment pas compromettre les performances, la sécurité et le confort. Pour une bonne tenue en endurance il est notamment important de ne pas réduire la rigidité en torsion de la caisse.

4 - PROBLÈMES DE RIGIDITÉ DES ÉLÉMENTS DE CARROSSERIE

Il est fréquent de comparer les matériaux à rigidité égale en flexion plane. Le remplacement d'une tôle d'acier par du plastique nécessite alors un accroissement d'épaisseur. Un allègement d'environ 1/3 parait possible comme le montre le tableau suivant (figure 4)

Figure 4

En fait les cas de pièces planes en monoparoi sont extrêmement rares en carrosserie automobile. Le moindre embouti fait sortir la fibre neutre de la tôle et confère une raideur importante à la pièce. La loi citée plus haut n'est plus valable, ainsi que dans le cas des caissons ou des profils fermés, car pour un même encombrement le moment d'inertie d'une section est proportionnel à l'épaisseur. Si l'on raisonne à masse égale (re = constante) la rigidité d'un caisson sera proportionnelle à E/r.

La figure 5 montre que dans ces conditions les plastiques ne permettent pas de faire de l'allègement sans perte importante de rigidité.

Figure 5

Matière Epaisseur
e
mm
Module spécifique
E/r
10
3
m² s-2
Tôle d'acier
Alliage d'aluminium
0,9
2
25 640
26 415
Copolymère EP
ABS
Préimprégné (SMC)
30% de verre
6
5,2
3
1 110
1 905
5 945

Une première solution pour accroître la rigidité consiste à grossir la section et à réduire l'épaisseur pour conserver la même masse. On augmente ainsi le moment d'inertie, donc la rigidité (figure 6)

Figure 6

Une étude du comportement en torsion d'un montant de hayon R 6 a été effectuée en faisant varier la nature des éprouvettes et les conditions d'essai.

Figure 7

Quand les extrémités sont fermées, les solutions métalliques sont plus rigides que les solutions plastiques. Mais quand les extrémités sont libres le préimprégné "nervuré" permet un allègement d'environ 10 %.

Les sandwiches métal/plastique/métal permettent également d'obtenir une bonne rigidité en flexion plane avec un allègement de 60 %, mais ils perdent leur avantage après emboutissage et assemblage.

5 - RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX OBTENUS SUR DES ÉLÉMENTS DE CARROSSERIE

Sur un hayon (voir figures 8 et 9) :

Figure 8

Figure 9

La lunette arrière limitant les possibilités d'accroissement des sections, il n'est pas possible d'obtenir la rigidité demandée avec les plastiques d'usage courant. Toutefois la rigidité de l'ensemble peut être considérée comme suffisante dans le cas d'une lunette en verre épais, collée. L'allègement est alors relativement faible.

Sur une porte de coffre (voir figure 10) :

Figure 10

Il s'agit d'un cas favorable où une adaptation du dessin permet un allègement de 1/3 avec le préimprégné.

Sur une aile avant (voir figure 11)

Figure 11

En comparant les prix, à rigidité égale, on remarque que 1e plastique permet un allègement de 1/3 avec un prix majoré de 1/3, et l'aluminium un allègement de 1/2 avec un prix sensiblement doublé.

6 - CAS DES PIÈCES DEVANT ABSORBER DE L'ÉNERGIE PAR DEFORMATION ÉLASTIQUE

La souplesse des plastiques n'est pas toujours un inconvénient car il en résulte souvent une meilleure résistance aux chocs.
En effet, la capacité d'absorption d'énergie par unité de masse d'une matière subissant une déformation élastique s'exprime par la relation.

Remarquons que E est ici au dénominateur.

Dans le cas des lames de pare-chocs l'intérêt du préimprégné verre-polyester (SMC) est mis en évidence dans 1e tableau suivant (figure 12)

Figure 12 - COMPARAISON ACIER <-> SMC EN PHASE ELASTIQUE

Matière

Masse
volumique
r
kg.m
-3

Limite
élastique
sR
MPa

Module
d’élasticité
E
MPa

Energie
spécifique
sR2 / 2rE
J.kg
-1

Tôle d’acier à dispersoïdes
D40 HSLA


7 700


500


200 000


80

Préimprégné Renault
standard boucliers
(35% de verre)


1 800


220


12 000


1 120

Le préimprégné absorbe de l'énergie par déformation élastique, tandis que l'acier absorbe surtout de l'énergie par déformation plastique.

La Régie RENAULT a développé depuis 1970 des boucliers en préimprégné sur les véhicules : R 17, R 5, R 14 et Fuego.

Les boucliers intègrent les fonctions pare-chocs, jupe, logement des feux, plaque de police, ouies de refroidissement moteur, aérodynamîsme, et offrent une liberté de style inconnue jusqu'alors. Ils peuvent encaisser de nombreux petits chocs de parking sans dégâts apparents.

Une expérience de remplacement des pare-chocs en acier chromé par des pare chocs en préimprégné a démarré sur la R 18 Turbo en 1980, puis a été étendue progressivement sur l'ensemble de la gamme R 18.

Les nouveaux pare-chocs , dont le volume a été augmenté pour des raisons de style et d'aérodynamisme, sont moins chers (- 20 %), moins lourds (-25 %) et plus performants aux chocs que les anciens.

Dans le cas des pare-chocs devant satisfaire la norme américaine FMVSS 215 partie 581 .(chocs à 8 km/h sans dommages) le remplacement d'une lame en acier par une lame en composite verre-polyester optimisé permet un allègement de 70 %.

On peut également espérer réaliser des allègements dans le domaine de la suspension comme le montre le tableau suivant :

Tableau 13 - COMPARAISON RESSORT ACIER <==> RESSORT PLASTIQUE

Matière Masse
volumique
r
kg.m
-3
Limite
élastique
sR
MPa
Limite de fatigue
à 10
7cycles
sD
MPa
Module
d’élasticité
E
MPa
Energie
spécifique
sR2 / 2rE
J.kg
-1
Acier à ressort 50 CV4 7 800 1 600 1 100 200 000 385
Composite unidirectionnel
verre-époxy 70 % de verre
(essai RENAULT)
1 860 1 150 470 37 500 1 580

Des expériences sont en cours chez la plupart des constructeurs.

7 - CONCLUSION

On note une progression des plastiques dans l'automobile. Cette progression est limitée par les prix des matières, le manque de rigidité et la mauvaise tenue à la chaleur.

Quand on fait intervenir l'amortissement des investissements, on peut trouver dans certains cas que les solutions plastique et métal ont chacune leur zone de rentabilité.

Les recherches d'allègement peuvent conduire à de nouvelles applications. Mais c'est quand même l'amélioration du rapport qualité/prix qui restera le principal facteur de développement.

Pour atteindre cet objectif les progrès devront porter sur les matériaux, les procédés, et la conception des produits.

Pierre Roubinet

Cet exposé a été présenté au Symposium sur les applications des plastiques dans l'Industrie du véhicule le 10 mai 1982 au SITEV à Genève (voir photo)
Conversion en fichier HTML en mars 2016 pour publication sur ce site Internet.

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