Transcript 1 – contribution des materiaux

LES PERSPECTIVES TECHNIQUES
Yvonnick GAZEAU
Auto-innovations
MATERALIA, 29 avril 2010
AUTO-INNOVATIONS
• Site : www.auto-innovations.com
• Presse : revue « Ingénieurs de
l’Automobile »
• Autres prestations liées à la technologie
automobile :
• dossiers de presse,
• argumentation de vente produits,
• analyse comparative de technologies,
• etc.
Yvonnick Gazeau
MATERALIA, 29 avril 2010
SOMMAIRE
1 - CONTRIBUTION DES MATERIAUX AUX DEFIS AUTOMOBILE
1.1 - CONTRIBUTION CO2
1.2 - CONTRIBUTION SECURITE
1.3 - CONTRIBUTION PERFORMANCE
1.4 - CONTRIBUTION COUTS
1.5 - CONTRIBUTION DEVELOPPEMENT DURABLE
2 – BILAN DES PIECES
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.1 - CONTRIBUTION CO2
Rappel de la réglementation européenne :
130 g de CO2/km en 2015, moyenne ventes par constructeur
(Dès 2012 : 65 % des ventes devront atteindre 130 grammes)
Solutions :
• Propulsion : moteur, carburants, hybridation, traction électrique
• Réduction des résistances à l’avancement :
• frictions (transmission, pneumatiques)
• aérodynamisme
• allègement du véhicule
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.1 - CONTRIBUTION CO2
L’allègement de l’automobile
Deux impacts :
• Energie à l’accélération
• Résistance au roulement des pneumatiques
Contraintes :
• Confort : besoin d’habitabilité et d’espace de chargement
• Sécurité : habitacle indéformable, airbags, médiatisation EuroNCap
Exemple : La remplaçante de la Peugeot 207 a un objectif
d’allègement de 100 kg tout en maintenant ou augmentant
les prestations en termes de sécurité passive et active.
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.1 - CONTRIBUTION CO2
Les aciers UHLE
0%
100%
Développement
des aciers pour
90%
36%
80%
 Acier doux : 100 à 250 MPa.
 Acier
 Acier
 Acier
3%
12%
réduire
la masse
:
20%
UHLE
18%
70%
THLE
31%
HLE (Haute
MPa
60% Limite Élastique) : 300 à 500
32%
50%
THLE (Très
Haute Limite Élastique) : 500 à 800 MPa
40%
HLE
64%
30%
UHLE (Ultra Haute Limite Élastique)
: 1300
à 1500 MPa, voire 1650
46%
38%
20%
10%
Acier doux
MPa
0%
Volvo S40
1997
Volvo S40
2004
Audi A4
2009
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.1 - CONTRIBUTION CO2
La caisse en blanc en aluminium
Solution réservée à quelques véhicules haut de gamme :
Audi A8 et R8, Jaguar XK et XJ, Ferrari 599 GTB, …
Gain de poids annoncé : entre 22% et 50%
Exemple de poids de la caisse en blanc :
• BMW Série 6 (caisse acier)
:
370 kg
• Jaguar XK (caisse aluminium):
285 kg
Jaguar XK
Ce n’est pas encore une solution pour une production en volume
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.1 - CONTRIBUTION CO2
La caisse en blanc hybride acier/aluminium
Quelques applications : BMW Série 5 (E60/2004) et Audi TT
Audi TT :
Gain de poids de 48%
BMW Série 5
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.1 - CONTRIBUTION CO2
Les grands éléments en aluminium
Les plus courants :
Et parfois :
• capot moteur
• Ailes avant
• jantes
• Module de train arrière
• porte de coffre
• Triangles et bras de suspension
• Berceau moteur
• Renforts latéraux de caisse
• Traverse de chocs avant
Train avant Audi A4
Essieu arrière PSA
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1 - CONTRIBUTION CO2
1.1 - CONTRIBUTION CO2
Le magnésium
Magnésium : pièces non visibles
Exemple :
• poutre transversale de tableau de bord,
• support de levier de frein de stationnement,
• jante de volant,
• supports de siège
• carters
• toit escamotable,
• berceau moteur
• etc.
Support de siège prototype
par Faurecia
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.1 - CONTRIBUTION CO2
Le verre
> Le verre représente près de 4% de la masse d’une voiture.
Solution d’allègement : réduction de son épaisseur, souvent en verre feuilleté
> Remplacement du verre par le polycarbonates.
Gain de poids potentiel : jusqu’à 50%
Solutions courantes :
Solutions expérimentales :
• Optiques
• Toit panoramique
• Lunette arrière (ex : Honda Civic
et Smart)
• Vitres latérales
• Custode arrière (ex : Smart et
Mercedes Classe A)
• Pare-brise !
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.1 - CONTRIBUTION CO2
Les polymères
Utilisation de polymères de qualité
optimisée :
• Température élevée : tubage, habillage
moteur,…
• Esthétisme : poignée de porte
• Résistance mécanique : carters,
pignons,… (ex : Vitrex)
• Déformation programmée
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.1 - CONTRIBUTION CO2
La construction allégée
Intégration de fonctions
Renforts
Différentes insertions dans les profilés
Mousse d’aluminium
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SOMMAIRE
1 - CONTRIBUTION DES MATERIAUX AUX DEFIS AUTOMOBILE
1.1 - CONTRIBUTION CO2
1.2 - CONTRIBUTION SECURITE
1.3 - CONTRIBUTION PERFORMANCE
1.4 - CONTRIBUTION COUTS
1.5 - CONTRIBUTION DEVELOPPEMENT DURABLE
2 – BILAN DES PIECES
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.2 - CONTRIBUTION SECURITE
La pression sur la sécurité
• Besoin sociétal
• Efficacité de l’organisme EuroNCap
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.2 - CONTRIBUTION SECURITE
Zones à grande limite élastique
Développement des acier
UHLE (Ultra Haute Limite
Élastique) :
1300 à 1500 MPa, voire
1650 MPa
Exemple : la part des tôles en acier à haute et très haute résistance est passée
de 6% à 43% entre les 2 dernières générations de la Mercedes Classe S
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.2 - CONTRIBUTION SECURITE
Zones à grande limite élastique
Contraintes des aciers UHLE:
• Presses plus puissantes
• Difficultés d’emboutissage (effet ressort)
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.2 - CONTRIBUTION SECURITE
Zones d’absorption d’énergie
• Faibles vitesses : Zone élastique
constituée de pièces en polymère
• Vitesse élevée : acier HLE et THLE,
aluminium, mousse d’aluminium
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.2 - CONTRIBUTION SECURITE
Zones d’absorption d’énergie
Exemple d’innovation :
Crash-box en mousse métallique en aluminium, alliages de cuivre ou
d’acier
Les mousses métalliques :
• Absorbent de grandes quantités d’énergie,
• Supportent des efforts de flexion importants,
• Réduisent la masse.
Les mousses assurent leur fonction
quelle que soit la direction du choc,
contrairement à la plupart des
crash-box actuels.
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SOMMAIRE
1 - CONTRIBUTION DES MATERIAUX AUX DEFIS AUTOMOBILE
1.1 - CONTRIBUTION CO2
1.2 - CONTRIBUTION SECURITE
1.3 - CONTRIBUTION PERFORMANCE
1.4 - CONTRIBUTION COUTS
1.5 - CONTRIBUTION DEVELOPPEMENT DURABLE
2 – BILAN DES PIECES
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.3 - CONTRIBUTION PERFORMANCE
La résistance à la température
Downsizing moteur : des températures de plus en plus élevées
• Plastiques 150°C : compartiment moteur (ex : habillage moteur)
• Plastiques 300°C : ligne d’échappement (ex : circuit EGR)
• Alliage à base de nickel 1050°C : turbocompresseur pour moteur à essence
• Céramique < 1200°C : isolation thermique à l’échappement
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.3 - CONTRIBUTION PERFORMANCE
La résistance à l’usure
Le revêtement DLC (Diamond-Like Carbon) :
Dureté supérieure au carbure ou du nitrure de Titane, jusqu'à 20 Gpa
Exemples d’application :
• Déjà commercialisés : poussoir, arbre à cames, linguet
• En évaluation : jupe de piston en aluminium et segment
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.3 - CONTRIBUTION PERFORMANCE
Le cas particulier du pneumatique
Objectifs antinomiques :
• Réduction de la résistance au roulement
• Résistance à l’usure
• Adhérence sur sol sec et mouillé
• Suppression des huiles aromatiques
Solutions :
• Gomme : silice dernière génération en remplacement du noir de carbone,
thermoplastique et nano-composites (Nanoprène)
• Nappes en polyester et polyamide
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SOMMAIRE
1 - CONTRIBUTION DES MATERIAUX AUX DEFIS AUTOMOBILE
1.1 - CONTRIBUTION CO2
1.2 - CONTRIBUTION SECURITE
1.3 - CONTRIBUTION PERFORMANCE
1.4 - CONTRIBUTION COUTS
1.5 - CONTRIBUTION DEVELOPPEMENT DURABLE
2 – BILAN DES PIECES
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.4 - CONTRIBUTION COUT
Le remplacement des matériaux
Métal -> Plastiques haute performance
• Élimination d’opérations secondaires (usinage, soudage, peinture)
• Coût de la matière
• Avantages additionnels : résistance à la corrosion, meilleure étanchéité,
propriétés électriques, isolation thermique
Exemples :
Pompe à eau
Cales latérales BVA
Exp. : Aubes de turbocompresseur
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.4 - CONTRIBUTION COUT
Le remplacement des matériaux
Intégration de fonctions
• Réduction du nombre de
pièces
• Réduction des usinages et
soudages
• Réduction du temps de
montage
Module de porte
Faurecia
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SOMMAIRE
1 - CONTRIBUTION DES MATERIAUX AUX DEFIS AUTOMOBILE
1.1 - CONTRIBUTION CO2
1.2 - CONTRIBUTION SECURITE
1.3 - CONTRIBUTION PERFORMANCE
1.4 - CONTRIBUTION COUTS
1.5 - CONTRIBUTION DEVELOPPEMENT DURABLE
2 – BILAN DES PIECES
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.5 - CONTRIBUTION DEVELOPPEMENT DURABLE
Le recyclage
Plastiques recyclés renforcés de fibres longues :
• absorbeur de pare-chocs,
• passage de roue,
• panneau sous réservoir,
• déflecteur sous caisse,
• cache batterie,
• etc.
Remarques :
• Pièces non visibles
• Pas recyclable : les thermoplastiques et les pièces de petites dimensions
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.5 - CONTRIBUTION DEVELOPPEMENT DURABLE
Les biomatériaux
Fibres naturelles issues de coton, de lin, de kénaf, de chanvre, de sisal, de bois,
de bambou, etc.
 Compoundage : tablette arrière, tablier et tapis de coffre, panneaux
insonorisants
 injection : bouchons de réservoir de liquide de lave-glace en PP/chanvre,
habillages en PP/bois (70%/30%) ou supports de haut parleur
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1 – CONTRIBUTION DES MATERIAUX
1.5 - CONTRIBUTION DEVELOPPEMENT DURABLE
Les biomatériaux
Polyols végétaux : intégration de bio-polymère dans la mousse de polyuréthane
• mousses de siège,
• accoudoirs,
• appuie-têtes,
• pavillons,
• pommeaux de levier de vitesse,
• insonorisants : plancher, coffre, moteur, etc.
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SOMMAIRE
1 - CONTRIBUTION DES MATERIAUX AUX DEFIS AUTOMOBILE
2 – BILAN DES PIECES
2.1 - VEHICULES ELECTRIQUES
2.2 - VEHICULES FAIBLES CO2
2.3 - LOW COST
2.4 - AIDES A LA CONDUITE / SECURITE
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2 - BILAN DES PIECES
2.1 - VEHICULES ELECTRIQUES
Nouvelles pièces :
• Câbles haute tension haute intensité (cuivre)
• Moteurs électriques (néodyme : force magnétique = 10 x ferrite)
• Batterie lithium-ion (lithium, cuivre, cobalt, manganèse, néodyme)
• Convertisseur CC/CC, onduleur, autres électroniques de puissance
• Bruiteur ?
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2 - BILAN DES PIECES
2.1 - VEHICULES ELECTRIQUES
Moteur thermique
Moteur électrique
Mais :
• Voiture électrique : estimation 3 à 10% du marché en 2025
• VE à prolongateur thermique d’autonomie
Chevrolet Volt
Opel Ampera
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2 - BILAN DES PIECES
2.1 - VEHICULES ELECTRIQUES
Boîte de vitesses
Boîtier de transmission simple
(Volant double masse,
embrayage, synchroniseurs, 6
rapports, marche arrière, etc.)
(peut-être 2 rapports à l’avenir)
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2 - BILAN DES PIECES
2.1 - VEHICULES ELECTRIQUES
Vitre en polycarbonates
Vitres en verre
• Chauffage électrique
Radiateur de chauffage
d’habitacle
• Pompe à chaleur
Compresseur de climatisation
Pompe à chaleur inversée
Circuit de freinage conventionnel
• Circuit de freinage conventionnel
avec pompe à vide électrique
• Circuit de freinage électrique
Éclairage à LED
Éclairage halogène
Mitsubishi
i-MiEV
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2 - BILAN DES PIECES
2.1 - VEHICULES ELECTRIQUES
Particularités de la voiture hybride :
• Batterie NiMH : technologie suffisante car capacité faible de stockage d’énergie
• Boîte de vitesses pilotée plutôt que BVA (hydraulique ou double embrayage)
• Coût inférieur à BVA
• Rupture de couple au changement de rapport compensée par la traction
électrique
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SOMMAIRE
1 - CONTRIBUTION DES MATERIAUX AUX DEFIS AUTOMOBILE
2 – BILAN DES PIECES
2.1 - VEHICULES ELECTRIQUES
2.2 - VEHICULES FAIBLES CO2
2.3 - LOW COST
2.4 - AIDES A LA CONDUITE / SECURITE
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2 - BILAN DES PIECES
2.2 - VEHICULES FAIBLES CO2
Boîte de vitesses automatique
Boîte de vitesses à double embrayage
Pneumatiques conventionnels
Pneumatiques à faible résistance au
roulement
Acier : capot moteur, hayon
arrière, panneaux de porte, toit
Aluminium,
Métal : module avant, banquette
arrière
Polymère ou composites
Voire fibres de carbone (MegaCity)
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2 - BILAN DES PIECES
2.2 - VEHICULES FAIBLES CO2
Adieu moteurs V6 et V8 !
• moteurs 2 et 3 cylindres
• moteurs suralimentés : turbocompresseurs, compresseur, compresseur
électrique, turbosuralimentation séquentielle, intercooler air ou eau, volant
bimasse, EGR, injection directe, capteurs de combustion, pistons en acier,
etc.
Fiat bicylindre
TWIN-AIR
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SOMMAIRE
1 - CONTRIBUTION DES MATERIAUX AUX DEFIS AUTOMOBILE
2 – BILAN DES PIECES
2.1 - VEHICULES ELECTRIQUES
2.2 - VEHICULES FAIBLES CO2
2.3 - LOW COST
2.4 - AIDES A LA CONDUITE / SECURITE
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2 - BILAN DES PIECES
2.3 - VEHICULES LOW COST
• Prestations CO2 et sécurité inférieures
• Marché croissant
Frein sur les nouvelles technologies
• Réduction du nombre de pièces (nouvelles technologies)
• Peu d’acier UHLE et d’aluminium
• Technologies issues du 2-roues
• Peu d’amortissement et d’insonorisants
• Retour du frein à tambour
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SOMMAIRE
1 - CONTRIBUTION DES MATERIAUX AUX DEFIS AUTOMOBILE
2 – BILAN DES PIECES
2.1 - VEHICULES ELECTRIQUES
2.2 - VEHICULES FAIBLES CO2
2.3 - LOW COST
2.4 - AIDES A LA CONDUITE / SECURITE
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2 - BILAN DES PIECES
2.4 - AIDES A LA CONDUITE / SECURITE
Radars courtes et longues portées :
• Régulateur de vitesse automatique
• Avertissement de collision
• Freinage automatique
Capteurs à ultrasons latéraux:
• Assistance au stationnement en bataille,
• Assistance aux manœuvres pour quitter une place de parking
• Manœuvre de stationnement entièrement automatique,
• Avertisseur de risque de collision latérale,
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2 - BILAN DES PIECES
2.4 - AIDES A LA CONDUITE / SECURITE
Caméra :
• Alerte de dépassement de ligne blanche
• Lecture de panneaux : limitation de vitesse, stop, etc.
• Détection de présence de piéton sur la trajectoire
• Eclairage : code/phare automatique, plein phare adaptatif
• Aide à la vision nocturne
• Freinage automatique
• Aide au stationnement
• Vue panoramique
• Capteur de pluie
• etc.
Audi A8
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SOMMAIRE
Merci de votre attention
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