Abstract

Le polyéthylène à ultra-haute masse moléculaire (UHMWPE) est un sous-groupe du polyéthylène thermoplastique caractérisé par des chaînes extrêmement longues et, par conséquent, dans un matériau très dur et résistant. En raison de ses remarquables propriétés mécaniques spécifiques, son utilisation est progressivement étendue à de multiples domaines d’application. Cette étude décrit, peut-être pour la première fois, comment le UHMWPE peut représenter une solution matérielle valable dans la conception et l’optimisation des suspensions à usage automobile, notamment dans le cas de véhicules extrêmement légers, tels que les voitures solaires. En particulier, dans cette étude de conception, les tiges en UHMWPE ont permis d’assurer des trajectoires cinématiques, des fonctionnalités et des performances globales spécifiques dans un système de suspension exceptionnellement léger, développé pour un véhicule solaire multioccupant innovant. Ces tiges ont permis de réduire le poids de 88% par rapport aux solutions de conception classique avec des fonctions similaires, tout en offrant, en même temps, une grande rigidité et une grande précision dans les mouvements. Une campagne expérimentale a été menée pour évaluer le comportement du cliquet et d’autres propriétés mécaniques nécessaires pour une conception et une utilisation appropriées.

1. Introduction

Dans certaines applications d’ingénierie structurelle de pointe, telles que la conception de véhicules alimentés par l’énergie solaire, le concepteur doit utiliser des matériaux ayant la rigidité spécifique et la résistance spécifique les plus élevées possibles afin d’atteindre le poids minimum .

Les véhicules solaires sont des prototypes innovants destinés à courir pendant de longues courses dans des conditions extrêmes, comme, par exemple, les routes ensoleillées et sans fin du désert australien du World Solar Challenge . Minimiser le poids permet, avec d’autres détails techniques et astuces d’ingénierie, d’améliorer l’efficacité énergétique du véhicule qui représente un facteur clé pour un prototype solaire réussi. Du point de vue de la conception d’un système de suspension pour cette application et en dehors de toute autre considération propre à la conception automobile traditionnelle, le concepteur doit agir avec un soin extrême pour réduire toute sorte de dissipations d’énergie.

Par conséquent, la voiture doit être stable sur l’aspérité de la route, les vibrations doivent être minimales, et l’inertie par rapport aux changements de vitesse et de direction doit être limitée. Cela signifie, en pratique, que la conception doit être orientée vers des suspensions rigides, légères et précises. La possibilité d’obtenir ces résultats est également liée au choix du matériau.

La prise en compte des graphiques bien connus d’Ashby conduit à la conclusion que le choix devrait être limité aux sandwichs en plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP), en présence d’une charge de flexion ou pour l’absorption d’énergie, et aux laminés dans les autres cas, avec la possibilité d’utiliser des métaux lorsque d’autres conditions peuvent suggérer de ne pas utiliser les composites (par exemple, des contraintes de contact élevées, une charge transversale et une exposition). Dans des cas très spécifiques, où des contraintes géométriques ou fonctionnelles sont présentes, comme dans le système de suspension, d’autres types de matériaux, tels que les polymères à haute performance, peuvent être pris en considération par le concepteur.

Les études présentées dans étaient préliminaires à la conception d’une suspension complète en CFRP pour le véhicule solaire nommé Emilia 4, une voiture solaire multi-passagers, conçue et développée par l’Université de Bologne en collaboration avec l’association Onda Solare Solar Car. Ce véhicule appartient à la classe Cruiser, conformément au règlement du World Solar Challenge, et est un prototype de course à quatre places. Le modèle de voiture a été présenté en juin 2018 et a remporté l’American Solar Challenge en juillet 2018. Lors de cet événement, le véhicule a parcouru 2700 km au moyen d’une énergie exclusivement solaire, montrant un compromis valable entre les différents choix de conception. Parmi ceux-ci, une attention particulière a été portée à la recherche de solutions de conception efficaces pour les systèmes de suspension. La forme générale du véhicule est présentée dans la figure 1, où l’emplacement des systèmes de suspension est visible en transparence.

Figure 1

Le Solar Cruiser Emilia 4.

Pour des détails supplémentaires, le processus de conception du châssis de la voiture est présenté dans . L’ensemble du corps du véhicule a été réalisé en autoclave par un sandwich CFRP/polymère en nid d’abeille, tandis que tous les autres composants mécaniques sont constitués de laminés CFRP.

Différemment de la plupart des applications d’ingénierie, dans le cas des véhicules de compétition, les principales orientations de conception sont dictées par les règles de la course à laquelle ils sont destinés (par exemple, ). Ces exigences concernent notamment des aspects tels que les dimensions globales, la sécurité, la visibilité, la facilité de conduite et les caractéristiques des panneaux solaires et des batteries. Toutes ces contraintes techniques, jointes à l’objectif de conception global de réduction de la consommation d’énergie, ont conduit, en ce qui concerne les aspects mécaniques et structurels, à l’optimisation aérodynamique et à un poids total de la voiture inférieur à 330 kg. En ajoutant 320 kg, qui est le poids standard de quatre passagers , la charge totale sur les quatre suspensions était de 650 kg.

Le système de suspension est la seule partie mobile du véhicule dans notre cas, puisque les moteurs électriques sont situés à l’intérieur des roues arrière, de sorte qu’aucun arbre de transmission ou différentiel n’est nécessaire.

Généralement, la suspension d’une voiture est l’ensemble des leviers et des éléments élastiquement déformables qui, en contraignant les masses non suspendues avec les masses suspendues, a pour fonction de maintenir la caisse en suspension de mettre en œuvre une répartition prédéterminée des forces variables – forces insistantes sur les roues tant en traction qu’en virage et en freinage – et de réduire les chocs transmis suite au passage du véhicule sur l’aspérité de la route. La suspension comprend donc toutes les pièces qui relient les roues au châssis. En général, elle se compose de trois parties principales : une partie structurelle, une partie élastique et une partie amortissante (qui, dans notre étude, n’est pas concentrée dans un seul élément). La partie structurelle est un ensemble de leviers qui a pour but de guider la suspension et par conséquent la roue dans son mouvement par rapport au châssis.

En particulier, la conception choisie pour la suspension avant, qui est l’objet de cet article, est présentée dans la figure 2. Elle consiste en une suspension à bras longitudinal, adaptée aux longues routes droites, comme celles rencontrées dans les compétitions de 3000+ km, avec un ressort à lames transversal qui a aussi un rôle antiroulis puisqu’il est joint aux deux roues frontales.

Figure 2

Conception de la suspension avant avec la biellette représentée en rouge.

L’architecture de la suspension comprend une biellette chargée en tension qui relie le bras supérieur de forme lambda (ou bras supérieur) au ressort à lames. En gros, le véhicule est suspendu à cette biellette qui transfère la charge à l’élément lambda puis, à travers un pilier, à la roue.

Cette biellette doit être très petite pour s’intégrer dans le schéma de suspension, mais surtout, elle doit avoir des joints sphériques à ses extrémités car la cinématique de l’élément lambda fait que l’extrémité supérieure de la biellette se déplace sur un cercle dans le plan sagittal, tandis que l’extrémité inférieure se déplace dans le plan transversal lors de la déformation du ressort à lames.

A la suite de ces considérations, différentes possibilités ont été étudiées et comparées, notamment l’utilisation de bandes de polyéthylène à ultra-haut poids moléculaire (nom commercial Dyneema ou Spectra).

Les propriétés mécaniques des fibres UHMWPE à température ambiante sont tout à fait intéressantes pour le concepteur, par rapport aux solutions à base de métal ou de composite, et l’utilisation de ces bandes polymériques peut conduire à un composant beaucoup plus léger et compact.

En effet, avec une densité de 975 kg/m3, un fil typique de Dyneema a un module élastique de 110 GPa et une résistance à la traction de 3400 MPa .

Aujourd’hui, ces matériaux se retrouvent dans de nombreuses applications sportives nécessitant légèreté et résistance comme les parachutes, les suspentes de parapentes ou de parachutes, et dans les gréements utilisés en voile de compétition. Ils sont également utilisés dans le tir à l’arc ou comme lignes de pêche sportive sous forme de monofilaments. Enfin, ils sont utilisés en escalade, également en raison de leur résistance à l’abrasion. En ce qui concerne les applications industrielles, les fibres d’UHMWPE sont utilisées pour les produits de cordage et de corde utilisés dans l’industrie pétrolière et gazière offshore et la marine industrielle. De plus, leur résistance à l’abrasion et aux produits chimiques font de ces cordages des alternatives intéressantes aux fils et câbles métalliques dans les environnements corrosifs.

Les fibres d’UHMWPE sont également utilisées comme composant de voiles haute performance, souvent associées à une fibre résistante au fluage, comme le carbone ou le kevlar. Le problème du fluage, c’est-à-dire la tendance à avoir une déformation croissante au fil du temps en présence d’une charge statique, a été considéré pour la première fois dans le cas d’applications biomécaniques .

En général, des procédures de conception supplémentaires doivent être employées pour garantir la résistance au fluage et au ratcheting .

Le ratcheting est défini comme l’accumulation progressive de la déformation plastique dans les matériaux soumis à une charge cyclique contrôlée par la contrainte avec une contrainte moyenne non nulle. Cette accumulation se poursuit au fur et à mesure que le nombre de cycle augmente conduisant éventuellement à la rupture.

On trouve un nombre très limité de références sur la caractérisation des fibres ou des bandes thermoplastiques dans un chargement de fatigue en traction-tensile.

Certaines études de recherche sont disponibles sur le comportement de cliquet de l’UHMWPE en vrac sous chargement uniaxial ou biaxial, en considérant également l’effet des additifs en particulier pour les applications biomécaniques, mais à la connaissance des auteurs, il n’y a pas d’études dans la littérature scientifique sur le comportement de cliquet des fibres, fils ou bandes d’UHMWPE.

2. Matériaux et méthodes

Dans cette section, les exigences des solutions de conception possibles sont détaillées, y compris les bandes d’UHMWPE. Pour ce matériau, la caractérisation du cliquet est montrée et une procédure pour permettre son utilisation dans le système de suspension est proposée.

La tige doit supporter une charge axiale statique égale au quota du poids des passagers et de la voiture qui insiste sur l’axe spécifique. En outre, elle est soumise à des charges dynamiques dues à l’oscillation verticale normale qui se produit pendant le mouvement du véhicule et enfin à des chocs comme conséquence de l’impact sur des obstacles.

En ce qui concerne la suspension avant, où sont situées les tiges, on évalue que la charge statique par roue unique est de 0,5 kN lorsque le véhicule est à vide et de 1 kN lorsque le véhicule transporte quatre passagers. La charge dynamique est considérée comme un multiple de la charge statique, et elle est fixée à 2 kN maximum pour la conduite normale (charge de travail) et à 5 kN maximum en cas de choc (charge la plus défavorable). Toutes ces forces chargent les bielles exclusivement en traction.

Les spécifications des courses négatives et positives de la roue ont été utilisées pour concevoir le ressort à lames et ne sont pas importantes pour le choix de la biellette, à condition qu’elle soit nettement plus rigide que le ressort à lames.

Dans la figure 3, la cinématique de la suspension est représentée, au moyen des deux positions extrêmes en vues latérale et frontale.

Figure 3

Schématique de la cinématique de la suspension, la tige est représentée en rouge.

Une exigence générale pour cet élément est d’être commercial et éventuellement certifié pour une charge spécifique. Cela excluait la possibilité d’utiliser un élément en fil d’acier serti qui aurait été très efficace, mais ils ne sont pas disponibles pour des charges aussi élevées dans de petites dimensions (inférieures à 150 mm, tout compris).

Différemment de la solution métallique, un composant polymère doit être évalué en ce qui concerne le comportement viscoplastique dépendant du temps qui est ce qui est décrit dans la section suivante.

2.1. Évaluation de l’encliquetage

Dès que le poids du véhicule vide sur la suspension avant représente une très petite fraction de la charge de rupture, en raison de l’imminence de la première course du véhicule solaire, il a été décidé de sauter une campagne d’essais de fluage qui prenait du temps et les composants ont été testés directement dans des conditions d’encliquetage.

Un essai cyclique contrôlé par la charge a été effectué sur une machine servohydraulique Instron 8033, équipée d’une cellule de charge de 25 kN. La fréquence était de 0,5 Hz et le rapport de charge variable, mais en maintenant toujours la charge minimale à 1 kN (correspondant à un quota du poids du véhicule et des passagers sur une seule roue avant). Dans la figure 4, il est possible de voir le système de chargement des spécimens.

Figure 4

Spécimen polymérique monté sur les pinces et chargé en tension.

Trois types d’essais ont été réalisés, tous avec un chargement cyclique sinusoïdal, sur trois spécimens chacun :(i)Essai par paliers jusqu’à la rupture, dans lequel, en maintenant constante la charge minimale à 1 KN, la charge maximale a été portée à 2 kN tous les 10 cycles(ii)Essai cyclique entre 1 et 2 kN pendant 10000 cycles à 0.(iii) Essai cyclique entre 1 et 5 kN pour 10000 cycles à 0,5 Hz, qui est la condition de conduite normale pendant la course, qui est la pire condition à laquelle on doit faire face à un nombre très limité de fois (10-20) pendant la course. Ensuite, une période de repos de 7 jours à une charge constante de 1 kN. Après cela, sur la même tige, un essai cyclique entre 1 et 2 kN pendant 10000 cycles à 0,5 Hz

3. Résultats et discussion

3.1. Conception des tiges : Conception conventionnelle par des tiges en aluminium et des connexions sphériques

La solution commerciale évidente est une tige en aluminium avec deux connexions sphériques, comme on peut le voir sur la figure 5, qui est calculée selon la norme ISO 12240-4 à partir du catalogue disponible, par exemple, dans . La prise en compte des charges mentionnées ci-dessus conduit à un couple de têtes sphériques commerciales, choisies parmi les types présentés dans le tableau 1, reliées par un pilier en aluminium. La longueur minimale totale () de la tige devient comprise entre 78 et 108 mm et le poids total entre 26 et 52 grammes plus quelques grammes du poids du pilier en aluminium.

Figure 5

Solution métallique conventionnelle.

La rigidité de la tige est dominée par celle de la pièce en aluminium, mais ce n’est pas un problème dès qu’elle est beaucoup plus élevée que celle du ressort.

D’autre part, dans ce cas, la longueur minimale est déterminée par la géométrie de la tête et aussi le diamètre de la tête d’un côté peut être trop grand pour s’insérer dans le ressort à lames, et de l’autre, le diamètre de la tige de connexion () est limité à 6 mm en raison de la taille du trou de la tête. Cela pourrait constituer un problème dans la connexion à l’élément lambda en raison des pressions de contact élevées sur les plis de PRFC.

3.2. Conception non conventionnelle par des éléments polymériques

A la suite de ces considérations, la possibilité d’utiliser un élément polymérique commercial a été étudiée. Des cordes en kevlar d’un diamètre de 12 mm et d’une résistance nominale de 20 kN ont été testées, mais le sertissage a présenté les mêmes problèmes que ceux rencontrés dans le cas des fils métalliques et la réalisation de nœuds a conduit à une forte (et difficile à prévoir) réduction de la résistance nominale , éliminant de cette façon l’avantage de l’élément commercial. La figure 6 montre l’effet de différents types de nœuds sur le comportement quasi-statique de la corde. On peut voir que le serrage du nœud est responsable d’énormes déplacements avec une charge très limitée. Dans aucun cas, la résistance ultime est proche de la résistance nominale et également la rigidité globale n’est pas adaptée à l’application.

Figure 6

Comportement mécanique d’une corde en Kevlar avec différents types de nœuds.

Enfin, une bande cousue en Dyneema utilisée pour l’escalade en montagne et classée avec le marquage de certification CE pour 22 kN, représentée sur la figure 7, a été identifiée comme une solution possible.

Figure 7

Bande cousue en Dyneema commercial classé 22 kN.

En effet, la longueur minimale est de 100 mm, le poids est de 6 grammes, la largeur est de 10 mm, et le diamètre de la tête est égal au diamètre de la goupille plus deux fois l’épaisseur de la bande soit 2 mm. Ces bandes peuvent être reliées au ressort à lame et à l’élément supérieur lambda au moyen de goupilles de 12 mm, ce qui conduit à une pression de contact assez faible sur le composite.

3.3. Comportement de cliquet

Dans la figure 8, un résultat typique d’un test à pas est montré. Un comportement de cliquet, plus évident dans les premiers cycles, peut être vu, correspondant aux charges les plus faibles. La charge de rupture est supérieure à la charge certifiée et correspond à un déplacement de 14 mm.

Figure 8

Résultats d’un essai par paliers.

La figure 9 montre le déplacement maximal, en rouge, et minimal, en bleu, correspondant respectivement à la charge maximale (5 kN) et minimale (1 kN) à l’intérieur du cycle.

Figure 9

Résultats de l’essai de cliquet 1-5 kN.

On peut montrer qu’après une forte augmentation dans les premiers cycles, l’effet de cliquet tend à ralentir.

Dans la figure 10, les résultats typiques des trois essais sont présentés (à noter que dans ce cas, le nombre de cycles est en échelle logarithmique). Il est possible d’apprécier l’effet stabilisateur sur les spécimens chargés de 1-2 kN d’un chargement précédent de 1-5 kN. Ainsi, les bandes préchargées commencent à une longueur de 2,6 mm supérieure à celle de la bande commerciale, mais le comportement de cliquet dû à la charge de service (1-2 kN) est considérablement réduit. Ceci peut être expliqué par deux phénomènes différents qui se produisent pendant la charge entre 1 et 5 kN à deux échelles dimensionnelles différentes. Au niveau moléculaire, les longues chaînes de polyéthylène du brin unique s’alignent dans la direction de la charge. Alors qu’au niveau microscopique, les brins de la trame et de la chaîne de la bande se compactent et s’alignent le long de la direction de la charge, comme le montrent les micrographies électroniques à balayage de la figure 11, où des bandes vierges et entraînées sont comparées.

Figure 10

Résultats de l’essai d’arrachement dans différentes séquences de chargement.

(a)

(b)

.
(a)
(b)

Les résultats montrent qu’il est possible d’utiliser la tige UHMWPE, en prenant la précaution de l’entraîner avant le montage à une charge plus élevée que la charge nominale, afin d’enregistrer la suspension avec la bonne longueur initiale.

Le protocole d’entraînement suggéré est le suivant :(i)vérifier que la charge maximale la plus défavorable est inférieure à la charge nominale maximale divisée par un facteur de sécurité approprié (plus le facteur de sécurité est élevé, plus l’étirement de la bande dans la phase d’entraînement est faible)(ii)appliquer la charge maximale la plus défavorable pendant un nombre de cycles cohérent avec la durée de la mission du composant, à une fréquence réaliste(iii)maintenir la tige statiquement au niveau minimum de la charge cyclique pendant la même durée de l’entraînement cyclique(iv)mesurer la longueur de la tige pour adapter le montage

4. Conclusions

La conception d’une tige pour une suspension de véhicule léger a été montrée. L’analyse des solutions de conception possibles, c’est-à-dire, une tige métallique conventionnelle avec des connexions sphériques commerciales et un élément polymère UHMWPE commercial, a montré que ce dernier était en mesure de fournir certains avantages concurrentiels, en termes de poids et de dimensions réduites.

Néanmoins, il a été constaté que dans ce cas, le comportement de fluage et d’encliquetage pouvait être un problème, en raison de deux mécanismes principaux : l’alignement au niveau moléculaire des longues chaînes de polyéthylène et la compaction et l’alignement dans le sens de la charge des brins de la trame et de la chaîne de la bande à un niveau microscopique.

Des essais expérimentaux cycliques mécaniques appropriés ont démontré que, après l’application de la charge de travail et de la charge la plus défavorable, l’allongement de la tige à une charge de 1 kN était de 2 et 3,2 mm, respectivement.

En appliquant un protocole d’entraînement spécifique, une stabilisation complète de la tige par rapport au cliquet a été obtenue, avec un léger allongement, qui doit être pris en compte, par rapport aux composants non entraînés.

Les tiges UHMWPE entraînées ont été qualifiées pour la suspension au moyen des tests mentionnés, à la fois en ce qui concerne la charge maximale et la stabilité dimensionnelle, et elles ont été effectivement montées sur le véhicule de classe Cruiser “Emilia 4” qui a remporté l’édition 2018 de l’American Solar Challenge.

Data Availability

Les données expérimentales utilisées pour étayer les conclusions de cette étude sont disponibles sur demande auprès de l’auteur correspondant.

Conflits d’intérêts

Les auteurs déclarent ne pas avoir de conflits d’intérêts.

Acknowledgments

Cette recherche a été soutenue par l’association de voitures solaires Onda Solare. Enfin, des remerciements particuliers à Ana Pavlovic, Giacomo Baschetti et Davide Peghetti pour leurs contributions personnelles. Cette recherche a été financée par le ministère italien des Affaires étrangères et de la Coopération internationale (MAECI) par le biais des projets de recherche conjoints d’importance particulière, avec un projet nommé “Deux sièges pour une voiture solaire” dans le cadre du programme exécutif de coopération entre l’Italie et la Serbie dans le domaine de la science et de la technologie.