Lotus Elise S1 111S

Récupéré :

Le châssis

Le charme et les performances du Speedy viennent en grande partie de son châssis très "Lotus " et pour cause ... innovant , utilisant les techniques de collage et l'aluminium extrudé , très léger (65 kgs sans le berceau arrière ) il est ,pour Lotus ,une véritable vitrine technologique , aussi destiné a accrocher d'autres projets avec Ford , GM ,...

Le châssis a donc été développé en partant d'une feuille blanche et n'a pris que 27 mois jusqu'a sa mise en production.

Excepté pour les charnières de portes ,il n'y a aucune soudure , uniquement des assemblages par collage avec quelques rivets de maintient ,comme on le verra plus loin ( 130 au total ) ...
Le châssis utilise en tout 27 sortes de profilés en aluminium extrudés (aluminuim magnesuim 6063) différents ,provenant de la société HYDRO Aluminuim au Dannemark ,ainsi que les tôles d'habillage (3 au total, revêtement avant frontal , fond , et emplacement du reversoir )qui sont en aluminium recyclé hydro 3105 .
Le poids total avec le berceau moteur arrière (en acier pour des raisons de tenue a la chaleur des collages a proximité du moteur ...) pèse 68 kgs , ce qui est la moitié d'un châssis identique réalisé en acier ...
L'utilisation de profilés extrudés a été choisi pour des raisons de coût d'outillages bien inférieurs a des outillages d'emboutissages conventionnels . (quelques centaines de pounds pour l'un ,contre quelques centaines de milliers de pound pour l'emboutissage des feuilles d'alu !!)

L'avantage de l'extrusion ( procédé qui consiste a étirer l'aluminium avec une filière de forme diverse )permet d'obtenir des sections a épaisseurs variables suivant la nécessité de résistance des pièces demandé , repaisses a certains endroit , minces a d'autres ...(ce qui n'est pas possible avec du "laminage" traditionnel )
En revanche, l'épaisseur mini possible par extrusion, ne peut descendre en dessous de 2 mm , ce qui est, par endroit largement surdimensionné (1mm aurait suffit ce qui veut dire qu'il aurait encore été possible de gagner du poids sur la structure !!)

A l'origine de l'étude , le team technique de Lotus n'était pas certain de la viabilité du collage pour le châssis , et donc 2 études ont été menée en parallèle :

un châssis assemblé par collage et un châssis assemblé par soudure .
Lorsque les tests de collages furent satisfaisants, le châssis "soudé" fut abandonné .

...Pourquoi le collage est 'il intéressant ?

plusieurs raisons ... d'abord il permet d'éviter les dispersions et déformation des matériaux du a la chaleur du soudage , et permet donc de conserver une précision et une tolérance de 0,5 mm au niveau des points d'ancrage des triangles de suspension , qui sont, sur tout châssis , les points les plus importants a la construction . ( pour des questions de précision de géométrie de suspension, épure de direction,...)
D'autre part ,l'assemblage a froid obtenu par collage , évite de dénaturer la résistance même de l'alu (qui n'aime pas être chauffé , sinon , il devient mou )
Ensuite, les "surfaces de collage" entre 2 pièces , sont nécessairement plus importantes que les surfaces obtenues par soudage ( bord / bord), d'ou meilleur résistance a l'arrachement par exemple ...
Les profilés alu sont "anodisés" séparément avant collage afin de résister aux agressions et corrosion ( il serait possible d'ailleurs de faire des châssis Or ,jaune, bleu, rouge , vert , noir ,… !!) ce qui ne serait pas possible dans le cas de la soudure, qui détruit l'anodisation en plus de réclamer une cuve capable de recevoir un châssis entier pour traitement ...

…L’équipe technique châssis de Lotus (composée de seulement 20 personnes… ) , dés le début de l’étude, souhaitait concevoir le châssis exactement comme un LEGO ,de façon très simple, par une sorte d’empilage de sections différentes superposées a chaque extrémité, pour constituer les surfaces de collages.
Développer le bon process de collage et trouver la bonne colle fut aussi un travail difficile et complexe, car autant le milieu de la sidérurgie acier est ouvert et divulgue facilement ses informations, autant le monde de l’aluminium est très fermé .HYDRO aluminium, était plutôt familier des profilés de fenêtre et de véranda de jardin, (SIC !!) plutôt que des châssis de voiture de sport , cependant , ce projet leur apportait une intéressante image et plus value technique , aussi , HYDRO n’hésita pas a constituer une équipe dédiée pour travailler sur ce projet … (Hydro Aluminium Automotive Structures )

Parallèlement, Ken Sears, patron de l’engineering Lotus, ne trouva pas de « DATA » disponible sur le collage des alu appliqué à des structures automobiles en milieu industriel, et donc, du développer ses propres expérimentations .Pour ce faire, des centaines de pièces alu / éprouvette furent collés afin de tester la solidité des colles et des joints, les pièces étant anodisées avant collage et pose d’un rivet de sécurité , puis après cuisson,( 200°C pendant 40 minutes) étaient cassées afin d’examiner la qualité du joint . Ce long travail permit à Lotus de constituer son « propre référentiel » de colle et de devenir un spécialiste…
Certains joints étaient aussi vaporisés de sel, afin de simuler le vieillissement, équivalent à une durée de vie de 25 ans.
Deux châssis furent ainsi testés en fatigue avec succès ….Moins de 12 mois après le début du programme, un châssis roulant était prêt pour ses premiers tours de roues, par un beau soir de Noël 1994 !! Ce châssis parcouru 1000 miles de piste pavée (très, très éprouvante pour les structures…), ce qui correspond a 100 000 miles routiers … Il fut ensuite entièrement démonté ausculté, en vue de trouver des criques (micro-fissures) et autre traces de fatigue, mais aucunes ne furent trouvées !!!


LA COLLE : (… du génie suisse dans le châssis de nos Speed !!!... qui l’eu crut !!! )


Le partenaire pour la fourniture de la colle, fut la société SUISSE, CIBA GEGY Polymers, la colle utilisée est de type époxy a chaud XB 5315, offrant des résistances et caractéristiques de dureté intéressantes après un cycle de cuisson de 40 minutes a 200 ° C . (35 Mpa et E module 2,700 Mpa). La colle avant cuisson, est semblable a une pâte de dentifrice, stable et consistante, de couleur bleu (aujourd‘hui de couleur rouge …).Les joints de colle ont une épaisseur constante de 0,5 mm, et dépassent sur les cotés afin de contrôler leur intégrité et leur continuité … A signaler que cette colle a l’origine, était plutôt destinée a assembler des aciers gras et huileux …



LES RIVETS :

Cependant, et contrairement a ce que beaucoup de gens pensent, les profils d’alu ne sont pas uniquement collés …Car, si les assemblages par collages offrent une bonne résistance mécanique et une bonne dureté, ils offrent une faible résistance au glissement, ou « Peeling ». Chaque joint est donc renforcé par un rivet spécial, agissant comme sécurité de maintient, en cas de crash …Ces rivets spéciaux en aciers, sont revêtus DACROMET, une protection haute performance de Zinc / aluminium, garantie pour 480 heures en atmosphère saline … (300 heures au brouillard /salin est le standard actuel de l’industrie automobile …).
Ces rivets, au nombre de 130 sur le châssis, sont posés d’une manière spéciale :
A chaque emplacement d’un rivet, un trou de 8 mm est percé dans l’élément supérieur, et un trou de 4 mm dans l’élément inférieur. Le rivet, d’un diamètre de 6mm, est posé avec un outil rotatif a haute vitesse, par le trou le plus grand .Lorsqu’il entame son passage dans le petit trou de 4mm, il chauffe par rotation, l’aluminium localement, et déforme la matière ( fluage ) qui vient former une petite cheminée et combler de matière le trou de 8 mm assurant ainsi un parfait maintient et guidage de la pièce, également pendant sa phase de cuisson …


Contrôle de l’épaisseur des joints de colle:


Afin de contrôler le bon respect de l’épaisseur des joints, de « petites nervures métalliques » sont réalisés dans les profils d’aluminium extrudés le long des surfaces de collages ,afin d’être certains de respecter les 0,5 mm d’épaisseur de colle, même lors de l'effet de pressage des pièces entre elles. (Afin d’éviter que la pression entre deux pièces n’élimine le film de colle …)

L’assemblage chez HYDRO ALUMINIUM se fait dans une salle a environnement protégé , ou l’on cherche a garantir une atmosphère non contaminée par des silicones par exemple , grands ennemis des collages … La colle est posée manuellement, et, une fois les rivets posés , le châssis est ensuite transféré pour cuisson …

Toujours dans le but d’éviter au maximum les risques de corrosions entre les pièces de composition différentes,(couples électrolytiques => alu/aciers), Lotus a adopté une finition au XYLAN et DELTA finishes, qui consiste a appliquer une mince couche de protection isolante entre deux pièces en contact. La ou le traitement n’était pas possible, emplacement et gorge d’un circlips de maintient de roulement par exemple, de la graisse de qualité aéronautique a été employée …

Les longerons latéraux du châssis, en aluminium extrudés, (en forme de bouteille de coca-cola) sont cintrés sur leur partie arrière, ceci constitue une difficulté importante dans le process d’extrusion, chaque opération de cintrage coûtant en effet 10 $ pièces, mais le gain réalisé sur la rigidité de la structure, et son homogénéité, ont prévalu. De toute manière, chaque opération de soudure, ou d’usinage représente un travail de reprise supplémentaire tout aussi coûteux.

En terme de coût, Lotus prétend avec ce châssis ALU,etre arrivé a un prix sensiblement inférieur a un classique châssis acier galvanisé a chaud ...



Rigidité du châssis :

Le châssis alu, nous l’avons vu, est très léger, mais aussi remarquablement rigide !!! Ce qui, sur toute voiture de sport est le but recherché (mais souvent, rigidité rime avec poids, et inversement…)

Schématiquement ,la rigidité torrentielle d'une structure est mesurée de la façon suivante : on bride fermement le châssis sur 3 de ses coins ,calé et surélevé au dessus d'un marbre rigide , et sous le 4ème angle, laissé libre, on place un comparateur d'angle affleurant le fond du châssis. a l'aide d'un bras de levier d'un mettre, fixé latéralement au niveau des ancrages de triangle de suspension de l'angle libre,( point d'entrée des efforts sur un châssis auto) on applique en bout de ce levier l'effort le plus important possible, jusqu'a ce que le châssis commence a se déformer, le comparateur mesurant la déformation en degré , la force appliqué étant en Newton /mètre ...)

Donc, sur le châssis Alu qui nous intéresse, la rigidité torsionnelle mesurée, est de 10133 Nm /degré, avec l’arceau, 9500 Nm/degré sans ( sans la carrosserie, qui apporte encore un peu de rigidité une fois collée / rivetée ….) et la résistance a la flexion obtenue est de 9200 Newton/Mètre.

A titre comparatif, le dernier châssis de la Lotus Elan, (structure mono poutre en X en acier galvanisée ) , donnait déjà de très bon résultat, avec 7900 N/m par degré , 8900 N/m avec la carrosserie collée / rivetée dessus .Celui de l’Elise et du Speed, lui est supérieur de 27 % …

Avec l’ensemble de la carrosserie en place, et l’arceau, la rigidité obtenue est ainsi supérieure à la majorité des voitures munie d’un vrai toit !!!

Pour donner un aperçu de la performance obtenu avec ce châssis, il s’agit de valeurs assez proche d’un châssis de F3 d’il y a 5 ou 6 ans ,avant l'ère des châssis full carbone…

Autre exemple, le Spider Renault Sport qui utilisait lui aussi des profilés en aluminium extrudé de chez Hydro Aluminium, mais avec un assemblage soudé et non collé (Renault ne croyait pas au collage avant d’avoir vu le premier châssis Lotus au salon de Genève !!) affiche un poids nu de 80 kgs, en raison de son assemblage par soudure et d' une épaisseur moyenne des profilés de 3 mm au lieu d’ 1,5mm ( soudures oblige, car souder de l'aluminium mince , n'est pas très facile !!!! :crazy ; sa rigidité torsionnelle est de 9000 N/m par degré … Ce qui démontre qu'avec le même matériaux ,du même fournisseur, sur une application similaire, les écarts poids / rigidité obtenus sont assez importants ...


CHRONOLOGIE DU DEVELOPPEMENT CHASSIS :

Fin 1993, => première maquette réalisée en bois et Clay (pâte à modeler) et premières études de design intérieur indiquant également l’ergonomie et les points essentiels du châssis.

14.02.1994 => Peter Bullivant Clark de la société Hydro aluminium, visite LOTUS, les discussions techniques et commerciales commencent …

03.1994 => La technique du collage, plutôt que la technique de la soudure ou du rivetage, a été retenue par les services études et développements, avant d’avoir trouvé le bon partenaire pour la fourniture de la colle …

04.1994 => Hugh Kemp et Daryl Greig de chez Lotus, visitent la société Hydro Aluminium au Danemark.

05.1994 => Les essais de collages commencent chez Lotus, ainsi que chez trois consultants extérieurs simultanément.

21.06.1994 => Le projet prend officiellement le Nom de code M 111. 2 châssis en bois sont construit , l’un pour le studio étude de style intérieur, l’autre destiné au département mécanique pour l’implantation moteur et engineering.

28.07.1994 => Les objectifs de rigidité tortionnelle de 10 000 FT/°, de raideur et de poids du châssis (68kgs) en « configuration production » sont atteints. Tous les composants majeurs du châssis et de la carrosserie sont dessinés, et diffusés dans les différents services et chez les sous-traitants.

09.1994 => Tous les éléments du châssis sont dessinés, détaillés, pour faire un premier control de l’architecture globale.

25.10.1994 => Tests et éprouvettes de collage sont testés au centre d’essais de Millbrook Houses, collages/aluminium extrudé/joints et rivets sont éprouvés suivants différentes combinaisons …L’objectif de résistance des collages de 325 joules d’une masse de 17,7 kg projetée a 2 mètres est réussie sur éprouvette...

29.11.1994 => Le premier châssis manufacturé par Hydro Aluminium est livré chez Lotus …

14.12.1994 => Premier rugissement du moteur dans le châssis P1, a 12H 32 !!!

22.12.1994 => Tony Shute et Richard Rackham effectuent leurs premiers tours de roues avec le mulet P1, sans carrosserie, autour de l’usine d’Hethel a 22H10 !!
2 tours de piste sont réalisés avant qu’un problème de raccord de refroidissement moteur n’interrompe les essais … Le mulet pesait 550 kgs sans carrosserie, mais muni d’un pare brise et d’un éclairage … (voir photo du mulet plus haut ...)

19. 01.1995 => Le « châssis P1 » effectue 100 tours de pistes sur le circuit d’essai pavée de Millbrook sans aucuns problèmes.( recherche de crique, tenue en fatigue , etc.…) Parallèlement, les essais se poursuivent avec les tests de vieillissements, et de corrosion sur les collages…

11.12.1995 => Les essais de roulages sur « piste pavée » sont terminés. 1820kms / 1130 miles ont été couverts, ce qui représente un vieillissement de 100 000 Kms en utilisation routière normale …
Le « châssis P1 » fut entièrement démonté et contrôlé, aucunes criques, ou amorce de rupture, ou défaut n’a été trouvé …


[MANQUE PHOTO]
Voici la premiere maquette de la carrosserie en pate a modeler ...
Et la , c'est la première modélisation complète du châssis roulant , avec son crash box ...
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Voici la photo du premier mulet roulant ... sympa non ?
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et , la , c'était le premier maquettage du moteur dans le chassis alu
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Sécurité du châssis et réparation de la structure en cas d’accident :


Un châssis en alu rigide et léger, c’est bien, mais une structure se doit aussi d’assurer un minimum de protection de ses occupants en cas de crash, et dans le cadre d’une voiture de série ,offrir la possibilité d’être réparable dans un réseau de réparateurs généralistes, avec une main d'oeuvre pas vraiment habituée a travailler l'aluminium ….

La encore, le châssis Alu avec ses profilés extrudés,a apporté des progrès notables dans ce genre de voitures, notement lors des impacts latéraux ( toujours les plus difficiles et les plus dangereux a contenir ) Les deux importants rails latéraux que forment les hauts longerons doublés ,ainsi que les deux profilés anti -intrusion logés dans les portes et faisant office de raidisseurs porte fermés ( liaison charnière / serrure de porte ) contribuent significativement a la protection passive .



L’absence de tunnel central est aussi un autre élément de sécurité important (une caractéristique que l’on retrouve sur beaucoup de châssis lotus a moteur central) et minimise les intrusions et risques de blessure des occupants.



La résistance aux chocs frontaux est obtenue par le fameux caisson a absorption d’énergie moulé, et remplaçable (ainsi que par le faisceau du radiateur qui apporte aussi sa contribution dans l’absobtion globale d’énergie …).


Les chocs arrières et impacts sont absorbés par les croisillonements du faux chassis arriere, qui est également remplaçable.

En cas de gros impacts , le chassis offre la possibilité d'etre réparé ( les points de mesure les plus précis étant toujours les ancrages de suspensions ), des inserts metalliques ont été collés et sertis pour pouvoir "tirer" la matiere en cas de passage au marbre avec les verins hydrauliques.



Au pire le chassis peut etre désacouplé de la carrosserie et remplaçé, ce qui reste une opération extrèmement couteuse ...



Je ferais un petit "apparté" sur la conception des voitures : il faut savoir que tous les véhicules sont étudiés et construit autour d'un ou deux points de construction , qui servent de réference a l'ensemble des cotes du véhicule .(souvent appellé point PO sur les plans d'architecture du véhicule) . Ces points de construction sont très souvent les ancrages inférieur des triangles de suspension avant , et des piges de positionnement pour le marbres sont en principe prévu a cet endroit (ou sur le berceau moteur dans le cas d'une traction).

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nico14 a écrit:j'adore le coup de l'aimant