Étude sur l’allègement des camions légers avec un modèle de collision, une analyse de faisabilité et une analyse des coûts (le 24 septembre 2015)

Rapport final

Sommaire

Les consommateurs s’attendent à un niveau de sécurité élevé pour les nouveaux véhicules et l’amélioration continue de la sécurité routière présente des avantages évidents pour la société et pour chaque personne. Des exigences réglementaires en matière de sécurité du gouvernement du Canada et du gouvernement des États-Unis existent et sont révisées de manière continue (tout comme les normes relatives aux émissions et à l’efficacité énergétique), mais ce sont les programmes d’essais de collision des consommateurs, en particulier, qui ont contribué à un certain nombre d’aspects de l’innovation en matière de sécurité liée aux véhicules au cours des dernières années. Le programme d’évaluation des véhicules neufs (PEVN) de la National Highway Transport Safety Administration (NHTSA) et le programme d’essais de collision des consommateurs de l’Insurance Institute for Highway Safety (IIHS) fournissent aux consommateurs des renseignements objectifs par rapport à la technologie de sécurité active (utilisée pour aider à éviter les collisions) et à la sécurité passive (la résistance à l’impact inhérente de la structure d’un véhicule et le rendement de ses dispositifs de retenue pour protéger les occupants). Les constructeurs automobiles ont constaté qu’il est important d’obtenir de bons résultats à ces essais afin de répondre aux exigences des consommateurs. Par conséquent, on dépense d’importantes sommes pour l’ingénierie des nouveaux véhicules, afin de garantir l’obtention de bons résultats.

Lorsqu’un véhicule fait l’objet d’une étude sur l’allègement, la résistance à l’impact est l’une des fonctions clés liées au rendement qui doit être conservée. Lorsqu’on additionne toutes les autres fonctions de rendement de la structure comme la gestion du bruit, des vibrations et de la rudesse, la durabilité, le style et la conception, les considérations relatives à la construction et, bien entendu, les pressions relatives aux coûts, on constate qu’il est très difficile pour l’équipe d’ingénierie d’accorder la même importance à tous ces éléments.

Le présent projet visait à étudier des stratégies de réduction de la masse pour un camion léger, afin de réduire la consommation de carburant et les émissions. Il a permis de démontrer qu’il est possible d’obtenir de bons résultats lors des plus difficiles des essais de résistance à l’impact des consommateurs tout en conservant les autres fonctions clés relatives au rendement de la structure du véhicule.

Le projet a démontré avec succès que deux conceptions différentes de camion léger pouvaient permettre d’obtenir une cote d’état structural « Bon » à l’essai de collision à recouvrement léger de l’IIHS, tout en respectant les fonctions de rendement du véhicule de base initial :

  1. Une conception de camion léger utilisant des contre-mesures de pointe d’acier à haute résistance, avec seulement une pénalité modérée en matière de masse;
  2. Une conception de camion léger principalement composée d’aluminium intégrant des stratégies de réduction de la masse comme des processus avancés de conception, des matériaux et de construction.

Ces deux conceptions ont été mises au point à l’aide de méthodes d’ingénierie assistée par ordinateur (IAO), ce qui a permis l’évaluation du rendement des modèles lors d’une collision et en matière de bruit, de vibrations et de rudesse. Cette mise au point a été appuyée par les données obtenues au cours d’un essai complet de collision d’un véhicule 2013 Silverado 1500 4x4 à cabine double, qui est illustré à la figure 1.


Figure 1 – Essai physique de collision à recouvrement léger – Modèle 2011 de Silverado 1500 4x4 à cabine double

Version textuel de Figure 1 – Essai physique de collision à recouvrement léger – Modèle 2011 de Silverado 1500 4x4 à cabine double

L’image de gauche montre un modèle de 2011 de la camionnette Silverado 1500 4x4 à cabine double juste avant l’impact avec la barrière. L’image de droite montre la camionnette après une fois qu’elle est entrée en collision avec la barrière et qu’elle se soit entièrement arrêtée. Dans cette image, on peut voir que les sacs gonflables se sont déployés et qu’une déformation importante est survenue du côté avant gauche du véhicule.

Les processus suivants ont été entrepris afin d’atteindre les objectifs ci-dessus.

Véhicule de base

Un modèle de véhicule de base d’IAO 4x2 Silverado a d’abord été validé, puis converti pour représenter un modèle 4x4. On a alors pu établir une corrélation avec les résultats d’un essai de collision à recouvrement léger effectué par Transports Canada. Selon l’évaluation initiale de la structure du Silverado et une certaine analyse préliminaire d’IAO dans le cas de charge à recouvrement léger, une cote d’état structuralFootnote1 « Mauvais » selon le protocole de l’IIHS était prévue, et cela a été confirmé durant l’essai physique de collision.

Le processus de corrélation comprenait diverses modifications et améliorations d’un certain nombre de pièces du modèle, mais il était principalement concentré sur des parties qui subissent une charge extrême durant le recouvrement léger, notamment la suspension, le cadre et la cabine. Des essais des matériaux de composants essentiels ont été effectués à l’appui de ces travaux. On a également fait subir un essai au groupe motopropulseur 4x4, afin de déterminer le centre de gravité et les propriétés d’inertie à intégrer au modèle. Diverses améliorations de la géométrie et de fixations et des améliorations communes ont été réalisées, mais c’est la mise en œuvre de divers composants de suspension et de soudures par points de la cabine qui a été essentielle pour l’obtention d’une bonne corrélation entre le modèle et le véhicule d’essai.

Le nouveau modèle de base 4x4 Task 3 d’IAO (modèle T3-BL) a montré une bonne correspondance avec les intrusions conformément aux protocoles de l’IIHS, avec d’autres mesures de déformation dans le bac de plancher et le cadre de portière, le délai de défaillance des pièces du châssis et du groupe motopropulseur, les défaillances de soudures des panneaux de carrosserie, les données de l’accéléromètre, la cinématique globale du véhicule et la déformation générale du véhicule. De plus, des critères de cotation objectifs (Sprague Geers et ANOVA metrics) ont été utilisés afin de s’assurer que les résultats d’accélération ou d’impulsion se trouvaient dans la plage de variation prévue des essais de collision réelle.


Figure 2 – Cote d’état structural de recouvrement léger de l’IIHS – modèles d’essai comparés aux modèles d’IAO

Version textuel de Figure 2 – Cote d’état structural de recouvrement léger de l’IIHS – modèles d’essai comparés aux modèles d’IAO

L’image montre l’intrusion en centimètre mesurée ou modélisée à 16 points distincts de l’habitacle, dans un tableau d’établissement de l’état structural de l’IIHS. On peut voir, en examinant les résultats du test, que la camionnette a obtenu une côte globale faible pour la « Tâche 3 – modèle de base ». L’image montre que le véhicule a obtenu la cote « bon » pour la « Tâche 4 – modèle bon/acceptable » et pour la « Tâche 5 – modèle allégé » pour les seize points d’intrusion.

Le modèle corrélé a ensuite été évalué pour une diversité d’autres cas de charges, afin de démontrer que les modifications du modèle n’avaient pas nui à la corrélation précédente. Une diversité de cas de charges de collision frontale, de collision latérale, de collision arrière et d’écrasement du toit a démontré une corrélation raisonnable comparativement aux données d’essais disponibles, si l’on tient compte de la différence entre les configurations de groupe motopropulseur puisque pour la plupart des essais, on a utilisé des véhicules 4x2.

Le modèle de base 4x4 d’IAO a également offert une bonne corrélation par rapport à l’essai statique en torsion pour le bruit, les vibrations et la rudesse et par rapport aux cas de charges, comme dans le cas du modèle de base 4x2 d’IAO.  

Amélioration du rendement relatif au recouvrement léger de l’IIHS

Des contre-mesures ont été élaborées pour le véhicule, dans le but d’obtenir une cote d’état structural de l’IIHS « Bon » ou « Acceptable ». La stratégie adoptée consistait en un enclenchement rapide de la barrière avec des structures d’absorption de l’énergie, afin de limiter les forces maximales appliquées à la cellule de sécurité, ainsi qu’une cellule de sécurité plus résistante pour permettre à la cabine de conserver son intégrité structurale et de limiter les intrusions dans l’habitacle. Une cote d’état structural « Bon » a été obtenue avec une pénalité de masse associée de 45,5 kg pour le modèle 4x4 Task 4 d’IAO Bon/Acceptable (modèle T4-GA).

40,9 kg de contre-mesures ont été ajoutés à la cabine, avec 4,6 kg ajoutés au cadre. On a utilisé une combinaison de nouveaux renforcements (dans le cadre, les ailes de la cabine, les côtés de la carrosserie et le dessous de la carrosserie), de remplacements de matériaux (en particulier l’utilisation d’acier de pointe à haute résistance), d’indicateurs modifiés et de fixations améliorés (emplacements critiques avec des configurations modifiées de soudures par points, conjointement avec une liaison par adhésif structural) pour améliorer le rendement sans pénalités excessives relativement à la masse.

Il est important de souligner que cette solution T4-GA n’a pas été optimisée pour la masse et qu’elle comprenait des contre-mesures comme un montant central amélioré, ce qui était un ajout sensé à la cage de sécurité améliorée, mais n’était pas absolument nécessaire pour le rendement de l’essai de recouvrement léger. La configuration T4-GA a été évaluée dans les autres cas de charge de collision et de bruit, vibrations et rudesse et on a déterminé qu’elle avait conservé ou, dans certains cas, avait grandement amélioré le rendement comparativement au modèle T3-BL.


Figure 3 – Déformation de la cabine – Comparaison des modèles d’essai et des modèles d’IAO avec déformation plastique

Version textuel de Figure 3 – Déformation de la cabine – Comparaison des modèles d’essai et des modèles d’IAO avec déformation plastique

La photo du haut à gauche montre la cabine d’un modèle de 2011 de la camionnette Silverado 1500 4x4 à cabine double après une collision. Une intrusion relativement importante peut être constatée dans les parties inférieures et supérieures de l’habitacle. L’image du haut à droite est celle pour la « Tâche 3 – modèle de base », du même angle, après la collision. L’image du bas à gauche montre la « Tâche 4 – modèle bon/acceptable » et l’image de droite, la « Tâche 5 – modèle allégé » du même angle (cabine), après la collision. On peut voir que l’intrusion est beaucoup moins prononcée dans ces images que dans les deux images du haut.

Mise au point d’un véhicule léger avec un rendement de recouvrement léger de l’IIHS conservé

Finalement, on a mis au point le modèle 4x4 allégé Task 5 d’IAO (modèle T5-LW) en combinant les systèmes de véhicules légers du projet de l’EPA avec une cabine améliorée principalement composée d’aluminium, dans le but d’obtenir une cote d’état structural « Bon » à l’essai de recouvrement léger de l’IIHS. Le modèle T5-LW a offert un rendement équivalent ou supérieur pour les autres cas de charge de collision et de bruit, vibrations et rudesse comparativement au modèle T3-BL selon les besoins. De plus, dans la plupart des cas, les résultats étaient comparables à ceux du modèle T4-GA.

Comme dans le cas de la cabine initiale du projet de l’EPA, la cabine du modèle T5-LW exploitait la faible densité et les méthodes de construction propres à l’aluminium, mais, sur le plan géométrique, elle était fondée sur les voies de contrainte supérieures de la cabine T4-GA. Des extrusions et des moulages ont été utilisés pour respecter et dépasser les exigences en matière de flexion statique et de torsion avec des solutions efficaces relatives à la masse. Une liaison par adhésif structural conjointement avec des rivets autotaraudeurs, ce qui représente une technologie éprouvée pour une production intensive, a été utilisée pour l’assemblage de la cabine. Des critères de défaillance ont été mis en œuvre pour ces deux types de fixation, ce qui a démontré que la conception offrait un assez bon rendement lors d’une collision pour les exigences relatives à l’essai de collision à recouvrement léger. Le schéma de fixation de l’adhésif et des rivets autotaraudeurs offre une bonne rigidité et une bonne durabilité. Le cadre léger mis au point dans le cadre du projet de l’EPA a été modifié avec certaines contre-mesures supplémentaires.

Une comparaison de la cote de l’état structural de l’IIHS avec les modes de déformation de la cabine pour l’essai physique et les trois modèles d’IAO est illustrée à la figure 2 et à la figure 3.

Les réductions de la masse de la cabine du modèle T5-LW (79 kg) et du cadre (21 kg), en comparaison avec le modèle T3-BL, ont totalisé ensemble 100 kg. La réduction totale du poids à vide du véhicule du modèle T5-LW, comparativement au modèle T3-BL, était de 455 kg ou 19 % du poids à vide de 2454 kg.

Les fonctions de rendement du véhicule de base initial ont été conservées pour le modèle T5-LW. Le rendement relatif à la collision ainsi qu’au bruit, aux vibrations et à la rudesse a été démontré. L’ergonomie et l’esthétique ont été conservées puisque l’intérieur (habitacle) et les surfaces de style extérieures sont demeurés inchangés. La consommation de carburant devrait diminuer en raison de la réduction de la masse du véhicule (avec possibilité de réduire davantage la consommation de carburant si l’on diminue la taille du groupe motopropulseur en fonction de la masse réduite du véhicule). On considère que les facteurs de rendement restants sont conservés grâce à l’utilisation des composants de véhicule optimisés du projet de l’EPA pour le modèle T5-LW, pour lequel on avait déjà étudié ces facteurs.

Il existe un certain nombre de contraintes liées à l’analyse de l’IAO qui doivent être reconnues :

  • Le modèle de base a été construit principalement au moyen de techniques de rétro-ingénierie.
  • Les configurations T4-GA et T5-LW utilisent des propriétés de matériaux qui sont des données du domaine public.
  • Certains facteurs qui feraient normalement partie de la routine régulière de conception et d’analyse du fabricant d’équipement d’origine n’ont pas été pris en compte, comme une conception complète pour l’évaluation et la comptabilité relatives à la construction pour la formation d’effets sur les propriétés des matériaux.
  • Les composants de véhicule léger utilisés pour le modèle T5-LW, qui proviennent du projet de l’EPA, n’ont pas été modifiés.
  • Aucune défaillance des matériaux de base n’a été mise en œuvre dans ces trois modèles.
  • La capacité de prévisibilité des mécanismes de défaillance de la suspension du modèle T3-BL est limitée, même si leur corrélation à l’essai physique a été réussie. La suspension a fonctionné de façon semblable à celle du modèle T4-GA, mais il lui a fallu une certaine défaillance fondée sur la durée pour appliquer le délai de défaillance approprié pour le modèle T5-LW.
  • Dans les trois configurations de modèle, les critères de défaillance pour les dispositifs de fixation ont été élaborés à l’aide de données limitées trouvées dans des sources publiées. La défaillance des soudures par points du modèle T3-BL a pu être corrélée au résultat d’essai complet du véhicule, mais le modèle de soudures par points T4-GA, le modèle de rivets autotaraudeurs T5-LW et le modèle d’adhésif structural n’ont pas été validés. Cela cause un niveau inhérent d’incertitude relativement à la prévisibilité des défaillances de joints dans la cabine.

Il est à noter que la suspension avant, les freins avant, la crémaillère et les roues du véhicule léger de l’EPA n’ont pas été adoptés pour le modèle T5-LW. Même s’il est prévu que des roues en alliage léger pourraient être intégrées à une grosse camionnette pouvant obtenir une cote d’état structural « Bon » ou « Acceptable », comme l’ont obtenu un certain nombre de véhicules dans d’autres classes, la prédiction des changements probables dans la réponse structurale en raison des modes de défaillance complexe associés à ces composants dépassait la portée de la présente enquête.

La configuration initiale du modèle T3-BL pour ces pièces a plutôt été conservée, ce qui a offert des modes de défaillance de la suspension et une cinématique des roues constants, afin de permettre des comparaisons consécutives du rendement de la cabine et du cadre. Ces composants représentent un poids supplémentaire de 89 kg de masse comparativement à la configuration légère de l’EPA, ainsi qu’une possibilité de réduction de masse supplémentaire.

Puisque l’objectif de l’enquête était d’obtenir une cote d’état structural de l’IIHS « Bon » ou « Acceptable », on considère que la cote d’état « Bon » obtenue offre une marge adéquate pour tenir compte de l’incertitude associée aux limites ci-haut et la variabilité prévue d’un essai à l’autre.

Des calculs de coûts prédictifs ont été effectués pour les changements présentés dans la conception du véhicule léger Task 5 de TC. Ces calculs ont été effectués à l’aide de la même méthode d’établissement des coûts appliquée au projet initial de Silverado de l’EPA. La présente étude comprenait l’incidence sur les coûts des composants modifiés de l’EDAG, l’incidence sur les coûts des composants non modifiés, ainsi que l’incidence prévue sur les coûts pour l’ensemble du véhicule.

L’incidence prévue sur les coûts pour l’ensemble du véhicule est de 2115 $, ce qui équivaut à 4,65 $/kg sur l’économie de masse totale obtenue de 455 kg.

Pour voir le rapport complet, veuillez communiquer par courriel au: etv@tc.gc.ca.

Footnotes

Footnote 1

Il est à noter que cela concerne seulement la cote d’état structural de l’IIHS, et non la cote de recouvrement léger de l’IIHS, qui comprend les critères de blessures des occupants et les notes de retenue et de cinématique des mannequins, en plus de la cote d’état structural.

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