Châssis du véhicule

Un châssis de véhicule , également connu historiquement sous le nom de châssis , est la principale structure de support d'un véhicule à moteur à laquelle tous les autres composants sont attachés, comparable au squelette d'un organisme.

Jusqu'aux années 1930, pratiquement toutes les voitures étaient dotées d'un châssis séparé de leur carrosserie. Cette conception de construction est connue sous le nom de carrosserie sur châssis . Dans les années 1960, la construction monocoque des voitures particulières était devenue courante, et la tendance à la construction monocoque des voitures particulières s'est poursuivie au cours des décennies suivantes.

Presque tous les camions , bus et la plupart des camionnettes continuent d'utiliser un cadre séparé comme châssis.

Les principales fonctions d’un châssis dans un véhicule à moteur sont :

1. Pour soutenir les composants mécaniques et la carrosserie du véhicule
2. Pour gérer les charges statiques et dynamiques sans déformation ni distorsion excessives

Il s’agit notamment de :

• Poids de la carrosserie, des passagers et des charges.
• Torsion verticale et torsionnelle transmise par le passage sur des surfaces irrégulières
• Forces latérales transversales causées par les conditions de la route, le vent latéral et la direction du véhicule
• Couple du moteur et de la transmission
• Forces de traction longitudinales dues au démarrage et à l'accélération, ainsi qu'à la compression due au freinage
• Impacts soudains dus à des collisions

En règle générale, les matériaux utilisés pour construire les châssis et les cadres des véhicules comprennent de l'acier au carbone pour la résistance ou des alliages d'aluminium pour obtenir une construction plus légère. Dans le cas d'un châssis séparé, le cadre est constitué d' éléments structurels appelés rails ou poutres . Ceux-ci sont généralement fabriqués à partir de profilés en acier par pliage, laminage ou pressage de plaques d'acier.

Il existe trois types de structures principales. Si le matériau est plié deux fois, on obtient une section transversale ouverte, soit en forme de C, soit en forme de chapeau (en forme de U). Les cadres « en boîte » contiennent des rails de châssis fermés, soit en les soudant, soit en utilisant des tubes métalliques préfabriqués .

De loin le plus courant, le rail à canal en C a été utilisé sur presque tous les types de véhicules à un moment ou à un autre. Il est fabriqué en prenant une pièce d'acier plate (généralement d'une épaisseur comprise entre 1/8" et 3/16", mais jusqu'à 1/2" ou plus dans certains camions lourds ) et en roulant les deux côtés pour former une poutre en forme de C sur toute la longueur du véhicule. Le canal en C est généralement plus flexible que le (entièrement) caissonné du même écartement.

Les cadres de chapeau ressemblent à un « U » et peuvent être à l'endroit ou inversés, avec la zone ouverte orientée vers le bas. Ils ne sont pas couramment utilisés en raison de leur faiblesse et de leur propension à rouiller. Cependant, on les trouve sur les voitures Chevrolet 1936-1954 et sur certaines Studebaker .

Abandonné pendant un certain temps, le cadre en chapeau a regagné en popularité lorsque les entreprises ont commencé à le souder au bas des voitures monocoques, créant ainsi un cadre en boîte.

À l'origine, les cadres en caisson étaient fabriqués en soudant ensemble deux rails en C correspondants pour former un tube rectangulaire. Les techniques modernes utilisent cependant un processus similaire à celui des rails en C, dans la mesure où une pièce d'acier est pliée en quatre côtés, puis soudée à l'endroit où les deux extrémités se rejoignent.

Dans les années 1960, les châssis en caisson des voitures américaines conventionnelles étaient soudés par points à plusieurs endroits le long de la couture ; lorsqu'ils étaient transformés en voitures de course NASCAR « stock-car », le caisson était soudé en continu d'un bout à l'autre pour plus de solidité.

Bien qu'apparaissant à première vue comme une forme simple en métal, les châssis subissent des contraintes importantes et sont construits en conséquence. Le premier problème abordé est la « hauteur de la poutre », ou la hauteur du côté vertical d'un châssis. Plus le châssis est haut, mieux il peut résister à la flexion verticale lorsqu'une force est appliquée sur le dessus du châssis. C'est la raison pour laquelle les semi-remorques ont des longerons de châssis plus hauts que les autres véhicules au lieu d'être simplement plus épais.

L'esthétique, la qualité de conduite et la maniabilité devenant de plus en plus importantes pour les consommateurs, de nouvelles formes ont été incorporées aux cadres. Les plus visibles sont les arches et les kick-ups. Au lieu de passer directement sur les deux essieux , les cadres arqués sont plus bas, à peu près au niveau de leurs essieux, et se courbent vers le haut au-dessus des essieux, puis redescendent de l'autre côté pour le placement du pare-chocs. Les kick-ups font la même chose sans se courber vers le bas de l'autre côté et sont plus courants sur les extrémités avant.

Une autre caractéristique de ce type de véhicule est la forme conique des rails qui se rétrécissent verticalement ou horizontalement devant la cabine. Cette caractéristique est principalement utilisée sur les camions pour économiser du poids et augmenter légèrement l'espace pour le moteur, car l'avant du véhicule ne supporte pas autant de charge que l'arrière. Les évolutions de conception comprennent des châssis qui utilisent plusieurs formes dans le même rail de châssis. Par exemple, certaines camionnettes ont un châssis en caisson devant la cabine, des rails plus courts et plus étroits sous la cabine et des rails en C ordinaires sous la benne.

Sur les cadres périphériques, les zones où les rails se connectent de l'avant au centre et du centre à l'arrière sont faibles par rapport aux cadres ordinaires, de sorte que cette section est enfermée, créant ce qu'on appelle des « boîtes de couple ».

Nommé ainsi en raison de sa ressemblance avec une échelle, le châssis en échelle est l'un des modèles de châssis/cadre séparés les plus anciens, les plus simples et les plus fréquemment utilisés. Il se compose de deux poutres, rails ou canaux symétriques, qui s'étendent sur toute la longueur du véhicule, reliés par plusieurs traverses transversales. Initialement présent sur presque tous les véhicules, le châssis en échelle a été progressivement abandonné sur les voitures au profit de cadres périphériques et d'une construction de carrosserie unifiée. On le retrouve désormais principalement sur les gros camions. Cette conception offre une bonne résistance des poutres en raison de ses rails continus de l'avant à l'arrière, mais une faible résistance à la torsion ou au gauchissement si des traverses simples et perpendiculaires sont utilisées. La hauteur globale du véhicule sera plus grande en raison du plancher situé au-dessus du châssis plutôt qu'à l'intérieur de celui-ci.

Un châssis à ossature arrière est un type de construction automobile dont le châssis est similaire à la conception de la carrosserie sur cadre. Au lieu d'une structure relativement plate en forme d'échelle avec deux rails de châssis longitudinaux parallèles, il se compose d'une ossature tubulaire centrale et solide (généralement de section rectangulaire) qui porte le groupe motopropulseur et relie les structures de fixation des suspensions avant et arrière. Bien que l'ossature soit souvent tirée vers le haut et principalement au-dessus du plancher du véhicule, la carrosserie est toujours placée sur ou au-dessus (parfois à cheval) de cette structure par le haut.

Il s'agit du design utilisé pour les modèles américains grandeur nature de General Motors à la fin des années 1950 et au début des années 1960, dans lesquels les rails situés le long du moteur semblaient se croiser dans l'habitacle, chacun se prolongeant jusqu'à l'extrémité opposée de la traverse à l'extrême arrière du véhicule. Ce design a été spécifiquement choisi pour diminuer la hauteur globale des véhicules, indépendamment de l'augmentation de la taille des bosses de transmission et d'arbre d'hélice, puisque chaque rangée devait également couvrir les longerons du châssis. Sur plusieurs modèles, le différentiel n'était pas situé près de la barre habituelle entre l'essieu et le châssis, mais près d'une rotule au-dessus du différentiel reliée à une douille dans un bras transversal articulé sur une traverse du châssis.

Le cadre en X était censé améliorer les conceptions précédentes, mais il manquait de rails latéraux et n'offrait donc pas une protection adéquate contre les impacts latéraux et les collisions. Des cadres périphériques ont remplacé cette conception.

Semblable à un châssis en échelle, mais les sections médianes des longerons du châssis se trouvent à l'extérieur des longerons avant et arrière, acheminés autour des repose-pieds des passagers, à l'intérieur des bas de caisse et des panneaux de seuil. Cela a permis d'abaisser le plancher, en particulier les repose-pieds des passagers, d'abaisser la hauteur des sièges des passagers et de réduire ainsi à la fois la ligne de toit et la hauteur globale du véhicule, ainsi que le centre de gravité, améliorant ainsi la maniabilité et la tenue de route des voitures particulières.

Ce type de châssis est devenu le modèle le plus répandu pour les voitures à carrosserie sur châssis aux États-Unis, mais pas dans le reste du monde, jusqu'à ce que la carrosserie monocoque gagne en popularité. Par exemple, Hudson a introduit cette construction sur ses modèles Commodore de 3e génération en 1948. Ce type de châssis permettait des changements de modèle annuels et des voitures plus basses, introduites dans les années 1950 pour augmenter les ventes, sans modifications structurelles coûteuses.

La plate-forme Ford Panther , abandonnée en 2011, était l'une des dernières plates-formes de voitures particulières à cadre périmétrique aux États-Unis. Chevrolet Corvette de quatrième à septième génération utilisait un cadre périmétrique intégré à un squelette interne qui sert de coquille.

Outre un toit abaissé, le cadre périphérique permet des positions d'assise plus basses lorsque cela est souhaitable et offre une meilleure sécurité en cas de choc latéral. Cependant, la conception manque de rigidité car les zones de transition de l'avant vers le centre et du centre vers l'arrière réduisent la résistance à la poutre et à la torsion et sont utilisées en combinaison avec des boîtes de couple et des réglages de suspension souples.

Il s'agit d'une modification du cadre périphérique, ou du cadre dorsal, dans laquelle le plancher de l'habitacle, et parfois le plancher du coffre à bagages, ont été intégrés au cadre comme pièces porteuses pour plus de résistance et de rigidité. La tôle utilisée pour assembler les composants doit être estampée avec des crêtes et des creux pour lui donner de la résistance.

Le châssis à plate-forme a été utilisé sur plusieurs voitures européennes à succès, notamment la Volkswagen Beetle , où il était appelé « construction à carrosserie sur panneau ». Un autre exemple allemand est celui des voitures Mercedes-Benz « Ponton » des années 1950 et 1960, où il était appelé « frame floor » dans les publicités en anglais.

La Renault 4 française , produite à plus de huit millions d'exemplaires, utilisait également un châssis à plate-forme. Le châssis de la Citroën 2CV utilisait une interprétation minimaliste d'un châssis à plate-forme sous sa carrosserie.

Dans un châssis tubulaire, la suspension, le moteur et les panneaux de carrosserie sont fixés à un cadre squelettique tridimensionnel de tubes, et les panneaux de carrosserie ont une fonction structurelle limitée, voire inexistante. Pour maximiser la rigidité et minimiser le poids, la conception fait souvent un usage maximal des triangles, et toutes les forces dans chaque jambe de force sont soit de traction, soit de compression, jamais de flexion, afin qu'elles puissent être aussi fines que possible.

Les premiers véritables châssis spatiaux ont été produits dans les années 1930 par Buckminster Fuller et William Bushnell Stout (le Dymaxion et le Stout Scarab ) qui ont compris la théorie du véritable châssis spatial du point de vue de l'architecture ou de la conception des avions.

La voiture de course Jaguar C-Type de 1951 utilisait un cadre léger, multitubulaire et triangulaire sur lequel une carrosserie aérodynamique en aluminium était fabriquée.

En 1994, l' Audi A8 est devenue la première voiture grand public dotée d'un châssis en aluminium, rendu possible par l'intégration d'un cadre spatial en aluminium dans la carrosserie. Les modèles Audi A8 utilisent depuis cette méthode de construction développée en collaboration avec Alcoa et commercialisée sous le nom d' Audi Space Frame .

Le terme italien Superleggera (qui signifie « super-léger ») a été déposé par Carrozzeria Touring pour désigner une carrosserie de voiture de sport légère qui ressemble uniquement à un châssis spatial. Utilisant un cadre tridimensionnel composé d'une cage de tubes étroits qui, en plus d'être sous la carrosserie, remontent le long des ailes et sur le radiateur, le capot et le toit, ainsi que sous la lunette arrière, il ressemble à une structure géodésique . Une peau est fixée à l'extérieur du cadre, souvent en aluminium. Cette construction de carrosserie n'est cependant pas porteuse de contraintes et nécessite toujours l'ajout d'un châssis.

Les termes « monocoque » et « carrosserie unitaire » sont des abréviations de « carrosserie unifiée », « construction unitaire » ou encore carrosserie et châssis (entièrement) intégrés. Ils sont définis comme suit :

Type de construction carrosserie/châssis dans lequel la carrosserie du véhicule, son plan d'étage et son châssis forment une seule structure. Une telle conception est généralement plus légère et plus rigide qu'un véhicule ayant une carrosserie et un châssis séparés.

La structure du véhicule est passée de l'architecture traditionnelle de carrosserie sur châssis à la structure de carrosserie unifiée/intégrée plus légère qui est désormais utilisée pour la plupart des voitures.

La construction d'un châssis et d'une carrosserie intégrés ne se résume pas à la simple soudure d'une carrosserie non sollicitée à un châssis conventionnel. Dans une structure de carrosserie entièrement intégrée, l'ensemble du véhicule est une unité porteuse qui gère toutes les charges subies par le véhicule (forces de conduite et charges de chargement). Les carrosseries de type intégré pour véhicules à roues sont généralement fabriquées en soudant des panneaux métalliques préformés et d'autres composants ensemble, en formant ou en coulant des sections entières en une seule pièce, ou en combinant ces techniques. Bien que cela soit parfois également appelé structure monocoque , car la peau extérieure et les panneaux de la voiture sont rendus porteurs, il existe toujours des nervures, des cloisons et des sections en caisson pour renforcer la carrosserie, ce qui rend la description semi-monocoque plus appropriée.

La première tentative de développement d'une telle technique de conception a été réalisée sur la Lancia Lambda de 1922 pour assurer une rigidité structurelle et une hauteur de carrosserie inférieure pour sa carrosserie de torpille . La Lambda avait une configuration ouverte avec un toit non sollicité, ce qui en faisait moins une coque monocoque et plus un bol. Un millier d'exemplaires ont été produits.

Un rôle clé dans le développement de la carrosserie unitaire a été joué par la société américaine Budd Company, aujourd'hui ThyssenKrupp Budd . Budd a fourni des carrosseries en acier embouti, montées sur des châssis séparés, aux constructeurs automobiles Dodge , Ford , Buick et à la société française Citroën .

En 1930, Joseph Ledwinka , un ingénieur de Budd, a conçu un prototype d'automobile avec une construction unitaire complète.

Citroën a acheté cette conception de carrosserie entièrement unitaire pour la Citroën Traction Avant . Cette voiture de série à grand volume a été introduite en 1934 et s'est vendue à 760 000 unités au cours des 23 années de production suivantes. Cette application était la première itération de l'intégration structurelle moderne de la carrosserie et du châssis, utilisant des tôles d'acier profondément estampées soudées par points dans une cage structurelle, y compris les seuils, les piliers et les poutres de toit. En plus d'une carrosserie unitaire sans cadre séparé, la Traction Avant présentait également d'autres innovations telles que la traction avant . Le résultat était un véhicule surbaissé avec un intérieur ouvert à plancher plat.

Pour la Chrysler Airflow (1934-1937), Budd a fourni une variante : trois sections principales de la carrosserie de l'Airflow ont été soudées dans ce que Chrysler appelait une construction en treillis de pont. Malheureusement, cette méthode n'était pas idéale car les panneaux s'emboîtaient mal. Pour convaincre un public sceptique de la résistance de la carrosserie monocoque, Citroën et Chrysler ont créé des films publicitaires montrant des voitures survivant après avoir été poussées d'une falaise.

Opel fut le deuxième constructeur automobile européen et le premier allemand à produire une voiture à structure monocoque. La production de la compacte Olympia débuta en 1935. Une Kapitän plus grande fut mise en production en 1938, bien que ses poutres longitudinales avant aient été estampées séparément puis fixées à la carrosserie principale. Elle connut un tel succès que la GAZ-M20 Pobeda soviétique produite en série après la guerre en 1946 copiait la structure monocoque de l'Opel Kapitän. Plus tard, la limousine soviétique GAZ-12 ZIM de 1950 introduisit la conception monocoque dans les automobiles avec un empattement pouvant atteindre 3,2 m (126 pouces).

La Lincoln-Zephyr 1936, profilée et dotée d'un moteur avant classique et d'une traction arrière, utilisait une structure monocoque. En 1941, la construction monocoque n'était plus une idée nouvelle pour les voitures, « mais c'était du jamais vu dans le domaine des bas prix [américains] [et] Nash voulait une plus grande part de ce marché ». La construction monocoque de la Nash 600 permettait de réaliser des économies de poids et le président-directeur général de Nash, George W. Mason, était convaincu que « la construction monocoque était la vague du futur ».

Depuis lors, de plus en plus de voitures ont été redessinées selon la structure monocoque, qui est désormais « considérée comme la norme dans l'industrie ». En 1960, la conception de la carrosserie unifiée a été utilisée par les trois grands de Détroit sur leurs voitures compactes ( Ford Falcon , Plymouth Valiant et Chevrolet Corvair ). Après la fusion de Nash avec Hudson Motors pour former American Motors Corporation , ses automobiles badgées Rambler ont continué à construire exclusivement des variantes de la carrosserie monocoque.

Bien que la Chrysler Airflow de 1934 ait un cadre et une structure de carrosserie plus faibles que d'habitude soudés au châssis pour assurer la rigidité, en 1960, Chrysler est passé d'une construction carrosserie sur châssis à une conception monocoque pour la plupart de ses voitures.

La plupart des automobiles monocoques fabriquées aux États-Unis utilisaient des boîtes de couple dans la conception de leur véhicule pour réduire les vibrations et la flexion du châssis, à l'exception de la Chevy II , qui avait un tablier avant boulonné (appelé à tort sous-châssis).

La construction monocoque est aujourd'hui la construction préférée des automobiles grand public. Cette conception permet des économies de poids, une meilleure utilisation de l'espace et une facilité de fabrication. Son acceptation a considérablement augmenté à la suite des deux crises énergétiques des années 1970 et de celle des années 2000 , au cours desquelles les SUV compacts basés sur une plateforme de camion (principalement sur le marché américain) ont été soumis aux normes CAFE après 2005 (à la fin des années 2000, les SUV compacts basés sur des camions ont été progressivement abandonnés et remplacés par des crossovers). Un autre avantage d'une voiture à carrosserie robuste réside dans la meilleure protection de ses passagers en cas de collision.

American Motors (avec son partenaire Renault ) a incorporé à la fin des années 1970 la construction monocoque lors de la conception de la plate-forme Jeep Cherokee (XJ) en utilisant les principes de fabrication (unisides, plan d'étage avec rails de châssis intégrés et zones de déformation, et panneau de toit) utilisés dans ses voitures particulières, telles que les Hornets et les Eagles à traction intégrale pour un nouveau type de châssis appelé « Uniframe [...] un cadre en acier embouti robuste soudé à une structure monocoque solide, offrant la résistance d'un cadre lourd conventionnel avec les avantages de poids de la construction monocoque ». Cette conception a également été utilisée avec le concept XJC développé par American Motors avant son absorption par Chrysler, qui est devenu plus tard le Jeep Grand Cherokee (ZJ) . La conception est toujours utilisée dans les véhicules utilitaires sport modernes tels que le Jeep Grand Cherokee et le Land Rover Defender . Cette conception est également utilisée dans les grandes camionnettes telles que le Ford Transit , le VW Crafter et le Mercedes Sprinter .

Un sous-châssis est un composant structurel distinct, destiné à renforcer ou à compléter une section particulière de la structure d'un véhicule. Généralement fixé à une carrosserie monocoque ou monocoque, le sous-châssis rigide peut supporter de grandes forces provenant du moteur et de la transmission. Il peut les transférer uniformément sur une large zone de tôle relativement fine d'une carrosserie unifiée. Les sous-châssis se trouvent souvent à l'avant ou à l'arrière des voitures et sont utilisés pour fixer la suspension au véhicule. Un sous-châssis peut également contenir le moteur et la transmission . Il est généralement construit en acier embouti ou en caisson, mais peut être tubulaire et/ou en un autre matériau.

Les exemples d'utilisation de voitures particulières incluent la plate-forme GM F de 1967 à 1981 , les nombreuses années et modèles construits sur la plate-forme GM X (1962) , les fourgons à plate-forme M/L de GM (Chevrolet Astro/GMC Safari, qui comprenait une variante à traction intégrale) et le monocoque AMC Pacer qui incorporait un sous-châssis avant pour isoler l'habitacle des charges du moteur, de la suspension et de la direction.