Conception

Les conceptions de remorques sont souvent le résultat de l’expérience et des connaissances acquises au fil des années par les entreprises productrices, ainsi que du savoir-faire des utilisateurs finaux. De bonnes solutions s’appliquent en général aussi aux véhicules légers fabriqués en aciers à haute limite d’élasticité. Cependant, l’acier avancé à haute limite d’élasticité (AHSS) permet de nouvelles solutions, mais peut également nécessiter des changements de conception pour utiliser la résistance supérieure.

Un châssis de remorque commun se compose de deux poutres principales longitudinales fabriquées à partir de profilés standardisés laminés à chaud ou de poutres en I soudées et d’un certain nombre de profilés de traverse. Pour les traverses, il existe des solutions avec des profilés ouverts, des tubes ou des profilés en caisson. Selon le type de remorque, des traverses de plancher et différents profilés porteurs peuvent également être fixés au châssis. La zone de pivot d’attelage de la remorque se compose généralement d’une plaque de pivot d’attelage et de certains profilés de renfort.

Le potentiel d’amélioration d’un châssis de remorque est généralement limité non seulement par la capacité de charge statique, mais encore plus par les problèmes de fatigue et de stabilité. Par conséquent, trouver une solution avec une capacité de chargement adaptée à la conception existante sert de bon point de départ, mais pour avoir un véhicule avec des performances adaptées ou améliorées, il est essentiel de traiter également les autres aspects techniques. Il est important de noter que la mauvaise qualité de conception ou de production réduit rapidement le potentiel de mise à niveau.

Pour un châssis de remorque fabriqué en acier doux, le cas de charge de dimensionnement est généralement la capacité de chargement en ce qui concerne les déformations permanentes. Dans un châssis de remorque léger, où les épaisseurs ont été réduites et le niveau de contrainte de travail augmenté, la capacité de chargement et la durée de vie sont limitées par la fatigue, les déflexions élastiques et la stabilité.

Remorques soumises à différentes situations de chargement en service.

Pour obtenir une mise à niveau réussie, il est important de prendre en compte toutes les situations de chargement,
a) la fatigue en cas de cycles de chargement fréquents à faible contrainte,
b) les déformations élastiques en fonctionnement,
c) la capacité de charge ; aucune déformation permanente en cas de chargement maximal,
d) la stabilité en chargement.

Strenx^® 700 MC est couramment utilisé dans les solutions légères pour les châssis de remorque. La mise à niveau d’un châssis de remorque à partir d’une nuance 350 avec Strenx^® 700 MC génère généralement une réduction du poids d’environ 30 % pour les pièces structurelles du châssis, mais selon la conception du châssis, le potentiel de réduction du poids peut être plus élevé, voire jusqu’à 50 %. À titre d’exemple, la réduction de poids potentielle d’une poutre principale de remorque existante de 13,75 mètres de long fabriquée à partir d’une nuance d’acier 350 grâce à l’introduction de Strenx^® 700 MC a été calculée. La capacité de chargement de la conception existante a été déterminée et une alternative correspondante en Strenx^® 700 MC est suggérée.

Le poids total des poutres principales d’origine fabriquées à partir d’acier conventionnel est de 1 085 kg et le poids total de l’alternative mise à niveau en Strenx^® 700 MC est de 704 kg. Il en résulte une réduction du poids de 381 kg, soit 35,2 %. Ces résultats doivent être considérés à titre d’exemple. Selon le type de véhicule, les exigences spécifiques et les détails de conception, le potentiel de mise à niveau peut être plus ou moins élevé par rapport à l’exemple ci-dessus. Les calculs ne tiennent compte que de la capacité de chargement statique, mais servent de bon point de départ pour la conception allégée du châssis.

Pour les poutres principales d’un châssis de remorque de conception conventionnelle, il existe certaines limites pour utiliser une résistance supérieure à Strenx^® 700 MC aux fins de résistance structurelle. Pour bénéficier réellement d’une plus grande résistance, d’autres concepts de châssis doivent être explorés. Cependant, pour certaines remorques spéciales, des nuances supérieures telles que Strenx^® 960 peuvent être un choix approprié. Pour les brides ou profilés soumis à l’usure ou aux bosses, tels que le pare-chocs arrière et la cloison, un acier à plus haute limite d’élasticité comme Strenx^® 1100 ou un acier résistant à l’usure comme Hardox^® 450 peut être utilisé. Pour d’autres pièces du châssis, telles que les traverses de plancher, les aciers laminés à froid tels que ^Docol ® 1000 DP et ^Docol ® 1200 M offrent d’excellentes opportunités de réductions significatives du poids. Ces pièces peuvent être fabriquées par pliage et, pour les grandes séries, par laminage ou emboutissage.

Vue d’ensemble des propriétés de section transversale et du potentiel de réduction du poids d’une poutre principale conventionnelle a) et des alternatives légères améliorées b) et c) en Strenx^® 700 MC.

La rigidité au pliage dans le sens vertical est souvent soulignée comme un aspect critique pour les remorques plus légères et plus résistantes en acier à haute limite d’élasticité. Sur certains marchés, les déviations élastiques des véhicules sont régulées en ce qui concerne la garde au sol, mais dans la plupart des cas, les limitations de déviation sont une question de fonctionnalité. En d’autres termes, les déviations du châssis de la remorque ne doivent pas entraîner de problèmes d’ouverture et de fermeture des portes et, bien entendu, il doit y avoir suffisamment d’espace entre le camion et la remorque dans la zone de la sellette lors du chargement. Pour certaines remorques spéciales, telles que les remorques surbaissées, les exigences en matière de déflexions élastiques peuvent limiter le choix du matériau.

Étant donné que toutes les nuances d’acier ont le même module de Young, la rigidité au pliage est régie par la géométrie. En d’autres termes, une simple réduction de l’épaisseur de tôle des profilés existants permet de réduire la rigidité au pliage si la géométrie extérieure est identique. Pour un châssis de remorque, la rigidité au pliage dans le sens vertical est déterminée par la géométrie des longerons. Si la réduction de la rigidité pose problème, la rigidité au pliage peut être améliorée en augmentant la hauteur des sections transversales.

L’augmentation de la hauteur de la poutre est le moyen le plus efficace d’augmenter la rigidité au pliage. Toutefois, dans les zones où la hauteur de la poutre est limitée, la rigidité au pliage peut être améliorée en augmentant la largeur de la bride. Cette mesure peut également être prise dans les zones critiques pour réduire le niveau de contrainte de travail et améliorer la rigidité dans le sens latéral des poutres. En utilisant des techniques de fabrication modernes, la largeur de la bride peut être adaptée sur la longueur de la poutre en fonction de la répartition du chargement. Toutefois, comme l’épaisseur de la bride est réduite, la largeur ne peut être augmentée que dans une certaine mesure, sinon la bride du côté comprimé sera trop mince et un flambage local peut se produire, ce qui limitera l’utilisation du matériau de la bride. Si la poutre de remorque existante est déjà très haute, le fléchissement par cisaillage de l’âme mince peut limiter la possibilité d’augmenter la hauteur et de réduire l’épaisseur de l’âme. Les méthodes d’instabilité et de calcul sont décrites plus en détail dans le Manuel des tôles d’acier SSAB.

Une largeur de bride variable peut être introduite pour améliorer la résistance au pliage et la rigidité au pliage dans les zones critiques.

La tenue de route de l’ensemble du véhicule sur la route ou, pour les camions-bennes, en situation de déchargement, dépend d’un certain nombre d’éléments, dont la résistance à la torsion du châssis est un élément. En cas de bennes basculantes et d’autres remorques avec un chargement fortement vrillé, ceci doit être pris en compte lors du rééquipement du châssis de la remorque. La résistance à la torsion d’un châssis dépend de la conception et de la position des traverses, ainsi que de la présence de traverses. La réduction de l’épaisseur de l’âme des poutres principales du châssis aura un effet très limité, tandis que la réduction de l’épaisseur des traverses affectera considérablement la rigidité en torsion du châssis. Afin d’éviter des problèmes de stabilité, il est possible d’introduire des changements de conception pour atteindre une rigidité de torsion correspondante, voire améliorée, par rapport à la conception d’origine.

L’introduction de profilés de sections fermées pour les traverses améliore considérablement la rigidité en torsion. Mais pour optimiser l’utilisation du matériau, la position des traverses est tout aussi importante. La redistribution ou l’introduction d’une ou deux traverses supplémentaires influence la résistance globale à la torsion. En règle générale, les traverses doivent être orientées vers l’arrière du châssis. Cependant, cette évolution a été exagérée dans la pratique à de nombreuses reprises, et en déplaçant les traverses vers l’avant ou en introduisant une traverse supplémentaire dans une région stratégique de la partie avant, cela améliorera considérablement le comportement global. Étant donné qu’une petite rotation dans la partie avant entraîne de grands déplacements à l’arrière, une résistance accrue à la torsion de l’avant pourrait améliorer les performances globales.

Une autre mesure efficace consiste à introduire des liens croisés. Pour optimiser l’utilisation du matériau de l’attache transversale, il est important de la concevoir de manière à ne porter que le chargement de traction dans une barre et de permettre à l’autre barre de se plier. Par conséquent, les barres doivent être fines et ne doivent pas faire l’objet d’un soudage au centre. Pour illustrer l’effet de ces mesures, une comparaison de l’angle de torsion correspondant à un couple de torsion appliqué à l’arrière d’un châssis de camion-benne commun est effectuée. Les résultats des calculs représentent un cas unique, mais illustrent clairement l’impact de ces mesures sur la rigidité du châssis en torsion. Dans tous les cas calculés, la masse totale des traverses a été constante. En d’autres termes, lorsque des sections transversales fermées ont été utilisées, l’épaisseur des profilés a été réduite. Les résultats montrent que la réduction de l’épaisseur de l’âme donne une rigidité en torsion légèrement réduite par rapport à la conception d’origine. Alors que l’introduction de traverses fermées ou d’une double attache transversale permet d’améliorer considérablement la rigidité.

Comparatif de la résistance à la torsion d’un châssis de remorque avec traverses de section ouverte par rapport à des solutions avec profilés de traverse et traverses fermés.

Toutes les remorques sont soumises à des charges de fatigue pendant la conduite et le chargement. L’historique des chargements qui détermine la durée de vie d’un châssis de remorque se compose des chargements collectés de nombre et d’ampleur variables. Selon le type de remorque, l’état de la route et la situation de chargement, l’aspect de l’historique de chargement varie. Lors de la mise à niveau d’un châssis de remorque avec de l’acier AHSS, l’épaisseur de tôle des pièces structurelles est généralement réduite. La réduction de l’épaisseur de tôle entraîne une augmentation des contraintes de travail dans l’ensemble du châssis. Avec un matériau plus résistant, la résistance à la fatigue du matériau de base est plus élevée. Toutefois, pour les assemblages soudés, cette influence est limitée en raison de la concentration des contraintes et des imperfections initiales introduites au niveau des soudures. Par conséquent, la durée de vie en fatigue des assemblages soudés est plus une question de conception et de fabrication que le choix du matériau. La résistance à la fatigue du châssis diminue en cas d’utilisation d’assemblages soudés de même conception et qualité de soudage.

Résistance à la fatigue

La résistance à la fatigue d’un matériau est illustrée par des courbes S/N, qui sont créées à partir d’essais de fatigue d’échantillons utilisant un historique de chargement d’amplitude constante. C’est-à-dire qu’un échantillon est soumis au même cycle de chargement jusqu’à échec. Après avoir testé plusieurs échantillons à différents niveaux de chargement, une courbe S/N peut être tracée. Dans la partie supérieure gauche des courbes du graphique, la résistance à la fatigue est régie par les propriétés statiques du matériau. Dans la partie inférieure droite du graphique, la résistance à la fatigue est régie par des discontinuités dans l’échantillon. Les discontinuités sont par exemple la texture de surface due au laminage de la tôle, aux bords coupés, aux trous, aux entailles et aux soudures. Elles sont mentionnées dans l’ordre de diminution de la résistance à la fatigue.

Courbes S/N des échantillons de tôle laminée, avec poinçonnage et soudure.

Pourquoi le joint de soudage est-il une zone critique ?

Les assemblages soudés présentent une résistance à la fatigue nettement réduite par rapport au matériau de base en raison de la géométrie acérée de la soudure et des contraintes résiduelles introduites par l’apport de chaleur lors du soudage. Il est courant que la résistance à la fatigue des soudures soit abordée en relation avec les microstructures, les zones affectées par la chaleur et la dureté, mais la principale cause de l’affaiblissement de la soudure est due à la concentration des contraintes locales et aux défauts de soudage. Toutes les méthodes de post-traitement des soudures sont axées sur la réduction des contraintes résiduelles et l’amélioration de la géométrie de soudage. Pour récupérer une bonne résistance à la fatigue, il est important d’avoir un rayon de transition et un angle réguliers au bout du soudage.

Géométrie de pointe de soudage affûtée et lisse.

Positions marche et arrêt

Les positions de démarrage et d’arrêt sont la partie la plus critique d’un soudage en ce qui concerne la fatigue. Étant donné que le processus de soudage n’est pas à un état stable, le risque de générer des défauts et des inclusions dans ces positions est plus élevé. Par conséquent, en raison de leur longueur limitée, les soudures par points présentent une résistance à la fatigue inférieure à celle des soudages continus. Le soudage par épinglage des longerons doit être réduit au minimum et les soudures par épinglage doivent être positionnées dans les zones à faible contrainte. La soudure entre la bride supérieure et l’âme est moins sensible au soudage par points, car cette pièce est principalement soumise à des contraintes de compression. Il est important de concevoir les assemblages soudés en général pour permettre de placer le début et l’arrêt du soudage dans des zones à faible contrainte. Dans certains cas, la conception en queue de poisson peut être utilisée pour éloigner les positions de départ et d’arrêt de la zone la plus sollicitée, comme à l’extrémité d’une plaque de renfort.

La conception en queue de poisson peut être introduite pour éloigner les positions de démarrage et d’arrêt d’un soudage d’une zone à forte contrainte.

Chargement par fatigue transversale versus longitudinale d’une soudure

Les discontinuités dans une soudure sont orientées dans le sens du soudage et suivent la racine et les orteils du soudage. Si les discontinuités sont parallèles à la direction de contrainte principale, elles ont un faible impact sur la résistance à la fatigue de la soudure. D’autre part, si les contraintes sont transversales à la direction de soudage, la résistance à la fatigue de la soudure sera très faible. Ex. : la durée de vie en fatigue d’un support de fixation soudé à la bride inférieure est inférieure à 5 % de la durée de vie en fatigue de la soudure entre l’âme et la bride de soudage.

Historique de chargement

L’historique de chargement des remorques est irrégulier et aléatoire par nature, et le nombre total de cycles de chargement pendant sa durée de vie est de l’ordre de 108 à 109 cycles. Même si la majorité des cycles de chargement ont une très petite magnitude, leur combinaison avec des chargements plus importants les rend potentiellement critiques pour la fatigue. On peut percevoir de grands chargements comme des initiateurs de fissures et de petits chargements comme des propagateurs de fissures. En raison de ces effets combinés, la limite de fatigue trouvée dans le chargement à amplitude constante disparaît dans les applications de remorque. La seule exception est lorsque tous les chargements de l’historique complet sont inférieurs à la limite de fatigue. Par conséquent, dans les zones soumises à des contraintes élevées, il est important que les soudures présentent une bonne résistance à la fatigue, comme les soudures avec chargement longitudinal. Les soudures présentant une résistance à la fatigue moindre doivent être réalisées dans des zones à faible contrainte, par exemple près de la couche neutre de l’âme des poutres principales.

À titre d’exemple, il est possible de comparer une autre conception d’une équerre de fixation soudée à une poutre soumise à un pliage dans le sens vertical. Lors du chargement en pliage global, les contraintes maximales se produisent au niveau des brides de la poutre et varient en compression et tension sur la couche neutre. Dans la conception supérieure (a), l’équerre de fixation est soudée à proximité des brides avec les positions de démarrage et d’arrêt du soudage situées dans la zone la plus sollicitée de la section transversale de la poutre. Dans la configuration en bas (b), l’équerre de fixation a été repensée pour un soudage par bouchonnage plus proche de la couche neutre. Il en résulte une réduction de 50 % du niveau de contrainte au niveau du joint de soudage. Une telle réduction du niveau de contrainte augmente la durée de vie en fatigue de 8 fois par rapport à la conception précédente.

La durée de vie à la fatigue sera améliorée en repensant les joints de soudage pour les zones à faible contrainte.

Pour les remorques dont le châssis est soumis à des charges de torsion, par exemple les remorques à bascule et les porte-bois, il est fortement recommandé d’utiliser des profilés avec une section fermée pour les traverses. Dans la plupart des cas, une telle solution permet le soudage des traverses directement dans l’âme sans renforts supplémentaires. Pour les véhicules de transport exceptionnel, il est possible d’intégrer un raidisseur d’âme dans la fixation de la traverse afin d’augmenter la rigidité et de réduire le niveau de sollicitation dans cette zone.

Les profilés de section ouverte peuvent être utilisés dans les remorques où les traverses sont soumises principalement au pliage, par exemple rideaux latéraux, porte-containers et fourgonnettes. Des orifices pour chaque profilé peuvent être découpés dans l’âme et les profilés peuvent faire l’objet d’un soudage sur la plaque d’âme de la poutre longitudinale. Cependant, il convient de noter, bien que répétés, que les profilés de section ouverte ne sont pas recommandés pour les châssis soumis à des chargements de vrillage.

Une autre solution consiste à utiliser un tablier à attache rapide pour répartir les contraintes sur une plus grande surface. L’équerre support peut être fixée par soudage, rivetage ou vissage sur l’âme du longeron.

Différents types de fixations de traverse. Le type de traverse à utiliser et la conception de la fixation aux poutres principales dépendent du type de remorque. Il est recommandé d’utiliser des profilés de traverse fermés lorsque le chargement est fortement vrillé. Pour les véhicules lourds, il est avantageux de combiner un tel profilé avec un raidisseur d’âme en forme de U soudé à la fois aux ailes et à l’âme (a). Le soudage des traverses de profil en C qui dépassent peut être limité à l’âme du profil (b). Les traverses peuvent également être vissées ou rivetées sur les feux de route.