Le châssis

L'histoire du châssis de la Lotus élise par Xavier



Le charme et les performances de l'élise 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'à 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 (aluminium magnésium 6063) différents, provenant de la société HYDRO Aluminuim au Danemark, ainsi que les tôles d'habillage (3 au total, revêtement avant frontal, fond, et emplacement du réversoir) 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 kg, 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 pounds 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, épaisses à 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 2mm, ce qui est, par endroit largement sur-dimensionné (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 0,5mm 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…), dès 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,  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!

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 (35Mpa et E module 2,700Mpa). 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 0,5mm, 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 8mm 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 8mm 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 0,5mm 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 coutant en effet 10$ pièce, 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 couteux.

En terme de cout, Lotus prétend avec ce châssis Alu, être arrivé a un prix sensiblement inférieur a un classique châssis acier galvanisé a chaud.

La 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 à l'aide d'un bras de levier d'un mètre, 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'à 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 10133Nm/degré, avec l’arceau, 9500Nm/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 7900Nm par degré, 8900Nm avec la carrosserie collée / rivetée dessus. Celui de l’Elise, 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 3mm au lieu d’1,5mm (soudures oblige, car souder de l'aluminium mince, n'est pas très facile ! Sa rigidité torsionnelle est de 9000 Nm 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.


Renault Sport Spider

Lotus Elise

Poids

80kg

65kg

Rigidité torsionnelle

9000Nm/°

10300Nm/°

Épaisseur de l'alu

3mm

1,5mm


Le chassis du Renault Sport Spider

La chronologie du développement du châssis

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 contrôle 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 17,7kg 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, à 12H32!

  

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 550kg sans carrosserie, mais muni d’un pare brise et d’un éclairage.

  

19. 01.1995

Le châssis P1 effectue 100 tours de pistes sur le circuit d’essai pavée de Millbrook sans aucun problème (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 000Km en utilisation routière normale. Le châssis P1 fut entièrement démonté et contrôlé, aucune crique, ou amorce de rupture, ou défaut n’a été trouvé.


Photos du châssis de l'élise mk2






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