Allègement des véhicules électriques : la sécurité est primordiale – Comment cette traverse de pare-chocs permet une réduction de poids de 9 % tout en résistant à une charge d'impact de 37 kN

Actuellement, alors que les véhicules à énergies nouvelles recherchent systématiquement une autonomie accrue, l'augmentation de la capacité des batteries qui en découle a considérablement alourdi le véhicule. Avec des poids à vide dépassant fréquemment les deux tonnes, cela entraîne non seulement une consommation d'énergie plus élevée, mais aussi une dégradation de la tenue de route et une sollicitation accrue des pneumatiques et des suspensions. Dans des conditions routières difficiles, cela peut même amplifier les risques d'instabilité ou de renversement.

Réduire le poids des véhicules tout en garantissant la résistance de la structure et la sécurité en cas de collision est devenu un défi incontournable de la recherche et du développement des véhicules à énergies nouvelles, ainsi qu'un facteur clé de leur compétitivité. Aujourd'hui, nous prendrons l'exemple d'une traverse de sécurité pour illustrer comment les véhicules à énergies nouvelles peuvent gagner en poids tout en respectant des normes de sécurité rigoureuses.

Aujourd'hui, nous utiliserons une traverse de pare-chocs comme exemple pour voir comment les véhicules électriques parviennent à s'alléger sans franchir les limites de sécurité.

1. Alliage d'aluminium haute résistance et haute ténacité KS370
Le KS370 est un alliage d'aluminium de la série 6xxx à haute résistance et haute ténacité, développé par l'Institut de recherche sur les matériaux d'alliage Xinbo. Il est principalement utilisé pour la fabrication de composants structuraux tels que les longerons de pare-chocs de véhicules à énergies nouvelles, ainsi que les longerons latéraux des supports de batterie de véhicules utilitaires et de poids lourds. Lors du développement d'un type particulier de longeron de pare-chocs, nous avons utilisé comme référence l'alliage d'aluminium 6082-T6, largement employé dans la fabrication de pièces structurelles automobiles.

Toutes les données de test sont mesurées et fournies par un laboratoire tiers indépendant, sur la base de produits personnalisés spécifiés par le client.

A : La limite d'élasticité a augmenté d'environ 17,9 %
La limite d'élasticité détermine le point critique où un matériau passe d'une déformation élastique à une déformation plastique irréversible. L'augmentation de 280 MPa à 330 MPa indique qu'à section et conditions de chargement identiques, le KS370 peut supporter des charges plus élevées avant qu'une déformation plastique significative ne se produise. Par ailleurs, cette capacité de performance excédentaire peut être mise à profit pour optimiser l'épaisseur des parois et les profils des sections, réduisant ainsi la consommation de matériau.
Cette amélioration des performances mécaniques constitue le fondement matériel de base pour la réduction du poids de la traverse de pare-chocs.

B : La résistance à la traction a augmenté d'environ 12,9 %
La résistance à la traction reflète la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter lors d'une tension.
L'augmentation de la résistance à la compression de 310 MPa à 350 MPa représente une amélioration significative de la capacité de charge ultime du matériau. Elle contribue à retarder la rupture du matériau sous des contraintes complexes lors d'une collision. Toutefois, cette amélioration de 12,9 % de la résistance ne peut être directement interprétée comme une amélioration de 12,9 % de la sécurité globale du véhicule. Le comportement du véhicule complet en cas de collision dépend également de la conception de sa section transversale, des méthodes d'assemblage, du chemin de déformation dans la zone de déformation programmée et de la structure de la carrosserie.

C : L'allongement est passé de 10 % à 12 %
De manière générale, la plasticité d'un matériau tend à diminuer lorsque sa résistance augmente. Dans le cas du KS370, l'allongement passe de 10 % à 12 % parallèlement à l'amélioration de la résistance, ce qui démontre que le matériau conserve une plasticité supérieure même sous forte déformation.
Pour les longerons de pare-chocs, cette propriété signifie que le matériau possède non seulement une capacité de charge élevée, mais permet également une déformation progressive et continue sous charge. Cela réduit le risque de fissuration prématurée ou de rupture soudaine.

2. Comment le KS370, un matériau plus résistant, peut-il aussi être plus léger ?
Le KS370 et le 6082 sont tous deux des alliages d'aluminium, et la différence de densité entre eux n'est pas la principale source de réduction de poids dans ce projet.

La véritable logique de la réduction de poids est la suivante : amélioration de la résistance du matériau → permet l'optimisation de la section transversale et de l'épaisseur de la paroi → réduit la consommation de matériau → diminue le poids du composant.

Dans ce projet, le poids de la traverse de pare-chocs a été réduit de 6,088 kg à 5,538 kg, soit une diminution de 0,55 kg, ce qui représente une réduction de poids d'environ 9,03 %.

Il est à noter que l'allongement du KS370 n'a pas diminué malgré l'augmentation de sa résistance, préservant ainsi une plasticité suffisante pour absorber d'importantes déformations lors de collisions. Ceci démontre qu'il ne s'agit pas d'une approche simpliste consistant à « substituer la résistance au poids », mais plutôt d'une stratégie qui améliore la résistance tout en conservant la plasticité, puis exploite les propriétés améliorées du matériau pour alléger la structure.

3. Quelles sont les performances de la traverse de pare-chocs allégée ?
La traverse de pare-chocs KS370 a été soumise à des essais de flexion quasi-statiques en trois points. Avec un pénétrateur de 254 mm de diamètre et une portée de 880 mm, l'éprouvette a atteint un déplacement de 220 mm sans présenter de fissures traversantes. La charge maximale a atteint 37,224 kN, dépassant largement l'exigence standard des constructeurs automobiles (≥ 25 kN) pour les traverses de pare-chocs 6082 actuelles.

Lors des essais de flexion dynamique, les échantillons n'ont une fois de plus montré aucun signe de fissures pénétrantes, l'accélération maximale atteignant 22,6158 g.

Ces tests vérifient que les spécimens allégés conservent une excellente capacité de charge et une intégrité structurelle optimale même sous forte déformation.

4. Que signifie une réduction de poids de 0,55 kg ?
Il est important de garder une perspective objective : chaque longeron de pare-chocs permet une réduction de poids de 0,55 kg. Pour un véhicule à énergies nouvelles de près de 2 tonnes, cela ne représente qu’environ 0,03 % du poids total. Compter uniquement sur ce longeron ne peut guère entraîner de changements perceptibles sur le poids total du véhicule ou sa consommation d’énergie.

Pourtant, la valeur apportée par cette découpe de 0,55 kg ne peut se mesurer uniquement par le nombre.

★ Valeur 1 | Validation d'une solution de réduction de poids réalisable
Le KS370 prouve que les alliages d'aluminium à haute ténacité de la série 6xxx permettent des profils de section transversale et des épaisseurs de paroi optimisés pour les pièces structurelles de sécurité.

★ Valeur 2 | Effet progressif cumulatif grâce à une prise de poids graduelle
Réduction Lorsque cet alliage est étendu aux longerons des pare-chocs avant/arrière, aux longerons latéraux du plateau de batterie, aux longerons de bas de caisse et à d'autres pièces porteuses, les économies de poids cumulées apporteront collectivement des améliorations tangibles à l'efficacité énergétique, à l'autonomie et à la maniabilité du véhicule NEV.

★ Note 3 | Légèreté et sécurité ne sont pas incompatibles
La véritable valeur ne réside pas seulement dans la réduction de poids de 0,55 kg, mais dans le fait que la traverse de pare-chocs conserve sa capacité de charge et ses performances de déformation dans les conditions de test existantes, même après une réduction de poids d'environ 9 %.

Conclusion principale
L'intérêt du KS370 ne réside pas dans la conversion directe de la réduction de poids de 0,55 kg d'une simple traverse de pare-chocs en une autonomie accrue. Il valide plutôt une méthodologie d'allègement reproductible : s'appuyer sur une résistance et un allongement accrus pour optimiser le potentiel de réduction de poids des composants structurels critiques pour la sécurité, et vérifier les performances de charge et de déformation des pièces allégées par des essais au niveau des composants.

Cela représente également l'axe principal de recherche et développement de l'Institut de recherche sur les matériaux en alliage de Xinbo dans ses recherches approfondies à long terme sur les alliages d'aluminium à haute résistance et à haute ténacité : faire en sorte que l'allègement relève tous les défis.

5. De nouveaux matériaux créent de nouvelles possibilités d'allègement.
À travers cette simple traverse de pare-chocs, le KS370 offre un aperçu d'une dimension unique de ce qu'il faut pour alléger un véhicule électrique moderne, mais le tableau d'ensemble est bien plus vaste.

Les différents modèles de véhicules, leurs composants et leurs conditions d'utilisation imposent des exigences variables en matière de résistance, de ténacité, de formabilité et de performance d'assemblage des matériaux. Actuellement, le KS400, développé pour répondre à des exigences de performance plus élevées, a achevé ses phases de recherche et développement et ses essais pilotes et est sur le point d'entrer en production de masse. L'Institut de recherche sur les matériaux en alliage de Xinbo étend la gamme de matériaux KS à davantage d'applications structurelles, notamment les longerons, les supports de batterie et les sous-châssis.

Vues en coupe de diverses structures de pare-chocs conventionnelles

Pour une réduction de la charge véritablement efficace, il est indispensable de partir du contexte d'application, en faisant progresser simultanément la recherche et le développement des matériaux, la conception structurelle et les procédés de fabrication. La valeur ajoutée d'un matériau doit être validée dans des produits concrets.

Alléger un objet ne signifie pas rechercher le poids le plus bas possible, mais conserver une résistance, une robustesse et des marges de sécurité suffisantes tout en réduisant son poids.

À propos de l'Institut de recherche sur les matériaux en alliage de Xinbo
L'Institut de recherche sur les matériaux d'alliage Chuzhou Xinbo (Institut de recherche Xinbo) est un organisme de R&D innovant, fruit d'une collaboration entre Xinbo Aluminum Co., Ltd. (003038.SZ), Tianchang Tianchuang Technology Industry Development Co., Ltd. et d'autres acteurs de la filière des matériaux d'alliage. Il se consacre à la recherche, au développement et à l'application de matériaux d'alliage haute performance tels que l'aluminium et le magnésium. En étroite collaboration avec les constructeurs automobiles, les équipementiers, les universités et les partenaires industriels, l'institut propose des services de R&D sur mesure pour les alliages d'aluminium haute performance, des solutions de substitution et d'allègement des matériaux, des essais de matériaux, la production de prototypes et la vérification des performances des composants.

Si votre équipe travaille sur l'amélioration des matériaux en alliage, la conception de structures allégées ou la validation au niveau des composants, nous vous invitons à nous contacter. Ensemble, nous pouvons découvrir de nouvelles solutions et repousser les limites du possible.