Le développement de cadres légers pour l'automobile est devenu un défi d'ingénierie central car les constructeurs automobiles font la course pour améliorer l'efficacité énergétique, réduire les émissions et étendre la gamme de véhicules électriques sans sacrifier la sécurité ou les performances. Parmi les nombreuses technologies de jointage disponibles, le rivetage est devenu une technique de pierre angulaire pour assembler des structures modernes de véhicules.

Qu'est-ce que Riving ?

Le rivetage est un processus de fixation mécanique qui relie deux ou plusieurs matériaux à l'aide d'un rivet en métal. Le rivet est inséré dans les matériaux à joindre par des trous pré-percés ou perforés, puis l'extrémité de la queue est déformée – ou « upset » – pour créer une tête permanente qui maintient l'ensemble. Cette déformation est généralement obtenue par impact, pression ou chaleur, selon le type de rivet et l'application.

Dans l'industrie automobile, le rivetage a été largement utilisé dans les premiers cadres de véhicules avant que le soudage ne devienne dominant. Cependant, le passage vers les matériaux légers a ravivé l'intérêt pour le rivetage comme méthode d'assemblage supérieure pour l'aluminium, l'acier à haute résistance et les structures composites. Les processus de rivetage modernes sont hautement automatisés et peuvent atteindre des temps de cycle mesurés en fractions de seconde, ce qui les rend adaptés aux lignes de production à grand volume.

Pourquoi le rivetage est-il critique pour les cadres légers

Économie de poids

Chaque gramme compte dans un véhicule léger. Les rivets eux-mêmes sont petits et légers, particulièrement par rapport aux boulons et écrous, qui nécessitent des matériels supplémentaires, ou des soudures, qui peuvent ajouter des matériaux de remplissage et des zones affectées par la chaleur qui peuvent nécessiter un renforcement.

Intégrité et résistance à la fatigue

Les joints rivetés distribuent les contraintes plus uniformément que les soudures ponctuelles, qui concentrent les contraintes à des points discrets. Cela rend les raccords rivetés plus résistants à la fatigue sous charge cyclique – un facteur critique dans les structures du châssis et du corps qui subissent des vibrations constantes et des charges routières. La déformation du rivet pendant l'installation crée également une grande surface de roulement qui résiste aux forces de traction.

Compatibilité des matériaux

L'un des plus grands avantages du rivetage est sa capacité à joindre des matériaux différents. Les cadres modernes de véhicules combinent souvent aluminium, acier, magnésium et composites de fibre de carbone. Le soudage de ces matériaux est difficile ou impossible en raison de différences dans les points de fusion, d'expansion thermique et de compatibilité métallurgique.

Types de rivetage utilisés dans la fabrication automobile

Rivets solides

Les rivets solides sont le type traditionnel, composé d'un arbre cylindrique avec une tête préformée. Ils sont installés en plaçant le rivet dans le trou et en bouleversant la queue avec un marteau ou un pistolet pneumatique. Bien que toujours utilisés dans certaines applications lourdes, les rivets solides ont été largement remplacés par des types plus avancés dans l'assemblage automobile en raison des exigences d'accès aux outils et de la vitesse.

Rivets aveugles (Rivets pour chiots)

Les rivets aveugles peuvent être installés d'un côté de l'articulation, ce qui les rend idéales pour les zones fermées ou difficiles à atteindre. Un mandrin est tiré à travers le corps du rivet, l'élargissant du côté aveugle. Bien que largement utilisé dans les réparations et l'assemblage à faible volume, les rivets aveugles offrent généralement une résistance inférieure à d'autres types et peuvent ne pas être adaptés aux articulations structurales primaires dans les véhicules de production.

Rivets autoportants (RSP)

Contrairement aux rivets classiques, les RPS ne nécessitent pas de trou prépercé. Un poinçon conduit le rivet à travers la ou les couches supérieures de matériau tandis qu'une matrice sur le côté arrière perturbe la queue du rivet dans la couche inférieure, créant un verrouillage mécanique. Les RPS peuvent joindre deux, trois, voire quatre couches de matériau, y compris l'aluminium, l'acier et certains composites. Le processus est rapide, propre et produit des joints avec une excellente résistance statique et fatigue. Les RPS sont utilisés de façon intensive dans des véhicules tels que le Ford F-150 et le Audi A8.

Rivelage de la friction

Une technologie émergente, le rivetage par friction utilise un outil rotatif pour générer de la chaleur de friction et adoucir les matériaux avant d'insérer un rivet. Ce processus réduit la force nécessaire à l'installation et permet l'assemblage de matériaux sensibles à la chaleur comme le magnésium et les composites. Il est encore à l'étape de la recherche et du pilote mais montre des promesses pour la production future.

Riveting vs. Autres méthodes de jointure

Soudure

Le soudage par points de résistance (RSW) est la méthode d'assemblage dominante pour les structures en acier en blanc. Cependant, le soudage par points de résistance (RSW) est difficile à appliquer à l'aluminium en raison de sa conductivité thermique élevée et de sa couche d'oxyde. Le soudage au laser et le soudage à l'arc sont utilisés pour certaines articulations en aluminium, mais nécessitent un gaz précis d'installation et de protection.

Bouchonnage

Les joints boulonnés offrent l'avantage de démonter pour la réparation et le recyclage, mais ils ajoutent un poids important en raison des écrous, des rondelles et des fixations supplémentaires nécessaires. Les boulons créent également des concentrations de contraintes dans la zone filetée et peuvent se détendre sous vibration sans rondelles de verrouillage ou de composés de blocage de filetage.

Combler les adhésifs

Les adhésifs répartissent la charge sur une grande surface et améliorent la rigidité et les performances NVH. Cependant, les adhésifs seuls peuvent manquer de résistance à l'épluchage et peuvent être sensibles aux conditions de durcissement et à la préparation de la surface. Les rivets fournissent la force de serrage nécessaire et la résistance à l'épluchage, tandis que l'adhésif scelle l'articulation contre la corrosion. Cette combinaison est maintenant standard dans de nombreux véhicules de première qualité, tels que le Audi Space Frame.

Incidence sur la conception et les performances des véhicules

Efficacité énergétique et émissions

Pour chaque réduction de 10 % du poids du véhicule, la consommation de carburant peut diminuer de 6 à 8 % dans les véhicules classiques. Dans les véhicules électriques, la réduction du poids s'étend et réduit les besoins en taille de la batterie. Le rivetage permet l'utilisation de matériaux légers qui autrement seraient difficiles à joindre, rendant ces économies de poids possibles sans compromettre l'intégrité structurelle.

Sécurité et navigabilité des véhicules

Les joints rivetés jouent un rôle critique dans les performances de collision. Lorsqu'ils sont conçus correctement, les rivets auto-piercing peuvent absorber l'énergie et maintenir l'intégrité des joints pendant une collision. La défaillance progressive de plusieurs rivets peut aider à contrôler le comportement de zone de croûte.

Bruit, vibrations et malformation (NVH)

Les joints rivetés contribuent à la rigidité globale de la carrosserie, essentielle pour de bonnes caractéristiques NVH. Un corps plus rigide réduit les vibrations et la transmission du bruit à la cabine. Les joints hybrides avec collage adhésif améliorent encore les propriétés d'amortissement.

Innovations modernes dans le domaine du rivetage

Systèmes automatisés de rivetage

Les lignes de production à haut volume utilisent maintenant des cellules de travail robotisées équipées de pistolets à rivetage à servomoteurs. Ces systèmes peuvent river un panneau en moins d'une seconde, avec une surveillance en temps réel de la force et du déplacement pour assurer la qualité des joints.

Rivets à haute résistance

De nouveaux matériaux et revêtements de rivets ont été développés pour correspondre à la résistance des aciers à haute résistance et des alliages d'aluminium. Les rivets en acier boron, par exemple, peuvent joindre l'acier à haute résistance à l'aluminium sans fissuration des couches enduites.

Joints hybrides: Rivets + Adhésif

La combinaison du rivetage avec le collage de colles structurales est maintenant courante dans les voitures de luxe et de plus en plus dans les véhicules de masse. L'adhésif porte la plus grande partie de la charge de service, tandis que les rivets fournissent la fixation pendant le montage et empêchent la défaillance du pelage dans un accident.

Études de cas

Ford F-150 Corps en aluminium

La Ford F-150 2015 était un véhicule phare, utilisant une structure de carrosserie en aluminium pour réduire le poids d'environ 318 kilogrammes (700 livres) par rapport à son prédécesseur en acier. Les ingénieurs de Ford utilisaient des rivets auto-piercing comme méthode d'assemblage primaire pour la cabine et le lit, ainsi que des vis à écoulement pour les zones nécessitant un démontage. Plus de 6000 rivets sont utilisés par camion, appliqués par plus de 200 cellules robotisées de rivetage. Le résultat a été un camion qui a maintenu sa capacité de remorquage et de charge utile tout en réalisant une économie de carburant significativement meilleure. Le succès de la F-150 a stimulé l'adoption généralisée de RPS dans l'ensemble de l'industrie. (Ford Media)

Cadre spatial Audi A8

Audi a lancé le concept de cadre spatial multi-matériaux avec l'A8, en combinant l'aluminium, l'acier à haute résistance, le magnésium et le polymère renforcé en fibre de carbone (CFRP). Pour s'associer à ces différents matériaux, il fallait un mélange de procédés : rivets auto-piercing pour aluminium-à-aluminium et aluminium-à-acier, vis à écoulement-à-perçage pour acier-à-acier et collage pour CFRP. Les rivets et adhésifs travaillent ensemble pour obtenir une rigidité torsionnelle qui est parmi les meilleurs de sa catégorie, tout en conservant le poids corporel autour de 250 kg.

Défis et considérations

Corrosion

Pour atténuer ces risques, les constructeurs automobiles utilisent des revêtements sur rivets (p. ex., écailles d'aluminium ou zinc-nickel) et appliquent des joints entre les couches. Les rivets auto-pierçants créent un ajustement d'interférence serré qui limite l'entrée en eau, et l'ajout de collage adhésif fournit une barrière supplémentaire.

Réparation et entretien

Les joints rivetés sont permanents et ne peuvent pas être simplement débolrés pour l'accès. Dans la réparation de collisions, les panneaux endommagés doivent être coupés, et de nouveaux matériaux associés avec des équipements de rivetage spécialisés. Cela a nécessité des programmes de formation pour les ateliers de carrosserie et le développement d'outils de rivetage portables.

Coût

L'équipement de rivetage auto-piercing est coûteux, les cellules robotiques coûtant des centaines de milliers de dollars chacune. Cependant, le coût est compensé par la capacité d'utiliser des matériaux à moindre coût (aluminium au lieu d'acier à haute résistance avancée) et l'élimination des consommables et de l'énergie de soudage.

L'avenir du rivetage dans l'automobile

La recherche vise à améliorer la conception des rivets pour des jauges encore plus minces et des matériaux de plus haute résistance. Le rivetage par frottement et le rivetage assisté par ultrasons sont à l'étude pour l'assemblage de nouveaux alliages et thermoplastiques. De plus, des jumelles numériques et l'apprentissage de la machine sont utilisés pour prédire la qualité des rivets en temps réel, réduire la ferraille et le retravail. L'intégration du rivetage avec d'autres procédés, tels que le soudage laser et le collage adhésif, créera des cellules de jointage multiprocessus qui pourront traiter n'importe quelle combinaison de matériaux avec une efficacité maximale.

De plus, la montée des véhicules électriques, avec leurs grands paquets de batteries, nécessite des structures extrêmement rigides et robustes. Les cadres d'espace en aluminium et composite sont bien adaptés à cette application. Tesla, Lucid et Rivian utilisent tous un rivetage étendu dans leurs structures du corps.

Conclusion

Le rivetage est passé d'une technique artisanale traditionnelle à un processus de jointage automatisé de haute technologie qui est essentiel au développement de cadres automobiles légers. Sa capacité unique à joindre des matériaux différents, fournir une excellente fatigue et des performances de collision, et contribuer à une réduction importante du poids rend indispensable dans la fabrication moderne de véhicules. Bien que des défis demeurent en matière de prévention de la corrosion, de réparation et d'investissement initial, l'innovation continue dans la conception de rivets, le contrôle des processus et l'assemblage hybride garantit que le rivetage restera une technologie clé pour un avenir prévisible.