Moteur, boîte de vitesses, suspensions et freins sont les organes qui rendent une automobile capable de se déplacer et de s’arrêter. Tous, cependant, ont besoin d’un élément auquel être ancrés et qui en recueille les efforts : le châssis. Sur les voitures de série modernes, le châssis séparé a presque disparu, remplacé par la caisse autoporteuse, une structure en tôle dans laquelle carrosserie et élément résistant se confondent. Au-delà de la solution constructive adoptée, les tâches demandées à la structure sont toujours les mêmes trois.
La première est la rigidité, en particulier la rigidité en torsion, c’est-à-dire la résistance de la structure à se tordre autour de son axe longitudinal lorsque les roues d’un même essieu rencontrent des appuis différents. Si la caisse se déforme, les géométries des suspensions varient d’une manière que le concepteur n’avait pas prévue et la voiture répond avec imprécision et retard aux commandes du conducteur. Une caisse rigide permet en revanche de calibrer ressorts et amortisseurs sans que la structure ne fausse leur travail. La deuxième tâche est la gestion de l’énergie de choc : en cas d’accident, les extrémités avant et arrière doivent se déformer de manière contrôlée, en dissipant l’énergie cinétique le long des zones dites à déformation programmée, tandis que la cellule de l’habitacle doit rester aussi intacte que possible afin de préserver l’espace de survie des occupants. La troisième est le poids : la caisse est l’un des sous-ensembles les plus lourds du véhicule et chaque kilogramme économisé signifie une consommation réduite, des distances de freinage plus courtes et une plus grande agilité.
Ces trois objectifs sont en partie en conflit entre eux et la manière dont ils sont équilibrés dépend en grande partie du matériau employé. Les familles utilisées aujourd’hui sont essentiellement au nombre de trois :
- Acier
- Aluminium
- Fibre de carbone
Acier
L’acier est le matériau avec lequel est construite la grande majorité des voitures de série et les raisons en sont surtout industrielles. Il est économique, se prête à l’emboutissage de formes complexes à des cadences très élevées, se soude avec des technologies largement éprouvées comme le soudage par points et se recycle facilement. Sa limite est la densité, proche de 7,8 kg/dm³, qui en fait le plus lourd des trois matériaux considérés ici.
Pour contenir le poids, les caisses ne sont plus depuis des années réalisées avec un seul type d’acier, mais avec une combinaison de tôles aux caractéristiques différentes. À côté des aciers doux, facilement emboutissables et destinés aux panneaux extérieurs, on emploie les aciers à haute résistance (des sigles comme HSLA, AHSS et UHSS), qui permettent de réduire l’épaisseur de la tôle à performance structurelle égale. Dans les points les plus critiques, comme les montants, les bas de caisse et les traverses de l’habitacle, on a recours à l’emboutissage à chaud : la tôle, souvent un alliage au bore, est portée à haute température, formée puis refroidie rapidement dans la matrice, ce qui donne des composants d’une résistance très élevée. Le résultat est une cellule difficilement déformable, épaulée par des longerons en aciers plus ductiles qui absorbent le choc en s’affaissant.
L’acier reste par ailleurs le matériau le plus simple à réparer, car n’importe quel carrossier est équipé pour intervenir dessus. Il doit toutefois être protégé de la corrosion, généralement par galvanisation, et les composants emboutis à chaud, en raison de leur dureté, ne sont pas redressables et doivent être remplacés.
Aluminium
Avec une densité d’environ 2,7 kg/dm³, l’aluminium pèse un peu plus du tiers de l’acier. Le gain réel, cependant, n’est jamais dans la même proportion : le module d’élasticité est lui aussi environ le tiers de celui de l’acier, si bien qu’à rigidité égale il faut des épaisseurs et des sections supérieures. L’avantage s’obtient donc en redessinant la structure, et non en remplaçant simplement le matériau.
L’aluminium est employé sous trois formes : la tôle emboutie pour les panneaux, les profilés extrudés pour les tronçons rectilignes de la structure et les pièces de fonderie pour les nœuds où convergent plusieurs éléments. C’est la logique du space frame, châssis treillis adopté pour la première fois à grande échelle par Audi avec l’A8. Sur la génération présentée en 2017, les composants en aluminium représentent environ 58 % de la carrosserie, qui a dans l’ensemble gagné en rigidité en torsion par rapport à la précédente.
Les inconvénients concernent surtout la mise en œuvre. L’aluminium se soude plus difficilement que l’acier, si bien que les assemblages font largement appel au rivetage autopoinçonneur et au collage structurel avec des adhésifs époxy. La réparation exige elle aussi des ateliers équipés, avec des zones séparées pour éviter la contamination entre poussières d’acier et d’aluminium, qui favoriserait des phénomènes de corrosion. Le coût du matériau et des procédés est donc supérieur, raison pour laquelle l’aluminium est surtout répandu sur les voitures premium, sportives et, de plus en plus souvent, sur les modèles électriques.
Fibre de carbone
Par fibre de carbone on entend à proprement parler un matériau composite : des fibres de carbone, extrêmement résistantes à la traction, noyées dans une matrice de résine époxy qui les maintient en position et en répartit les charges. À la différence des métaux, le composite est anisotrope : ses propriétés dépendent de l’orientation des fibres, disposées selon les directions des sollicitations prévues. Il en découle le meilleur rapport entre résistance et poids disponible aujourd’hui.
La forme la plus connue est la monocoque en une seule pièce, à laquelle viennent s’ancrer moteur, suspensions et structures de choc. La MonoCell introduite par McLaren sur la MP4-12C pèse environ 80 kg ; du côté de la grande série, la cellule habitacle en composite de la BMW i3, baptisée Life Module, se situe autour de 150 kg et a été la première réalisée à l’échelle industrielle.
Les limites sont le coût et la gestion du dommage. La production exige de longs temps de polymérisation et une part importante de travail manuel, difficilement compatible avec les volumes d’une voiture de série. De plus, le composite ne se déforme pas plastiquement comme un métal : il absorbe l’énergie en s’émiettant de façon contrôlée, fonction confiée à des éléments sacrificiels dédiés. Après un choc, le dommage peut en outre ne pas être visible de l’extérieur, par exemple dans le cas d’un délaminage entre les couches, et la réparation structurelle est souvent impraticable : on remplace l’élément entier.
La construction multimatériaux
Dans les faits, les voitures modernes n’appartiennent pas à une seule catégorie. La règle de conception est d’employer le matériau le plus adapté dans chaque zone : aciers emboutis à chaud là où il faut résister à la pénétration, aluminium là où le poids compte, composite aux endroits où le gain justifie la dépense. L’Audi A8 citée précédemment combine elle-même aluminium, acier, magnésium et plastique renforcé de fibre de carbone.
L’approche mixte introduit toutefois ses propres problèmes : des matériaux différents se dilatent différemment lorsque la température varie et leur contact direct peut amorcer une corrosion galvanique. C’est pourquoi l’assemblage recourt à des combinaisons de collage et de jonctions mécaniques plus qu’à la seule soudure, avec un nombre de procédés de production bien plus élevé. Il n’existe donc pas de matériau meilleur dans l’absolu, mais seulement le compromis le plus cohérent avec les performances demandées, les volumes de production et le prix catalogue de la voiture.