BRPI0410866B1

BRPI0410866B1 - Dispositivo mecânico compreendendo um elemento de estrutura alongado destinado a amortecer pelo menos parcialmente alguns choques por deformação

Info

Publication number: BRPI0410866B1
Application number: BRPI0410866-3A
Authority: BR
Inventors: Cyrill Canot; Arnaud Cocu; Jean-Louis Colmont
Original assignee: Arcelormittal Tubular Products Vitry
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2019-05-07
Also published as: PL1631752T3; CN1802521B; US8286765B2; BRPI0410866A; US20120013149A1; US20060249342A1; BRPI0410866A8; DE602004019645D1; EP2163782A1; US20100230222A1; PL2163782T3; EP1631752A1; JP2006527338A; JP5097396B2; FR2855805B1; CN1802521A; WO2005003587A1; EP1631752B1; US7748507B2; EP2163782B1

Abstract

"dispositivo mecânico compreendendo um elemento de estrutura alongado destinado a amortecer pelo menos parcialmente alguns choques por deformação". a invenção se refere a um dispositivo mecânico, compreendendo um elemento de estrutura alongada, destinado a amortecer pelo menos parcialmente alguns choques por deformação. este elemento de estrutura ou peça compreende um perfil de seção reta escolhido, este perfil sendo munido de alterações localizadas (<244>2, <244>3, <244>4) de formas e posições respectivas, escolhidas para satisfazer sensivelmente uma lei dada de deformação sob esforço conjunto de compressão no eixo da peça, e de torque de eixo perpendicular a um plano que passa por este eixo. esta lei comporta uma fase de absorção de energia, seguida de um desaparecimento da peça.

Description

1/26 “DISPOSITIVO MECÂNICO COMPREENDENDO UM ELEMENTO DE ESTRUTURA ALONGADO DESTINADO A AMORTECER PELO MENOS PARCIALMENTE ALGUNS CHOQUES POR DEFORMAÇÃO” [001] A invenção se refere notadamente à segurança dos veículos, particularmente em caso de choques, seja, por exemplo, com um pedestre, um ciclista, um motociclista, um outro veículo automóvel, um obstáculo fixo como uma construção tal como um muro, uma habitação, uma árvore, estes poucos exemplos não constituindo uma lista limitativa dos obstáculos fixos ou móveis, com os quais um veículo pode entrar em colisão.

[002] Durante a batida em um pedestre, um ciclista ou um motociclista, trata-se de um choque de amplitude pouco importante, mas é preciso absolutamente preservar o melhor possível a integridade física e a vida do pedestre ou do (moto)ciclista.

[003] Em seguida, por ordem de amplitude, os casos em questão encontrados vão do choque urbano ao choque de uma extrema violência, chamado “crash” (esmagamento) pelos especialistas, circunstâncias durante as quais a vida dos passageiros dos veículos deve ser protegida e se possível evitar para eles qualquer ferimento consecutivo a este choque ou pelo menos minimizar sua gravidade.

[004] No curso destes últimos anos, os construtores automotivos foram levados a desenvolver diferentes soluções para responder a estas restrições de segurança, mas sem poder trazer respostas inteiramente satisfatórias. Com efeito, as soluções técnicas desenvolvidas em matéria de segurança respondem antes de tudo a cenários de choque frontais, ou seja, que se produzem de tal modo que os esforços e as tensões são exercidos segundo um eixo que é o eixo principal do veículo.

[005] É assim que diferentes soluções destinadas a absorver a energia cinética do choque forma empregadas sobre partes da estrutura dos

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2/26 veículos como a ombreira, o suporte até mesmo adicionando à estrutura dos veículos meios complementares como, por exemplo, amortecedores, longarinas de suporte, prolongadores ou alongadores.

[006] Porém até hoje, nenhuma solução satisfatória pôde ser trazida, quando se trata de choques durantes os quais os esforços e tensões exercidos sobre os elementos de estrutura do veículo não o são segundo o eixo principal do veículo, o que tem por consequência submeter, durante o choque, alguns elementos de estrutura ou os meios complementares indicados anteriormente a esforços que combinam simultaneamente forças e torques.

[007] Além do mais, as soluções empregadas até o presente não permitem controlar e localizar, de modo totalmente satisfatório, o ou os pontos de absorção da energia cinética, nem de estar em condições de absorver níveis de energia muito diferentes de acordo com os cenários do choque, nem controlar e escolher o ou os pontos de localização das deformações sofridas por estes elementos de estrutura ou estes meios complementares.

[008] A requerente procurou, então, desenvolver peças que satisfazem melhor estas condições. A invenção constitui um avanço importante nesta direção.

[009] De acordo com um de seus aspectos, a invenção visa um dispositivo mecânico, que compreende um elemento de estrutura alongada, destinada a amortecer pelo menos parcialmente alguns choques por deformação. Este elemento compreende um tubo de seção reta escolhida. Este tubo é munido de alterações localizadas, de formas e posições respectivas escolhidas para satisfazer sensivelmente uma lei dada de deformação sob efeito conjunto de compressão no eixo da peça, e de torque de eixo perpendicular a um plano que passa por este eixo. A lei pode comportar uma fase de absorção de energia seguida de uma retração da peça.

[010] De acordo com um aspecto particular da invenção, o berço

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3/26 ou a estrutura dianteira de um veículo é equipada de um ou dois elementos frontais ditos “prolongadores”, ou mesmo de mais de dois prolongadores.

[011] Um tal prolongador pode ser visto como um tirante que liga a parte anterior do berço à viga inferior de para-choques, então a parte de baixo da placa proteção, por intermédio de um ou vários amortecedores de choques. O requerente observou que o prolongador deve então:

- resistir a um esforço mínimo, abaixo do qual ela fica não deformada, enquanto que se esmagam a placa de proteção e o amortecedor;

- além deste esforço mínimo, deformar-se absorvendo um máximo de energia, sem ocasionar deterioração do berço;

- ser eliminada no fim desta deformação, a fim de não se tornar um suporte entre o berço e o obstáculo de impacto do fim do esmagamento.

[012] Outras características e vantagens da invenção aparecerão com a ajuda da descrição que segue, e dos desenhos anexos, nos quais:

- a figura 1 ilustra esquematicamente um exemplo de realização da parte dianteira de um veículo, lado esquerdo;

- as figuras 2A e 2B ilustram diferentes configurações possíveis para um esforço aplicado a uma peça;

- a figura 3 ilustra esquematicamente as noções de enfeixamento e de articulação;

- a figura 4A ilustra um exemplo de perfil, vista em corte, com as notações;

- as figuras 4B e 4C ilustram um primeiro exemplo de alteração local deste perfil, aqui por deformações;

- a figura 5 ilustra um outro exemplo de alteração local de um perfil;

- a figura 6 ilustra, em vista perspectiva distorcida, uma peça que possui três alterações;

- a figura 6A ilustra, em vista perspectiva, diferentes notações

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4/26 relativas a uma peça;

- as figuras 7A a 7D ilustram, em vista lateral, diferentes fases da deformação de uma peça, aqui em enfeixamento sob esforço axial sensivelmente puro;

- as figuras 8A e 8B são respectivamente um ábaco que representa a evolução da curva esforço (eixo y) de acordo com o tempo (eixo dos x) para uma peça submetida a uma força axial pura de acordo com as figuras 7, e um ábaco que representa este mesmo fenômeno com em eixo x o valor do esmagamento (ou diminuição do comprimento) da peça durante o choque;

- as figuras 9A a 9D ilustram, em vista lateral, diferentes fases da deformação de uma peça, aqui em articulação sob esforço axial coordenado de um torque;

- as figuras 10A e 10B são respectivamente ábacos da mesma natureza que aquelas das figuras 8A e 8B, mas para a peça das figuras 9A a 9D, distinguindo a face superior e a face inferior;

- as figuras 11A a 11E ilustram, em vista lateral, diferentes fases da deformação de uma peça, aqui em enfeixamento, e depois em articulação sob esforço axial coordenado de um torque;

- as figuras 12A e 12B são respectivamente ábacos da mesma natureza que aqueles das figuras 10A e 10B, mas para a peça das figuras 11A a 11D;

- as figuras 13A a 13E ilustram uma peça munida de alterações um pouco diferentes quanto a suas posições;

- as figuras 14A e 14B ilustram, em vista lateral e de cima, uma peça, tendo alterações ao mesmo tempo que entram e que saem;

- a figura 15 ilustra uma peça tendo alterações de tipo um pouco diferente, compreendendo uma deformação e uma perfuração;

- as figuras 16A a 16F ilustram, em perspectiva, diferentes fases da

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5/26 deformação de uma peça, aqui em enfeixamento, e depois em articulação, sob esforço axial coordenado de um torque;

- as figuras 17A a 17F correspondem às figuras 16A a 16F, mas vista de cima;

- as figuras 18A a 18F correspondem às figuras 16A e 16F, mas em vista lateral;

- as figuras 19 e 20 ilustram da mesma maneira uma primeira peça com perfurações, em vista perspectiva, indicando 3 eixos XYZ;

- as figuras 19A a 19D, por um lado, e 20A a 20D, por outro, ilustram diferentes fases correspondentes da deformação da primeira peça, em vistas laterais nas direções XZ e XY, respectivamente;

- as figuras 21A, 21B e 21C são respectivamente um gráfico esforço/tempo, um gráfico esforço/esmagamento, e um gráfico energia absorvida/tempo, durante a deformação da primeira peça de acordo com as figuras 19 e 20;

- as figuras 22 e 23 ilustram da mesma maneira uma segunda peça com perfurações, em vista perspectiva, indicando 3 eixos XYZ;

- as figuras 22A a 22D, por um lado, e 23A a 23D, por outro, ilustram diferentes fases correspondentes da deformação da segunda peça, em vistas laterais nas direções XZ e XY, respectivamente;

- as figuras 24A, 24B e 24C são respectivamente um gráfico esforço/tempo, um gráfico esforço/esmagamento, e um gráfico energia absorvida/tempo, durante a deformação da segunda peça de acordo com as figuras 22 e 23;

- as figuras 25 e 26 ilustram da mesma maneira uma terceira peça com perfurações, em vista perspectiva, indicando 3 eixos XYZ;

- as figuras 25A a 25D, por um lado, e 26A a 26D, por outro, ilustram diferentes fases correspondentes da deformação da terceira peça, em vistas

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6/26 laterais, nas direções XZ e XY, respectivamente;

- as figuras 27A, 27B e 27C são respectivamente um gráfico esforço/tempo, um gráfico esforço/esmagamento, e um gráfico energia absorvida/tempo, durante a deformação da terceira peça de acordo com as figuras 25 e 26;

- as figuras 28 e 29 ilustram da mesma maneira uma quarta peça com perfurações, em vista perspectiva, indicando 3 eixos XYZ;

- as figuras 28A a 28D, por um lado, e 29A e 29D, por outro lado, ilustram diferentes fases correspondentes da deformação da quarta peça, em vistas laterais nas direções XZ e XY, respectivamente;

- as figuras 30A, 30B e 30C são respectivamente um gráfico esforço/tempo, um gráfico esforço/esmagamento, e um gráfico energia absorvida/tempo, durante a deformação da quarta peça de acordo com as figuras 28 e 29;

- as figuras 31 e 32 ilustram da mesma maneira uma quinta peça com perfurações, em vista perspectiva, indicando 3 eixos XYZ;

- as figuras 31A a 31D, por um lado, e 32A a 32D, por outro lado, ilustram diferentes fases correspondentes da deformação da quinta peça, em vistas laterais nas direções XZ e XY, respectivamente; e

- as figuras 33A, 33B e 33C são respectivamente um gráfico esforço/tempo, um gráfico esforço/esmagamento, e um gráfico energia absorvida/tempo, durante a deformação da quinta peça de acordo com as figuras 31 e 32.

[013] Os desenhos e os anexos à descrição compreendem elementos de caráter certo. Eles poderão, então, não apenas servir em tornar melhor a compreensão da descrição, mas também contribuir para definição da invenção, se for o caso.

[014] Sabe-se bem modelar o comportamento das estruturas

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7/26 mecânicas no domínio das deformações elásticas. Acontece de outra forma no domínio das deformações plásticas, a fortiori naquele do esmagamento brutal. Neste estágio, conhece-se softwares ditos “cálculo de crash”, como RADIOSS, PAM CRASH e LS DYNA, comercializados respectivamente pelas empresas MECALOG, ESI Group e LSTC Livermore Software Technology Corporation). Nestes softwares, usa-se leis de comportamento das estruturas que são bem diferentes das leis de comportamento elástico. Para determinar estas leis de comportamento, é preciso realizar uma caracterização dinâmica do material, em sua forma usada, e uma modelização da estrutura. A caracterização do material acontece por via experimental, usando leis tais como de Johson-Cook ou aquela de Cowper Symonds. A modelização numérica da estrutura acontece usando leis matemáticas em grandes deformações e a altas velocidades.

[015] Na figura 1, que ilustra esquematicamente um exemplo de realização da parte dianteira (lado esquerdo) de um veículo, em vista da esquerda. Distingue-se ali uma via alta e uma via baixa, delimitadas sensivelmente pelo traço de eixo 10 (a notar que esta via alta é às vezes chamada via média, a via alta sendo então situada mais acima no veículo). A dianteira do veículo está à esquerda da figura. À direita, parte da caixa, ao nível do traço de eixo 10, uma peça 11 dita ombreira, que sobe para definir a via alta, terminando por um amortecedor de choques 14 e uma viga alta de para-choques denotada 15.

[016] Em baixo, um berço 12 é montado sobre a ombreira 11, de modo flexível. Este berço 12 é continuado por uma peça 20, dita prolongador, seguida por um amortecedor baixo (pedestres) 24, e depois por uma viga baixa de para-choques, denotada 25. Entre as vigas 15 e 25 é definida uma proteção dianteira 18. De preferência, uma haste 13 liga verticalmente o prolongador 20 e a parte da ombreira 11 que encima este prolongador. Notar-se-á que o prolongador 20 é suspenso sobre a ombreira por meio da haste 13. Aqui, esta

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8/26 suspensão não é uma ligação rígida.

[017] Estruturas semelhantes à figura 1 se encontram, por exemplo, em FR-A-2 800 695 ou FR-A-2 824 523.

[018] Os softwares acima citados são utilizáveis notadamente para procurar dar à estrutura de caixa de um automóvel as propriedades desejadas, que, para a dianteira do veículo, são em geral, por amplitude crescente de choques:

- nenhuma deformação de peças substituíveis como o parachoques e os amortecedores, sem alteração do resto;

- em seguida, inicio de deformação do conjunto da parte dianteira, preservando o compartimento motor assim como o berço e o eixo motor dianteiro;

- enfim, deformação grande com esmagamento do conjunto da parte dianteira, o cuidado sendo o de preservar o habitáculo, qualquer que seja o seu resultado par ao veículo.

[019] Até o presente, contentou-se de se trabalhar com peças pouco suscetíveis de flambar, pois:

- elas têm um baixo índice de esbeltez (no sentido de Euler), ou

- elas são bem mantidas em diferentes lugares sobre seu comprimento, como as ombreiras dianteiras (estabilizadas pelas diferentes condições arcobotantes dos componentes que estão atados ali: passagens de rodas, suporte de caixa de velocidade, por exemplo), ou as longarinas traseiras (estabilizados pelas passagens de rodas, o trem traseiro, a travessa, por exemplo).

[020] A requerente fez uma abordagem diferente, ao se interessar em elementos de estrutura como os prolongadores montados na extremidade de um berço curto, no lugar do berço longo, mais frequentemente usado.

[021] Neste caso, tais órgãos de estrutura não são geralmente

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9/26 mantidos sobre seu comprimento, que é grande. Eles são então suscetíveis de serem submetidos à flambagem ou de flambar. A Fórmula [I] do anexo 1 dá uma definição da esbeltez λ no sentido de Euler, em que:

- L é o comprimento do órgão,

- S é a área de sua seção reta, e

- Imin é o módulo de inércia mínimo na seção considerada.

[022] Retorna-se ao estado da técnica. As peças mecânicas existentes que têm funções similares são, por exemplo, os amortecedores de choques. Estas peças são produzidas sob a forma de corpos fechados, ocos, realizados em chapas, possuindo “ondas de enfeixamento”. Trata-se de deformações periféricas em seção reta (as “ondas”), ou ainda fendas angulares, ou meios semelhantes, próprios para facilitar o dobramento da peça sobre ela mesma como uma garrafa plástica (enfeixamento).

[023] Estas peças conhecidas são bastante curtas (na direção principal de movimento, então de choque) em relação à sua seção reta. Evita-se assim a flambagem, pois estas peças têm um baixo índice de esbeltez.

[024] A requerente se colocou então inicialmente o problema de realizar funções semelhantes, mas com peças bastante longas, notadamente para servir de prolongadores, como definido acima. Tipicamente, os órgãos propostos têm um índice de esbeltez superior a 25, até largamente superior a 25. O índice de esbeltez pode permitir definir aproximadamente um comprimento mínimo. Com a necessidade, um comprimento máximo pode ser definido a partir da fórmula [II]m, em que E é o módulo de Young, F é o esforço crítico de Euler e k é um coeficiente que toma o valor k=1 quando a peça estiver livre em rotação em cada uma de suas extremidades. O especialista conhece os outros valores que toma k em outros casos.

[025] Pareceu inicialmente ser possível reter sem flambagem um esforço de empuxo axial (Fmin) muito grande. Perfis ocos, de baixa espessura,

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10/26 com ângulos arredondados, são vantajosamente usados. Por “baixa espessura”, entende-se a gama de espessuras compatíveis com a resistência à flambagem desejada, ao mesmo tempo que com uma aptidão ao enfeixamento antes da flambagem. Apareceu igualmente possível controlar a enfeixamento, definindo convenientemente o perfil da seção reta, sempre sem flambagem.

[026] O perfil pode possuir a forma geral de uma superfície cilíndrica reta. Se bem que sua seção reta possa se revestir de numerosas formas poligonais diferentes, ela será o mais frequentemente quadrada ou retangular. Todavia, a invenção é igualmente utilizável com uma peça que tem um ou vários cambamentos sobre seu comprimento.

[027] De acordo com a técnica anterior, os elementos de enfeixamento são realizados em chapa, sob a forma de perfis em U soldados entre si para reconstituir um perfil fechado.

[028] De acordo com a invenção, usa-se vantajosamente um tubo de tipo soldado ou sem solda, com as seguintes propriedades:

- sem solda entre dois semi-perfis, então sem descontinuidade na solda como é geralmente o caso com a chapa.

- sem recobrimento, então menos material e menos custo, por uma solidez pelo menos igual.

[029] Em um segundo tempo, a requerente procurou obter, pela mesma peça, inicialmente uma deformação longitudinal (“enfeixamento”), e depois uma deformação com dobra ao longo de um eixo transverso (“articulação”).

[030] Além disso, ela ainda procurou uma tal peça que possa ter estas propriedades tanto como quando o esforço aplicado for uma compressão pura, quanto ela for acompanhada de um torque. O torque pode ser devido:

- ao fato de que a peça é obliqua em relação à direção principal do movimento do veículo (figura 2A), e/ou

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- ao fato de que se considera um choque oblíquo, ou seja, um choque frontal que tem um componente lateral, por ele mesmo ou pelo fato de que ele é retirado do eixo em relação à peça (Figura 2B).

[031] Na presente descrição, a palavra “torque” visa tanto o vetor momento de um torque (Figura 6A) quanto a medida algébrica do torque, a saber a amplitude do dito vetor.

[032] A figura 3 ilustra muito esquematicamente o comportamento desejado, em função de esforços crescentes, da esquerda à direita.

[033] A figura 4A mostra uma peça perfilada de seca reta retangular sensivelmente uniforme. A Figura 4B mostra a mesma peça, munida de alterações locais, vistas em corte, enquanto que a figura 4C é uma vista de esquerda da peça da figura 4B.

[034] Neste exemplo, a alteração local se apresenta sob a forma de uma deformação, aqui por dobradura, de cada dos dois ângulos contíguos (1) e (2) da seção, enquanto deixa a face oposta (f) se deformar livremente. No curso desta operação, o perímetro da seção é sensivelmente conservado.

[035] A alteração das figuras 4B e 4C é pouco menos simétrica em relação a um plano longitudinal mediano P4 da peça.

[036] Em princípio, as alterações internas (dobradura) são sobre uma pequena face, e as alterações externas (relevo) sobre uma grande face.

[037] Em relação à figura 4, a figura 5 mostra uma alteração de mesmo princípio, mas nitidamente dessimétrica em relação ao plano longitudinal médio P5 da peça.

[038] Neste exemplo, a alteração local se apresenta sob a forma de uma dobradura do ângulo (1) e da face (f1), que é aqui a face superior, enquanto deixa a face adjacente (f2) se deformar livremente. Como no caso anterior, o perímetro da seção é sensivelmente conservado.

[039] A figura 6 mostra em perspectiva uma peça assim munida

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12/26 de três alterações A1 a A3 de acordo com a figura 5.

[040] Na prática, pode-se realizar as alterações por formação clássica (por exemplo, embutimento), ou ainda por hidro-formação, ou com a ajuda de outras técnicas de colocação na forma.

[041] A figura 6A dá parâmetros de posição e de solicitação de uma peça, por exemplo, de acordo com a figura 6, a dianteira do veículo estando à esquerda da figura.

[042] As figuras 7 ilustram as diferentes etapas (ou sequências) da deformação de um prolongador realizado em um corpo oco, aqui um tubo quadrado, munido sobre duas de suas faces opostas de enchimentos simétricos realizados perpendicularmente ao eixo longitudinal e que afeta toda a largura das faces referidas (dobra externas ou alterações externas) e sobre as duas outras faces opostas de dobraduras simétricas realizadas igualmente perpendicular ao eixo longitudinal e que afeta toda a largura das faces referidas (dobras internas ou alterações internas). Estas alterações da peça fazem o papel de escorva de acordo com o eixo. A Figura 7A representa o prolongamento ao repouso.

[043] À medida da deformação (esmagamento de acordo com o eixo longitudinal da peça):

- figura 7B: a primeira dobradura cuja formação foi gerada pela alteração da cabeça;

- Figura 7C: ela é seguida da formação de um segundo, de um terceiro, ... de um n e de uma última dobra;

- Finalmente, Figura 7D, observa-se um esmagamento completo da peça de acordo com seu eixo longitudinal (as dobraduras se formam uma após as outras como uma onda que se propaga a partir da primeira alteração).

[044] O técnicos qualificam este fenômeno de “enfeixamento”.

[045] As figuras 8A e 8B são respectivamente um ábaco que

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13/26 representa a evolução da curva esforço (eixo y) de acordo com o tempo (eixo dos x) para uma peça submetida a uma força axial pura de acordo com as figuras 7, e um ábaco que representa este mesmo fenômeno com em eixo x o valor do esmagamento (ou diminuição do comprimento) da peça durante o choque. Os esforços na peça são os mesmos sobre suas faces superiores e inferiores.

[046] As figuras 9 se referem a uma peça idêntica àquela da figura 7A. Mas elas ilustram o caso em que esta peça é submetida a esforços que combinam uma força exercida de acordo com o eixo longitudinal da peça e um torque exercido de acordo com um eixo perpendicular ao eixo longitudinal da peça e em um plano de simetria principal da peça (aqui de eixo perpendicular ao plano da figura). Tomando o caso de uma força fora de eixo F, resulta disso um esforço no eixo A e um torque C.

[047] Como se pode constatar, a peça sofre neste caso imediatamente uma deformação angular (quebra de seu eixo longitudinal fenômeno que os técnicos qualificam de “articulação”) o que tem por consequência uma absorção insuficiente da energia cinética (contrariamente à ilustração das figuras 7) e uma deformação (articulação) não dominada. Aumenta-se F; A e C aumentam conjuntamente e proporcionalmente. Em um primeiro tempo, a peça resiste (figura 9A); e depois ela passa no mesmo momento em articulação progressiva (Figuras 9B e 9D).

[048] As figuras 10A e 10B são respectivamente um ábaco que representa a evolução da curva esforço (eixo y) de acordo com o tempo (eixo dos x) para uma peça submetida simultaneamente a uma força e a um torque de acordo com as figuras 9, e um ábaco que representa este mesmo fenômeno com, em eixo x, o valor do esmagamento (ou diminuição de comprimento) da peça durante o choque.

[049] Aqui, a figura 10A mostra as leis de esforço em função do tempo na peça, com:

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- curva do alto: esforço máximo (face superior), e

- curva debaixo: esforço médio (face inferior).

[050] A articulação começa em uma zona próxima do primeiro pico de esforço. Ela é acompanhada da dobra da alteração sobre a face superior. Pode se considerar que a articulação é devida ao fato de que os picos de esforço nas duas faces opostas da peça não são nem de mesmo valor, nem simultâneas.

[051] A figura 10B mostra as leis de esforço em função do esmagamento na peça, com:

- curva do alto: esforço máximo (face superior), e

- curva debaixo: esforço médio (face inferior).

[052] O comportamento global não depende do domínio elástico senão no início da zona situada antes do primeiro pico. Além do primeiro pico, a figura 10B mostra as condições de esforço na peça durante a articulação, em função de sua deformação.

[053] As figuras 11A a 11E se referem a um exemplo de peça realizada de acordo com a invenção.

[054] Esta peça é munida, sobre pelo menos uma de suas faces, de alterações que não afetam a totalidade da face referida (em seção reta). Tais disposições das peças são denominadas aqui “alterações não simétricas” ou ainda “alterações dessimétricas”. Esta noção engloba tanto o caso em que, de acordo com um outro modo de realização, as alterações são orientadas, ou seja, que elas formam um ângulo não perpendicular com o eixo longitudinal da peça.

[055] Mais geralmente, é desejável que haja um plano de dessimetria da ou das alterações, este plano passando pelo eixo da peça. Podese considerar:

- que as alterações soam dessimétricas em relação ao eixo da peça, em um plano que passa pelo eixo da peça, e é perpendicularmente ao eixo do vetor torque (trata-se do plano da figura sobre a figura 11A),

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- ou ainda que a ou as alterações são dessimétricas em relação a um plano que passa pelo eixo da peça e pelo eixo do vetor torque (trata-se do plano que passa pelo eixo e perpendicular ao plano da figura sobre a figura 11A).

[056] Para uma tal peça, submetida como no caso das figuras 9 a uma força A e a um torque C, constata-se que a deformação se inicia pela formação de dobra a partir da primeira alteração, seguida da formação de outra dobra (enfeixamento) e depois de uma articulação. Em um tal caso, há então uma primeira fase de resistência à deformação, e depois sob o efeito do aumento da intensidade da força e do torque a aparição do fenômeno de enfeixamento (com absorção de energia cinética) seguido de um fenômeno de “articulação”. Como se verá em seguida, pode-se dominar o pinto de iniciação desta articulação, e também a direção da dobra correspondente. Isto permite esmagar os órgãos mecânicos de acordo com um cenário de deformação que permite preservar o habitáculo (ou limitar sua danificação) e, por este motivo, contribuir para preservar a integridade física dos ocupantes do veículo durante o choque.

[057] As figuras 11A a 11E se referem ao caso de uma peça munida de alterações dessimétricas, do gênero definido na Figura 5.

[058] Esta peça é submetida a um empuxe F, que, como anteriormente, traduz-se por um esforço no eixo A e um torque C, de eixo perpendicular ao plano da figura. Aumenta-se F, então A e C, proporcionalmente. É então possível obter o seguinte comportamento:

- em um primeiro tempo, a peça resiste (figura 11A);

- em seguida, diferente das figuras 10, é a enfeixamento que começa (Figura 11B), a peça que se retrai sobre si mesmo (ela dobra simetricamente em periferia);

- a enfeixamento prossegue (Figura 11C), e depois aborda a segunda alteração (Figura 11D);

- mais tarde, a peça passa em articulação (Figura 11E), com dobra

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16/26 dessimétrica.

[059] Nos exemplos que precedem, as alterações dessimétricas ficam sensivelmente contínuas em uma zona perpendicular ao eixo da peça. É possível realizar as alterações em oblíquo (“orientadas”), com uma inclinação escolhida. (Figuras 13).

[060] As curvas das Figuras 12A e 12B são o pendente daquelas das figuras 10A e 10B, mas para a peça das figuras 11.

[061] As figuras 12A e 12B mostram que a enfeixamento permanece tanto que se pode manter sensivelmente simultâneos os picos de esforço sobre as faces superiores e inferiores. É verdade na figura 12A para os dois primeiros picos, que correspondem às duas alterações, sucessivamente. Não é senão em seguida que se passa em articulação, a peça dobrando assimetricamente, em princípio em outro lugar do que sobre as alterações, como o mostra a figura 11E.

[062] Estas figuras 12A e 12B compreendem os dois ábacos que representam as curvas esforço/tempo e esforço/esmagamento para peças de acordo com as figuras 11.

[063] As figuras 13 representam uma peça que compreende, por um lado, aliterações dessimétricas, tendo por função iniciar a enfeixamento, e, por outro, uma (ou umas) alterações complementares, que podem ser de forma diferentes das anteriores, e têm por função iniciar a articulação. Demais, algumas pelo menos das alterações são orientadas.

[064] O comportamento da peça das figuras 13 pode ser descrito por curvas do mesmo gênero que aquelas das figuras 12.

[065] O número de zonas de alterações suscetíveis de engendrar a articulação pode ser 1, 2 ou 3, ou mais.

[066] Para o que se refere ao ponto escolhido de articulação, pode-se se limitar a uma única zona de alteração, ou ainda tomar várias delas,

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17/26 notadamente se vários pontos de articulação forem desejados.

[067] Um tipo de alteração dessimétrica pode ser, ao mesmo tempo, interna e externa, como mostra as figuras 14A e 14B, que são duas vistas da mesma peça de acordo com dois planos axiais perpendiculares. As seções retas das duas alterações são ilustradas em S1 e S2. Na figura 14A, as alterações apresentam dobras internas, enquanto que na figura 14B, as alterações são com dobras externas. Os dois planos de vistas podem aqui tratar dois componentes respectivos do torque.

[068] Na base, as alterações são zonas deformadas. Pode-se também adicionar ali orifícios ou perfurações, de modo escolhido, que reforçam o efeito das alterações. Em variante, pode-se também realizar as alterações apenas por orifícios ou perfurações, como se verá adiante.

[069] Dito de outra maneira, uma ou umas alterações pode (podem) vantajosamente ser abertas, ou seja, que seu topo (alteração externa) ou seu fundo (alteração interna) comporta um orifício (por exemplo, uma luz ou uma calibragem), cuja forma e os contornos serão escolhidos por exemplo em função das pressões de esforços aos quais conduz o cenário de crash.

[070] Um exemplo de alteração interna aparece na figura 15. Notase que a zona da aresta compreendida entre os dois orifícios é igualmente afetada de uma forma interna.

[071] A peça pode também ser pelo menos parcialmente munida interiormente de uma guarnição, por exemplo, uma espuma pouco compressível. Um preenchimento seletivo pode contribuir para a definição dos pontos de enfeixamento e/ou de articulação.

[072] As Figuras 16, 17 e 18 mostram diferentes estados de uma peça durante sua deformação, respectivamente em perspectiva, em vista de cima, e em vista de lado. As diferentes fases das figuras se correspondem sensivelmente. A peça comporta alterações α1, α2, α3 e α4. A figura 16A mostra

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18/26 que a alteração α1 comporta dois orifícios, semelhantes àqueles da figura 15. As alterações α2, α3 e α4, aqui de tipo dessimétrica interno, são bem visíveis na figura 18A.

[073] As figuras 16A, 17A e 18A representam a peça em repouso. No exemplo, supõe-se que a peça é sensivelmente livre em sua extremidade esquerda (dianteira do veículo), e incrustada em sua extremidade direita (lado berço). Trata-se de um perfil oco metálico cujas dimensões são, com as notações da figura 4A [garfos indicativos mínimos para este exemplo são dados entre ganchos]:

= 50 mm [30 a 60] h = 70 mm [40 a 90] e = 2 mm [1 a 4]

R = 5 mm [2 a 30] [074] As figuras 16B, 17B e 18B fazem aparecer um início de enfeixamento. Esta é acompanhada de um reforço limitado da extremidade esquerda da peça, que coloca esta na posição desejada para que o esforço aplicado se traduza por um enfeixamento, aqui combinada com uma leve articulação (zona de extremidade esquerda), [075] De acordo com as figuras 16C, 17C e 18C, e depois 16D, 17D e 18D, a enfeixamento anteriormente iniciada prossegue, enquanto que a leve articulação anteriormente iniciada permanece sensivelmente imutável. Até aí, é então a enfeixamento que predomina nitidamente. Ela permite absorver uma quantidade de energia muito significativa.

[076] Nas figuras 16E, 17E e 18E, e depois 16F, 17F e 18F, observa-se a dupla dobra da peça, ou dupla articulação: por um lado, a continuação desta já esboçado a esquerda, por outro lado, um outro ponto de articulação à direita, ligada aqui ao fato de que a peça é incrustada deste lado (berço).

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19/26 [077] Esta fase importante permite obter a dobradura procurada, da qual se viu que é absolutamente essencial em segurança automóvel.

[078] Um aspecto importante da invenção reside no fato de que a dobradura é precedida de uma fase de absorção de energia muito grande, como se viu.

[079] Se se retorna à figura 1, a invenção permite, para um prolongador de comprimento dado, obter a lei desejada de absorção de energia, e depois a dobradura. Se bem que isto visa essencialmente a via baixa da dianteira do veículo, não está excluído de aplicar a peça proposta a outros elementos da dianteira, ou ainda outros choques, por exemplo, laterais ou traseiros, até outras aplicações que não aquelas do automóvel.

[080] No estado atual de seus trabalhos, o requerente observou que uma peça que tem alterações simétricas (na proximidade de uma seca reta), que resiste sem deformação até um esforço limite Fmin, é capaz, além deste esforço Fmin, de absorção de energia por enfeixamento em caso de esforço axial puro, mas, por outro lado, vai neste momento rotular na presença de um componente de torque não negligenciável. Por outro lado, neste último caso, verificou-se possível, por uma escolha conveniente de alterações pelo menos em parte dessimétricas, obter inicialmente uma absorção, enquanto que a articulação significativa não intervenha senão mais tarde. Uma tal peça tem propriedades muito interessantes, que é possível prever, então escolher, em função de diferentes escolhas industriais. A escolha pode acontecer em parte por tentativas.

[081] O requerente procurou igualmente obter os efeitos desejados, usando apenas orifícios ou perfurações (“furos”). É o que se descreverá agora, na base de 5 grupos de figuras construtoras da mesma maneira, e que corresponde a 5 peças que possuem disposições diferentes de perfurações. As três primeiras peças consideradas têm furos colocados de modo

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20/26 dessimétrico (na proximidade de uma seção reta); as duas últimas peças têm, por outro lado, furos colocados de modo simétrico na proximidade de uma seção reta.

[082] A figura 19 ilustra, em vista perspectiva, o caso de uma alteração do tubo por dois pares de perfurações colocados sobre as arestas ou “quadros” inferiores do tubo. A figura 20 repete a figura 19 para facilitar a compreensão.

[083] Um teste foi definido para corresponder sensivelmente às condições do teste dito “EURO NCP” (teste europeu de crash), em uma velocidade inicial de 64 km/h, reproduzindo as condições de montagem da peça sobre um veículo, mas sem seu meio ambiente completo.

[084] Resulta disso que a peça é submetida a um esforço conjunto de compressão e acoplagem. E o torque tem por efeito que a parte superior do tubo (no alto das figuras) é mais fortemente solicitada.

[085] As vistas laterais das figuras 19A e 20A são tomadas em um momento próximo do início da deformação. Em seguida, as figuras 19B a 19D, assim como 20B a 20D, são tomadas em instantes posteriores deslocado de 2,5, de 5 e de 10 milissegundos, respectivamente.

[086] Em todas as figuras em vista lateral XY, ver-se-á no ponto T o traço de uma passagem de fixação que comporta a peça. Esta passagem não é propriamente falando uma alteração, se bem que ela possa igualmente desempenhar um papel.

[087] Constata-se que este tubo enfeixamento, e depois rotula.

[088] De seu lado, a figura 21A mostra o esforço medido em função do tempo, em tração puxada para a parte superior do tubo, e em traço pleno para sua parte inferior, este esforço passando por uma seção normal ao eixo do tubo. Em abscissa, o tempo contato em milissegundos. Em ordens, o esforço F é contado em milhares de daN.

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21/26 [089] Nas curvas “Esforço/tempo” e “Esforço esmagamento”, o fenômeno de articulação se inicia quando a curva “mergulha” até valores 0 ou negativos, quer dizer que a após a 3a crista. Nos gráficos, o traço desenhado vertical é uma marcação sobre o eixo X ( a cerca de 10 ms em tempo, ou 120 mm em esmagamento) e não o ponto de partida de início da articulação.

[090] Nota-se três cristas, que se pode considerar como precedendo imediatamente a formação das três dobras no tubo, que são sucessivamente visíveis nas figuras 19B a 19D, assim como 20B a 20D. Neste estado, o tubo se agrupa (enfeixamento). A partir de cerca de 2 milisegundos, o afastamento entre as curvas fica um pouco próximo constante a 3000 daN. Podese considerar que as oscilações destas curvas “acompanham” a entrada em jogo sucessivo das diferentes perfurações.

[091] Além de 10 ms, a face inferior passa em tração, o que corresponde a uma forte articulação. Mais precisamente, o esforço que resulta sobre a face inferior se torna uma tração a partir do momento em que a contribuição em tração devido ao torque se torna superior à contribuição devido ao esforço de compressão.

[092] A curva esforço/esmagamento da figura 21B mostra bem que a peça tem muito menos resistência em fase de articulação.

[093] Correlativamente, a curva de energia absorvida acumulada da figura 21C mostra que a energia absorvida nivela a cerca 4,5 quiloJoules quando entra-se em fase de articulação, enquanto que antes, ela fica muito próxima da linearidade.

[094] A notar que a peça é retida como no veículo, mas sem o conjunto do chassis que o envolve. Em um fenômeno de crash “completo” (levando em conta outros componentes que constituem o veículo e absorvendo igualmente da energia durante sua deformação) a energia absorvida é superior àquela aqui medida.

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22/26 [095] O comportamento de uma peça é ilustrado nas figuras 22 a 24, que são estabelecidas como as anteriores, e da qual não se descreverá então em detalhe a construção.

[096] Esta segunda peça possui dois pares de perfurações semelhantes previstas sobre duas faces laterais do tubo, e um par de perfurações, homólogos das primeiras em posição, situadas sobre a face inferior do tubo.

[097] A partir de cerca de 2 milissegundos, o afastamento entre as curvas fica um pouco próximo constante em um garfo de 2500 a 3000 daN.

[098] Esta vez, a curva de energia absorvida acumulada da figura 24C mostra que a energia absorvida nivela a cerca de 5 quiloJoules quando se entra em articulação. Antes, ela fia muito próxima da linearidade.

[099] O comportamento de uma terceira peça é ilustrado nas figuras 25 a 27, que são estabelecidas como as anteriores, e da qual não se descreverá em detalhe a constituição.

[0100] Esta terceira peça possui duas perfurações dispostas sucessivamente sobre a face inferior do tubo.

[0101] Observa-se que é possível obter, com este terceiro tubo, uma lei de esforço em que o afastamento entre a curva alta e a curva baixa a partir de 2 ms é um pouco próximo o mesmo que para o primeiro tubo. A allure geral da curva é um pouco diferente.

[0102] A curva de energia absorvida acumulada da figura 27C mostra que a energia absorvida nivela a cerca de 5 quiloJoules quando se entra em articulação, como para o segundo tubo. Antes, ela fica muito próxima da linearidade.

[0103] O comportamento de uma quarta peça é ilustrada nas figuras 28 a 30, da qual se comentará apenas o resultado.

[0104] Esta quarta peça possui quatro perfurações colocadas

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23/26 sensivelmente no mesmo nível longitudinal sobre as quatro arestas ou “quadros” do tubo. Lá também, as vistas laterais mostram que, sob o efeito de compressão , este tubo enfeixamento, e depois articulação.

[0105] Para este quarto tubo, observa-se que é possível obter uma lei de esforço em que o afastamento entre a curva alta e a curva baixa é um pouco mais próximo de 3000 daN, mas, esta vez, a partir de cerca de 5 ms. Os picos da curva são pouco marcados e o esforço é quase constante entre 5 e 10 ms.

[0106] A curva de energia absorvida acumulada da figura 30C mostra que a energia absorvida nivela nitidamente mais baixo que anteriormente, a cerca de 3,5 quiloJoules.

[0107] O comportamento de uma quinta peça é ilustrado nas figuras 31 a 33m da qual se comentará apenas os resultados.

[0108] Esta quinta peça possui quatro perfurações colocadas sensivelmente ao mesmo nível longitudinal sobre as quatro faces do tubo. Como anteriormente, este tubo enfeixamento, e depois articulação.

[0109] Mas nota-se que a fase de enfeixamento é mais breve, e que a articulação é acompanhada de um estalido”, isto é, pelo início de uma “dobra” sobre a parte direita da peça (ver figuras 31D e 32D), em uma zona em que não foram realizadas alterações. Isto significa que em caso de choque o ponto de aparecimento deste estalido é aleatório (não pode ser predeterminado), o que torna o cenário de dobradura da peça imprevisível, de onde riscos de nãodomínio das sequências deste cenário.

[0110] A energia absorvida é ainda mais fraca que anteriormente, uma vez que ela se nivela a 2 quiloJoules, com uma falta de linearidade, e sem que se observa de real transição entre a enfeixamento e a articulação.

[0111] Constata-se que o afastamento em energia absorvida é significativamente entre as três primeiras peças e as duas últimas, e que a

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24/26 energia absorvida durante uma simples articulação é ad ordem de 3 quiloJoules.

[0112] Lá onde o essencial de absorver o tanto de energia quanto for possível, preferir-se-á então perfurações dessimétricas, como descritas nos três primeiros tubos com perfurações . Naturalmente, os exemplos descritos são essencialmente ilustrativos, e poder-se-á combinar os furos sobre a aresta e sobre as faces, conservando o caráter dessimétrico, pelo menos parcialmente, se isto for desejado. Convém notadamente deixar material suficientemente para conservar a rigidez da peça. Isto pode se determinar de modo sabido.

[0113] O número de perfurações por seção é dependente do pico de esforço autorizado e do torque a contrariar. A energia absorvida pelo tubo é condicionada pelas dimensões do tubo e alterações.

[0114] No que precede, descreveu-se alterações por deformação (“embutido”), assim como alterações por orifícios (“perfurações” ou “furos”), ou suas combinações. Com efeito, como já mencionado, pode-se combinar as deformações e as perfurações, lá também com o sem o caráter dessimétrico.

[0115] No estado atual de seus trabalhos, a requerente estima que o uso de perfurações ou furos parece permitir reorientar o esforço na peça, enquanto que o uso de deformações ou embutidos parece permitir uma melhor enfeixamento da peça.

[0116] Os efeitos dependerão naturalmente das dimensões da seção. Com efeito, se se aumenta o tamanho da peça em seção reta, observase que o esforço suportado pela peça aumenta, da mesma forma que a energia que ela pode absorver. Na prática, é o espaço ocupado disponível para alojar a peça que definirá seu tamanho em seção reta, sob reserva de verificar a falta de flambagem.

[0117] Adicionalmente, diferentes materiais são suscetíveis de serem usados. A priori, pensa-se nos materiais de metálicos. É atualmente disponível trabalhar em diferentes matizes de aço e de alumínio, tais como

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25/26 usados, por exemplo, no domínio do automóvel, ou materiais compósitos como, por exemplo, plásticos carregados de fibras de vidro ou de carbono.

[0118] A requerente procedeu igualmente em comparações entre peças que têm diferentes geometrias em seção reta, com perímetros sensivelmente constantes. Isto corresponde a perfis cujas respectivas são, no sentido geométrico destes termos, superfícies cilíndricas a base sensivelmente circular, quadrado, retangular, hexagonal ou octogonal, por exemplo (a palavra “sensivelmente” significa notadamente que os cantos são arredondados de acordo com o caso). Malgrado as diferenças de comportamento no detalhe, parece que estas formas sejam um pouco próximas de equivalentes, dado que se fica relativamente próximo da simetria de revolução (um retângulo relativamente pouco achatado sendo considerado como verificando esta condição).

[0119] Estas constatações retomam a questão da esbeltez evocada acima.

[0120] Em um outro plano, tornou-se possível ajustar as dimensões dos pontos de iniciação, tendo em vista otimizar os desempenhos da peça levando em conta níveis de esforço e da energia absorvida desejadas.

[0121] Um compromisso poderá ser encontrado em função das seguintes considerações:

- é interessante aumentar a resistência mecânica do material, notadamente em termos de limite elástico, pois os resultados são então melhores durante o enfeixamento,

- por outro lado, quanto mais estas características mecânicas do material forem elevadas, mais se encontra um risco de instabilidade da peça em seção reta,

- no entanto, pode ser importante usar um material de um limite elástico muito alto (por exemplo aço dito THLE) nas zonas de um veículo que

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26/26 devem resistir sem se deformar durante um choque, como em particular o habitáculo que constitui o espaço de sobrevida para os passageiros.

[0122] Adicionalmente, a descrição que precede se interessa essencialmente por uma peça, que é por exemplo, como se indicou, um prolongador automóvel. Convém guardar o espírito que se pratica, este prolongador será precedido de um amortecedor de choques, que poderá assumir a resistência do conjunto durante um intervalo de tempo correspondente a aproximadamente aos dez primeiros milissegundos após o impacto. Naturalmente, a invenção pode igualmente se aplicar a outras peças constitutivas de um automóvel, em função das propriedades de resistência ao choque que lhe são requeridas.

[0123] Enfim, para aumentar a quantidade de energia absorvida, convém aumentar o número de alterações geradoras do fenômeno de enfeixamento, o que tem por efeito aumentar sensivelmente na mesma proporção o número de “dobras” de enfeixamento durante o choque, e por via de consequência a energia absorvida. O número de alterações deve, todavia, ser limitado a fim de preservar a estabilidade do fenômeno de enfeixamento que deve se efetuar de acordo com o eixo do tubo.

Claims

Reivindicações

1. DISPOSITIVO MECÂNICO COMPREENDENDO UM ELEMENTO DE ESTRUTURA ALONGADO DESTINADO A AMORTECER PELO MENOS PARCIALMENTE ALGUNS CHOQUES POR DEFORMAÇÃO, caracterizado pelo fato de que este elemento de estrutura ou peça compreende um tubo, sendo que o tubo compreende um perfil de seção reta escolhida, em que o perfil tem a forma geral de uma superfície cilíndrica reta, e este perfil sendo munido de alterações localizadas, de formas e posições respectivas, em que o elemento de estrutura possui um índice de esbeltez superior a 25.

2. DISPOSITIVO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos algumas das alterações são assimétricas. 3. DISPOSITIVO de acordo com a reivindicação 1,

caracterizado pelo fato de que pelo menos algumas das alterações são não uniformes em seção reta.

4. DISPOSITIVO de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que pelo menos algumas das alterações são estabelecidas com perímetro constante.

5. DISPOSITIVO de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das alterações é orientada.

6. DISPOSITIVO de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das alterações comporta um ou mais orifícios.

7. DISPOSITIVO de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que pelo menos algumas das alterações são dispostas sobre uma ou mais arestas da peça.

8. DISPOSITIVO de acordo com qualquer uma das

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2/2 reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que pelo menos algumas das alterações são dispostas em uma ou mais faces da peça.

9. DISPOSITIVO de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, compreendendo a via baixa da parte dianteira de um veículo, com pelo menos, um prolongador entre o berço e a estrutura frontal dianteira, caracterizado pelo fato de que o prolongador compreende o dito elemento de estrutura.

10. DISPOSITIVO de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o prolongador é sensivelmente encastrado em uma de suas extremidades.