Les crash tests dans l'automobile

Mec. Ind. (2001) 2, 189–198 2001 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. All rights reservedS1296-2139(01)01099-5/FLA

Les crash tests dans l’automobile

Alain DiboineTechnocentre Renault, Renault S.A., 78882 Guyancourt, France

(Reçu le 25 février 2001 ; accepté le 2 mars 2001)

Résumé—L’augmentation des accidents au début des années 50 a rapidement conduit les constructeurs à travailler sur l’améliorationde la sécurité dans les automobiles. Depuis cette époque, les exigences en matière de sécurité n’ont cessé de se durcir et dese complexifier. Aux règlements en vigueur sont récemment venus s’ajouter des tests consommateurs très sévères. L’expériencemontre toutefois que le fait d’être excellent sur les domaines réglementaires et médiatiques ne suffit pas à garantir un comportementsatisfaisant dans la réalité des accidents de la route. La conception des voitures au choc repose encore beaucoup sur les crashtests bien que les simulations aient fait d’énormes progrès. La complexité de la conception d’une structure est ici détaillée avec unaccent particulier sur la partie avant qui concentre sur elle un grand nombre de contraintes parfois antagonistes. Enfin, la sécuritéréelle n’étant pas seulement la résistance de la structure, l’exemple du développement du système de protection Renault SRP estdonné. L’efficacité de ce système développé sur la base d’analyses accidentologiques et biomécaniques et validé dans des crash testsest finalement démontrée par l’analyse des véhicules accidentés équipés de ce système. 2001 Éditions scientifiques et médicalesElsevier SAScrash test / structure / système de retenue / airbag / biomécanique / simulation

Abstract—Crash tests in the automotive industry. The increasing number of road casualties in the early fifties has rapidly pushedthe automotive industry to improve the safety of its products. Since then, the various regulations and constraints on the manufacturershave not ceased to be more stringent and more complex to address. Along the current regulations, very severe consumer tests havebeen recently introduced. However, the field accident data showed that it is not enough to comply with the regulations and to havegood ratings to be efficient in real world accidents. The design of our products still relies heavily on full vehicle crash tests, despitethe tremendous improvements in the quality of the simulations. The complexity of structure design is described in this paper with aspecial emphasis on the front end which is the cross road of many antagonist constraints. Eventually, the safety is not only focusedon structural design, and an example of the development of the Renault Protection System (PRS) is given. The real efficiency of thissystem, developped on the basis of accident data and biomechanics and validated thanks to full scale crash tests, is proved throughreal accident data on cars equipped with this system. 2001 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS

crash test / structure / restraint systems / airbag / biomechanics / simulation

1. INTRODUCTION

L’histoire des crash tests débute avec l’augmentationde la circulation automobile après la deuxième guerremondiale. C’est donc au début des années 50 que les pre-miers crash tests font leur apparition. Cette préhistoirede la sécurité portait surtout sur la conception de voiturecapable de supporter des accidents sans trop de déforma-tions de structure. La notion de protection des occupantset de système de retenue n’existait pas encore. On pen-sait que pour qu’une voiture soit bonne en crash il fal-lait qu’elle soit peu endommagée. On sait maintenant quecela se traduit en général par des décélérations difficile-

E-mail address: [email protected] (A. Diboine).

ment supportables par les occupants en tout cas comptetenu de la rusticité des systèmes de retenue à l’époque.

Depuis cette époque héroïque le contexte a considé-rablement évolué. D’un point de vue réglementaire, lesdifférentes normes se sont à la fois diversifiées pour cou-vrir au maximum les différents cas d’accidents (frontal,latéral, arrière, retournement) et durcies (vitesse crois-sante en choc frontal de 48 à 56 km·h−1 actuellement et60 km·h−1 dans un proche avenir). Une des contraintesmajeures à laquelle tout constructeur doit faire doréna-vant face est la diversité des règlements en fonction despays. L’Europe est maintenant homogène, mais il fautfaire face aux règlements en vigueur au Japon, aux USAou en Australie, chaque pays ayant ses spécificités. Onest encore loin de la voiture « mondiale » de ce point devue.

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Une autre contrainte est apparue au début des an-nées 90, avec la montée des tests consuméristes. Les pre-miers à développer ce type de tests en Europe ont été lesAllemands, en particulier avec le journal Auto Motor undSport. L’objectif ici n’est plus de passer une norme maisbien de classer les voitures selon des critères basés sur desmesures sur mannequins de crash et dans des conditionsd’essais en général plus sévères que celles des règlements(vitesse de choc frontal de 65 km·h−1 pour un règlementà 56 km·h−1 actuellement dans le cas de l’EuroNCAP).A partir de 1995, c’est l’organisme EuroNCAP en Europequi a pris une position incontournable. Les constructeursse livrent donc à une course au meilleur classement.

La difficulté actuelle de la conception d’un modèleen crash est donc de trouver le meilleur compromisentre des exigences qui peuvent être contradictoires :protection aux « grands » chocs, réduction des coûts deréparation, protection des piétons, compatibilité dans leschocs voiture–voiture. . .

Cette étude vise à décrire ces différentes contraintes,la manière dont les constructeurs y répondent, les limitesactuelles des développements liés à la sécurité des per-sonnes.

2. UN PEU D’HISTOIRE

Avec des moyens très rudimentaires, les premierscrashs apparaissent chez Renault vers 1950. A l’époquele seul objectif était l’intégrité de la structure. Il fallaitdonc, pour un choc frontal sur un mur rigide, que lavoiture se déforme le moins possible. Les informationsrecueillies lors de ces essais étaient assez rudimentaires :instrumentation embryonnaire, caméra rapide de faiblequalité et surtout pas de mannequins dignes de ce nom.Dès cette époque, on note un intérêt pour les chocsvoiture–voiture, et pour des chocs autres que simplementfrontaux : latéraux, arrière et retournements.

Sous la pression réglementaire, ces essais se sontrapidement complexifiés pendant les années soixante.C’est aussi la période pendant laquelle on a assisté àune augmentation incontrôlée du nombre de tués et deblessés sur les routes de France. Cette augmentation aconduit aux premières limitations de vitesses en 1973(110 km·h−1 sur les routes à grande circulation et100 km·h−1 sur les autres). Un an plus tard la vitesselimite était de nouveau réduite à 90 km·h−1 sur route.On notera que l’Allemagne reste atypique en Europeavec une relative absence de limitation de vitesse surson réseau autoroutier. C’est également en 1973 que laceinture de sécurité a été rendue obligatoire à l’avant hors

agglomération. Ce n’est qu’en 1979 que le port de laceinture de sécurité est rendu obligatoire en permanenceet en 1990 que le port de la ceinture à l’arrière estobligatoire. Il faut rappeler ici que de tous les systèmesde protection mis au point la ceinture de sécurité restecelui qui a apporté le plus et finalement pour un coût trèsfaible.

Les crash tests ont toujours la vocation de se rappro-cher de conditions d’accidents réels, c’est pour cela queles essais de face sur mur rigide ont été remplacés très tôtpar des essais décalés sur barrière déformable plus repré-sentatifs des accidents voiture–voiture que l’on pouvaitconstater dans la vie de tous les jours.

En parallèle des conditions d’essais, l’instrumentationet en particulier les mannequins a fait de gros progrès.Les premiers mannequins étaient constitués de bois et deplâtre et leur comportement n’avait qu’un lointain rap-port avec celui du corps humain. Les Américains ont faitrapidement progresser ces mannequins pour arriver main-tenant à des équipements qui sans être complètement re-présentatifs d’un corps humain, s’en rapprochent suffi-samment. L’introduction de ces mannequins a donné uneautre dimension aux crash tests puisque l’on a pu alors sefixer des objectifs non pas seulement d’intégrité de struc-ture mais également de bilan lésionnel lié aux mesureseffectuées sur ces mannequins. La nouvelle générationde mannequins sera encore plus bio fidèle et devrait per-mettre d’effectuer des mesures plus pertinentes encore.

3. LA PROBLEMATIQUE DE LA SECURITE

3.1. Accidentologie

De la définition des essais à réaliser pour valider lasécurité à la définition des stratégies de protection, toutcommence par l’analyse des accidents sur le terrain. De-puis plus de 30 ans les constructeurs Français travaillentensemble au sein du LAB (Laboratoire d’Accidentologieet de Biomécanique) à Nanterre. Le LAB a constitué unebase de données d’accidents et de bilan lésionnel uniqueen Europe. Lafigure 1 donne quelques informations surla répartition des types d’accidents en Europe en 1998.

L’analyse par exemple des données 1998 en Francenous montre bien la répartition des blessures et des tuésselon le type d’accident (figure 2). De la même manièrel’analyse de ces données permet de déterminer la relationentre le type d’accident et les lésions observées. Toutes

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Figure 1. Répartition des accidents dans quatre pays Européens.Figure 1. Accidents breakdown in four European countries.

Figure 2. Répartition des tués et blessés graves par type d’accidents en France en 1998.Figure 2. Accidents breakdown for road fatalities and severely injured in France in 1998.

ces informations couplées à une bonne connaissance dela biomécanique ont permis des avancées très sensiblesdans la sécurité ces dernières années.

On notera dans ces données d’accident que par exem-ple 50 % des accidents frontaux sont des crashs voiture–voiture. C’est ce qui a justifié chez certains constructeursdes efforts particuliers sur un domaine que l’on appellela compatibilité qui couvre la conception de voiture quipermette au mieux d’équilibrer les absorptions d’énergie.L’image classique est ce que l’on est dorénavant capablede faire pour répartir l’énergie du choc au mieux entreune petite et une grosse voiture comme par exemple entreune Twingo et une Laguna (plus de 400 kg d’écart demasse).

3.2. L’équilibre structure/retenue

La conception de base des structures modernes est ba-sée sur des extrémités avant et arrière capables d’absorberde l’énergie relayée par une cellule centrale extrêmementrigide pour protéger au maximum les occupants.

C’est en effet l’intrusion d’éléments de structurecomme la planche de bord, le volant, le tablier ou lepédalier que sont souvent à l’origine des blessures voiredes décès. Il est donc primordial de limiter au maximumcette intrusion en dessinant un habitacle aussi rigide quepossible.

Ceci posé, on va devoir concevoir la partie avant pourabsorber l’énergie cinétique du crash. Dans ce domaine

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on est totalement lié à la capacité du corps humain àsupporter la décélération résultante. L’idée maintenantancienne qu’une bonne voiture était une voiture quise déformait peu est fausse puisque dans ce cas ladécélération résultante est très élevée et l’on est blessé outué non pas par l’intrusion mais bien par la décélération.Il faut donc en permanence jouer entre la rigidificationdes structures avant et arrière pour absorber un maximumd’énergie et le développement de systèmes de sécurité :airbag/ceinture de sécurité/siège/planche de bord capablede transmettre la décélération de la manière la plusprogressive possible à l’occupant.

On ne se contente plus de mettre un airbag et uneceinture de sécurité mais bien de concevoir cet ensemblecomme un système en fonction de la structure danslaquelle on les place.

3.3. Règlements, essais médiatiques,exigences constructeurs

Il existe plusieurs niveaux d’exigences pour un com-portement au crash. Chacun de ces niveaux est évidem-ment validé par rapport à des séries d’essais de crash plusou moins sévères.

Le niveau réglementaire est en général le niveau leplus bas puisque pour être vendues, toutes les voituresdoivent s’y conformer. Ce niveau varie d’un pays àl’autre à la fois en terme d’exigences et en terme detype d’essais. Par exemple, en Europe, les deux crashsmajeurs font référence à l’ECE 95 pour le choc latéralet à l’ECE 94 pour le frontal. Pour le frontal, l’essai esteffectué à 56 km·h−1 contre une barrière déformable avec40 % de recouvrement. Les exigences portent à la foissur des intrusions (déplacement du volant et du pédalieraprès choc entre autre) et sur des critères mesurés surle mannequin. Aux USA, l’essai a lieu contre un murrigide avec un recouvrement de 100 % à 56 km·h−1,seuls deux critères mannequins sont pris en compte :l’accélération tête (HIC) et l’accélération thoracique.Par contre la réglementation Américaine a une exigencesupplémentaire concernant le système de retenue qui doitpouvoir également protéger un occupant non ceinturé,ce qui est une contrainte majeure bien que dans cecas là, l’essai ait lieu à une vitesse un peu plus faible(FMVSS208 56 km·h−1 et 48 km·h−1).

On retrouvera donc des différences plus ou moinsimportantes selon les pays, ce qui ajoute à la difficultéde concevoir une voiture avec une seule spécification« monde ». Par ailleurs, il est évident que cette multi-plication des règlements a une conséquence directe sur

Figure 3. Comparaison des niveaux réglementaires, média-tiques et Renault dans le cas du critère d’accélération tête HIC.Figure 3. Regulation, rating and in-house specifications com-paraison for the HIC “Head Injury Criterion”.

le nombre d’essais à réaliser quand on a l’ambition devendre des voitures un peu partout dans le monde.

Le passage d’une réglementation ne donne lieu àaucun classement des véhicules les uns par rapport auxautres, on passe la réglementation ou on ne la passe pas.

Sur les dix dernières années on a assisté à la montéedes essais consuméristes. Le principe est d’obtenir unclassement en crash des voitures les unes par rapport auxautres. Le mouvement a commencé en Allemagne sousla pression de journaux tels que Auto Motor und Sportou Autobild. Plus récemment (1996) c’est le consortiumEuroNCAP sous l’égide de la FIA qui a pris la têtedes comparatifs au niveau Européen. Partant du principeque toutes les voitures passent les réglementations, leseul moyen de les différencier est de sévériser cesessais. En général et en particulier pour l’EuroNCAP,la méthode d’essai est similaire à la réglementation(barrière déformable, 40 % de recouvrement) mais lavitesse plus élevée (64 km·h−1) et les critères structureet mannequins nettement plus sévères et plus completsque ceux de la réglementation.

Bien entendu aucun constructeur Européen ne sou-haite faire partie des mauvais élèves en sécurité. Ces es-sais ont donc été rajoutés aux essais déjà pratiqués parailleurs.

Au-delà de ces évaluations, certains constructeursmettent leurs propres exigences encore au dessus. C’esten particulier le cas si on estime que certains points del’accidentologie ne sont couverts ni par les règlements,ni par les essais médiatiques. Les planches de lafigure 3donnent une comparaison de ces écarts d’exigences dansle cas précis du critère tête, le HIC.

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4. LES CRASH TESTS ET LEURPERTINENCE

Pourquoi fait-on encore des crash tests ? C’est effecti-vement une question que l’on peut se poser avec le déve-loppement des simulations. Ces simulations aussi bonnessoient-elles ne sont pas encore capables de reproduireavec précision ce qui se passe dans la réalité, en par-ticulier dans la synthèse structure–retenue ou l’intégra-tion des mannequins numériques dans la structure. Lesconstructeurs sont donc toujours obligés de recourir auxessais grandeur nature pour conforter les calculs.

Ce qui a fortement évolué c’est la chronologie de cesessais dans un planning projet. Alors qu’il y a quelquesannées on était obligé de procéder à des essais très tôtdans les projets sur des prototypes dépassant largementle million de francs, on n’a plus recours à des essais survéhicule complet que vers le milieu d’un projet alors quele coût des prototypes a fortement diminué.

La panoplie actuelle des crash tests est relativementétendue, c’est d’ailleurs ce qui pose problème. On peutnoter cinq grandes catégories d’essais véhicule complet,sachant qu’en parallèle de nombreux essais de sous-systèmes sont réalisés par les constructeurs et les équi-pementiers :

• essais réglementaires et médiatiques,

• essais de réparabilité,

• intégrité de la structure et comportement de synthèsede la retenue,

• calibration d’airbag,

• essais spécifiques : compatibilité en particulier.

4.1. Règlements et essais médiatiques

Les crash tests qui sont effectués ont tous commeobjectif de proposer une ou des configurations d’essaisreprésentatives de l’accidentologie. C’est ce qui a motivél’introduction relativement récente des essais sur barrièredéformable avec un décalage. Ces essais sont apparusplus représentatifs des accidents réels où l’on trouve, dumoins en France, plus de 50 % des accidents frontauximpliquant deux véhicules avec des recouvrements trèsvariés mais en moyenne autour des 40 %. Les essais typeUSA, barrière rigide 100 % de recouvrement, sont trèsrares.

Il est évident qu’aucun essai, qu’il soit réglementaire,médiatique ou constructeur, ne peut prétendre couvrirtous les cas observés sur la route. Par contre, il s’agit ici

non seulement de se rapprocher le plus des conditionsréelles moyennes mais aussi de solliciter la voiture de lamanière la plus sévère pour garantir que dans la réalitéle véhicule se comportera bien dans un grand nombre deconfigurations.

Dans le cas des chocs frontaux, l’essai barrière défor-mable décalé est très exigeant pour la structure puisquecelle ci n’est sollicitée que d’un seul côté, par contre ilne génère que des décélérations modérées qui ne per-mettent pas toujours d’évaluer le comportement des équi-pements de sécurité dans des conditions extrêmes. L’es-sai mur rigide 100 % de recouvrement est lui moins exi-geant pour la structure puisque celle-ci est sollicitée demanière symétrique, mais par contre il génère des dé-célérations très élevées qui sont très exigeantes pour lessystèmes de sécurité. Certains programmes NCAP (US-NCAP par exemple et en discussion par l’EuroNCAP)envisagent de mettre les deux essais dans leur panoplied’évaluation. Les journalistes Allemands du journal AutoMotor und Sport ont utilisé un essai sur mur rigide à 15◦et 50 % de recouvrement à 56 km·h−1 qui faisait un peula synthèse des deux essais précédents en étant particuliè-rement sévère pour la structure tout en générant des dé-célérations importantes. Avec la montée en puissance del’EuroNCAP en Europe, cet essai a perdu de son poidsmédiatique mais certains constructeurs comme Renaultl’ont gardé dans leurs spécifications en le sévérisant.

Pour le choc latéral, on a trois types d’essais princi-paux :

• Choc barrière mobile (ECE95, EuroNCAP. . .) avec enEurope une vitesse unique de 50 km·h−1, le Japon auniveau du Japan-NCAPa choisi une vitesse plus élevéede 55 km·h−1.

• Choc poteau centré sur le passager avant (EuroNCAP,FMVSS201 USA) extrêmement exigeant pour la protec-tion latérale et qui nécessite un airbag latéral couvrant lethorax et la tête pour pouvoir être passé. Le choc poteauest effectivement représentatif d’accidents réels assez peunombreux mais qui conduisent à des bilans lésionnels trèslourds. La vitesse de 29 km·h−1 actuellement appliquéepeu paraître faible mais elle constitue une valeur très éle-vée compte tenu des spécificités du choc latéral : peu dezone d’absorption d’énergie et temps de mise à feu desairbags très courts.

• Choc en crabe spécifique aux USA.

Les autres exigences portent sur des essais sur l’ar-rière, le retournement, les chocs piétons que l’on ne dé-taillera pas ici mais qui font eux aussi partie des proces-sus habituels de validation ou réglementaires.

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4.2. Essais de réparabilité

Ces essais ont été amenés par les assureurs en particu-liers les assureurs Allemands pour obliger les construc-teurs à réduire les coûts de réparation pour les petitschocs. Les essais de référence sont au nombre de deuxun choc frontal à 15 km·h−1 contre un mur rigide avecun recouvrement de 40 % et un choc arrière également à15 km·h−1 avec une barrière rigide mobile de 1 000 kgavec le même recouvrement.

Ces essais donnant lieu à un classement en Allemagneet la réparabilité prenant une importance non négligeabledans les motivations d’achat, ces essais constituent unepart significative des essais réalisés. Ils sont aussi de-venus extrêmement dimensionnants et impactent doréna-vant toutes les autres prestations sécurité.

Le meilleur moyen de réduire les coûts de réparationest de réduire la déformation des parties avant et arrièredes véhicules. L’énergie à absorber étant constante, cerésultat ne peut être atteint qu’en augmentant le taragedes boîtiers de choc après-vente. Ce tarage conditionnedirectement celui des longerons en arrière puisque ceslongerons, destinés aux grands chocs, ne doivent pas êtredéformés pendant un choc après-vente. En une générationde voiture les constructeurs ayant intégré le choc après-vente sont donc passés à des tarages de longerons del’ordre de 3 à 4 tonnes à 8 à 10 tonnes. Cette évolutiona conduit à durcir considérablement les blocs avant. Lesconséquences sont sur la gestion de l’énergie dans lesgrands chocs : des tarages de longerons aussi élevésles rendent difficiles à stabiliser. En outre, le domainede la compatibilité voiture–voiture dont on parlera parailleurs se trouve fortement perturbé. Le durcissementdes blocs arrière a aussi une conséquence non négligeablesur les accélérations enregistrées en choc arrière et doncsur la violence du « coup du lapin », fréquent dans cetteconfiguration d’accident.

On le voit donc, l’équilibre des prestations reste unexercice délicat pour les constructeurs.

4.3. Intégrité de la structure etcomportement de synthèsede la retenue

Le cœur des crash tests est la mise au point del’ensemble structure–retenue. A ce jour il n’y pas demodèle de synthèse suffisamment fiable pour s’affranchirdes essais sur pistes.

Les constructeurs ont plusieurs choix dans leur straté-gie de conception : se placer à un niveau strictement ré-

glementaire, faire de l’optimisation médiatique ou placerla barre au niveau de la sécurité réelle et tenter de conce-voir des structures et des retenues aussi performantes quepossible. Chez Renault, c’est cette dernière philosophiequi a été appliquée depuis de nombreuses années. Celanous a conduits à être nettement plus exigeants que lesessais médiatiques et surtout plus complets dans les es-sais de mise au point. On peut citer quelques exemplesde cette exigence :

• Choc frontal : basé sur trois essais principaux barrièredéformable décalée sévérisé, mur rigide recouvrementcomplet sévérisé et mur rigide 15◦ décalé égalementsévérisé.

• Choc latéral : barrière mobile déformable sévérisée envitesse, garde au sol, poteau sévérisé en vitesse.

La sévérisation porte à la fois sur les conditionsd’essais : vitesse, mise en charge, nombre de mannequins(par exemple nous utilisons de manière pratiquementsystématique des mannequins enfants aux places arrière),et sur les critères mannequins que nous nous imposons.Ces critères sont définis sur des bases biomécaniquesavec l’aide du LAB. Un peu plus loin nous développeronsla conception des systèmes SRP et SRP2 destinés àprotéger la tête et le thorax des occupants. Ces deuxgénérations de systèmes, ont été basés uniquement surdes études accidentologiques et biomécaniques sans quel’on puisse réellement utiliser les mannequins que leurconstruction rend peu sensibles à l’efficacité de cessystèmes et par là même sans que l’on puisse valoriserces systèmes autrement qu’en vérifiant dans les accidentsréels leur fonctionnement.

Enfin, dernier élément de la stratégie appliquée, cesont les crash tests dits de « robustesse de conception »qui ont vocation non pas à atteindre un niveau d’excel-lence de protection, mais plutôt de vérifier la stabilité dela structure largement au-delà des vitesses courammentutilisées dans nos tests. L’objectif est de garantir l’inté-grité de l’habitacle aussi loin en vitesse que possible.

4.4. Calibration d’airbag

Une composante importante des crash tests est l’ac-quisition des signaux d’accélérométrie destinés à la miseau point de la calibration des airbags. La durée totale d’uncrash test sévère est de l’ordre de 150 ms. Le calculateurde l’airbag doit, sur la base du signal accélérométriquedécider de déclencher ou non l’airbag.

Au début du choc, il est impératif d’activer les sys-tèmes de protection le plus tôt possible pour éviter à l’oc-cupant de prendre trop de vitesse par rapport au véhicule

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qui s’arrête. Le calculateur a donc environ 20 ms pourprendre sa décision, sachant qu’il faut environ 30 ms pourgonfler l’airbag. Pour caler les différents paramètres dedéclenchement, l’équipementier va donc avoir besoin deplusieurs types de signaux dans plusieurs configurationsd’essais. On utilise donc les essais de mise au point clas-siques mentionnés précédemment, mais aussi des essaisdans d’autres configurations de vitesse et d’angle. En par-ticulier, on privilégie le non déclenchement dans les es-sais réparabilité et on détermine un seuil dit de feu/non-feu (déclenchement obligatoire, non déclenchement obli-gatoire) par l’intermédiaire d’essais spécifiques.

4.5. Compatibilité

La compatibilité voiture–voiture est un domaine an-cien puisque les premiers essais historiques chez Renaultdatent de l’après-guerre et les premières vraies étudesd’il y a plus de trente ans. Partant de la constatation queplus de 50 % des accidents impliquent deux voitures, oncomprend l’importance de cet aspect de la sécurité. Engénéral on illustre la compatibilité par l’écart de com-portement entre des voitures lourdes et des voitures lé-gères. Actuellement avec le renforcement des structureslié à la fois aux essais médiatiques type EuroNCAP etaux exigences des essais assurance, on commence à voirapparaître des conflits entre voiture de même masse maisde générations différentes. L’objectif de ces études quine font pour l’instant l’objet d’aucune réglementation nid’aucun test médiatique est de concevoir des structures etdes systèmes de retenue capables d’équilibrer les bilanslésionnels dans les deux véhicules quels qu’ils soient.

Les difficultés à résoudre sont de plusieurs types :

• assurer une bonne auto-protection de manière à préser-ver les habitacles des deux voitures,

• assurer une bonne compatibilité géométrique entre lesblocs avant de manière à exploiter au maximum lescapacités d’absorption des deux véhicules quelles quesoient leurs masses.

La première difficulté est en général résolue par lesessais sur barrière déformable. Il faut s’assurer que laforce d’écrasement des habitacles des voitures de lagamme est homogène.

Pour la deuxième difficulté, il s’agit de concevoirdes blocs avant aussi géométriquement compatibles quepossible ce qui, compte tenu des autres contraintes surcette partie de la voiture (encombrement du moteur,aérodynamique. . .) est un exercice extrêmement délicat.Par ailleurs, les efforts de longerons très élevés mention-

Figure 4. Contraintes de conception imposées au bloc avant.Figure 4. Design constraints on the front block.

nés précédemment rendent ceux-ci très « agressifs » vis-à-vis de la deuxième voiture.

Un autre domaine de la compatibilité, que la présencedes poids lourds dans notre groupe a rendu possible,est le travail sur la compatibilité poids-lourd/voiture par-ticulière. Le combat peut paraître largement déséquili-bré mais les études faites avec RVI autour d’un dispo-sitif d’anti-encastrement et éventuellement d’absorptiond’énergie ont montré que l’on pouvait tout de même amé-liorer la situation.

Ce domaine est donc encore en pleine explorationmais mérite largement le temps et les essais que l’on yconsacre.

5. LE CAS DU CHOC FRONTAL

La gestion du choc frontal est un très bon exemple dela complexité des contraintes de conception. Lafigure 4montre une partie de ces contraintes dont certaines sontantagonistes comme on a pu déjà le dire précédemment.

Chacune de ces contraintes va nécessiter une vali-dation sur véhicule complet. En prenant les principalesprestations une par une, on peut les classer par niveaud’énergie :

Choc piéton. Sur le bloc avant on simule l’impactentre le bouclier et une jambe. L’énergie en jeu est del’ordre du Joule. Pour atteindre les valeurs nécessairespour limiter les blessures, il faut une épaisseur de mousseau niveau de bouclier entre 45 et 70 mm. Par ailleurs lebouclier lui-même doit disposer d’un appui bas au niveaude sa lèvre inférieure pour éviter de plier la jambe dupiéton au niveau du genou.

Choc réparabilité. En général on doit limiter l’in-trusion autour de 150 à 170 mm pour éviter d’avoir à

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Figure 5. Répartition des efforts sur le bloc avant en fonctionde l’enfoncement de la structure.Figure 5. Evolution of the load on the front block with the crushdistance.

remplacer le phare, le capot, l’aile ou le radiateur. Le ni-veau d’énergie à absorber est de l’ordre de 12 KJ maissur une distance faible.

Grands Chocs. Dans ce cas on dépasse les 200 KJselon la masse du véhicule. Le problème ici est d’at-teindre une déformation aussi progressive que possible demanière à ne pas transmettre de valeurs trop élevées auxoccupants. On distingue dans cette partie quatre phases(voir figure 5) :

• déformation initiale avant contact du moteur,

• arrêt du moteur sur la barrière,

• effort fin de choc,

• effort de stabilité de structure.

Chacune de ces phases correspond à un niveau d’effortprécis. En particulier l’effort fin de choc est conditionnépar deux facteurs :

• L’autoprotection en grands chocs : nécessitée par lerespect du minimum d’intrusion fixé. On notera que ceteffort fin de choc devrait être logiquement plus faiblepour une petite voiture que pour une grosse (moinsd’énergie à dissiper même si la longueur d’absorption estplus faible).

• La compatibilité : on a déjà dit que pour que deuxvoitures soient compatibles, il fallait entre autre que leurrésistance fin de choc soit équilibrée, on s’attachera àavoir des valeurs aussi homogènes que possible au traversde la gamme.

D’un point de vue qualitatif les simulations ont énor-mément progressé récemment, mais le couplage des mo-dèles structure et retenue est encore loin d’être parfaite-ment fiable. Il devrait l’être dans un futur assez proche.

En ce qui concerne la structure il y a encore des lacunesdans nos simulations, elles portent essentiellement sur lamodélisation de la caisse elle-même :

• prise en compte de l’emboutissage dans les modèles(amincissement locaux, singularités géométriques liéesau process. . .),

• prise en compte de la tenue dynamique des pointsde soudure (modèle de point SR et critère de rupturedynamique),

• dispersion géométrique d’assemblage,

• dispersion de caractéristiques mécaniques,

• gestion fine du déplacement des différents éléments.

A un niveau global les modèles actuels pourraientsuffire mais pour les analyse fines, au niveau local, desréponses à ces limitations seront nécessaires.

Le développement de la sécurité de nos voitures nepourra passer que par une montée de la simulationseul outil apte à permettre l’évaluation de configurationsd’accidents difficiles ou impossibles à reproduire dansnos centres d’essais. C’est le cas en particulier desessais voiture–voiture. On a récemment vu s’ouvrir denouveaux centres d’essais : Volvo en Suède, Hondaau Japon ou ACTS à Cologne avec des possibilitésaccrues d’essais voiture–voiture avec incidence, mais cesessais ne pourront jamais être aussi exhaustifs que dessimulations et surtout nécessitent des véhicules d’essaisqui sont devenus extrêmement rares dans nos processusde développement en 24 à 30 mois.

6. LA CONCEPTION DU SYSTEME SRP2

L’idée du SRP ou « Système Renault de Protection »est née de l’analyse des accidents réels. Dans les années80, on a observé une augmentation croissante de la rai-deur des structures, le mouvement s’est encore amplifiédurant la dernière décennie. On a alors vu apparaître deslésions concentrées sur le thorax liées aux efforts trans-mis par la ceinture sur la cage thoracique. Dans un chocviolent cet effort peut atteindre et dépasser 1 000 kg.

Une analyse détaillée des lésions effectuée par leLAB a montré que le seuil de lésion au thorax était trèsfortement dépendant de l’âge et de l’état de santé desoccupants, les seniors étant les plus touchés. C’est ce quemontre lafigure 6 où sont représentées les courbes deprobabilité de lésions de type AIS2+ (fracture des côtes)en fonction de l’âge et de l’effort ceinture à l’épaule[1, 2].

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Figure 6. Utilisation des données d’accidentologie pour déterminer les lésions liées aux efforts transmis par la ceinture au thorax enfonction de la sévérité du choc et de l’âge des occupants.Figure 6. Use of accidentology data to evaluate the seat belt related thorax injuries as a function of crash severity and occupant age.

Ces données ont donc conduit à développer dans unpremier temps un limiteur d’effort à 600 kg (systèmeSRP première génération) en 1995 qui permettait delimiter l’effort transmis par la ceinture à cette valeur. Laconséquence était bien évidemment un déplacement plusimportant du corps dans l’habitacle.

Avec le développement rapide de la technologie desairbags, on a pu étudier un système complet où les effortsétaient partagés entre la ceinture et l’airbag. Il a falluconcevoir un airbag un peu particulier, plus volumineuxque les eurobags ou airbags de tête, de manière à répartirla pression sur l’ensemble de la tête et du thorax. Parailleurs cet airbag dispose d’évents qui permettent unerégulation en pression aidant à maintenir l’effort sur lethorax à un niveau acceptable par une large majorité desoccupants. Le principe est donc de répartir l’effort quin’est plus pris en compte par la ceinture sur toute lasurface de l’airbag, évitant ainsi de concentrer cet effortsur le seul parcours de la ceinture. Ce développements’est accompagné d’une réduction supplémentaire del’effort de la ceinture à 400 kg (système SRP2 1997)[3, 4].

Ces développements ont été effectués sur la base d’es-sais de sous-systèmes et validés en essais sur véhicule.Mais, il subsiste toujours un doute quant à l’efficacitéréelle de ces systèmes. Ni les essais, ni les mannequins, niles simulations ne peuvent reproduire à 100 % la réalité.La validation ultime de tout ce travail ne peut donc êtrefaite que sur le terrain, par l’analyse d’accidents réels.C’est ce qui a été fait une fois de plus avec le LAB surune soixantaine d’accidents. Cette étude a permis de vé-rifier que le SRP2 réduisait de 80 % les risques de lésionsgraves et de pratiquement 60 % les risques de lésions de

type fractures et au-delà par rapport à une ceinture de sé-curité seule. En particulier, l’objectif initial de protégerles occupants seniors a été atteint comme en témoignentles cas de personnes ayant dépassé les 60 ans.

Ce développement constitue un excellent exemple dela logique de travail que nous appliquons : partir de l’ac-cidentologie réelle, nous effectuons des développementsvalidés par des essais sous-systèmes, des simulations etdes essais véhicules mais au final nous vérifions sur leterrain la pertinence du travail effectué.

7. CONCLUSIONS

Les crash tests ont permis de faire considérablementavancer notre compréhension du fonctionnement desstructures et des systèmes de retenue.

Malgré le développement rapide des moyens de simu-lation, ils restent un élément incontournable de la valida-tion de synthèse d’une voiture.

On a montré que la tâche des constructeurs pourconcevoir une voiture répondant aux différents règle-ments, aux nouveaux tests médiatiques, aux contraintesde réparabilité et aux exigences de sécurité réelle commela compatibilité était de plus en plus complexe.

Le cas de la conception du bloc avant est un excellentexemple de la complexité de ces compromis.

Enfin on a montré que le développement d’un systèmede sécurité apte à protéger les occupants au niveau du tho-rax quand il était basé sur une étude approfondie de l’ac-cidentologie, de bonnes compétences en biomécanique et

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A. Diboine

des crash tests pertinents, donnait des résultats excellentsdans les accidents réels.

Le domaine de la sécurité est encore largement àexplorer, la simulation va nous y aider mais les essaisgrandeur nature resteront encore pour quelques annéesincontournables.

RÉFÉRENCES

[1] Foret-Bruno J.Y., Trosseille X., Le Coz J.Y., Bendjellal F.,Steyer C., Phalempin T., Villeforceix D., Dandres P., Got C.et al., Thoracic injury risk in frontal car crashes with occupant

restrained with belt load limiter, in : Proceedings of the 42thStapp Car Crash Conference, 1998, Paper No. 983166.

[2] Foret-Bruno J.Y., Hartemann F., Thomas C., Fayon A., TarrièreC., Got C., Patel A. et al., Correlation between thoracic lesionsand force values measured at shoulder of 92 belted occupantsinvolved in real accidents, in : Proceedings of Stapp Car CrashConference, USA, 1978, SAE Paper #780892.

[3] Bendjellal F., Walfisch G., Steyer C., Forêt-Bruno J.Y., Tros-seille X., The combination of a new airbag technology with abelt load limiter, in : Proceedings of the 16th International Tech-nical Conference on Enhanced Safety Vehicles ESV, Windsor,Canada, May 31–June 4, 1998.

[4] Trosseille X., Foret-Bruno J.Y., Song E., Baudrit P., Thedevelopment of chest protection, in : HLSB’ 99, Nagoya, Japan,December 1999.

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Documents

Les crash tests dans l'automobile