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Airbag

Dispositif de sécurité des véhicules

Pour les articles homonymes, voir Airbag (homonymie).

Un airbag (littéralement « sac à air »), coussin gonflable de sécurité ou simplement coussin gonflable[1], est une membrane ou enveloppe flexible, dans laquelle un gaz est très rapidement injecté par une réaction chimique explosive (perchlorate), pour gonfler l'enveloppe et ainsi servir de coussin pour amortir un choc[2],[3].

Airbag déployé dans un hélicoptère.

Les airbags sont principalement utilisés dans les automobiles, pour protéger les passagers lors d'une collision et ainsi leur éviter de percuter violemment certains accessoires de la voiture (volant, vitres latérales, appui-tête avant pour un passager arrière, etc.). Leur efficacité optimale est obtenue dans leur association avec une ceinture de sécurité[4] et un prétensionneur de ceinture.

Historique

Dans l'industrie automobile

Ford et General Motors ont commencé, à la fin des années 1950, leurs expérimentations sur des dispositifs de retenue par airbags basés sur le brevet de 1953 de John Hetrick.

C'est Allen Breed qui, en 1968, inventa le détecteur d'impact. La détection d'une collision se faisait à l'aide d'une balle dans un tube. Plus tard, il collabora avec General Motors et Chrysler pour le développement de leur système d'airbag.

Buick Electra Limited 1975 avec airbags frontaux.

Les premiers airbags ont été installés sur des voitures de production en 1973 sur les Buick Cadillac et Oldsmobile modèle 1974.

Les airbags frontaux ont d'abord été testés sur une flotte de véhicules Chevrolet 1973.

Les ceintures aux épaules qui étaient standard à l'avant sur les automobiles américaines des années 1970 (sauf les décapotables) étaient enlevées sur les automobiles équipées des airbags frontaux vu que ceux-ci étaient conçus pour remplacer les ceintures en cas de collision frontale. General Motors installait tout de même des ceintures abdominales dont l'utilisation était recommandée pour protéger dans les autres types de collisions. L'airbag côté passager des voitures General Motors des années 1970 était situé dans la partie inférieure du tableau de bord et servait aussi de protection pour les genoux des passagers avant. La partie inférieure du tableau de bord des voitures équipées de ce système était coussinée du côté conducteur pour protéger les genoux en cas d'accident.

General Motors appelait cela « système de retenue par coussins d'air ». Comme sur les nouvelles voitures, l'airbag sur le côté passager des voitures General Motors des années 1970 était à déploiement variable selon la force de l'impact.

General Motors a cessé d'installer des airbags après 1976 parce que ceux-ci n'étaient pas très appréciés.

En 1980, Mercedes Benz en offrait de nouveaux dans ses voitures mais seulement du côté du conducteur.

Dans la recherche astronautique

Test du déploiement des airbags de la sonde Mars Pathfinder

Ce sont les sondes lunaires soviétiques Luna 9 et Luna 13, en 1966, qui les premières furent équipées d'airbags. Bien plus tard, les sondes martiennes telles que Mars Pathfinder, Mars Exploration Rover et Beagle 2 utilisèrent ce système. Cependant pour Beagle 2, bien que les airbags aient amorti le choc avec le sol, ces mêmes airbags ont bloqué le déploiement de la sonde à la surface de Mars, entraînant la perte de l'engin.

Au cours de la conquête spatiale, des ingénieurs de la NASA étaient chargés de développer des ballons gonflables (les futurs airbags) dans le cadre du développement des accéléromètres spatiaux[5]. L'airbag a été également utilisé pour l'atterrissage sur Mars du robot Sojourner en 1996.

Description technique

Les différentes parties d'un airbag

En termes de pièces d'équipement chez un constructeur automobile, l'airbag de sécurité est un module indépendant (appelé en Europe un « module-airbag » et « Module de coussin gonflable » dans la version francophone du règlement[6]). Il se loge en différents endroits du véhicule suivant l'utilisation : dans le volant pour le conducteur, dans le tableau de bord pour le passager, dans les piliers de portières ou de coffre pour protéger le thorax, rideaux latéraux pour protéger la tête, sous la colonne de direction pour protéger les genoux. Ce module est constitué de trois éléments :

Le générateur de gaz

Son déclenchement est géré par le calculateur, il débite des gaz afin d'assurer le gonflement du sac. Il existe trois types de générateurs : pyrotechniques, hybrides et de gaz froid (cold gas en anglais).

Les générateurs pyrotechniques n'utilisent pour générer des gaz que des éléments pyrotechniques : propergols solides, proche du carburant des fusées comme, de l'azoture de sodium (NaN3), du nitrate d'ammonium (NH4NO3) sous forme de pastilles ou de blocs. L'impulsion électrique est transmise à un allumeur et enflamme ces pastilles. Le propergol brûle dans une chambre de combustion et entraîne une libération du gaz diazote (N2), par des trous de diffusion, qui gonfle l'airbag. La réaction de formation du diazote est une décomposition spontanée de l'azoture de sodium au-dessus de 275 °C : 2NaN3 = 2Na + 3N2, le sodium réagissant immédiatement avec son environnement.

Les générateurs hybrides associent ces mêmes éléments à des gaz inertes stockés dans un réservoir indépendant (type gaz rares : argon, hélium…) Ces gaz viennent en complément de ceux créés par la combustion du propergol, pour les refroidir, mais aussi pour limiter la masse de produit explosif dans le générateur et conserver la même capacité de gonflage. Il existe actuellement sur le marché quelques modèles mettant les propergols sous pression avec le gaz mais ils sont rares.

Les générateurs de gaz froid ne sont qu'une réserve de gaz, libéré au moment du gonflage et la totalité des gaz du réservoir serviront à gonfler le sac sans aucune aide pyrotechnique.

Dans le cadre des générateurs hybrides et cold gas, il est difficile de garantir le bon fonctionnement du dispositif. En outre le contrôle de l'étanchéité du réservoir nécessite l'utilisation des techniques de détection de fuite. Il faut contenir des gaz entre 300 et 1 000 bars pendant toute la vie du produit.

L'airbag

Un airbag déployé côté conducteur d'une Seat Ibiza.

Constitué de toile plus ou moins épaisse, il est plié au-dessus du générateur de manière à assurer une cinématique de déploiement optimale (rapidité et placement du sac vis-à-vis de l'occupant à protéger).

L'airbag déplié contient 30 à 70 litres de gaz pour un airbag du conducteur et de 60 à 160 litres de gaz pour le passager[7],[8]

À l'arrière de certains airbags, des trous sont réalisés, appelés « évents ». Ils servent à calibrer le dégonflage de l'airbag, soit par pression de l'occupant, soit par effet naturel les gaz de combustion sortent de l'airbag. Les airbags qui ne sont pas équipés d'évents sont réalisés dans des matériaux plus ou moins poreux ; la membrane de l'airbag jouant dans ce cas-là le même rôle que les évents.

Les évents ou la porosité permettent également le dégonflage automatique de l'airbag après sa mise en œuvre.

Le boîtier et les capteurs

Le boitier électronique centralise les informations des différents capteurs, détermine via différents critères physiques la sévérité de la collision pour ensuite envoyer ou non un ordre de déclenchement à chacune des différentes protections. Le boîtier peut-être métallique, en plastique ou en fibres, il est généralement fixé au niveau de la commande de la boite de vitesses.

Le ou les capteurs, généralement accélérométriques, sont positionnés à différents endroits du véhicule. L'utilisation de plusieurs capteurs permet d'améliorer les temps de réponse et la robustesse du système de détection de crash.

Principe de fonctionnement

Le calculateur reçoit en permanence les mesures des différents capteurs. Un algorithme de collision, intégré dans le calculateur, calcule alors différents critères physiques. Chaque critère vise à évaluer une caractéristique précise. Le type de collision (frontale, latérale, arrière), la vitesse d'impact, la raideur de l'obstacle, la surface de contact entre l'objet percuté et le véhicule peuvent alors être évaluées. Ceci déterminera l'utilité de déclencher ou non telle ou telle protection et à quel moment.

Le constructeur définit les protections à déclencher et les temps de décision sur une série d'essais de laboratoire. Ceux-ci représentent les pires cas pour chaque type de collision (frontal, latéral, arrière, tonneau). Ils permettent de calibrer le système, les niveaux accélérométriques sur un même choc variant largement en fonction du véhicule. Ceci est dû aux différences structurelles des véhicules.

La vitesse d'impact minimale pour déclencher une protection est de l'ordre de 15 à 30 km/h pour une collision frontale, 15 à 25 km/h pour une collision latérale. Cette limite variant en fonction de la caractéristique du choc qui induit une cinématique différente de l'occupant.

Le système de détection est aussi capable de différencier :

Seule une collision doit déclencher la mise à feu d'une protection. Les autres types d'essai ne doivent en aucun cas provoquer le déploiement d'une protection, quelle que soit la vitesse d'impact, ceux-ci résultant d'une utilisation normale du véhicule.

Dans le cas d'un tonneau, la consigne de déclenchement est d'environ 30° par rapport à l'axe médian du véhicule en situation « normale ».

Une fois l'ordre de déclenchement donné, un signal électrique est envoyé à un actionneur pyrotechnique appelé « générateur de gaz ». Son rôle est de transformer le signal électrique du calculateur en un phénomène pyrotechnique destiné à gonfler l'airbag. Les gaz fournis par le générateur débitent dans le sac. Celui-ci est plié au-dessus de la diffusion du générateur.

Temps de fonctionnement

Les temps de fonctionnement des airbags dans un véhicule sont différents suivant leur localisation à bord, les airbags étant conçus pour un type de véhicule et une utilisation donnés. Leur dimensionnement est étudié grâce à des essais de déploiement et une même configuration peut se comporter différemment suivant les véhicules. Les valeurs données ci-dessous représentent donc des temps de fonctionnement moyen.

À titre de comparaison, le clignement de l'œil se fait en environ 150 millisecondes.

Il existe aussi des types d'airbags à simple étage plus simple, ou à plusieurs étages qui permettent de réguler la puissance d'explosion et donc la vitesse de fonctionnement, en fonction de la vitesse d'impact et/ou du nombre de passagers.

Couplage avec le prétensionneur

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Déclenchement des airbags lors du séisme du Sichuan de 2008

Sur une voiture, l'airbag est parfois associé à un prétensionneur de ceinture, un dispositif qui tend la ceinture de sécurité et plaque le passager contre le dossier. La tête vient reposer sur l'airbag au moment où le prétensionneur se détend. Puis l'airbag se dégonfle. L'airbag sert au moment où le véhicule est déjà immobilisé (le choc dure environ 1/10e de seconde), ou du moins a perdu une grande partie de sa vitesse.

L'intérêt de l'airbag

Lors d'un choc frontal, un airbag frontal diminue la probabilité de mourir de 25 % pour un conducteur ceinturé[7], les statistiques évaluent le système global et ne permettent pas de distinguer le rôle du prétensionneur de celui du ballon proprement dit.

Les risques liés à l'airbag

Risque de déclenchement tardif

Le risque principal est lorsque l'airbag ne s'est pas déclenché lors de l'accident, par exemple en cas de choc latéral, arrière, ou de tonneau. Le système de mise à feu pouvant être en mauvais état, les manipulations des sauveteurs lors de la désincarcération peuvent provoquer le déclenchement du système, avec les risques :

Certains systèmes disposant d'un condensateur (pour éviter que l'airbag ne fonctionne plus si la batterie venait à être détruite avant le déclenchement de l'airbag), ils restent ainsi actifs même après débranchement de la batterie. Le déchargement du condensateur prend environ une minute. Mais pour des raisons de sécurité, les secours intervenants sur place attendent, si cela est possible (victime ne présentant pas de traumatisme visible et pouvant sortir seule du véhicule), une dizaine de minutes.

Risque de blessure

Enfin, le déclenchement, lors d'un choc peut provoquer :

Selon une étude de l'université de science et de médecine de l'Oregon, les personnes de petite taille (moins de 1,55 m) auraient plus de risques de subir des blessures graves lors d'accidents impliquant un déploiement d'airbag[9].

Un airbag n'a pas assez d'espace pour se déployer si le conducteur est assis trop près du volant, soit 25 cm entre le centre de la poitrine et le couvercle du boitier. Dans ce cas l'airbag doit être désactivé[10].

Risque pour les bébés

Si on utilise un siège pour bébé « dos à la route » sur le siège passager avant, l'airbag doit être désactivé : son déclenchement provoquerait la propulsion du siège bébé contre le dossier du siège.

Le règlement CEE-ONU 94 prévoit une spécifiquement une étiquette d'information dans toutes les langues des pays appliquant ce règlement, comme le territoire de l’Union européenne, le Japon, ou la Fédération de Russie ou en Nouvelle-Zélande[11].

« NE JAMAIS installer de système de retenue pour enfants faisant face vers l’arrière sur un siège protégé par un COUSSIN GONFLABLE frontal ACTIVÉ. Cela peut provoquer la MORT de l’ENFANT ou le BLESSER GRAVEMENT »

— règlement CEE-ONU 94

Risque lié au gaz

Il existe aussi un risque d'intoxication en cas de contact répété avec les gaz contenus dans les airbags. Chez les fournisseurs d'airbags, et les équipementiers réalisant les essais de validation, sont installés de puissants systèmes d'aération ou de protection du personnel par masque à gaz.

Casques, vestes et combinaisons Ă  airbag

Afin de protéger les motards, Alpinestars a développé des combinaisons assorties d'un airbag en cas de chute[12],[13].

Parallèlement, Dainese a développé la veste à airbag D-AIR[14],[15],[16],[17],[18].

Une marque suédoise propose également un airbag à porter autour du cou et qui se gonfle en forme de casque pour les cyclistes urbains[19].

Airbag latéral externe

L'équipementier ZF teste fin 2018 un airbag externe, qui se développe sur le côté de la voiture pour minimiser l'effet d'un choc latéral[20].

Notes et références

  1. Grand Dictionnaire Terminologique
  2. « Les débats entourant le sac gonflable », Conseil de la sécurité routière du Canada, (voir archive)
  3. « Une étude de l'ONISER sur l'efficacité des coussins gonflables », Sénat français,
  4. C'est pas sorcier : airbag oui, mais avec ceinture - C'est pas sorcier, 5 juin 2006 [vidéo]
  5. Historia no 641, mai 2000, pp. 78-79
  6. Règlement CEE-ONU n°114 de l'accord de 1958
  7. Comment fonctionne l'airbag ? - L'Internaute, 5 septembre 2006
  8. Physique de l'airbag (voir archive)
  9. Craig D. Newgard et K. John McConnell, « Differences in the effectiveness of frontal air bags by body size among adults involved in motor vehicle crashes », Traffic Injury Prevention, vol. 9, no 5,‎ , p. 432–439 (ISSN , PMID , DOI , lire en ligne, consulté le )
  10. « Déclaration pour une demande de désactivation de sacs gonflables », Transport Canada [PDF]
  11. règlement CEE-ONU 94
  12. (it) Cristina Bacchetti, « Intervista. Jeremy Appleton: "Alpinestars è in continua crescita" », sur Moto.it,
  13. (en) Roy Furchgott, « From Alpinestars, a Motorcycle Suit That Inflates to Protect the Rider », sur The New York Times,
  14. « Airbag moto Dainese : 5 étoiles au classement SRA »
  15. « La Fédération internationale veut des airbags pour protéger les skieurs », Le Monde/AFP,
  16. (en) Roy Furchgott, « Adapting Car Safety Features to Motorcycles », The New York Times,
  17. (de) Heiko Haupt, « Airbag für Motorradfahrer: Die Rettungsweste », Der Spiegel,
  18. (it) Edoardo Segantini, « Esplora il significato del termine: Moto, occhiali e robot: Vicenza capitale Hi-tech Sbocciano i distretti tecnologici e «digitali». E crescono imprese come Dainese (air bag speciali), T-net (telefonia), Smania (mobili ecologici) », Corriere della Sera,
  19. (en-US) « Hövding – the new bicycle helmet with an airbag. », sur Hövding (consulté le )
  20. Futura, « Bientôt des airbags extérieurs pour les voitures ? », sur Futura (consulté le )

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes