Comment fonctionnent les zones de déformation

La sécurité automobile a parcouru un long chemin au cours des dernières décennies, et l'une des innovations les plus efficaces est la zone de froissement. Aussi connu sous le nom de zone d'écrasement, les zones de déformation sont des zones d'un véhicule conçues pour se déformer et se déformer en cas de collision. Cela absorbe une partie de l'énergie de l'impact, l'empêchant d'être transmise aux occupants.

Bien sûr, assurer la sécurité des personnes dans les accidents de voiture n'est pas aussi simple que de faire s'effondrer tout le véhicule. Les ingénieurs doivent tenir compte de nombreux facteurs lors de la conception de voitures plus sûres, notamment la taille et le poids du véhicule, la rigidité du cadre et les contraintes auxquelles la voiture est susceptible d'être soumise en cas de collision. Par exemple, les voitures de course subissent des impacts beaucoup plus graves que les voitures de rue, et les VUS s'écraseront souvent avec plus de force que les petites voitures..

Nous allons découvrir comment les zones de déformation redistribuent les forces impliquées dans un accident, de quelles zones de déformation sont constituées et en savoir plus sur quelques autres systèmes de sécurité avancés qui sont actuellement testés. Nous découvrirons également comment les zones de déformation ont été intégrées dans les voitures de course et pourquoi un certain nombre de décès en course auraient pu être évités si le sport avait adopté ces caractéristiques de sécurité plus tôt. Nous examinerons même les zones de déformation conçues pour absorber l'impact massif d'une collision de train.

Pour connaître les forces impliquées dans une collision et pour savoir comment une zone de déformation bien conçue peut minimiser les blessures des occupants, lisez la page suivante.

Les spécificités des conceptions de zones de déformation sont généralement des informations exclusives que les constructeurs automobiles hésitent à divulguer. Ils peuvent varier considérablement en fonction de la taille et du poids du véhicule. Les concepteurs doivent trouver un équilibre entre une résistance aux chocs trop élevée et une résistance aux chocs trop faible. Les conceptions simples peuvent inclure des segments de cadre conçus pour se plier dans certaines zones ou se replier sur eux-mêmes. Des conceptions plus avancées peuvent utiliser une variété de métaux et d'autres matériaux soigneusement conçus pour absorber autant d'énergie cinétique que possible. Les voitures haute performance utilisent souvent une conception en nid d'abeille, qui offre une rigidité dans des conditions normales, mais peut s'effondrer et se déformer en cas de collision.

1. Force d'impact
2. Compromis de conception
3. Prévenir les accidents mortels en course automobile

Chaque fois qu'une voiture est impliquée dans un accident, des forces cinétiques intenses sont à l'œuvre. Une force donnée est présente lors de tout accident. Les chiffres réels varient en fonction de la vitesse et de la masse de la voiture et de la vitesse et de la masse de tout ce qu'elle heurte. Les physiciens mesurent cette force comme accélération -- même lors du passage d'une vitesse élevée à une vitesse inférieure, tout changement de vitesse dans le temps est scientifiquement appelé accélération. Pour éviter toute confusion, nous appellerons accélération de crash ralentissement.

Les zones de déformation atteignent deux objectifs de sécurité. Ils réduisent la force initiale de l'accident et redistribuent la force avant qu'elle n'atteigne les occupants du véhicule.

La meilleure façon de réduire la force initiale en cas de collision avec une quantité donnée de masse et de vitesse est de ralentir la décélération. Vous avez vu cet effet par vous-même si vous avez dû claquer les freins pour une raison quelconque. Les forces que vous ressentez lors d'un arrêt d'urgence sont beaucoup plus importantes que lorsque vous ralentissez progressivement pour un feu rouge. En cas de collision, ralentir la décélération ne serait-ce que de quelques dixièmes de seconde peut entraîner une réduction drastique de la force impliquée. La force est une équation simple:

Force = masse * accélération

Réduire la décélération de moitié réduit également la force de moitié. Par conséquent, changer le temps de décélération de 0,2 seconde à 0,8 seconde entraînera une réduction de 75% de la force totale..

Les zones de déformation accomplissent cela en créant une zone tampon autour du périmètre de la voiture. Certaines parties d'une voiture sont intrinsèquement rigides et résistantes à la déformation, comme l'habitacle et le moteur. Si ces pièces rigides heurtent quelque chose, elles ralentiront très rapidement, ce qui entraînera beaucoup de force. Entourer ces pièces de zones de déformation permet aux matériaux les moins rigides de prendre l'impact initial. La voiture commence à décélérer dès que la zone de déformation commence à s'effriter, prolongeant la décélération sur quelques dixièmes de seconde supplémentaires.

Les zones de déformation aident également à redistribuer la force de l'impact. Toute la force doit aller quelque part - le but est de l'éloigner des occupants. Considérez la force impliquée dans un accident comme un budget de force. Tout ce qui arrive à la voiture lors d'un impact et chaque personne à l'intérieur de la voiture au moment de l'impact dépense une partie de la force. Si la voiture heurte un objet non stationnaire, comme une voiture garée, alors une certaine force est transférée à cet objet. Si la voiture heurte quelque chose avec un coup d'œil et tourne ou roule, une grande partie de la force est dépensée pour tourner et rouler. Si des parties de la voiture s'envolent, on dépense encore plus de force. Plus important encore, les dommages à la voiture elle-même dépensent de la force. Plier des parties du cadre, briser les panneaux de carrosserie, briser le verre - toutes ces actions nécessitent de l'énergie. Pensez à la force nécessaire pour plier le cadre en acier d'une voiture. Cette quantité de force est dépensée pour plier le cadre, elle n'est donc jamais transmise aux occupants.

Les zones de déformation sont basées sur ce concept. Certaines parties de la voiture sont construites avec des structures spéciales à l'intérieur qui sont conçues pour être endommagées, froissées, écrasées et cassées. Nous expliquerons les structures elles-mêmes sous peu, mais l'idée fondamentale est qu'il faut de la force pour les endommager. Les zones de déformation dépensent autant de force que possible pour que les autres parties de la voiture ainsi que les occupants n'en subissent pas les effets.

Alors pourquoi ne pas faire de la voiture entière une zone de déformation géante? Et si vous avez besoin d'espace pour qu'une zone de déformation absorbe les chocs, comment construire une voiture compacte avec des zones de déformation? Nous vous expliquerons dans la section suivante.

-

Béla Barényi était un ingénieur et inventeur qui a passé la majeure partie de sa carrière à travailler pour Daimler-Benz. Son nom figure sur plus de 2 500 brevets. L'un de ces brevets, délivré en 1952, explique comment une voiture pourrait être conçue avec des zones à l'avant et à l'arrière conçues pour se déformer et absorber l'énergie cinétique lors d'un impact. Il a mis le concept en application en 1959 sur la Mercedes-Benz W111 Fintail, la première voiture à utiliser des zones de déformation [source: Office allemand des brevets et des marques].

L'absorption et la redirection de l'impact sont excellentes, mais ce n'est pas le seul problème de sécurité dont les concepteurs automobiles doivent se soucier. L'habitacle de la voiture doit résister à la pénétration d'objets extérieurs ou d'autres parties de la voiture, et il doit tenir ensemble pour que les occupants ne soient pas éjectés. Vous ne pouvez pas faire d'une voiture entière une zone de déformation parce que vous ne voulez pas que les gens à l'intérieur se froissent également. C'est pourquoi les voitures sont conçues avec un cadre rigide et solide enfermant les occupants, avec des zones de déformation à l'avant et à l'arrière. La réduction et la redistribution de la force s'effectuent à l'intérieur de l'habitacle par

utilisation des airbags.

Certaines parties des voitures ne peuvent tout simplement pas se froisser. Le moteur est le principal contrevenant - dans la plupart des véhicules, le moteur est un gros bloc d'acier lourd. Pas de froissement là-bas. Il en va de même pour les véhicules équipés de blocs moteurs en aluminium. Parfois, les voitures doivent être redessinées pour déplacer le moteur plus loin dans le cadre pour s'adapter à une zone de déformation plus grande. Cependant, cela peut également causer des problèmes - si le moteur est repoussé dans l'habitacle à la suite d'un impact, cela peut provoquer des blessures..

-Les réservoirs de carburant et les batteries, dans les véhicules électriques ou hybrides, doivent également être protégés contre les chocs pour éviter les incendies ou l'exposition à des produits chimiques toxiques. Ils peuvent être conçus de telle sorte qu'une section de cadre protège le réservoir, mais cette partie du cadre peut se plier à l'abri de l'impact. Par exemple, si une voiture est à l'arrière, le cadre se plie, soulevant le réservoir d'essence et absorbant un certain impact. Les voitures plus récentes ont des systèmes qui coupent l'alimentation en carburant du moteur lors d'un accident, et la Tesla Roadster, une voiture électrique haute performance, dispose d'un système de sécurité qui coupe les batteries et évacue toute l'énergie électrique des câbles qui traversent la voiture lorsque il détecte une urgence [source: Tesla Motors].

Bien sûr, il est facile de créer des zones de déformation dans un gros véhicule avec beaucoup d'espace pour se déformer avant que l'habitacle ne soit touché. La conception de zones de déformation dans de petits véhicules demande une certaine créativité. Un bon exemple est la smart fortwo, une très petite

et véhicule efficace. Le conducteur et le passager sont enfermés dans la cellule de sécurité tridion, un cadre en acier d'une excellente rigidité pour sa taille. La géométrie est conçue pour répartir les impacts sur tout le cadre. À l'avant et à l'arrière de la smart fortwo se trouvent ce que smart appelle boîtes de crash. Ce sont de petits cadres en acier qui s'effondrent et se froissent pour absorber les chocs. Parce que les boîtes de protection sont si petites, d'autres caractéristiques d'absorption des chocs ont été utilisées pour les compléter. Par exemple, la transmission peut servir d'amortisseur en cas de collision frontale. L'empattement court de la fortwo signifie que presque tout impact impliquera les pneus, les roues et la suspension. Ces composants ont été conçus pour se déformer, se détacher ou rebondir, aidant à absorber encore plus d'énergie cinétique lors d'un impact [source: smart USA].

Ensuite, nous verrons comment les zones de déformation aident à garder votre pilote de voiture de course préféré en vie.

-

Nous avons parlé de l'incroyable force cinétique au travail lorsqu'une voiture s'écrase, mais imaginez la force impliquée lorsque deux trains entrent en collision. En raison du poids immense d'un train, une collision peut créer des forces des dizaines, voire des centaines de fois plus importantes que celles d'un accident de voiture. Pourtant, les zones de déformation peuvent être utilisées même dans ces circonstances extrêmes. En utilisant des simulations informatiques 3D, les ingénieurs peuvent créer une zone de déformation qui se déformera régulièrement et uniformément pendant l'impact, absorbant la force maximale possible. Les zones de déformation sont ensuite placées aux deux extrémités de chaque voiture dans un train de voyageurs. En cas de collision, la réaction en chaîne des wagons qui claquent les uns dans les autres distribue la force à travers toutes les zones de déformation du train. Cela pourrait absorber suffisamment de forces d'impact pour éviter de blesser les passagers [source: Machine Design].

Même si vous n'êtes pas un fan de course automobile, vous avez probablement vu des images d'accidents spectaculaires dans lesquels des voitures dégringolent sur la piste, projetant des pièces dans toutes les directions alors que la voiture est littéralement détruite. Pourtant, miraculeusement, le conducteur sort de l'épave tordue et repart indemne. Bien que ces crashs semblent horribles, toute cette destruction spectaculaire dépense de l'énergie cinétique. Ce n'est probablement pas une conduite amusante pour le conducteur, mais la voiture fait exactement ce pour quoi elle a été conçue dans cette situation: protéger la personne occupant le siège du conducteur..

Il y a également eu de rares occasions où une voiture de course a heurté un objet solide à grande vitesse, comme l'accident du pilote NASCAR Michael Waltrip à Bristol en 1990. Il a heurté l'extrémité émoussée d'un mur de béton à des vitesses de course, et la voiture s'est arrêtée très soudainement. . L'impact a généré d'énormes forces, mais Waltrip n'a pas été blessé. La raison est évidente en regardant les restes de sa voiture ce jour-là. Il a été complètement et complètement détruit. Toute cette force a été dépensée pour la destruction de la voiture. De toute évidence, l'incident allait bien au-delà des capacités de toute zone de déformation, et en fait, c'était simplement une question de chance que rien ne s'introduise dans le compartiment du conducteur pour blesser Waltrip. La redistribution des forces lui a sauvé la vie.

Il y a cependant un contrepoint malheureux au concept. Des années 1980 au début des années 2000, il y a eu de nombreux décès en course en raison d'un châssis trop rigide. L'incident le plus connu est probablement la mort de Dale Earnhardt Sr. dans le Daytona 500 2001. L'accident ne semblait pas initialement grave et la voiture ne semblait pas avoir subi de dommages importants; cependant, c'était exactement le problème. Une grande partie de la force de l'impact a été transférée directement au conducteur, causant des blessures immédiates et graves. La blessure mortelle était une fracture du crâne basilaire, une blessure à la zone où le crâne et la moelle épinière se connectent. Cette blessure est la cause de la mort dans de nombreux accidents de course automobile, et elle se produit lorsque la tête se met en avant lors d'un impact alors que le corps reste retenu par des ceintures de sécurité. Alors que les dispositifs de retenue de la tête et du cou ont réduit l'incidence des fractures du crâne basilaire, la réduction des forces d'impact sur le conducteur a également joué un rôle majeur..

Plusieurs autres pilotes bien connus ont été tués au cours de cette période, ainsi que des pilotes moins connus dans les classes de modèles modifiés et tardifs de NASCAR qui couraient sur des pistes à travers les États-Unis. La raison de l'augmentation des accidents mortels était simplement la recherche de meilleures performances. Les concepteurs de voitures et les équipages recherchaient une meilleure maniabilité en créant un châssis plus rigide. Cela comprenait l'ajout de composants au cadre, l'utilisation de rails de cadre droits et le passage à des tubes en acier avec des parois plus épaisses. Bien sûr, ils ont rendu le châssis plus rigide, mais lorsque ces voitures inflexibles ont heurté un mur, il n'y avait pas de compromis. Aucune force n'a été absorbée par la voiture - le conducteur a pris la majeure partie de l'impact.

Même avant la mort d'Earnhardt en 2001, les circuits tentaient de trouver des solutions à ce problème. Des pistes dans le nord-est des États-Unis ont expérimenté des blocs géants de polystyrène industriel tapissant les murs, un concept similaire à la technologie des murs souples utilisée sur de nombreuses superspeedways aujourd'hui. Plus important encore, les voitures ont été changées. Des tubes en acier de calibre plus mince sont maintenant utilisés sur certaines parties du châssis, et les longerons du cadre sont courbés ou entaillés afin qu'ils se déforment de manière quelque peu prévisible lors de l'impact..

La voiture de demain de NASCAR, utilisée dans les courses de Sprint Cup, a de la mousse et d'autres matériaux absorbant les chocs insérés dans les zones critiques du cadre. Bien que la course automobile soit toujours un sport dangereux, l'utilisation d'une construction de châssis moins rigide, d'une technologie de paroi souple et de systèmes de retenue de la tête et du cou ont considérablement réduit les forces d'impact sur les conducteurs..

Pour plus d'informations sur les dispositifs de sécurité automobile, la course et d'autres sujets connexes, suivez les liens sur la page suivante.

-

Volvo a développé une autre technologie d'absorption des chocs destinée aux petites voitures. Le siège du conducteur est monté sur ce qui est essentiellement un traîneau sur un rail, avec des amortisseurs devant lui. Lors d'un impact, l'ensemble du «traîneau» (siège et conducteur inclus) glisse vers l'avant jusqu'à 8 pouces, et les amortisseurs font littéralement leur travail, absorbant le choc de l'impact. En même temps, le volant et une partie du tableau de bord glissent vers l'avant pour faire de la place au conducteur. Combiné avec une zone de déformation avant et éventuellement un airbag, ce système pourrait réduire considérablement les forces agissant sur le conducteur en cas de collision frontale [source: Ford Motor Company].

Articles Liés

• Comment fonctionne Crash Testing
• Pourquoi est-il encore nécessaire de tester les véhicules?
• Des crash tests ont déjà utilisé des occupants humains vivants (ou morts)?
• Comment fonctionnent la force, la puissance, le couple et l'énergie
• Comment fonctionnent les airbags
• Comment fonctionnent les freins antiblocage
• Comment fonctionnent les ceintures de sécurité
• Comment fonctionne la voiture intelligente
• Comment fonctionnent les voitures de course NASCAR
• Comment fonctionne la sécurité NASCAR

Plus de liens intéressants

• Magazine Circle Track
• Mondes matériels
• NASCAR

Sources

• Akins, Ellen. "La sécurité dans les petites voitures: le concept de sécurité Volvo". Ford Motor Company. 12 janvier 2005. (1er août 2008) http://media.ford.com/newsroom/feature_display.cfm?release=19713
• Bolles, Bob. "Stock Car Safety - A Refresher Course." Piste circulaire. (1er août 2008) http://www.circletrack.com/safety/ctrp_0805_stock_car_safety/index.html
• Conception de la machine. "La zone de crash va-t-elle s'effondrer? La FEA dit." 6 novembre 2003. (31 juillet 2008) http://machinedesign.com/ContentItem/62566/WillthecrashzonecrumpleFEAtells.aspx
• Mondes matériels. "Les effets des zones de déformation: s'écrase contre le mur." (1er août 2008) http://www.materialworlds.com/sims/Crash/
• Smart USA. "Une coque dure avec un intérieur doux." (1er août 2008) http://www.smartusa.com/smart-fortwo-safety-design.aspx
• Tesla Motors. "Sécurité." (31 juillet 2008) http://www.teslamotors.com/design/safety.php
• Office allemand des brevets et des marques. «Béla Barényi». (31 juillet 2008) http://www.dpma.de/ponline/erfindergalerie/e_bio_barenyi.html