Air Bag

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Contexte

Un airbag est un coussin gonflable conçu pour protéger automobile occupants de blessures graves en cas de collision. Le coussin gonflable fait partie d'un système de retenue gonflable, également appelé système de retenue à coussin d'air (ACRS) ou système de retenue supplémentaire à coussin gonflable (SRS), car le coussin gonflable est conçu pour compléter la protection offerte par les ceintures de sécurité. Les ceintures de sécurité sont toujours nécessaires pour maintenir l'occupant en place en toute sécurité, en particulier lors d'impacts latéraux, d'impacts arrière et de capotages. Lors de la détection d'une collision, les coussins gonflables se déploient instantanément pour amortir l'occupant exposé avec un gros oreiller rempli de gaz.

Un système de coussin gonflable typique se compose d'un module de coussin gonflable (contenant un gonfleur ou un générateur de gaz et un coussin gonflable), des capteurs de collision, une unité de surveillance de diagnostic, une bobine de connexion de volant et un témoin lumineux. Ces composants sont tous interconnectés par un faisceau de câbles et alimentés par la batterie du véhicule. Les systèmes d'airbag conservent une charge de réserve après avoir coupé le contact ou après avoir débranché la batterie. Selon le modèle, l'alimentation de secours dure entre une seconde et dix minutes. Étant donné que les composants essentiels au fonctionnement du système peuvent rester en veille pendant des années, le circuit du coussin gonflable effectue un "auto-test" interne à chaque démarrage, généralement indiqué par un voyant sur le tableau de bord qui s'allume brièvement à chaque démarrage.

Les capteurs de collision sont conçus pour empêcher le déploiement de l'airbag lorsque la voiture passe sur une bosse ou un nid-de-poule, ou en cas de collision mineure. Le gonfleur s'insère dans un module composé d'un sac en nylon tissé et d'une housse de protection en plastique détachable. Le module, à son tour, s'insère dans le volant pour les applications côté conducteur et au-dessus de la boîte à gants pour les applications passager avant.

Lors d'une collision frontale équivalant à frapper une barrière solide à neuf miles par heure (14,48 kilomètres par heure), les capteurs de collision situés à l'avant de la voiture détectent la décélération soudaine et envoient un signal électrique activant un initiateur (parfois appelé allumeur ou pétard). Comme une ampoule, un initiateur contient un fil fin qui s'échauffe et pénètre dans la chambre propulsive. Le propulseur chimique solide, principalement l'azoture de sodium, scellé à l'intérieur du gonfleur, subit alors une réaction chimique rapide (communément appelée chaîne pyrotechnique). Cette réaction contrôlée produit de l'azote gazeux inoffensif qui remplit le coussin gonflable. Pendant le déploiement, l'azote gazeux en expansion subit un processus qui réduit la température et élimine la plupart des résidus de combustion ou des cendres.

L'azote gazeux en expansion gonfle le sac en nylon en moins d'un vingtième (1/20) de seconde, déchirant le couvercle du module en plastique et se gonflant devant l'occupant. Lorsque l'occupant entre en contact avec le sac, l'azote gazeux est évacué par des ouvertures à l'arrière du sac. Le sac est complètement gonflé pendant seulement un dixième (1/10) de seconde et est presque dégonflé de trois dixièmes (3/10) de seconde après l'impact. De la poudre de talc ou de l'amidon de maïs est utilisé pour recouvrir l'intérieur du sac gonflable et est libéré du sac gonflable lorsqu'il est ouvert.

Historique

L'airbag trouve son origine dans les vessies remplies d'air décrites dès 1941 et brevetées pour la première fois dans les années 1950. Les premiers systèmes de coussins gonflables Un coussin gonflable côté conducteur typique s'adapte parfaitement à la colonne du volant. En cas de collision, le capteur de collision envoie une étincelle électrique à la cartouche du gonfleur, déclenchant une lecture chimique qui produit de l'azote gazeux. Le gaz se dilate, gonflant l'airbag et protégeant le conducteur. étaient volumineux et encombrants, utilisant principalement des réservoirs d'air comprimé ou chauffé, d'azote gazeux comprimé (N ₂ ), du fréon ou du dioxyde de carbone (CO ₂ ). Certains des premiers systèmes créaient des sous-produits dangereux. Un système particulier utilisait de la poudre à canon pour chauffer le gaz fréon, produisant du gaz phosgène (COCl ₂ )—un gaz extrêmement toxique.

L'un des premiers brevets pour les airbags automobiles a été attribué à l'ingénieur industriel John Hetrick le 18 août 1953. Conçu par Hetrick après un quasi accident en 1952, le design prévoyait un réservoir d'air comprimé sous le capot et des sacs gonflables sur la direction volant, au milieu du tableau de bord et dans la boîte à gants pour protéger les occupants des sièges avant, et à l'arrière du siège avant pour protéger les passagers des sièges arrière. La force d'une collision propulserait un poids coulissant vers l'avant pour envoyer de l'air dans les sacs. De nombreux autres inventeurs et chercheurs ont emboîté le pas, explorant tous des conceptions légèrement différentes, de sorte qu'il est impossible de déterminer avec certitude le parcours technique exact des premières conceptions au système actuel.

En 1968, John Pietz, chimiste pour Talley Defence Systems, a lancé un propulseur solide utilisant de l'azoture de sodium (NaN ₃ ) et un oxyde métallique. Ce fut le premier propulseur solide générant de l'azote, et il a rapidement remplacé les systèmes plus anciens et plus volumineux. L'azoture de sodium à l'état solide est toxique s'il est ingéré à fortes doses, mais dans les applications automobiles, il est soigneusement scellé à l'intérieur d'un conteneur en acier ou en aluminium à l'intérieur du système d'airbag.

Depuis les années 1960, les voitures équipées d'airbags lors de tests contrôlés et d'une utilisation quotidienne ont démontré l'efficacité et la fiabilité. L'Insurance Institute for Highway Safety a mené une étude sur le système de déclaration des accidents mortels du gouvernement fédéral à l'aide de données de 1985 à 1991 et a conclu que le nombre de décès de conducteurs lors de collisions frontales avait diminué de 28 % dans les voitures équipées de coussins gonflables. Selon La préparation du propulseur, première étape de la fabrication des airbags, consiste à associer de l'azoture de sodium et un oxydant. Le propulseur est ensuite combiné avec la cartouche d'initiateur métallique et divers filtres pour former l'ensemble gonfleur. Selon une autre étude menée en 1989 par General Motors, la combinaison de ceintures de sécurité sous-abdominales/épaulières et d'airbags lors des collisions frontales a réduit le nombre de décès chez les conducteurs de 46 % et les décès des passagers avant de 43 %.

En réponse aux préoccupations croissantes des consommateurs en matière de sécurité et aux pressions de l'industrie de l'assurance, le gouvernement fédéral a forcé les constructeurs automobiles à améliorer leurs dispositifs de sécurité. Premièrement, les réglementations du ministère des Transports (DOT) exigent que toutes les voitures, à partir de l'année modèle 1990, vendues aux États-Unis soient équipées d'un système de retenue passif. (Les systèmes de retenue passifs, qui ne nécessitent aucune activation par l'occupant, impliquent l'utilisation de ceintures de sécurité automatiques et/ou l'utilisation de coussins gonflables.) Si les constructeurs automobiles choisissent un coussin gonflable, la réglementation n'exige qu'un système côté conducteur jusqu'à ce que le modèle l'année 1994, lorsque les voitures équipées d'airbags doivent également inclure une protection passive du côté du passager. Une loi de 1991 exige des coussins gonflables pour le conducteur et le passager dans toutes les voitures d'ici l'année modèle 1998 et dans les camions légers et les fourgonnettes d'ici 1999.

Matières premières

Comme indiqué ci-dessus, un système d'airbag se compose d'un module d'airbag, de capteurs de collision, d'une unité de surveillance de diagnostic, d'une bobine de connexion de volant et d'un témoin lumineux. Cette section et la suivante ("Le processus de fabrication") se concentreront sur le module d'airbag lui-même.

Un module d'airbag se compose de trois parties principales :l'airbag, le gonfleur et le propulseur. L'airbag est cousu à partir d'un tissu en nylon tissé et peut se présenter sous différentes formes et tailles en fonction des exigences spécifiques du véhicule. Le matériau du coussin gonflable côté conducteur est fabriqué avec un revêtement d'écran thermique pour protéger le tissu des brûlures, en particulier près de l'ensemble de gonflage, pendant le déploiement. De la poudre de talc ou de l'amidon de maïs est également utilisé pour enduire le sac gonflable ; l'une ou l'autre substance empêche le tissu de coller ensemble et le rend plus facile à assembler. Les nouveaux matériaux de sacs gonflables enduits de silicone et d'uréthane nécessitent peu ou pas de revêtement de protection thermique, bien que la poudre de talc ou l'amidon de maïs seront probablement toujours utilisés comme auxiliaires de traitement.

La cartouche ou le corps du gonfleur est fabriqué en acier inoxydable estampé ou en fonte d'aluminium. À l'intérieur de la cartouche de gonflage se trouve un ensemble de filtre composé d'un treillis métallique en acier inoxydable avec un matériau céramique pris en sandwich entre les deux. Lorsque le gonfleur est assemblé, l'ensemble de filtre est entouré d'une feuille métallique pour maintenir un joint qui empêche la contamination du propulseur.

Le propulseur, sous forme de pastilles noires, est principalement de l'azoture de sodium combiné à un oxydant et est généralement situé à l'intérieur de la cartouche de gonflage entre l'ensemble de filtre et l'initiateur.

Le processus de fabrication

La production d'airbag implique trois ensembles distincts différents qui se combinent pour former le produit final fini, le module d'airbag. Le propulseur doit être fabriqué, les composants du gonfleur doivent être assemblés et le coussin gonflable doit être coupé et cousu. Certains fabricants achètent des composants déjà fabriqués, tels que des airbags ou des initiateurs, puis assemblent simplement le module d'airbag complet. La description suivante du processus de fabrication concerne l'assemblage du module d'airbag côté conducteur. Les ensembles de modules d'airbag côté passager sont fabriqués de manière légèrement différente.

Propulseur

• 1 Le propulseur se compose d'azoture de sodium mélangé à un oxydant, une substance qui aide l'azoture de sodium à brûler lorsqu'il est enflammé. L'azoture de sodium est reçu de fournisseurs externes et inspecté pour s'assurer qu'il est conforme aux exigences. Après inspection, il est placé dans un endroit de stockage sûr jusqu'à ce qu'il soit nécessaire. Dans le même temps, l'oxydant est reçu de fournisseurs externes, inspecté et stocké. Différents fabricants utilisent différents oxydants.
• 2 À partir du stockage, l'azoture de sodium et l'oxydant sont ensuite soigneusement mélangés sous un contrôle de processus informatisé sophistiqué. En raison de la possibilité d'explosions, le traitement de la poudre a lieu dans des bunkers isolés. Dans le cas où les capteurs de sécurité détectent une étincelle, les systèmes déluge à grande vitesse arrosent des pièces entières d'eau. La production a lieu dans plusieurs petites installations redondantes de sorte que si un accident se produit, la production ne sera pas arrêtée, mais seulement diminuée.
• 3 Après mélange, le mélange propulseur est envoyé au stockage. Des presses sont ensuite utilisées pour comprimer le mélange propulseur sous forme de disque ou de pastille.

Ensemble gonfleur

• 4 Les composants du gonfleur, tels que la cartouche métallique, l'ensemble de filtre - treillis métallique en acier inoxydable avec matériau céramique à l'intérieur - et l'initiateur (ou allumeur) sont reçus de fournisseurs externes et inspectés. Les composants sont ensuite assemblés sur une ligne de production hautement automatisée.
• 5 Le sous-ensemble gonfleur est combiné avec le propulseur et un initiateur pour former l'ensemble gonfleur. Soudage laser (à l'aide de CO ₂ gaz) est utilisé pour assembler des sous-ensembles de gonfleurs en acier inoxydable, tandis que le soudage inertiel par friction est utilisé pour assembler des sous-ensembles de gonfleurs en aluminium. Le soudage au laser consiste à utiliser des faisceaux laser pour souder les assemblages ensemble, tandis que le soudage par inertie par friction consiste à frotter deux métaux jusqu'à ce que les surfaces deviennent suffisamment chaudes pour se joindre.
• 6 L'ensemble de gonflage est ensuite testé et envoyé en stockage jusqu'à utilisation.

Airbag

• 7 Le tissu de sac gonflable en nylon tissé est reçu de fournisseurs externes et inspecté pour tout défaut matériel. Le tissu de l'airbag est ensuite découpé aux formes appropriées et cousu, à l'intérieur et à l'extérieur, pour joindre correctement les deux côtés. Une fois l'airbag cousu, il est gonflé et vérifié pour toute imperfection de couture.

Assemblage final du module airbag

• 8 L'ensemble airbag est ensuite monté sur l'ensemble gonfleur testé. Ensuite, le coussin gonflable est plié et le couvercle de protection en plastique détachable du klaxon est installé. Enfin, l'assemblage du module terminé est inspecté et testé.
• 9 Les assemblages de modules sont emballés dans des boîtes pour l'expédition puis envoyés aux clients.

Autres composants

• 10 Les autres composants du système d'airbag (les capteurs de collision, l'unité de surveillance de diagnostic, la bobine de connexion du volant et le témoin lumineux) sont combinés avec le module d'airbag lors du montage du véhicule. Tous les composants sont connectés et communiquent via un faisceau de câbles.

Les pièces de l'airbag sont découpées dans du nylon tissé, cousues ensemble et rivetées. Le sac est ensuite soigneusement plié pour qu'il rentre dans le couvercle du module en plastique.

Contrôle qualité

L'aspect contrôle de la qualité de la production des sacs gonflables est évidemment très important car de nombreuses vies dépendent de la fonction de sécurité. Deux domaines majeurs où le contrôle qualité est critique sont les tests pyrotechniques ou propulseurs et les tests statiques et dynamiques des coussins gonflables et des gonfleurs.

Les propergols, avant d'être insérés dans les gonfleurs, sont d'abord soumis à des tests balistiques pour prédire leur comportement. Un échantillon représentatif de gonfleurs est extrait de la chaîne de production et testé pour son bon fonctionnement par un test de gonflage à grande échelle, qui mesure la pression - créée par le gaz généré à l'intérieur d'un grand réservoir de 15,84 ou 79,20 gallons (60 ou 300 litres) - en fonction du temps en millisecondes. Cela donne une indication de la capacité du système de gonflage à produire une quantité de gaz à un débit donné, assurant un bon gonflage des coussins gonflables. Les sacs gonflables eux-mêmes sont inspectés pour détecter les imperfections du tissu et des coutures, puis testés pour détecter les fuites.

Des inspections automatisées sont effectuées à chaque étape de la chaîne de production pour identifier les erreurs. Un fabricant de sacs gonflables utilise la radiographie (rayons X) pour comparer le gonfleur terminé à une configuration principale stockée dans l'ordinateur. Tout gonfleur sans la configuration appropriée est rejeté.

Le futur

L'avenir des airbags s'annonce extrêmement prometteur car il existe de nombreuses applications différentes possibles, allant des sièges d'avion aux casques de moto. Les airbags du futur seront plus économiques à produire Les capteurs de collision peuvent être situés à plusieurs endroits à l'avant de l'automobile. Ces capteurs sont connectés au module d'airbag avec un faisceau de câbles. Deux autres composants clés d'un système d'airbag sont le module de diagnostic et le témoin. Le module de diagnostic effectue un test du système à chaque démarrage de la voiture, en allumant brièvement le voyant monté sur le tableau de bord. et plus léger; impliquera des systèmes plus petits et plus intégrés; et utilisera des capteurs améliorés.

Les coussins gonflables latéraux sont une autre possibilité qui fonctionnerait de la même manière que les coussins gonflables du côté conducteur et passager. Les coussins gonflables latéraux seront très probablement montés dans les panneaux de porte de la voiture et déployés vers la fenêtre pendant l'impact pour protéger la tête. Un rembourrage en mousse autour de la structure de la porte serait également utilisé pour amortir le haut du corps en cas de choc latéral. Des renforts pour la tête et/ou les genoux (coussins absorbant l'énergie) pour compléter le système d'airbag sont également à l'étude. Les coussins gonflables des sièges arrière sont également en cours de test, mais la demande des consommateurs ne devrait pas être élevée.

Les systèmes de sacs gonflables de rechange (systèmes génériques pouvant être installés sur n'importe quel véhicule déjà construit) ne sont actuellement pas disponibles. Étant donné que l'efficacité d'un coussin gonflable dépend de ses capteurs qui reconnaissent si un accident est suffisamment grave pour déclencher le déploiement, un système doit être réglé avec précision sur la façon dont un modèle de voiture spécifique se comporte en cas d'accident. Pourtant, les entreprises explorent la possibilité future de produire un système de coussin gonflable modifié pour la modernisation.

Un gonfleur hybride est actuellement testé qui utilise une combinaison de gaz inerte sous pression (argon) et de la chaleur d'un propulseur pour augmenter considérablement le volume du gaz. Ces systèmes auraient un avantage de coût, car moins de propulseur pourrait être utilisé. Les fabricants de sacs gonflables développent également des systèmes qui élimineraient le propulseur azoture de sodium, qui est toxique sous sa forme non déployée. Des travaux sont également en cours pour améliorer les revêtements qui préservent l'airbag et facilitent son ouverture. Finalement, les sacs peuvent ne pas avoir besoin de revêtement du tout.

À l'avenir, des capteurs plus sophistiqués appelés capteurs « intelligents » seront utilisés pour adapter le déploiement de l'airbag à certaines conditions. Ces capteurs pourraient être utilisés pour détecter la taille et le poids de l'occupant, si l'occupant est présent (en particulier dans le cas des sacs gonflables côté passager où le déploiement peut être inutile s'il n'y a pas de passagers), et la proximité du conducteur avec le volant (un conducteur affalé sur le volant pourrait être grièvement blessé par le déploiement d'un coussin gonflable).