PLASTIQUES ET COMPOSITES DANS LES VEHICULES RENAULT
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Direction des Laboratoires
Sce 0854 - M. Goupy / JL, le 20 janvier 1977

COMPTE RENDU N° 1897

PO 330 - DISPOSITIFS DE PROTECTION PASSIVE -

CASQUES POUR MOTOCYCLISTES

RESUME

Les divers travaux entrepris sur les casques nous ont amenés à comparer différentes méthodes d'essai de choc et les résultats correspondants sont rassemblés dans ce compte rendu qui sera joint à la réponse du Laboratoire de Physiologie à l'enquête publique lancée par l'AFNOR
M. Roubinet y établit une comparaison entre la procédure AFNOR et la norme US et relève au désavantage de la première :

Des propositions sont faites pour remédier à ces divers points.

M. Goupy


COMPTE RENDU N° 1897

PO 330 -CASQUES POUR MOTOCYCLISTES - OBSERVATIONS SUR LES ESSAIS DE CHOC
PROPOSES PAR L'A.F.N.O.R.

1 - PROBLEME POSE.

Dans le cadre de l'étude des dispositifs de protection passive, il nous a été demandé de comparer les différentes méthodes d'essai de choc concernant les casques pour motocyclistes afin de compléter les travaux effectués par le laboratoire de Physiologie.

2 - ESSAIS EFFECTUES

Nous avons effectué des essais de choc suivant le projet de norme AFNOR et suivant la norme US.

Nous avons enregistré simultanément la décélération de la masse mobile et les efforts appliqués sur la plaque de base. L'analyse des résultats nous permet d'apporter un jugement sur les points suivants :

3 - LES METHODES DE MESURE

Les résultats des chocs verticaux effectués suivant le projet AFNOR sur des casques d'essai et sur des casques du commerce ont été pointés sur un diagramme en fonction des décélérations et des efforts maxima enregistrés (voir figure 1)
On remarque, d'une part que la dispersion des efforts mesurés est beaucoup plus grande que celle des décélérations, et d'autre part que la loi F = m g est rarement vérifiée.

La comparaison des enregistrements g = f(t) et F = f(t) permet de comprendre ces différences (voir figure 2). En effet la propagation des contraintes depuis le point d'impact jusqu'au capteur d'effort s'effectue successivement à travers la calotte, l'absorbeur, la fausse tête, le support de cette dernière, et enfin la balance dynamométrique, laquelle repose sur un socle massif et rigide.

L'onde élastique est soumise à de nombreuses réflexions et les différents corps traversés vibrent à des fréquences et des amplitudes variables qui interfèrent et se superposent à l'effort réellement appliqué au point d'impact (F = m g)
Ces oscillations parasites ont des fréquences comprises entre 300 et 700 Hz et leurs amplitudes peuvent arriver en phase ou en opposition de phase avec la pointe d'effort appliqué, ce qui explique les dispersions constatées. L'amplitude des vibrations est fonction de la raideur et de la masse de la calotte.

L'étalonnage des capteurs dynamométriques effectué sous charges statiques ne se vérifie que pour des chocs sur des matériaux mous et épais.


Fig. 1

Fig. 2

4 - LES MÉTHODES D'ESSAI

Le choc d'une masse en mouvement contre une fausse tête casquée au repos n'est pas équivalent au cas le plus général du choc de la tête d'un motocycliste heurtant un obstacle fixe. En effet, la masse et la raideur de la calotte n'étant pas négligeables, on est donc en présence de deux systèmes différents.
(voir tableau ci-après)

Méthode A

Méthode B

- la masse mobile m1, représentant une tête en
mouvement, se trouve à l’extérieur du casque,

- la masse mobile m1, représentant une tête en
mouvement, se trouve à l’intérieur du casque,

- l’énergie mise en jeu est :

W = ½ m1 v0²

- l’énergie mise en jeu est plus grande :

W = ½ (m1+ m2) v0²
(en négligeant la masse de l’absorbeur)

- la calotte (k2, m2), initialement au repos, subit
un brutal déplacement pendant le choc et les
efforts appliqués sur le socle (m3) correspondent à :

F = m1 g1 + m2 g2
g1 et g2 n’étant pas parfaitement synchronisés

- mais le choc de la calotte (k2, m2) contre le
socle (m3) est peu ressenti par la fausse tête (m1)

Des essais ont été effectués selon les 2 méthodes sur différent casques.

Les résultats obtenus avec un modèle de casque du commerce sont donnés ici â titre d'exemple :

Méthode d'essai Chute d'une sphère
f = 97 mm
Choc sur une enclume
hémisphérique
f =97mm
Masse mobile : ml
Hauteur de chute : h
Energie : W

Vitesse d'impact ; V0
Masse de la calotte : m2
(masse du casque complet 0,9 kg)
Décélération maximum
de la masse ml : gmax
Effort maximum
appliqué sur le socle : Fmax
Enregistrement
3 kg
1,5 m
44 J

5,42 m/s
0,7 kg


104 g

675 daN
choc N°174 (figure 2)
5 kg
1,38 m
67 J (sans compter
le casque)
5,2 m/s
0,7 kg


88 g

495 daN
choc N°198 (figure 3

Bien que les valeurs de crête enregistrées soient plus faibles, le choc effectué selon la méthode US est plus sévère que celui effectué selon la méthode AFNOR (50 % d'énergie en plus, sans compter la masse du casque). Ceci est mis en évidence en calculant l'effort engendré par la décélération de ml :

Méthode d'essai Chute d'une sphère
f = 97 mm
Choc sur une enclume
hémisphérique
f =97mm

Effort calculé F = ml gmax
Rapport Effort mesuré/Effort calculé

306 daN
675/306=2,20
432 daN
495/432 = 1,15

Pour un laboratoire qui ne serait équipé que pour mesurer les efforts, la méthode d'essai B (chute du casque) donnerait des résultats plus justes et moins dispersés que la méthode d'essai A (casque au repos).

5 - LES ZONES D'IMPACT

Le projet de norme AFNOR ne prévoit que 2 zones d'impact pour effectuer les essais de choc :

- sur 1e sommet (sphère et percuteur plat)
- sur un côté (percuteur plat)

I1 est indiqué que "les matériaux de rembourrage ayant permis les amortissements des chocs doivent s'étendre sur toute la calotte au moins jusqu'à la ligne AA' à l'exception éventuellement d'une zone pour faciliter le dégagement de l'oreille."

Les zones d'impact en accidents réels ne se limitent évidemment pas à celles choisies pour les essais.

Nous avons donc effectué des essais de choc en différents points d'un casque pour voir si les résultats étaient voisins de ceux obtenus sur le sommet. Pour des raisons de commodité nous avons choisi la méthode US de chute d'une fausse tête casquée sur une enclume hémisphérique (voir photos et voir figure 3).

Zone d'impact Effort mesuré
Fmax
Décélération
gmax
Effort calculé
m1 gmax
Choc sur le sommet
Choc à 45° vers l'arrière
Choc à 45° vers l'avant
Choc à 45° vers le côté gauche

495 daN
540 daN
2200 daN
2040 daN

88 g
88 g
408 g
264 g

432 daN
432 daN
2000 daN
1300 daN

 

Photo 1 Photo 2 Photo 3 Photo 4 Figure 3

Le casque essayé comportait une calotte en ABS « choc » de 4,5 mm d'épaisseur et un absorbeur en PS expansé de 20 mm d'épaisseur dans toutes les zones d'impact ci dessus.

Les résultats des chocs inclinés de 45° vers l'avant ou vers un côté sont franchement mauvais.
Les essais sur le sommet ou à 45° vers l'arrière sont avantagés par le jeu qui existe entre l'absorbeur et la tête (environ 10 mm)

A énergie égale, les enfoncements peuvent donc être plus grands sous des efforts plus faibles.

6 - LES NIVEAUX D'EXIGENCE

L'enfoncement nécessaire pendant le choc pour ne pas dépasser un certain niveau d'effort peut se calculer par la relation :

Dl = W / h Fmax Dl = enfoncement en m
W = énergie en J
h = rendement de diagramme
Fmax = effort maximum en N

En effectuant les calculs avec les données numériques du projet de norme AFNOR on obtient :

Méthode d'essai Sphère sur
le sommet
Percuteur plat
sur le sommet
Percuteur plat
sur un coté
Masse m
Hauteur de chute h
Energie W
Effort maximum Fmax
3 kg
1,5 m
44 J
500 daN
5 kg
2,5 m
122 J
1500 daN
5 kg
1,5 m
74 J
1000 daN
Enfoncement calculé Dl
avec un rendement de
diagramme h = 100%
h = 50%


9 mm
18 mm


8 mm
16 mm


7,5 mm
15 mm
Choix du matériau absorbant :
épaisseur et rendement global
nécessaires.
Voir figure 4 Voir figure 5 Voir figure 6

 

Figure 4 Figure 5 Figure 6

 

Les matériaux constituant les absorbeurs ont des rendements de diagramme compris entre 50 % (raideur k = F/Dl = constante) et 100 % (écrasement sous F = constante). Les enfoncements devraient donc se situer dans les fourchettes indiquées.

La lecture du tableau montre que le même matériau absorbant ne peut pas répondre aux 3 problèmes posés. Il n'est pas possible d'absorber des niveaux d'énergie très différents sous un même enfoncement à moins d'intéresser des surfaces différentes.

Ce résultat est obtenu dans les essais effectués sur le sommet des casques ayant une calotte souple.

Les calottes souples sont dangereuses pour l'usager car l'effort de 500 daN n'est pas réparti sur la boîte crânienne.

Dans le cas de calottes rigides, il faudrait admettre un effort plus élevé à faible énergie (600 ou 700 daN au lieu de 500) et un effort plus faible à haute énergie (1300 ou 1400 daN au lieu de 1500)

7 - CONCLUSION

Le dépouillement des essais de choc effectués sur des casques pour motocyclistes selon différentes méthodes nous permet de formuler les remarques suivantes :

1°) la mesure des efforts donne des valeurs plus élevées et plus dispersées que la mesure des décélérations,

2°) la chute d'une fausse tête casquée donne des résultats moins dispersés et plus proches de la réalité que la chute d'une masse sur un casque au repos,

3°) il est dangereux de ne pas vérifier les performances au choc d’un casque dans toutes les zones d'impact possibles (il faudrait au moins 5 zones pour l’homologation).

4°) les niveaux d’exigence indiqués dans les essais de choc du projet de norme AFNOR favorisent les calottes souples au détriment des calottes rigides, plus performantes aux chocs à haute énergie.

Dans l'intérêt des usagers, nous pensons que les méthodes d'essai de choc du projet de norme AFNOR pourraient être modifiées dans un délai assez court sur les points 2 et 3, un dispositif de chute d'une fausse tête selon plusieurs inclinaisons étant assez simple à réaliser.

Pour permettre aux fabricants de casques d'amortir leurs équipements, la mesure des efforts serait provisoirement conservée, la corrélation avec la mesure des décélérations étant établie par ailleurs.

Enfin les niveaux d'exigence pourraient être maintenus, en admettant toutefois des dérogations pour les casques à haute capacité d'absorption d'énergie.

Pierre Roubinet

Montages et essais de Gilbert Alvez

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