Projet: appui-tête

https://drive.google.com/file/d/0B7nvNTAbfG0DdVF4d3VfZHFQUG8/view

1. Introduction

 

Description de l'objet

      L’appui tête est positionné sur le sommet du dossier d’un siège, il nous permet d’appuyer et de maintenir les vertèbres cervicales situées au niveau du cou en arrière de notre tête. Dans le cadre de l’automobile il joue un rôle de protection et de sécurité pour le chauffeur et les passagers en cas de choc car il nous permet de nous protéger de l’effet du coup du lapin, normalement le bord supérieur de l'appuie-tête doit se trouver au même niveau que le sommet de votre tête. C’est un dispositif réglable ce qui permet de l’adapter à chaque morphologie. Un appui tête est généralement constitué d’une armature métallique entouré de mousses et recouverte par du textile ou du cuir. Ils sont conçus dorénavant avec des matériaux qui absorbent l’énergie du choc et la réduisent au minimum en cas d'accident.

 Figure 1 - Appuie-tête actuel

État de l'art

Les appuie-têtes sur les places avant sont obligatoires en France depuis 1969. A ce jour, ils ne sont pas obligatoires sur les places arrière, mais proposé de séries par les constructeurs sur nos véhicules actuels. Les appuie-têtes sont vus aujourd’hui comme un élément gênant, mais sa présence prend une part importante dans la sécurité routière.

Dans une automobile, les appuie-têtes sont des éléments de sécurité pour le chauffeur et les passagers. Situés derrière la tête des occupants, ils sont solidaires du dossier des sièges, et servent à maintenir les vertèbres cervicales situées au niveau du cou en arrière du crâne. Le bord supérieur de l'appuie-tête doit se trouver au même niveau que le sommet de votre tête.

En cas de choc arrière, la tête des occupants d'un véhicule est vivement projetée en arrière, puis en avant. Ce mouvement brutal peut causer un traumatisme des vertèbres cervicales, appelé “coup du lapin”, pour lequel les appuie-têtes jouent un rôle d'amortisseurs.

 

Figure 2 - Appuie-tête convertible et modulable © Renault Communication     

Pour garantir leur efficacité maximale, de nouvelles configurations de sièges améliorent la position du dos, le maintien et le confort de la tête et offrent une parfaite adaptabilité du réglage de l'appuie-tête à la taille de l'occupant du siège

Pour les enfants, il existe des appuie-têtes à géométrie variable qui, lorsqu'ils sont déployés, s'adaptent à un jeune passager assis sur un rehausseur en formant un cocon protecteur autour de sa tête.

Imaginez la scène. Vous devez freiner brusquement. Le conducteur qui vous suit réagit trop tard, et vous heurte... Votre tête est violemment projetée en arrière, puis vers l'avant, et reprend sa position initiale.C'est le 'coup du lapin'. Les muscles de votre cou et vos vertèbres cervicales sont mis à rude épreuve.

Figure 3 - Répresentation du coup du lapin.

Le 'coup du lapin' (ou entorse cervicale) est l'une des blessures les plus fréquentes en cas d'accident de voiture, particulièrement en cas de choc arrière à faible vitesse. Les études prouvent que 95% des victimes d'un accident de la route souffrent des conséquences d'un coup du lapin. Mais les femmes encourent deux fois plus de risques d'en souffrir que les hommes.

En Europe, des millions de blessures de ce type sont recensées chaque année (1/3 des déclarations d'accidents avec lésions corporelles auprès des assurances) occasionnant un coût total de quelques 8 à 10 milliards d'euros par an. Il n'existe pas de chiffres exacts et fiables sur l'ampleur du problème en Belgique, mais nous avons quelques données provenant des pays voisins. Ainsi, l'Allemagne enregistre annuellement 400.000 cas de lésions dues à un 'coup du lapin', les Pays-Bas 25.000.

Les réponses au problème du 'coup du lapin'

Afin de pallier au réglage souvent inadéquat des appuie-têtes, différents systèmes ont été mis au point par les constructeurs et leurs sous-traitants. Quelques exemples :

Les systèmes où l'intégralité du dossier se déplace vers l'arrière en même temps que le passager afin de réduire les contraintes supportées par la colonne vertébrale et la nuque.

Les appuie-têtes actives: à partir d'une certaine force, le poids du corps pousse un levier faisant bouger l'appui-tête vers l'avant et vers le haut, afin de limiter les effets du coup de lapin, puis reprend sa position initiale.

L'appui tête 'à protection rapprochée', avec son coussin dépliable qui permet de réduire l'espace entre la tête et l'appui-tête.

Enfin, plus récemment, l'appui-tête gonflable qui fonctionne sur le principe de l'airbag.

L'appuie-tête active

DÉFINITION

À la différence d'un appuie-tête classique jouant surtout un rôle pour le confort, l'appuie-tête actif a une fonction non négligeable en cas d'une collision survenant par l'arrière : il se rapproche de la tête de l'occupant pour mieux la maintenir. Autrement dit, il fait partie de la dotation de sécurité passive d'une automobile, tel qu'un airbag.

PRINCIPE

En cas de choc arrière, la tête d'un individu va naturellement être projetée vers l'arrière. Si elle n'est pas suffisamment maintenue, la probabilité qu'un traumatisme des vertèbres cervicales se produise est très forte. En remontant et en s'avançant vers la tête lorsqu'un choc est détecté, l'appuie-tête actif réduit ce risque en minimisant la distance et la force son mouvement.

ETAT ACTUEL

Comme il repose sur un système mécanique intégré au siège, l'appuie-tête actif ne peut pas être rajouté en option sur une automobile : il fait partie intégrante d'un modèle ou d'une finition. Néanmoins, la plupart du temps, on ne le voit de série que sur les voitures haut de gamme dont la sécurité est un des points forts.

EVOLUTION

L'appuie-tête actif a été inventé en 1996 par le constructeur suédois Saab, initiateur de nombreux équipements de sécurité et de confort. Il le commercialise l'année suivante sur la routière 9-5. D'autres constructeurs automobiles reprendront ensuite le principe et tenteront de l'améliorer. Renault le complète par exemple par un enfoncement des épaules dans le dossier.

Problématique

L’entretien de l’appui-tête n’assure pas l’hygiène. Les vêtements des voyageurs peuvent l’infecter par contact.

L’appui-tête actuel n’est pas optimisé. En fait, l’appui-tête est tellement encombrant que les mouvements des voyageurs sont restreints. Parfois, cet encombrement peut aussi impacter la visibilité des voyageurs. De plus, un appui-tête inconfortable peut gêner les voyageurs lors d’un long trajet.

 

2Définition du Problème

Présentation de la méthode TRIZ

TRIZ, acronyme russe de « Théorie de la Résolution des Problèmes Inventifs », est une méthodologie dédiée à l'analyse et à la résolution des problèmes techniques nécessitant des solutions innovantes, ainsi qu'une théorie sur l'évolution technologique des produits. TRIZ est issue de l'étude d'un très grand nombre de brevets dans de nombreux domaines, qui a permis de mettre en évidence un certain nombre de « motifs d'invention » caractéristiques, indépendamment du domaine d'application considéré.

En utilisant le logiciel STEPS développé par l’INSA de Strasbourg, nous pouvons assez aisément utiliser cette méthode.

Intégralité des parties

Nous passons par l'intermédiaire du logiciel STEPS pour la première étape de notre démarche.

Dans un premier temps nous identifions la FPU (Fonction Principale Utile) de notre appuie-tête. Rappelons la fonction de notre système :

Les fonctions de l'appui tête aujourd'hui sont dans un premier temps une fonction de confort surtout pour les passagers, et une fonction de sécurité pour tous les occupants de la voiture lors d'un possible accident.

Analyse Multi-Écrans

GRAPHIQUE DE COMPÉTENCE

Nous pouvons alors établir le graphique de compétence du système. Nous indiquons initialement la FPU (Fonction Principale Utile) de notre système qui est de maintenir la tête lors d’un choc. Puis nous identifions les différents éléments qui constituent notre objet ainsi que les interactions qui les lient entre eux et avec l'utilisateur.

GRAPHIQUE D'ÉVOLUTION

Dans un deuxième pas, nous réalisons l'analyse multi-écrans de notre objet. C'est une des étapes clefs de la méthode de conception inventive TRIZ. Nous définissons donc le système qui est notre système, le super-système qui correspond aux différents éléments de l'environnement en interaction avec le système, et le micro-système qui rassemble les différents constituants de notre système système. Nous faisons un état des lieux de ces trois systèmes au cours du temps, sur les périodes d'autrefois et aujourd'hui, et nous imaginons les caractéristiques futures de notre système. Nous indiquons les paramètres qui ont évolués sur ces périodes aussi bien positivement que négativement. Le logiciel nous donne alors les paramètres à privilégier comme axe d'amélioration.

Analyse Multi-Écrans

LOI 1 (5/5)

La loi d’intégralité des parties est la première observation, chaque partie qui joue un rôle dans l’accomplissement de la Fonction Principale Utile doit être identifié selon une trame standard : le moteur, la transmission, le travail et le contrôle. Dans notre cas, on peut identifier le moteur comme étant la surface de l’appui tête, la transmission comme étant l’interface (qui dans la plupart des cas est la mousse), le travail comme étant l’amortissement du mouvement de la tête et le contrôle comme étant le contact physique (dépendant de la vitesse du choc).

LOI 2 (1/5)

La conductibilité énergétique se focalise principalement sur le gain en efficience, le but étant de gaspiller le moins possible l’énergie qui alimente notre système technique. Les pertes énergétiques doivent donc le plus possible être rapporté à zéro. Dans notre cas, l'énergie transmise par la tête à l'appui tête est égale à l'énergie absorbée, c’est à dire l’énergie qui est amortie par l'appui tête, plus l'énergie retransmise à la tête.

LOI 3 (2/5)

L’harmonisation consiste à optimiser l’harmonie de fonctionnement grâce à deux grandes catégories, la première étant l’harmonisation des formes et la seconde l’harmonisation de rythmes de fonctionnement. On peut parfois parler d’ergonomie, le but étant d’améliorer celle-ci dans afin d’obtenir un meilleur accomplissement de la FDU. Dans le cas de notre système nous pouvons améliorer l’harmonisation en augmentant l’ergonomie c’est-à-dire, par exemple, en modifiant les mousses et en améliorant l’adaptativité de l’appui tête à la tête.

LOI 4 (5/5)

L’idéalité est la recherche de l’objet idéal, c’est-à-dire un objet qui n’aurait pas de forme physique, cela réduirait le volume et la masse par exemple, mais qui conserverait sa fonction. Dans notre cas, cette loi n’est pas applicable car le système nécessite un contact physique afin de pouvoir effectuer sa fonction principale, pour ce faire il nous faut donc obligatoirement un système physique.

LOI 5 (4/5)

Le développement inégal nous oblige à analyser le système technique en profondeur afin de déterminer si un sous composant n’est pas en retard de développement par rapport au reste des composants, ce qui pourrait freiner l’efficacité du système. Dans notre cas, on peut observer que les matériaux utilisés au sein de l’appui tête ne sont pas forcément les matériaux les plus performants car cela permet de minimiser les couts de ce système.

LOI 6 (5/5)

La transition au super système nous oblige à nous interroger sur la fin de vie de notre système. L’appui tête est aujourd’hui, dans certains cas, intégré aux sièges notamment sur les voitures de sport et sur les voitures hauts de gammes.

LOI 7 (3/5)

La transition vers le micro niveau nous permet de rechercher un développement de notre système de l’état solide, vers le liquide et jusqu’au plasma, c’est-à-dire toujours du solide vers le liquide. Dans notre cas, notre système nécessite un contact physique, cette loi ne peut donc pas s'appliquer. Cependant, nous pourrions imaginer un matériau de type Gel, c’est-à-dire un matériau qui serait mou à l’état normal et qui lors d’un impact se durcirait, on peut prendre comme exemple les fluides Newtonien. On pourrait ainsi imaginer un appui tête adaptatif qui, automatiquement, s’adapterait à la forme de la tête.

LOI 8 (3/5)

La loi de dynamisation nous permet de faire évoluer notre système, c’est-à-dire que l’on va partir d’un système monobloc et essayer de le rendre plus flexible grâce à des étapes intermédiaires comme des liaisons. Dans notre cas, afin d'améliorer le confort ou la dépose de l'appuie tête, nous pouvons dynamiser notre système afin d'ajouter des mouvements de rotation et d'inclinaison, ainsi nous pourrions adapter l'appui tête à l'utilisateur.

LOI 9 (2/5)

La loi d’accroissement substances-champ nous permet de laisser libre court à l’imagination, nous cherchons à associer plusieurs systèmes afin de rajouter des fonctions et d’améliorer notre système principal tout en gardant la fonction principale de celui-ci. Cet ajout doit nécessairement être utile à l'accroissement de la pertinence de la FPU mais aussi ne pas être un simple empilement de fonctions par ajout d'objets supplémentaire. Dans notre cas, on peut déjà trouver dans l’appui tête un écran, du son, du chauffage et de la ventilation. On pourrait imaginer rajouter:

-          Un appui tête a mémoire de forme;

-          Un airbag latéral;

-          Une fonction massage;

-          Une mesure de l'activité cardiaque et cérébrale;

-          Intégration d'un système maintien du cou (type coussin en avion);

-          Un espace de rangement;

-          Une prise USB.

 

3. Analyse du Problème

 

Analyse Multi-Écrans

A partir de la méthode TRIZ il nous faut décrire notre problème sous forme de contradictions mais sans faire de compromis lors de la résolution de ces dernières.

Lors de la résolution, les contradictions ont été séparées en deux catégories de paramètres :

- Les paramètres d'action (PA) caractérisant l'objet

- Les paramètres d'évaluation (PE) agissant sur les PA

Afin de définir nos polycontradictions, nous avons utilisé les paramètres listés au début du processus (diagramme multi-écrans) et nous avons également créé de nouveaux paramètres plus spécifiques par rapport au système étudié.

Dans le but d’obtenir les principales contradictions à résoudre nous nous sommes intéressés aux paramètres d’évaluation.

Paramètres d’action

-          Matériau;

-          Coût;

-          Poids;

-          Volume;

-          Sécurité.

Paramètres d’évaluation

-          Résistance mécanique

-          Entretien

-          Diesign esthétique

-          Ergonomie

-          Prix

-          Mobilité

-          Visibilité

 

Polycontradiction et poids des matrices

 

Matrices exploitées

Première matrice:The volume of the Ensemble has to be both fin to satisfy the mobilité AND gros to satisfy the la résistance mécanique.

Seconde matrice:The volume of the Ensemble has to be both fin to satisfy the Visibilité AND gros to satisfy the la résistance mécanique.

Troisième matrice: The matériau of the Mousse has to be both performant to satisfy the ergonomie AND basique to satisfy the Prix.

 

 

4Résolution du Problème

 

 

 

Diagramme occurrence vs poids

Concepts de solutions

Dans notre cas nous ne nous intéresserons pas à la troisième matrice car le prix n’interviendra que bien plus tard dans le développement du produit

Solution 1 : Enveloppe protectrice

Le volume de l’ensemble doit être fin pour satisfaire la mobilité et gros pour satisfaire la résistance mécanique. (TC 4.1)

Une des fonctionnalités les plus importantes de l’appui-tête est de supporter la tête des gens dans la voiture en cas de choc. Pour ce faire, il faut que l’objet satisfasse la résistance mécanique, c’est pour cela que l’appui-tête est fait avec un volume important. Nous avons donc tendance à diminuer le volume et satisfaire la mobilité afin de pouvoir faciliter l’entretien de l’appui-tête.

L’idée de diminuer le volume ne nous aidera pas  assez pour résoudre la problématique de l’entretien. De ce fait, nous proposons d’ajouter un objet complémentaire – une enveloppe autour de l’appui-tête. À notre époque, quand le covoiturage devient de plus en plus commun, nous devons faire de plus en plus attention à l’hygiène de l’appui-tête. Ce serait donc plus pratique pour les conducteurs de changer juste l’enveloppe de l’appui-tête et non pas l’ensemble de ce dernier.

L’enveloppe pourrait donc être assez fine pour ne pas déranger l’utilisateur et la fonction de l’appui-tête et pourrait être faite dans un matériau facile à nettoyer. De plus nous pourrions imaginer l’enveloppe faite dans un matériau recyclable ou biodégradable afin qu’elle respecte l’environnement.

Solution 2 : Airbag intégré

Un volume important de l’appui tete gène la visibilité des occupants en place arrière.

Posons nous la question du volume : le volume est définit par :

-          Une zone de contact avec la tete en situation nominale (hors impact/ Accident), pour le confort.

-          Un maintien de la tête optimisé et latéral en cas de choc arrière (coup du lapin), pour la sécurité.

L’idéal serait d’avoir un volume optimisé pour respecter le confort, en définissant une zone minimale de contact.

LA FONCTION SÉCURITÉ

L’idée est d’incorporer des supports latéraux stockés à l’interieur de l’appui tete en situation nominale, mais pouvant se déployer lors de l’accident. Les appuis seront donc latéraux afin de préserver les cervicales de l’occupant.

 

5. Conclusion

Dans le but de réaliser ce projet il nous a fallu tout d’abord choisir le produit que nous souhaiterions améliorer, dans notre cas nous avons choisi l’appui tête car c’est un objet du quotidien qui n’a pas subi d’évolution majeur durant les dernières années. Une fois le sujet choisit et les recherches effectuées (état de l’art), nous avons commencé par travailler sur la loi d’intégralité des parties. Pour ce faire nous avons au préalable choisit une problématique, ce qui nous a permis de choisir un fil conducteur pour notre étude. Une fois ces étapes réalisées nous avons effectuer l’analyse multi-écrans, cela nous a permis de visualiser les évolutions du passé, du présent et ainsi de pouvoir définir les futures évolutions que nous souhaiterions. Nous avons ainsi pu définir des microsystèmes. A la suite nous avons rédigé et notés nos lois d’évolution sur une échelle de 0 à 5, 5 laissant le plus de possibilité pour une évolution et 0 indiquant que le système est optimal. Une des dernières étapes est la recherche des paramètres (PE et PA) afin d’obtenir les poly-contradictions, certains des paramètres d’évolution ont automatiquement était repris  de l’analyse multi-écrans et les autres ainsi que les paramètres d’action ont été choisis. On reprend ces paramètres pour créer nos poly-contradictions et leur donner un poids et ainsi obtenir le diagramme occurrence vs poids. Ensuite il nous suffit de choisir les contradictions qui nous semble les plus appropriées, on en ressort des matrices de solution où l’on va choisir des paramètres d’ingénierie qui seront de possible piste d’amélioration. Une fois toutes ces étapes réalisées nous avons présenté 2 solutions originales.

Parmi toutes les solutions proposées nous préférons prendre la première, en tenant compte de la dynamique nous pensons à ajouter une enveloppe protective sur l’appui-tête. La mobilité est exigée pour faciliter l’entretien de l’appui-tête, le volume est associé à la résistance mécanique contre le choc, nous considérons donc que la problématique doit nous permettre de trouver un compromis entre l’entretien et la résistance. Afin de traiter notre problème nous faisons un compromis qui est le positionnement d’une enveloppe sur l’appui tête, cela nous permet de ne pas changer la mobilité (l’appui tête est toujours démontable) ni le volume (la taille de l’appui tête reste la même). L’ajout de l’enveloppe protective n’influence pas la rigidité de l’appui-tête et est un moyen plus simple pour le nettoyer. Le choix du matériau pour l’enveloppe est flexible, par exemple l’utilisation d’un matériau recyclable pour faciliter le changement lors de covoiturage et pour respecter l’environnement ou d’un matériau confortable pour les familles.

Cette méthode nous permet de faire évoluer un produit en partant d’idées déjà utilisées dans d’autres produits et qui pourraient nous aider à atteindre notre objectif.

Ce projet a été très enrichissant car il nous a permis d’en apprendre davantage sur la méthode TRIZ qui nous était inconnu avant. De plus, cela nous a aidé à approfondir l’idée que nous nous faisions sur l’innovation et son intérêt.

 

https://drive.google.com/file/d/0B7nvNTAbfG0DdVF4d3VfZHFQUG8/view

 

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