Sicurezza strutturale
La sicurezza strutturale si basa sulla deformazione controllata. La carrozzeria deve assorbire e deviare l'energia dell'urto all'esterno dell'abitacolo, preservare uno spazio di sopravvivenza utilizzabile e mantenere il sistema di ritenuta e la batteria ad alta tensione entro i rispettivi limiti di progetto.
Rigida dove serve, deformabile dove è utile
Una carrozzeria sicura non è semplicemente quella più rigida. Le strutture deformabili anteriori e posteriori devono cedere progressivamente, così che il veicolo cambi velocità in un intervallo di tempo e su una distanza maggiori. Attorno agli occupanti, la cellula abitacolo deve essere sufficientemente resistente da limitare l'intrusione e mantenere porte, sedili, cinture e airbag in posizioni utili.
Gli ingegneri creano molteplici percorsi di carico attraverso longheroni, sottotelai, sottoporta, traverse, montanti, longheroni del tetto e pianale. Percorsi diversi entrano in gioco negli incidenti con sovrapposizione completa, moderata o ridotta, negli urti laterali, posteriori e contro un palo, nei ribaltamenti e nei casi di incuneamento sotto un altro veicolo. Un progetto efficace in una direzione può comunque mostrare una debolezza in un'altra.
I compiti principali sono:
- Gestire l'impulso dell'urto: deformarsi progressivamente anziché arrestare bruscamente l'abitacolo.
- Preservare lo spazio di sopravvivenza: limitare lo spostamento di piantone dello sterzo, pedali, cruscotto, porte, tetto e pianale verso l'interno dell'abitacolo.
- Sostenere i sistemi di ritenuta: mantenere ancoraggi delle cinture, sedili e zone di attivazione degli airbag nelle posizioni utilizzate per la taratura.
- Proteggere gli altri utenti della strada: gestire la compatibilità con veicoli di dimensioni e masse differenti e ridurre i contatti esterni pericolosi per pedoni e ciclisti.
Impatti laterali e spazio per gli occupanti
Negli impatti laterali vi è poca distanza di deformazione tra l'oggetto che colpisce e l'occupante. Sottoporta, montante B, longherone del tetto, barre nelle porte, traverse del pianale, struttura del sedile e airbag laterali devono condividere il lavoro. Le prove contro un palo concentrano la forza in una zona stretta, mentre quelle sul lato opposto esaminano il movimento verso il centro del veicolo.
La struttura laterale è particolarmente importante in un veicolo elettrico con piattaforma a skateboard, perché il pacco batteria occupa normalmente gran parte del pianale tra gli assi. Il progetto deve limitare sia l'intrusione nell'abitacolo sia la deformazione dell'involucro del pacco.
Proteggere la batteria di trazione
L'involucro della batteria fa parte di un sistema di protezione a più livelli. A seconda della piattaforma, può essere un gruppo rimovibile oppure contribuire più direttamente alla rigidità della carrozzeria. Sottoporta e traverse circostanti deviano i carichi laterali, le protezioni sottoscocca resistono ai detriti stradali, mentre i longheroni e le sezioni dell'involucro del pacco controllano la deformazione locale.
La protezione meccanica è solo uno dei livelli. Il sistema di gestione della batteria monitora celle e isolamento, mentre contattori o dispositivi pirotecnici possono scollegare il bus ad alta tensione dopo un incidente che soddisfa le condizioni previste. Le normative affrontano i rischi di scossa elettrica, perdita di elettrolita, incendio, integrità meccanica, vibrazioni, temperatura e propagazione termica. Sicurezza della batteria descrive nel dettaglio queste protezioni a livello di batteria.
La penetrazione nel pacco non è l'unico parametro importante. Una cella danneggiata può sviluppare un cortocircuito interno senza evidenti deformazioni esterne e un veicolo che ha subito un grave impatto laterale o sottoscocca può richiedere isolamento, ispezione e monitoraggio secondo le procedure di emergenza e riparazione del costruttore.
Come l'architettura di un veicolo elettrico cambia il problema
Una piattaforma elettrica offre agli ingegneri opportunità e vincoli differenti:
- L'assenza di un motore a combustione può liberare volume nella parte anteriore, ma sterzo, sospensioni, climatizzazione, ricarica, elettronica di potenza e strutture d'urto competono comunque per lo spazio.
- Un pacco montato in basso abbassa solitamente il baricentro e può ridurre la propensione al ribaltamento, ma restano necessarie la resistenza del tetto e la capacità di trattenere gli occupanti.
- Il pacco e il suo involucro possono irrigidire il pianale, ma il risultato dipende dal collegamento tra carrozzeria e pacco e dal modo in cui vengono trasferiti i carichi.
- I veicoli elettrici sono spesso pesanti rispetto alle dimensioni esterne. Una massa maggiore può proteggere gli occupanti in una collisione con un veicolo più leggero, aumentando però le forze imposte all'altro veicolo; per questo conta la compatibilità negli urti.
- Il pianale piatto può modificare la posizione di seduta e il sostegno sotto le cosce, aspetti che la taratura di cintura, sedile e airbag deve considerare.
Questi sono dati di progetto, non la prova che ogni veicolo elettrico sia più sicuro di ogni veicolo a combustione. Il risultato deve essere verificato sul modello esatto.
Sviluppo e prove di sicurezza strutturale Mercedes-Benz. Mercedes-Benz / YouTube.
Materiali e produzione
Le carrozzerie moderne combinano acciaio dolce, acciai avanzati e temprati in pressa, fusioni ed estrusi di alluminio, adesivi, saldature a punti, rivetti e lamiere saldate su misura. Il tipo di materiale viene scelto per una funzione locale: piegatura controllata, rinforzo ad alta resistenza, stabilità dei giunti, resistenza alla corrosione, producibilità o riparazione.
Le grandi sezioni fuse e i concetti di batteria strutturale possono ridurre il numero di componenti e cambiare i percorsi di carico, ma nessuna delle due soluzioni è automaticamente più sicura. Le prestazioni dipendono dal progetto dei giunti, dalla qualità della fusione, dal comportamento delle cricche, dalla ridondanza, dagli elementi deformabili sostituibili e dall'intera struttura sottoposta a prova.
La simulazione al computer consente agli ingegneri di studiare molte configurazioni d'impatto prima che esistano prototipi fisici. Le prove reali su componenti, slitte, barriere, pali e tra veicoli restano essenziali, perché i modelli devono essere correlati con materiali, giunti, manichini e modalità di cedimento reali.
Che cosa rivelano le prove d'urto
Il video di una prova d'urto può apparire drammatico anche quando la struttura si comporta come previsto. Tra le evidenze utili figurano l'impulso d'urto misurato, l'intrusione nel vano piedi e presso i montanti, la deformazione dell'apertura delle porte, le misure di lesione dei manichini, l'interazione dei sistemi di ritenuta, le condizioni della batteria e il funzionamento di porte e sistemi di emergenza dopo l'impatto.
Le prove con sovrapposizione ridotta sono particolarmente indicative perché l'urto può evitare i principali longheroni anteriori. IIHS riferisce che i veicoli con buone prestazioni nella propria valutazione con sovrapposizione ridotta sul lato del conducente hanno mostrato un minor rischio reale di mortalità del conducente negli incidenti frontali rispetto ai veicoli con una valutazione scarsa.
Prova d'urto tra una Chevrolet Bel Air del 1959 e una Chevrolet Malibu del 2009. IIHS / YouTube.
Prova d'urto tra una Toyota Corolla del 1998 e una Toyota Corolla del 2015. Global NCAP / YouTube.
I video comparativi mostrano anche perché l'età del veicolo è importante. Abitacoli più resistenti, percorsi di carico migliorati e sistemi di ritenuta coordinati hanno cambiato sostanzialmente gli esiti degli incidenti, ma i risultati ottenuti con masse e configurazioni di prova differenti richiedono comunque un'interpretazione attenta.
La riparabilità fa parte del progetto
Dopo una collisione, una riparazione sicura significa ripristinare percorsi di carico, giunti, protezione dalla corrosione, punti di montaggio dei sensori e isolamento della batteria, non limitarsi a raddrizzare l'esterno. Alcuni progetti utilizzano elementi deformabili sostituibili o procedure di riparazione per sezioni; altri richiedono la sostituzione di una grande fusione, un longherone o l'involucro del pacco.
Prima di acquistare o riparare un veicolo elettrico danneggiato, consultare il manuale di riparazione strutturale del costruttore, la procedura per l'alta tensione, i requisiti di misurazione, le specifiche di adesivi e dispositivi di fissaggio e le istruzioni per la taratura dei sensori. Una riparazione inadeguata può compromettere sia la sicurezza passiva sia le prestazioni degli ADAS.
Consulta Cinture di sicurezza e Airbag per i sistemi di ritenuta sostenuti dalla carrozzeria e Prove d'urto e valutazioni della sicurezza per le prove utilizzate nella valutazione del veicolo completo.