Structurele veiligheid

Structurele veiligheid draait om gecontroleerde vervorming. De carrosserie moet botsenergie buiten het interieur absorberen en omleiden, bruikbare overlevingsruimte behouden en het veiligheidssysteem en de hoogspanningsbatterij binnen hun ontwerpgrenzen houden.

Stijf waar nodig, vervormbaar waar nuttig

Een veilige carrosserie is niet simpelweg de stijfste. De kreukelstructuren voor en achter moeten geleidelijk vervormen, zodat de snelheid van het voertuig over meer tijd en afstand verandert. Rond de inzittenden moet de passagierscel sterk genoeg zijn om binnendringing te beperken en portieren, stoelen, gordels en airbags in bruikbare posities te houden.

Ingenieurs creëren meerdere belastingspaden via langsliggers, subframes, dorpels, dwarsbalken, stijlen, dakrails en de vloer. Verschillende paden treden in werking bij botsingen met volledige, middelgrote of kleine overlap, zijdelingse en achteraanrijdingen, paalbotsingen, kantelen en onderschuiven. Een ontwerp dat in één richting goed presteert, kan in een andere nog een zwakke plek hebben.

De belangrijkste taken zijn:

De crashpuls beheersen: geleidelijk vervormen in plaats van het passagierscompartiment abrupt tot stilstand te brengen.
De overlevingsruimte behouden: de beweging van stuurkolom, pedalen, dashboard, portieren, dak en vloer het interieur in beperken.
De veiligheidssystemen ondersteunen: gordelbevestigingen, stoelen en activeringszones van airbags in de voor de kalibratie gebruikte posities houden.
Andere weggebruikers beschermen: de compatibiliteit met voertuigen van verschillende afmetingen en massa's beheersen en schadelijk contact met de buitenzijde voor voetgangers en fietsers verminderen.

Zijdelingse botsingen en ruimte voor inzittenden

Bij een zijdelingse botsing is er weinig kreukelafstand tussen het botsende object en de inzittende. Dorpel, B-stijl, dakrand, portierbalken, dwarsbalken in de vloer, stoelstructuur en zijairbags moeten het werk verdelen. Paaltests concentreren de kracht in een smalle zone, terwijl tests aan de verre zijde de beweging naar het midden van het voertuig onderzoeken.

De zijstructuur is bijzonder belangrijk bij een skateboardachtige EV, omdat het batterijpakket doorgaans een groot deel van de vloer tussen de assen vult. Het ontwerp moet zowel binnendringing in het interieur als vervorming van de batterijbehuizing beperken.

De tractiebatterij beschermen

De batterijbehuizing maakt deel uit van een gelaagd beveiligingssysteem. Afhankelijk van het platform kan het een uitneembare eenheid zijn of directer bijdragen aan de carrosseriestijfheid. Omliggende dorpels en dwarsbalken leiden zijwaartse belastingen om, bodembeschermplaten weerstaan wegafval en de rails en behuizingsdelen van het pakket beheersen plaatselijke vervorming.

Mechanische bescherming is slechts één laag. Het batterijmanagementsysteem bewaakt de cellen en isolatie, terwijl contactoren of pyrotechnische voorzieningen de hoogspanningsbus na een botsing die aan de voorwaarden voldoet kunnen loskoppelen. Regelgeving behandelt risico's van elektrische schokken, elektrolytlekkage, brand, mechanische integriteit, trillingen, temperatuur en thermische propagatie. Batterijveiligheid beschrijft deze beveiligingen op batterijniveau in detail.

Binnendringing in het batterijpakket is niet de enige relevante maatstaf. Een beschadigde cel kan zonder duidelijke uitwendige vervorming interne kortsluiting ontwikkelen, en een voertuig dat een zware impact tegen de onderzijde of zijkant heeft ondergaan, moet mogelijk volgens de nood- en reparatieprocedures van de fabrikant worden geïsoleerd, geïnspecteerd en bewaakt.

Hoe EV-architectuur het vraagstuk verandert

Een EV-platform biedt ingenieurs andere mogelijkheden en beperkingen:

Het ontbreken van een verbrandingsmotor kan voorin ruimte vrijmaken, maar besturing, ophanging, klimaatregeling, laadtechniek, vermogenselektronica en crashstructuren concurreren nog steeds om die ruimte.
Een laag gemonteerd batterijpakket verlaagt gewoonlijk het zwaartepunt, wat de neiging tot kantelen kan verminderen, maar daksterkte en het binnenhouden van inzittenden blijven noodzakelijk.
Het batterijpakket en de behuizing kunnen de vloer stijver maken, maar het resultaat hangt af van de verbinding tussen carrosserie en pakket en de overdracht van belastingen.
EV's zijn vaak zwaar in verhouding tot hun buitenafmetingen. Meer massa kan inzittenden beschermen bij een botsing met een lichter voertuig, maar vergroot tegelijk de krachten op dat andere voertuig; botscompatibiliteit is daarom belangrijk.
De vlakke vloer kan de zitpositie en ondersteuning onder de bovenbenen veranderen, waarmee bij de kalibratie van gordel, stoel en airbag rekening moet worden gehouden.

Dit zijn technische uitgangspunten, geen bewijs dat elke EV veiliger is dan elk voertuig met een verbrandingsmotor. Het resultaat moet voor het exacte model worden gecontroleerd.

Ontwikkeling en tests van structurele veiligheid bij Mercedes-Benz. Mercedes-Benz / YouTube.

Materialen en productie

Moderne carrosserieën combineren zacht staal, geavanceerd en persgehard staal, gegoten en geëxtrudeerd aluminium, lijm, puntlassen, klinknagels en op maat samengestelde platen. De materiaalsoort wordt gekozen voor een lokale taak: gecontroleerd plooien, zeer sterke versteviging, stabiele verbindingen, corrosiebestendigheid, maakbaarheid of reparatie.

Grote gietdelen en constructieve batterijconcepten kunnen het aantal onderdelen verminderen en belastingspaden veranderen, maar geen van beide is automatisch veiliger. Het ontwerp van verbindingen, de gietkwaliteit, het scheurgedrag, redundantie, vervangbare crashboxen en de volledig geteste structuur bepalen de prestaties.

Computersimulatie laat ingenieurs veel botsconfiguraties bestuderen voordat fysieke prototypes bestaan. Fysieke tests met onderdelen, sledes, barrières, palen en voertuigen blijven essentieel, omdat modellen moeten worden gecorreleerd met echte materialen, verbindingen, dummy's en faalwijzen.

Wat crashtests laten zien

Een crashtestvideo kan er dramatisch uitzien, ook wanneer de structuur functioneert zoals bedoeld. Nuttig bewijs omvat de gemeten crashpuls, binnendringing bij voetenruimte en stijlen, vervorming van de portieropening, letselmetingen van dummy's, wisselwerking van veiligheidssystemen, staat van de batterij en de werking van portieren en noodsystemen na de impact.

Tests met kleine overlap zijn bijzonder onthullend, omdat de botsing de belangrijkste voorste langsliggers kan missen. IIHS meldt dat voertuigen die goed presteren in zijn beoordeling met kleine overlap aan bestuurderszijde, bij werkelijke frontale botsingen een lager risico op overlijden van de bestuurder laten zien dan slecht beoordeelde voertuigen.

Crashtest van een Chevrolet Bel Air uit 1959 tegen een Chevrolet Malibu uit 2009. IIHS / YouTube.

Crashtest tussen een Toyota Corolla uit 1998 en een Toyota Corolla uit 2015. Global NCAP / YouTube.

De vergelijkingsvideo's tonen ook waarom de leeftijd van het voertuig ertoe doet. Sterkere passagierscellen, verbeterde belastingspaden en gecoördineerde veiligheidssystemen hebben de afloop van botsingen aanzienlijk veranderd, maar resultaten bij verschillende massa's en testconfiguraties moeten nog steeds zorgvuldig worden geïnterpreteerd.

Repareerbaarheid hoort bij het ontwerp

Veilig repareren na een botsing betekent het herstellen van belastingspaden, verbindingen, corrosiebescherming, sensorbevestigingspunten en batterij-isolatie, en niet alleen de buitenzijde weer recht maken. Sommige ontwerpen gebruiken vervangbare crashboxen of reparatieprocedures per sectie; andere vereisen vervanging van een groot gietdeel, een langsligger of de batterijbehuizing.

Controleer voordat je een beschadigde EV koopt of repareert het constructiereparatiehandboek, de hoogspanningsprocedure, meetvereisten, specificaties voor lijm en bevestigingsmiddelen en instructies voor sensorkalibratie van de fabrikant. Een slechte reparatie kan zowel passieve veiligheid als ADAS-prestaties aantasten.

Zie Veiligheidsgordels en Airbags voor de door de carrosserie ondersteunde veiligheidssystemen en Crashtests en veiligheidsbeoordelingen voor de tests waarmee het volledige voertuig wordt beoordeeld.