Systemy ochrony strukturalnej

Pojazdy elektryczne (EV) korzystają z zaawansowanych systemów ochrony strukturalnej do absorbowania energii zderzenia, utrzymania komory pasażerskiej i ochrony pakietu wysokiego napięcia. Systemy te stanowią podstawę biernej ochrony, współpracując z poduszkami powietrznymi i pasami bezpieczeństwa, aby zapobiegać obrażeniom podczas kolizji. Nowoczesne pojazdy elektryczne wykorzystują kombinację materiałów o wysokiej wytrzymałości, zaprojektowanych stref zgniotu oraz sztywnych komór bezpieczeństwa, aby skutecznie zarządzać siłami uderzenia.

W tym rozdziale wyjaśniono, jak działają systemy ochrony strukturalnej, jak różnią się między pojazdami elektrycznymi a spalinowymi oraz jak technologia ewoluowała na przestrzeni ostatnich trzech dekad.

Czym są systemy ochrony strukturalnej?

Systemy ochrony strukturalnej to zaprojektowane elementy nadwozia pojazdu mające na celu kontrolowanie zachowania struktury podczas kolizji. Ich zadania są trzy:

1. Absorbują energię podczas zderzenia poprzez kontrolowaną deformację.
2. Utrzymują stabilną komorę bezpieczeństwa, w której pasażerowie są chronieni.
3. Kierują obciążenia zderzeniowe z dala od krytycznych elementów, takich jak pakiet akumulatorów.

Kluczowe elementy obejmują:

Strefy zgniotu

Przednie i tylne sekcje zaprojektowane tak, aby deformować się w przewidywalny sposób. Dzięki deformacji etapowej spowalniają impuls zderzeniowy i zmniejszają siły działające na pasażerów.

Komora bezpieczeństwa pasażerów

Sztywna, wzmocniona komora, która pozostaje nienaruszona podczas zderzenia. Wysokowytrzymała stal, wzmocnienia z boru oraz zamknięte słupy są używane do ochrony przestrzeni przeżycia pasażerów.

Struktury ochrony przy uderzeniu bocznym

Belki boczne, wzmocnienia drzwi i poprzeczki podłogi, które zapobiegają wtargnięciu podczas bocznych zderzeń — jednego z najtrudniejszych typów wypadków.

Struktura ochrony akumulatora

• Sztywne ramy otaczające pakiet akumulatorów
• Obudowy odporne na zderzenia
• Ścieżki przenoszenia obciążeń, które kierują siły wokół — a nie do — akumulatora

Projektowanie ścieżek przenoszenia obciążeń

Strategiczne kierowanie sił zderzeniowych przez najmocniejsze elementy nadwozia, aby energia była rozprowadzana, a nie koncentrowana. Pomaga to, by struktura deformowała się w sposób kontrolowany i przewidywalny.

Dlaczego systemy ochrony strukturalnej są ważne

Systemy ochrony strukturalnej często mogą zadecydować o różnicy między drobnymi a zagrażającymi życiu obrażeniami. Są ważne, ponieważ:

• Redukują szczytowe siły działające na ciało, zmniejszając ryzyko poważnych obrażeń.
• Zapobiegają wtargnięciu do kabiny, co jest kluczowe dla przeżycia pasażerów.
• Chronią akumulator, minimalizując ryzyko zdarzeń termicznych po zderzeniu.
• Kształtują wyniki testów zderzeniowych, bezpośrednio wpływając na oceny Euro NCAP, NHTSA i IIHS.

Wraz z coraz bardziej rygorystycznymi testami zderzeniowymi osiągi strukturalne stanowią teraz jeden z głównych wyróżników między pojazdami o lepszych i gorszych wynikach.

Jak pojazdy elektryczne zmieniły projektowanie systemów ochrony strukturalnej

Pojazdy elektryczne zasadniczo zmieniły sposób, w jaki inżynierowie projektują struktury pojazdów. Pakiet akumulatorów jest zarówno szansą, jak i wyzwaniem.

Korzyści wprowadzone przez architekturę pojazdów elektrycznych

• Mocne, płaskie pakiety akumulatorów zwiększają sztywność podłogi, poprawiając ogólną sztywność skrętną.
• Brak dużego silnika otwiera nowe możliwości dla dłuższych i bardziej efektywnych przednich stref zgniotu.
• Niższy środek ciężkości zmniejsza ryzyko dachowania, umożliwiając bardziej zoptymalizowane konstrukcje do zarządzania energią zderzenia.

Wyzwania

• Ochrona akumulatora jest krytyczna — wtargnięcie musi być unikane za wszelką cenę.
• Rozkład masy zmienia ścieżki przenoszenia obciążeń, co wymaga przeprojektowania tradycyjnych struktur zderzeniowych.
• Uderzenia spod podwozia, takie jak uderzenia odłamkami, muszą być przeciwdziałane za pomocą osłon ochronnych i wzmocnionych ram.

W rezultacie pojazdy elektryczne często wykorzystują więcej aluminium, ultra-wytrzymałej stali i materiałów kompozytowych w porównaniu z pojazdami spalinowymi.

Trendy w systemach ochrony strukturalnej

1. Nadwozia wielomateriałowe

Łączenie wysokowytrzymałej stali, stali hartowanej ciśnieniowo, aluminium i kompozytów w celu uzyskania optymalnego stosunku wytrzymałości do masy.

2. Mega-odlewy i duże elementy strukturalne

Spopularyzowane przez Teslę i obecnie stosowane w całej branży, duże odlewy tylnej i przedniej części nadwozia:

• Redukują liczbę spawów i połączeń.
• Poprawiają spójność ścieżek przenoszenia obciążeń.
• Zwiększają przewidywalność zachowania podczas zderzenia.

3. Integracja akumulatora jako elementu strukturalnego

Nowsze pojazdy elektryczne wykorzystują projekty cell-to-pack i strukturalne pakiety akumulatorów, które zwiększają sztywność przy jednoczesnym zmniejszeniu masy.

4. Zaawansowana symulacja i modelowanie zderzeń wspomagane SI

Inżynierowie korzystają z tysięcy cyfrowych symulacji zderzeń, aby zoptymalizować struktury przed budową prototypów.

5. Ulepszona ochrona przy uderzeniu bocznym

Napędzane bardziej rygorystycznymi testami IIHS i Euro NCAP, pojazdy teraz wykorzystują mocniejsze belki drzwi, podwyższone progi i wzmocnione słupki B.

6. Skoncentrowanie na możliwości naprawy

Niektórzy producenci teraz projektują elementy strukturalne z sekcjami do naprawy lub modułowymi strukturami zderzeniowymi, aby obniżyć koszty ubezpieczenia.

Ewolucja w ciągu ostatnich 30 lat

Lata 90. XX wieku

• Strefy zgniotu były prostsze i mniej zoptymalizowane.
• Ochrona przy uderzeniu bocznym była minimalna.
• Sztywność kabiny różniła się znacznie między modelami.
• Materiały strukturalne to głównie stal zwykła lub konwencjonalna.

Lata 2000.

• Stale wysokowytrzymałe stały się powszechne.
• Euro NCAP wymusiło szybkie ulepszenia.
• Standardy ochrony przy uderzeniu bocznym i dachowaniu zostały rozszerzone.
• Komory pasażerskie stały się znacznie mocniejsze.

Lata 2010.

• Stal ultra-wytrzymała i stal hartowana ciśnieniowo stały się powszechne.
• Pojazdy elektryczne wprowadziły nowe koncepcje pakowania i struktury ochrony akumulatora.
• Symulacje zderzeń przyspieszyły cykle rozwoju.

Lata 2020 i później

• Strukturalne pakiety akumulatorów i mega-odlewy redefiniują architekturę pojazdów.
• Platformy skoncentrowane na pojazdach elektrycznych umożliwiają bardziej efektywne strefy zgniotu.
• Zaostrzone przepisy zderzeniowe napędzają innowacje w projektowaniu ścieżek przenoszenia obciążeń.
• Producenci optymalizują struktury nie tylko pod kątem bezpieczeństwa, ale także masy, kosztów i możliwości naprawy.

Poniższe filmy pokazują testy starych i nowych samochodów, aby ukazać postęp w bezpieczeństwie zderzeń.

Czy ochrona strukturalna naprawdę ma znaczenie?

Tak. Osiągi strukturalne są jednym z najsilniejszych wskaźników rzeczywistych skutków wypadków. Nawet przy zaawansowanych systemach wspomagania kierowcy wypadki nadal się zdarzają — a kiedy już do nich dochodzi, mocna konstrukcja jest ostatnią linią obrony.

W przypadku pojazdów elektrycznych ochrona strukturalna bezpośrednio wpływa również na:

• Ochrona akumulatora
• Koszty napraw
• Oceny ubezpieczeniowe
• Wyniki testów zderzeniowych
• Długoterminowa trwałość pojazdu

Dobrze zaprojektowana konstrukcja może przekształcić poważne zderzenie w zdarzenie możliwe do przeżycia.