Gestion de crash pour la Lotus Evora

[-Olivier 25]

gestion de crash pour la Lotus Evora
Dès le départ, l'Evora devait être une voiture mondiale. Il devra répondre aux nombreuses exigences de collision différents à travers le monde et offrir la meilleure performance de l'accident d'un Lotus jusqu'ici. À partir d'une feuille de papier propre à la production
dans les 27 mois, il avait besoin d'être conçu pour la sécurité .... et rapide.
Les principales exigences de sécurité en cas de collision pour l'Europe et les Etats-Unis. Pour l'Europe, il ya un test avant de l'accident, où le véhicule est percuté une barrière déformable alignée avec un côté du véhicule à 35 mph, et un test d'impact latéral où le véhicule est heurté par une barrière déformable de 1000 kg à 30 mph.
Pour les Etats-Unis, les principaux tests consistent à un impact de 35 mph dans une barrière rigide sur toute la largeur du véhicule, d'un impact latéral, à nouveau avec une barrière déformable à 30 mph, mais avec une masse de 1350 kg, et à un angle revêche, et un choc arrière d'une barrière de 1350 kg à 50mph. Il ya beaucoup d'autres exigences en matière de test, englobant les occupants non attachés, écrasement du pavillon et de résistance de porte, etc., mais cet article se concentre sur les exigences structurelles pour les principaux impacts avant, arrière et latérales.


Barre de collision initiale et la géométrie de seuil

L'aspect clé de la conception d'une structure de véhicule qui offre de bonnes performances de l'accident est la gestion de l'énergie de l'impact et de minimiser la charge sur les occupants. Pour un événement d'impact avant l'exigence fondamentale est de concevoir une structure qui offre un 'impulsion de choc »obligatoire qui permet aux ingénieurs de sécurité pour concevoir et développer un système de retenue adapté: les airbags, ceintures de sécurité, prétensionneurs, etc.
L'impulsion de l'accident et le système de retenue sont conçus pour minimiser les charges transférées aux occupants, les ralentissant de manière contrôlée et sur la plus longue distance possible. La structure doit également fournir une cellule rigide de passagers afin de limiter l'intrusion dans l'espace occupant.
A 'impulsion de l'accident »est le terme donné à la relation entre l'accélération et le temps. Dans sa forme la plus simple, cela pourrait être une impulsion de type onde carrée avec un
accélération moyenne sur une période de temps donnée. La décélération du véhicule est essentiellement une fonction de la distance sur laquelle le véhicule est amené à se reposer. Pour une vitesse donnée le long de la distance d'arrêt, plus le temps de ralentir le véhicule et donc plus l'accélération. La masse du véhicule ne touche que la force d'écrasement de la structure du véhicule doit fournir.
Par exemple, si un véhicule vient en appui 1000 kg plus de 0,5 m, l'accélération moyenne sera la même en tant que véhicule de 10.000 kg à venir en appui sur la même 0.5m, mais la force générée par la structure devrait être 10 fois plus élevé pour le véhicule plus lourd.

la capacité de seuil concepts de conception conjointe de la force de Crush
Pour l'avant et à l'impact du côté des événements législatives au 30-35mph, la durée typique de l'impact est seulement 70 à 150 millièmes de seconde (70 à 150 ms), moins de un clin d'œil. Ceci est la partie de l'impact où les charges et les accélérations sont élevés même si le véhicule ne peut pas entièrement se reposer pendant plusieurs secondes.
Au début du programme Evora, l'un des principaux paramètres de conception qui ont dû être défini était le porte à faux avant et la longueur d'écrasement disponibles. Il ya des exigences contradictoires entre l'accident et la sécurité des ingénieurs, qui veulent la plus grande longueur d'écrasement qu'ils peuvent avoir, et le désir de le styliste et paquets ingénieurs pour la durée la plus courte pour minimiser le poids et la taille du véhicule et d'atteindre le style du véhicule. études de compromis sont menées et éventuellement un compromis est atteint pour mieux répondre aux besoins du véhicule.
Avec un véhicule à moteur central, l'analyste de l'accident a un temps un peu plus facile que pour dire un moteur à l'avant, devant la plate-forme d'entraînement de la roue. Sans l'emballage du moteur de la manière, il est possible de concevoir une structure moins compromis. Les éléments de déformation à l'avant du véhicule (les rails de collision) exécutent plus efficacement si elles peuvent être conservées droite.
Cependant, en essayant d'incorporer le paquet de la roue et de l'espace du passager avant corrompt généralement cette configuration idéale. Une ligne droite de la barre de collision à l'arrière du véhicule le plus léger donne la solution la plus efficace. Pour l'Elise, ce problème a été résolu avec un membre de seuil tronçon courbé qui était effectivement directement à partir de l'arrière de la structure de l'accident juste derrière les sièges.

Comportement d'écrasement "Real World" absorbant l'énergie

Pour l'Evora, un plus grand espace intérieur a été nécessaire avec des pneus plus larges à l'avant et un pilotage plus en arrière, verrouillage (pour la capture de ces moments de blocage opposées!) Tout ce qui signifiait que la barre de collision et le seuil devaient incorporer un décalage considérable. Le «kink» qui résulte de ce décalage a fait l'objet de plusieurs itérations de conception afin d'obtenir la meilleure solution.

Idéal absorber l'énergie comportement à l'écrasement

Plusieurs combinaisons conjointes ont été envisagées: joints de type écharpe, coupés, pliés et collés et des combinaisons de renforcements locaux. Le joint de seuil principale doit être capable de réagir de la charge de collision complète qui, pour l'Evora, peut être jusqu'à 40-50 tonnes. Les modèles de simulation ont été générés pour différentes sections communes et analysés pour sélectionner la meilleure combinaison de performance et de poids.
Ajouté à ces complications, l'Evora devait être une voiture qui pourrait être utilisé tous les jours avec beaucoup plus facile entrée et la sortie d'une Elise, qui a abouti à l'exigence d'un seuil inférieur mince.
Après dimensionnement initial de base, les analystes de collision utilisent des modèles de simulation informatiques ou éléments finis (EF) des modèles pour simuler mathématiquement le comportement des différentes options de conception pour permettre la sélection de la structure la plus efficace. Comme la conception développe, un véhicule complet modèle éléments finis est généré pour simuler les événements de collision.
Lors de l'impact avant Evora, l'énergie est absorbée par accident écraser les longerons en aluminium. Ceci est réalisé par pliage multiple de la matière qui est un procédé efficace d'absorber l'énergie. Le comportement idéal est très symétrique et même. Dans la pratique, en raison des multiples cellules de l'extrusion, les exigences de conception pour la suspension et d'autres composants emballés à l'avant du véhicule, il est difficile d'obtenir le comportement à l'écrasement idéalisée mais il est encore possible d'obtenir une absorption efficace de l'énergie.
Les photos à droite montrent une comparaison entre les modèles complets véhicule FE et les tests physiques. L'utilisation d'outils de simulation et être en mesure de développer la performance du véhicule sur un ordinateur signifiait qu'il n'y avait pas de mauvaises surprises lorsque les véhicules prototypes ont été testés accident.
Avec un tel programme court la conception a dû travailler première fois.
Une autre exigence pour Evora était d'améliorer de manière significative la réparabilité de la structure, et aussi d'avoir des modules avant et arrière complet et de simplifier le processus de fabrication. La solution de conception qui a été sélectionné se composait d'une baignoire centrale en aluminium extrudé et riv lié très rigide et solide avec un boulon sur la structure de crash en aluminium extrudé / faux-châssis avant et un acier fabriqué berceau arrière boulonnée. Cela a donné la possibilité de réparer le véhicule après les dommages de collision à basse vitesse par déboulonnage et en remplaçant le berceau avant. Cette approche modulaire grandement aidé le programme de développement de test car cela signifiait que les véhicules pourraient être reconstruits et ré-utilisés après (15-20mph) essais de collision à faible vitesse. Typiquement, les tests à basse vitesse sont utilisés pour développer airbag pas-le-feu / doit tirer comportement et, après ces essais, il a été possible de reconstruire le véhicule en utilisant la même baignoire centrale prêt pour un test à grande vitesse. En fait, même après un impact à haute vitesse au 30-35mph, les dommages à la baignoire centrale, bien que pas réparable à un «comme neuf», était minime. L'intégrité de l'habitacle a été montré pour être extrêmement bonne avec plancher déformation typiquement inférieure à 10 mm et une déformation minimale des ouvertures de portes de sorte que les deux portes peuvent être facilement ouvertes après l'essai.
Pour un impact latéral, il ya beaucoup moins d'espace pour absorber l'énergie de l'impact de sorte que la structure doit être très rigide et solide pour minimiser l'intrusion dans l'habitacle et permettre au véhicule d'être poussé hors de la voie plutôt que d'être déformé. Pour atteindre cet objectif avec la structure Evora il ya une haute résistance acier tubulaire ceinture cadre d'ancrage qui est sensiblement reliée à la section de longeron, qui constitue le pilier B, et des boucles sur le dessus des occupants. Cela est lié à un cadre secondaire à la cloison arrière avec diagonales courir au berceau arrière. La structure de la porte, qui se compose d'un faisceau de haute résistance de porte en aluminium de la série 7000, relie le tube montant B de la charnière de porte sur l'aluminium extrudé A-pilier. Cette structure avec la conception conforme de la garniture de porte et l'enrouler autour de la forme du siège contribuent à donner à l'excellente protection Evora à partir d'un impact latéral.

Pour le marché fédéral il ya une exigence d'un impact arrière à haute vitesse qui est principalement axé sur l'intégrité du combustible à-dire après l'essai, le véhicule ne doit pas fuir tout combustible. Le véhicule est heurté par une barrière déformable mobiles 1350 kg à 50mph légèrement décalé sur un côté du véhicule. Dans le Evora le réservoir de carburant d'acier inoxydable est protégé dans une cellule centrale du châssis avec des traverses en aluminium extrudé avant et arrière des panneaux de la peau et de l'aluminium. Le moteur est monté sur le faux-châssis arrière par quatre supports de moteur et à l'arrière du sous-châssis comporte des éléments déformables pour absorber une partie de l'énergie de l'impact.
Comme les impacts de barrière le véhicule partie de l'énergie est absorbée par les éléments déformables du berceau arrière et puis les contacts de barrière, les roues arrière et triangle inférieur qui commencent à faire avancer le véhicule. En gérant les voies de charge dans la structure et le maintien du moteur il n'y a effectivement pas de déformation de la cellule du réservoir de carburant ou le réservoir de carburant et sans intrusion dans la cloison arrière. Les photos montrent la cloison arrière après l'impact arrière et une comparaison du modèle de simulation FE et le test physique.

Ce bref article donne un aperçu de l'effort de conception et d'ingénierie qui a été mis pour rendre l'Evora un tel véhicule magnifique et sécuritaire.
La prochaine fois que vous voyez, ou êtes assez chanceux pour être en, un Evora bousculant sur une route de campagne exigeant une pensée pour les ingénieurs et les concepteurs à Lotus qui en ont fait la voiture génial qu'il est.
[Source: Dave Marler, Lotus Engineering]

[-Olivier 25]

Crash management for the Lotus Evora

From the outset the Evora was to be a global car. It would have to meet the many different crash requirements around the world and offer the best crash performance of any Lotus so far. From a clean sheet of paper to production
within 27 months, it needed to be designed for safety…. and fast.
The key crash safety requirements are for Europe and the US. For Europe, there is a front crash test, where the vehicle is crashed into a deformable barrier aligned with one side of the vehicle at 35mph, and a side impact test where the vehicle is impacted by a deformable barrier of 1000kg at 30mph.
For the US, the main tests consist of a 35mph impact into a rigid barrier across the full width of the vehicle, a side impact, again with a deformable barrier at 30mph but with a mass of 1350kg, and at a crabbed angle, and a rear impact from a 1350kg barrier at 50mph. There are many other test requirements, encompassing unbelted occupants, roof crush and door strength etc, but this article is focussed on the structural requirements for the main front, rear and side impacts.


Initial crash rail and sill geometry

The key aspect of designing a vehicle structure that provides good crash performance is managing the energy of the impact and minimising the load on the occupants. For a front impact event the fundamental requirement is to design a structure that provides the required ‘crash pulse’ that enables the safety engineers to design and develop a suitable restraint system: the air bags, seat belts, pretensioners etc.
The crash pulse and the restraint system are designed to minimise the loads transferred to the occupants, slowing them down in a controlled way and over the longest distance possible. The structure must also provide a rigid passenger cell to limit intrusion in to the occupant space.
A ‘crash pulse’ is the term given to the relationship between acceleration and time. In its simplest form, this could be a square wave type pulse with an
average acceleration over a given period of time. The deceleration of the vehicle is fundamentally a function of the distance over which the vehicle is brought to rest. For a given speed the longer the stopping distance, the greater the time to slow the vehicle down and therefore the lower the acceleration. The mass of the vehicle only affects the crush force the vehicle structure must provide.
For example, if a 1,000kg vehicle comes to rest over 0.5m, the average acceleration will be the same as a 10,000kg vehicle coming to rest over the same 0.5m, but the force generated by the structure would need to be 10 times higher for the heavier vehicle.

Crush force capability of sill joint design concepts
For legislative front and side impact events at 30-35mph, the typical duration of the impact is only 70 to 150 thousandths of a second (70 to 150ms), less than the blink of an eye. This is the part of the impact where the loads and accelerations are high although the vehicle may not fully come to rest for many seconds.
At the start of the Evora programme, one of the key design parameters that had to be defined was the front overhang and the available crush length. There are conflicting requirements between the crash and safety engineers, who want the longest crush length they can have, and the stylist and package engineers’ desire for the shortest length to minimise the weight and size of the vehicle and achieve the vehicle style. Trade-off studies are conducted and eventually a compromise is reached to best meet the requirements of the vehicle.
With a mid-engined vehicle, the crash analyst has a slightly easier time than for say a front-engine, front wheel drive platform. Without the engine package in the way, it is possible to engineer a less compromised structure. The crush elements at the front of the vehicle (the crash rails) perform more efficiently if they can be kept straight.
However, trying to incorporate the front wheel package and passenger space usually corrupts this ideal configuration. A straight line from the crash rail to the rear of the vehicle gives the lightest, most efficient solution. For the Elise, this problem was solved with a stretch bent sill member that was effectively straight from the rear of the crash structure to just behind the seats.

“Real World” energy absorbing crush behaviour

For the Evora, greater interior space was required together with larger front tyres and a greater steering back lock, (for catching those opposite lock moments!) all of which meant that the crash rail and sill had to incorporate a considerable offset. The ‘kink’ that results from this offset was the subject of several design iterations to obtain the best solution.

Ideal energy absorbing crush behaviour

Several joint combinations were considered: scarf-type joints, cut, bent and bonded and combinations of local reinforcements. The main sill joint has to be capable of reacting the full crash load which, for the Evora, can be up to 40-50 tonnes. Simulation models were generated for different joint sections and analysed to select the best combination of performance and weight.
Added to these complications, the Evora had to be a car that could be used every day with much easier ingress and egress than an Elise, which resulted in the requirement for a lower thinner sill.
After basic initial sizing, the crash analysts use computer simulation models or Finite Element (FE) models to mathematically simulate the behaviour of various design options to enable the selection of the most efficient structure. As the design develops, a full vehicle Finite Element model is generated to simulate the crash events.
In the Evora front impact, crash energy is absorbed by crushing the aluminium longitudinal members. This is achieved by multiple folding of the material which is an efficient method of absorbing energy. The ideal behaviour is very symmetric and even. In practice, due to the multiple cells of the extrusion, design requirements for the suspension and other components packaged at the front of the vehicle, it is difficult to achieve the idealised crush behaviour but it is still possible to achieve efficient energy absorption.
The pictures to the right show a comparison between the full vehicle FE models and the physical tests. The use of simulation tools and being able to develop the performance of the vehicle on a computer meant there were no unpleasant surprises when the prototype vehicles were crash tested.
With such a short programme the design had to work first time.
A further requirement for Evora was to significantly improve the repairability of the structure, and also to have complete front and rear modules to simplify the manufacturing process. The design solution that was selected consisted of a very stiff and strong extruded and riv-bonded aluminium central tub with a bolt-on extruded aluminium crash structure/front subframe and a bolt-on fabricated steel rear subframe. This gave the ability to repair the vehicle after low speed crash damage by unbolting and replacing the front subframe. This modular approach greatly assisted the test development programme as it meant that vehicles could be rebuilt and re-used after low speed (15-20mph) crash tests. Typically, low speed tests are used to develop airbag no-fire/must fire behaviour and, after these tests it was possible to rebuild the vehicle using the same central tub ready for a high speed test. In fact, even after a high speed impact at 30-35mph, the damage to the central tub, although not repairable to an ‘as new’ condition, was minimal. The integrity of the passenger cell was shown to be extremely good with footwell deformation typically less than 10mm and minimal deformation of the door apertures such that both doors could be easily opened after the test.
For side impact, there is much less space to absorb the energy of the impact so the structure must be very stiff and strong to minimise intrusion into the passenger space and enable the vehicle to be pushed out of the way rather than be deformed. To achieve this with the Evora structure there is a high strength tubular steel seat belt anchorage frame that is substantially connected to the sill section, which forms the B-pillar, and loops over the top of the occupants. This is connected to a secondary frame at the rear bulkhead with diagonal bracing running to the rear subframe. The door structure, which consists of a 7000 series high strength aluminium door beam, connects the tubular B-pillar to the door hinge on the extruded aluminium A-pillar. This structure together with the compliant design of the door trim and the wrap around form of the seat contribute to give the Evora excellent protection from a side impact.

For the Federal market there is a requirement for a high speed rear impact that is primarily focused on fuel integrity i.e. after the test, the vehicle must not leak any fuel. The vehicle is impacted by a 1350kg deformable mobile barrier at 50mph offset slightly to one side of the vehicle. In the Evora the stainless steel fuel tank is protected in a central cell of the chassis with extruded aluminium crossmembers front and rear and aluminium skin panels. The engine is mounted to the rear subframe via 4 engine mounts and the rear of the subframe has crushable elements to absorb some of the impact energy.
As the barrier impacts the vehicle some of the energy is absorbed by the crushable elements of the rear subframe and then the barrier contacts the rear wheels and lower wishbone which start to move the vehicle forward. By managing the load paths into the structure and retaining the engine there is effectively no deformation of the fuel tank cell or fuel tank and no intrusion into the rear bulkhead. The photos show the rear bulkhead after the rear impact and a comparison of the FE simulation model and the physical test.

This brief article gives an insight in to the design and engineering effort that has been put in to make the Evora such a stunning and safe vehicle.
Next time you see, or are fortunate enough to be in, an Evora hustling down a demanding country road, spare a thought for the engineers and designers at Lotus who have made it the awesome car that it is.
[Source: Dave Marler, Lotus Engineering]