Active and passive safety of quadricycles

Quadricycles are lightweight small-size four-wheeled vehicles which differ from cars under qualitative and regulatory perspective. They have the potential to improve the quality of urban life, reducing environmental impacts and using land efficiently. However, their requirements for homologation are much less stringent than for cars and there is an urgent need for regulatory updates to improve vehicle safety. In this thesis, a Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) based approach is proposed to assess safety risk level originated by current quadricycle regulations to suggest possible mitigation actions. Passive safety is examined in terms of crashworthy structures and restraint systems. Installation of mandatory headrests, seat belt pretensioners, load limiters and airbags is pondered. The severity of frontal collision for limited-mass vehicles is assessed by analytical models. Applying a simple 2 DOFs model, restraint systems for quadricycles result to be even more effective than for cars in limiting maximum chest acceleration. Concerning active safety, general regulatory prescriptions for brakes, visibility and steer-ability are discussed. Handling performances of quadricycle compared to city car are assessed by analytical models and objective/subjective tests at driving simulator. Quadricycle results to have readier yaw rate response to steering inputs, which is perceived as positive for a short severe maneuver as lane change. On the contrary, quadricycle readiness is sensed as negative for relatively long maneuvers as slalom, because of nervous and abrupt vehicle response. The environmental impact is analysed by energy-based life-cycle assessment. Both heavy and light quadricycles require about 50% and 80% less energy to travel 100 km than compact car and SUV. Finally, an urban mobility scenario of small-size electric vehicles as quadricycles and small city cars is proposed and social, economical and technological impacts are discussed.

I quadricicli sono veicoli leggeri di dimensioni ridotte dotati di quattro ruote che si differenziano dalle auto dal punto di vista sia qualitativo sia regolamentare. Potenzialmente possono apportare miglioramento alla qualità di vita in uno scenario urbano, limitando gli impatti ambientali e utilizzando efficacemente gli spazi. Tuttavia, i requisiti di omologazione sono molto meno stringenti rispetto alle auto ed è evidenziata un’urgente necessità di aggiornamenti normativi per migliorare la sicurezza di tali veicoli. In questa tesi, un approccio basato sulla metodologia FMEA viene proposto per analizzare il livello di rischio originato dalle attuali regolamentazioni per i quadricicli per suggerire possibili azioni mitigative. La sicurezza passiva è esaminata in termini di strutture protettive e sistemi di ritenuta. Viene discussa la possibile installazione di poggiatesta obbligatori, pretensionatori, limitatori di carico e airbag. Utilizzando modelli analitici, viene valutata la severità di una collisione frontale che coinvolge veicoli di massa limitata. Applicando un modello a due gradi di libertà, i sistemi di ritenuta nei quadricicli possono essere ancora più efficaci che nelle auto per ridurre la massima accelerazione al torace. Per la sicurezza attiva, attuali regolamenti in materia di sistemi frenanti, visibilità e idoneità alla sterzata sono analizzati. Le performance di manovrabilità del quadriciclo rispetto ad una city car sono confrontate tramite formule analitiche e test oggettivi/soggettivi al simulatore di guida: il quadriciclo risulta avere una risposta più rapida della velocità di imbardata a parità di angolo di sterzo, caratteristica che viene percepita positivamente per manovre severi di breve durata come il cambio di corsia. Al contrario, tale prontezza di risposa viene recepita negativamente per manovre prolungate come lo slalom, in quanto il veicolo ha una risposta troppo nervosa e brusca. L’impatto ambientale viene valutato analizzando l’energia richiesta durante il ciclo di vita e l’influenza della massa nel consumo energetico del veicolo. I quadricicli in media necessitano di circa il 50% e 80% in meno di energia rispetto ad un'utilitaria e un SUV per percorrere 100 km. Infine, è proposto uno scenario di mobilità urbana con veicoli elettrici di dimensioni ridotte come quadricicli e city car e possibili impatti sociali, economici e tecnologici sono discussi.