Passive Sicherheit von Kraftfahrzeugen

1. Passive Sicherheit von Kraftfahrzeugen Thomas Tröster Vorlesung an der Universität Paderborn WS 2007/2008

2. Unfallforschung Unfallanalyse Unfallerhebung- und -statistik Unfallrekonstruktion Sicherheitsmaßnahmen Biomechanik Passive Sicherheit Rechnerische Simulation Experimentelle Simulation Sicherheits- bewertung 1. Einleitung Wirkungsbereiche der passiven Sicherheit

3. 1. Einleitung Verkehrstote in der EU

4. 1. Einleitung Verkehrstote in der EU

5. Unfalldatenerhebung und -statistik 2. Unfallforschung Disziplinen der Unfallforschung Bild: Florian Kramer „Passive Sicherheit von Kraftfahrzeugen“; 2. Auflage

6. 2. Unfallforschung Unfalldatenerhebung und -statistik Aufgabe: Sammeln und Auswerten von Informationen Problem: Physikalische Größen können bei Fahrzeugunfällen nicht gemessen werden und ändern sich zudem innerhalb kürzester Zeit! Verständnis der Unfall- und Verletzungsmechanik Lösungswege zur Unfallvermeidung und Verletzungsreduzierung

7. Aufgabe: Ablauf des Unfalles muss in allen Einzelheiten erfasst werden Betrugsaufklärung, Messtechnik und Biomechanik Rückrechnung von Fahrgeschwindigkeiten nach Unfällen aus Unfallspuren Vermeidbarkeitsbetrachtungen von Verkehrsunfällen Untersuchung von Unfallabläufen 2. Unfallforschung Unfallmechanik und -rekonstruktion

8. 2. Unfallforschung Unfallmechanik und -rekonstruktion • Drei Phasen eines Unfalls • Einleitung (PreCrash) • Kollision (InCrash) • Folgen (PostCrash) • Sicherheitsspezifischer Bereich • Unfallmechanik • Verhalten von Insassenschutzsystem- • Komponenten • Verletzungsmechanik und dem • Verletzungsmuster • Kinematischer Ablauf eines Unfalls • Zeiten • Geschwindigkeit • örtliche Gegebenheiten • Forensischer Bereich • Höhe der Fahrgeschwindigkeit vor dem Unfall • Räumliche und zeitliche Vermeidbarkeit des Unfalls • Mögliche Verletzungsreduzierung durch Anlegen den Gurtes oder durch Tragen eines Helmes

9. 2. Unfallforschung Rekonstruktion von Unfällen Unterscheidung der Unfalldaten • beschreibbare Daten: • Witterung • Zustand der Fahrbahn (trocken oder nass) • experimentell oder rechnerisch ermittelbare Daten: • Reaktionszeit der Beteiligten • Fahrgeschwindigkeit von Zweirahfahrern • messbare Daten: • Endlagen der Beteiligten (Fahrzeug und Personen) • Wurfweite von Fußgängern und Zweiradfahrern

10. 2. Unfallforschung Rekonstruktion von Unfällen Methoden der Unfallrekonstruktion Experimentelle Simulation Rechnerische Simulation Stoßrechnung (Rückwärtsrechnung): Auflaufimpuls und Deformationsenergie werden bestimmt kinematische Analyse: Anfahr- und Bremsvorgänge, Weg/Zeit-Diagramm können bei einfachen Fällen ausreichen Kraftrechnung (Vorwärtsrechnung): Über die Bewegungsgleichungen werden alle auftretenden Kräfte und hieraus die Bewegung der Fahrzeuge errechnet

11. verändertes Bewegungsverhalten äußere Beanspruchung Deformation durch eingeprägte Kräfte 2. Unfallforschung Unfallschwere Kollisionsobjekt • Die äußere Beanspruchung des Kollisionsobjekts während der InCrash-Phase hat folgende Effekte im Hinblick auf die Insassenbelastung zur Folge: • die Veränderung des Bewegungsverhaltens • die Deformation von Fahrzeugstrukturen und als Folge davon • Die Intrusion

12. EES(Energy Equivalent Speed) Aufprallgeschwindigkeit auf ein beliebiges, festesHindernis, bei der die gleiche Verformungsarbeit wie im realen Unfall umgesetzt wird. Die Verformungsenergie errechnet sich dabei zu: 2. Unfallforschung Unfallkenngrößen EBS (Equivalent Barrier Speed) Aufprallgeschwindigkeit auf eine flachestarreBarriere, bei der die gleiche Deformationsenergie umgesetzt und das gleiche Beschädigungsbild wie im realen Unfall beim betrachteten Fahrzeug hervorgerufen wird. ETS(Equivalent Test Speed) Aufprallgeschwindigkeit auf eine geeignetes, festes oder beweglichesHindernis, bei der die gleiche Deformationsenergie umgesetzt und das gleiche Beschädigungsbild wie im realen Unfall hervorgerufen wird.

13. Spezifische Unfall-Leistung SPUL Produkt aus der Geschwindigkeitsänderung Δv und der mittleren Fahrzeugverzögerung . Geschwindigkeitsänderung Δv Differenz zwischen der Kollisions- und der Auslaufgeschwindigkeit; 2. Unfallforschung Unfallkenngrößen Stoßantrieb S = ΔI Kennzeichnet die Impulsdifferenz zu zwei ausgezeichneten Zeitpunkten, nämlich zu Beginn und am Ende der InCrash-Phase. Änderung der BewegungsenergieΔE Die Änderung der Bewegungsenergie ist der auf das Kollisionsobjekt bezogene Energieverlust während der InCrash-Phase; sie entspricht wertmäßig der Deformationsarbeit.

14. Mensch Menschliche Versagen Fahrzeug Technische Mängel Umwelt Straßenglätte 2. Unfallforschung Aufklärung der Unfallursachen Übersicht hinsichtlich der Ursachen von Straßenverkehrsunfällen, 2004 Ziel: Sachverhalte, die zum Unfall führten, zu untersuchen und von den Unfallfolgen (Verletzungen, Sachschäden), auf die Unfallursachen im technischen, medizinischen und/oder psychologischen Bereich zu schließen. Bild: Kramer

15. nicht angepasste Geschwindigkeit Vorfahrt-/Vorrangfehler Abstandsfehler Fehler beim Abbiegen Alkoholeinfluss Falsche Straßenbenutzung 2. Unfallforschung Aufklärung der Unfallursachen Einteilung von menschlichen Versagen, 2004 Bild: Kramer

16. 2. Unfallforschung Ableitung von Verbesserungsmaßnahmen Unfallvermeidung durch: Fahrer-Assistenz-Systeme als Unterstützung für den Fahrer um Gefahrensituationen besser erkennen und schneller darauf reagieren zu können Angepasste Insassenschutz-Systeme Insassenschutz in Abhängigkeit von der Fahrzeugmasse Minimierung der Schwere des Unfalls und deren Folgen durch: Fußgängerschutz-Maßnahmen Europäische Sicherheits-Standards Seitenschutz-Maßnahmen

17. Unfallgeschehen Unfallart Unfalltyp Kollisionsart Kollisionstyp Aufprallart Aufpralltyp Belastungsart Belastungstyp Verletzungsart Verletzungstyp 2. Unfallforschung Strukturierung des Unfallgeschehens Bild: Kramer „Passive Sicherheit…“

18. 2. Unfallforschung Kollisionstypen Kollisionstypen der PKW/PKW-Unfälle Kollisionstypen von PKW/NZF-Unfällen Bilder: Kramer „Passive Sicherheit…“

19. 2. Unfallforschung Kollisionstypen Kollisionstypen der PKW/Hindernis-Unfälle Bilder: Kramer „Passive Sicherheit…“

20. 2. Unfallforschung Front Aufprallarten PKW-Aufprallarten „Je größer die Sicherheitszahl und damit das Maß der passiven Sicherheit, desto geringer ist das Verletzungsrisiko.“ Seite Heck Überschlag (Datenmaterial der Unfallforschung MHH) Bild: Kramer „Passive Sicherheit…“

21. Aufpralltyp: Kennzeichnet den Grad der Überdeckung und die Lage der Beschädigung Klassifizierung der translatorischen und der rotatorischen Bewegungsanteile des Fahrzeugs während des Aufpralls und der entsprechenden Insassenbewegung relativ zum Fahrzeug-Innenraum 50 % 43 % 50 % 2. Unfallforschung Vertikale Aufpralltypen

22. 2. Unfallforschung Horizontale Aufpralltypen Aufpralltypen für frontal kollidierte PKW (nach SAE J224) Häufigkeits-Verteilung der Aufpralltypen (PKW-Front) Bilder: Kramer „Passive Sicherheit“

23. 2. Unfallforschung Verteilung der Verletzungen von Insassen in frontal kollidierten PKW Belastungsart und Belastungstyp Die Belastungsart bezieht sich auf die während des Unfalls beanspruchten Körperregionen. reicht nicht zur Charakterisierung der Insassenkinematik und der daraus resultierenden Verletzungsentstehung aus Einführung des Belastungstyps Beschreibt die Art des Insassenschutzes wie: Belastungsrichtung, Sitzposition, Benutzung von Insassenschutz-Systemen wie Anschnallgurte… Bild: Kramer „Passive Sicherheit…“

24. 2. Unfallforschung Verletzungstyp • Vier verletzungsverursachende Mechanismen • Verletzungen aufgrund • direkter Krafteinwirkung • indirekter Krafteinwirkung • von Trägheitskräften • von Hyperextension und -flexionen (Überbeugen, Überbiegen) Der Verletzungstyp kennzeichnet die Beanspruchung unter mechanischen Gesichtspunkten Prozentuale Verteilung der Verletzungen von Insassen frontal kollidierter PKW Bild: Kramer

25. 3. Biomechanik Verletzungsschweregrad Verletzungsskalierung nach AIS (Abbreviated Injury Scale)

26. 3. Biomechanik Verletzungsschweregrad • Verletzungsskalierung nach AIS (Abbreviated Injury Scale) • Schweregrad wird nach fünf Kriterien zugeordnet: • Grad der Lebensbedrohung • Behandlungsdauer • Dauerschäden • Energieaufnahme • Häufigkeit einer Verletzung • berücksichtigt die Verletzung nur so, als ob keine weiteren • Verletzungen aufgetreten wären • zur Einschätzung der Gesamtverletzungsschwere wird MAIS (Maximal AIS) • verwendet

27. ISS (Injury Severity Score) • zur Codierung von Mehrfachverletzungen angewandt • Summe aus den Quadraten der jeweils höchsten AIS- Werte der drei am • schwersten verletzten Körperregionen: • PODS (Probability of Death Score) • kann ohne und mit Berücksichtigung des Alters des Verletzten errechnet werden: • unter Berücksichtigung des Alters: 3. Biomechanik Andere Verletzungsskalierungen

28. 3. Biomechanik Verletzungs- und Schutzkriterien Biomechanische Untersuchungen verfolgen das Ziel, diejenigen Faktoren zu identifizieren und quantitativ zu bestimmen, die für Art und Ausmaß der Verletzungen Verantwortlich sind. • Test-Grenzwerte sind festzulegende Werte der Schutzkriterien-Level für definierte Testsituationen. • für den Kopf gilt das Schutzkriterium HIC (Head Injury Criterion) mit einem • Level von HIC=1.000

29. 3. Biomechanik Untersuchungsmethoden zur Ermittlung von Schutzkriterien • Die Belastungsgrenzen des Menschen können durch folgende verschiedene Untersuchungsmethoden ermittelt werden: Versuche mit • Lebende Menschen (Unfallbeteiligten) • Freiwilligen • Sportlern, Artisten und Tänzern • menschlichen Leichen und Leichenteilen • Tieren • anthropometrischen Messpuppen (Dummies) Colonel Stapp mit durch Belastungen verzerrtem Gesicht während der Abbremsung des Raketenschlittens Bild: Wikipedia

30. 3. Biomechanik Untersuchungsmethoden zur Ermittlung von Schutzkriterien Anforderungen an Versuchspuppen für den Frontaufprall

31. 3. Biomechanik Belastungsgrößen für den Kopf Risikofunktion für Kopfbelastung bei Frontalkollisionen Durch die Aufteilung der Verletzungsschweregrade wir eine Grenzkurve bereitgestellt, mit deren Hilfe sich die Wahrscheinlichkeit für reversible und irreversible Verletzungen darstellen lässt Bild: Kramer „Passive Sicherheit..“

32. 3. Biomechanik Besondere HIC-Werte • HIC15 • Betrachtung nur im Intervall von t2-t1=0,015s • repräsentiert den steifen, harten Kopfaufprall • HIC36 • Betrachtung nur im Intervall von t2-t1=0,036s • repräsentiert den weicheren Kopfaufprall • HPC (Head Protection Criterium) = Kopf-Schutzkriterium • für Seitenkollisionen wird nach der gleichen Vorschrift berechnet wie das Kriterium HIC und weist den gleichen Level, nämlich HIC=1.000, auf.

33. 3. Biomechanik Gesetzlich festgelegte Schutzkriterien Schutzkriterien und –Level nach geltender Sicherheitsgesetzgebung Bild: Kramer „Passive Sicherheit…“ 2. Auflage

34. 2. Historische Entwicklung der Karosserie Skelettbauweise WSU-Grenzkurve und HIC 1.000-Kurve (Berechnung aus einer Cosinus-Funktion ) Mathematische Beschreibung der „WSU-Kurve“ Bild: Kramer „Passive Sicherheit…“

35. amax [g] Rechteckverlauf HIC=(t2-t1)·amax2,5= (60-30)ms·80g2,5= 1717,3 g/s t [ms] Halbsinus-Verlauf HIC=0,4146·(t2-t1) )·amax2,5 =0,4146·(60-30)ms·80g2,5= 711,99 g/s Dreieck-Verlauf HIC=0,2464·(t2-t1) )·amax2,5 =0,2464·(60-30)ms·80g2,5= 423,14 g/s 3. Biomechanik Beschleunigungs/Zeit-Verläufe und Näherungsformel zur HIC-Berechnung HIC-Werte Bild: Kramer „Passive Sicherheit…“

36. Berechnung • NIC (Neck Injury Criterion): • Halsverletzungskriterium • Schutzkriterien-Level: und mit Berechnung von Nij • Nij (Normalized Neck Injury Criterion): • Normiertes Halsverletzungskriterium und mit 3. Biomechanik Schutzkriterien für den Hals

37. 3. Biomechanik Schutzkriterien für den Hals Schutzkriterien und –Level nach geltender Sicherheitsgesetzgebung Bild: Kramer

38. 3. Biomechanik Schutzkriterien für den Hals das Schutzkriterium-Level für den Hals lässt sich in vier Quadranten darstellen: Extension/Tension, Extension/Kopression, Flexion/Kompresseion und Flexion/Tension Gültigkeitsbereich für Schutzkriterien für die Halswirbelsäule nach FMVSS 208(Beispiel für das Schutzkriterien-Level, HYBRID III 50 %-Dummy)

39. 3. Biomechanik Schutzkriterien für die Brust • Beziehen sich auf den Brustschwerpunkt • Schwere-Index SI (Severity Index) mit a [g] • der Grenzwert wird auf a=60g reduziert • die Verwendung der Aufprallkraft bezieht sich auf die nicht angegurteten Insassen • Als zusätzliches Schutzkriterium wird das Viskositätskriterium VC (Viscous Criterion) verwendet: Bei Werten von VC>1,0 m/s treten nur noch irreversible Verletzungen (AIS 4 und 5) auf => Schutzkriterium für sagittale Thorax-Belastungen:

40. 3. Biomechanik Schutzkriterien für die Brust Bei Werten von VC>1,0 m/s treten nur noch irreversible Verletzungen (AIS 4 und 5) auf => Schutzkriterium für sagittale Thorax-Belastungen: mit D(t): Eindrückung [m] zum Zeitpunkt t, Δt: Zeitintervall [s] zwischen den einzelnen Messungen, es soll maximal Δtmax=1,25·10-4 s betragen

41. 3. Biomechanik Schutzkriterien für die Brust • TTI (Thoracic Trauma Index) • für laterale Brustbelastungen definiert Bei seitlich belasteten Dummies wird die Beziehung unter Vernachlässigung des Alterseinflusses abgewandelt und zum Vergleich verschiedener verwendet.

42. 3. Biomechanik Schutzkriterien für den Becken-/Bauchbereich • sagittale Belastungsrichtung • kein gesetzliche vorgeschriebenes Schutzkriterium • es werden lediglich Sichtprüfungen vorgeschrieben und Hinweise gegeben, dass während der jeweiligen Untersuchung der Beckengurt „am Becken bleiben“ muss und der „Gurtsitz nicht in die Bauchgegend verlagert“ werden darf • laterale Belastung • mit Einführung der Seitenaufprall-Versuche wurde die Querbeschleunigung als Schutzkriterium berücksichtigt; sie weist einen Test-Grenzwert von 130g auf

43. mit wobei gilt: 3. Biomechanik Schutzkriterien für die Extremitäten • Als Schutzkriterium für die Extremitäten existiert die Oberschenkellängskraft (Submaring-Kriterium, wegen des kinematischen Zusammenhangs mit dem Becken) • Zur Bewertung des Verletzungsrisikos am Schienbeinknochen wurden zwei Kriterien entwickelt • Kompressionskraft-Kriterium am Schienbein TCFC (Tibia Compression Force Criterion) • Schienbein-Index TI (Tibia Index) Fz: axiale Druckkraft [kN] in z-Richtung Fzkrit: kritische Druckkraft [kN] in z-Richtung Mx: Biegemoment [Nm] um die x-Achse My: Biegemoment [Nm] um die y-Achse Mreskrit: kritisches Biegemoment [Nm]