Passive Sicherheit von Kraftfahrzeugen (eBook)

Hon.-Professor Dr.-Ing. Florian Kramer lehrt an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) das Fachgebiet Kraftfahrzeugsicherheit und Unfallanalytik.

Vorwort zur zweiten Auflage 6
Danksagung 7
Inhaltsverzeichnis 9
1 Die passive Sicherheit 14
1.1 Sicherheitswissenschaftliche Grundbegriffe 14
1.2 Die passive Fahrzeug-Sicherheit als Teilgebiet der Straßenverkehrssicherheit 15
2 Unfallforschung 22
2.1 Unfalldatenerhebung und -statistik 24
2.1.1 Zielsetzung der Unfallstatistik 25
2.1.2 Polizeilich erhobene Unfalldaten 25
2.1.3 In depth-Untersuchungen 26
2.2 Unfallmechanik und -rekonstruktion 28
2.2.1 Rekonstruktion von Unfällen 29
2.2.2 Unfallschwere 31
2.3 Unfallanalyse 32
2.3.1 Aufklärung der Unfallursachen 33
2.3.2 Ableitung von Verbesserungsmaßnahmen 34
2.4 Strukturierung des Unfallgeschehens 36
2.4.1 Unfallart 37
2.4.2 Unfalltyp 39
2.4.3 Kollisionsart 41
2.4.4 Kollisionstyp 45
2.4.5 Aufprallart 50
2.4.6 Aufpralltyp 52
2.4.7 Belastungsart und Belastungstyp 54
2.4.8 Verletzungsart und Verletzungstyp 58
Literaturnachweis zu Kapitel 2 60
3 Biomechanik 62
3.1 Anatomie des menschlichen Körpers und Verletzungsmechanismen 62
3.1.1 Der Kopf 63
3.1.2 Die Wirbelsäule 68
3.1.3 Der Thorax 80
3.1.4 Das Abdomen und das Becken 88
3.2 Verletzungsschwere und deren Monetarisierung 107
3.2.1 Verletzungsschweregrad 108
3.2.2 Verletzungsskalierung nach AIS 109
3.2.3 Andere Verletzungsskalierungen 110
3.2.4 Monetäre Bewertung der Verletzungsschwere 112
3.3 Verletzungs- und Schutzkriterien 114
3.3.1 Definitionen 115
3.3.2 Untersuchungsmethoden zur Ermittlung von Schutzkriterien 118
3.3.3 Gesetzlich festgelegte Schutzkriterien 124
3.3.4 Schutzkriterien in der Diskussion 135
4 Sicherheitsmaßnahmen 156
4.1 Zielsetzung und Definitionen 156
4.1.1 Selbst- und Kontrahentenschutz 157
4.1.2 Wirkrichtung der Schutzmaßnahmen 158
4.2 Schutzprinzipien 158
4.2.1 Energetische Betrachtung 158
4.2.2 Wechselwirkung zwischen Frontal- und Seitenkollision 161
4.2.3 Kompatibilität 161
4.2.4 Prinzip des Geschwindigkeitsangleichs 170
4.2.5 Ride Down-Effekt 173
4.2.6 Out of Position-Situationen 175
4.3 Maßnahmen zum Selbstschutz 177
4.3.1 Karosserie und Deformationsstruktur 177
4.3.2 Gurtsysteme und -komponenten 183
4.3.3 Airbag-Systeme und -Komponenten 198
4.3.4 Insassenschutz-Systeme 213
4.3.5 Selbstschutzmaßnahmen für Zweirad-Fahrer 225
4.3.6 Selbstschutzmaßnahmen für Nutzfahrzeuge 230
4.4 Maßnahmen zum Kontrahentenschutz 236
4.4.1 Maßnahmen am PKW zum Schutz äußerer Verkehrsteilnehmer 236
4.4.2 Maßnahmen am NFZ zum Schutz von PKW-Insassen und äußeren Verkehrsteilnehmern 241
4.5 Nachkollisionäre und sonstige Sicherheitsmaßnahmen 246
Literaturnachweis zu Kapitel 4 253
5 Sensorik zur Unfalldetektierung 256
5.1 Entwicklung der Sensorik 257
5.1.1 Mechanische Sensoren 257
5.1.2 Elektromechanische Sensoren 258
5.1.3 Elektronische Sensoren 263
5.2 Seiten-Sensoren 271
5.2.1 Beschleunigungssensoren 272
5.2.2 Druck-Sensor 272
5.3 Up Front-Sensor 273
5.4 Systeme zur Insassen-Erkennung 274
5.4.1 Kindersitz-Erkennung 275
5.4.2 Sitzgebundene Systeme 276
5.4.3 Optische Systeme 278
5.4.4 Übersicht zu Insassen-Erkennungssystemen 278
5.5 PreCrash-Sensorik 279
5.6 Airbag-Elektronik 281
5.6.1 Spannungsversorgung und Energiereserve 283
5.6.2 Sensoren sowie Steuerungs- und Überwachungseinheiten 283
5.6.3 Zündungseinrichtung 283
5.6.4 Speicherung von Ereignisdaten 284
5.7 Sicherheitsanforderungen an die Airbag-Elektronik 284
5.7.1 Mechanische Systeme 285
5.7.2 Elektromechanische Systeme 285
5.7.3 Elektronische Systeme 286
5.7.4 Integritätslevel für die Zuverlässigkeit 290
5.8 Datenübertragung 291
5.8.1 Bus-Systeme 293
5.8.2 Bus-fähige Anzünder 296
5.9 Systemintegration hinsichtlich aktiver und passiver Sicherheit 297
6 Überprüfung und Bewertung der Sicherheit 299
6.1 Quantifizierung der Straßenverkehrssicherheit 299
6.2 Gesetzgebung 303
6.2.1 Vorschriften in Deutschland und in Europa 303
6.2.2 Vorschriften in den USA und anderen Staaten 305
6.2.3 Zusammenfassung der Vorschriften in verschiedenen Ländern 305
6.2.4 Künftige Vorschriften zur passiven Sicherheit 317
6.3 Bewertung auf der Basis der Unfallstatistik 319
6.3.1 Highway Loss Data Institute Report 319
6.3.2 FOLKSAM Report 320
6.3.3 Secondary Safety Rating System for Cars 320
6.4 Bewertung auf der Basis von experimentellen Untersuchungen 320
6.4.1 ADAC-Testverfahren zur passiven Sicherheit von PKW 323
6.4.2 Bewertung nach „auto motor und sport“ (ams-Test) 324
6.4.3 Crash Worthiness Rating System for Cars (CWRSC) 324
6.4.4 New Car Assessment Program (NCAP) 325
6.4.5 Die Quantifizierung der passiven Sicherheit für PKW-Insassen und das Sicherheitskriterien-System SiKriS 330
6.5 Verletzungsfolgekosten und Sachschäden 335
Literaturnachweis zu Kapitel 6 339
7 Experimentelle Simulation 341
7.1 Versuchsarten 342
7.1.1 Fahrzeugversuche 342
7.1.2 Schlittenversuche 348
7.1.3 Komponentenversuche 351
7.2 Versuchseinrichtungen und -anlagen 354
7.3 Anthropometrische Testpuppen (Dummies) 355
7.3.1 Anforderungen 356
7.3.2 Instrumentierung 357
7.3.3 Verwendete Dummies und ihr Einsatz 359
7.4 Messtechnik 363
7.4.1 Messkette 364
7.4.2 Messwert-Geber 364
7.4.3 Messdaten-Erfassung und -Verarbeitung 366
7.5 Film- und Beleuchtungstechnik 370
Literaturnachweis zu Kapitel 7 371
8 Rechnerische Simulation 374
8.1 Geschichte der rechnerischen Simulation 374
8.2 Berechnungsverfahren 376
8.2.1 Mehrkörper-Systeme mit dem Fokus „Insassensicherheit“ 376
8.2.2 Mehrkörper-Systeme mit dem Fokus „Unfallrekonstruktion“ 377
8.2.3 Finite-Elemente-Methode 378
8.2.4 Kontrollvolumen und Strömungssimulation 381
8.2.5 Gekoppelte Systeme 382
8.2.6 Hardware-Architekturen 385
8.2.7 Kommerzielle Programmsysteme 386
8.3 Berechnungsmodelle 386
8.3.1 Unfallrekonstruktion 387
8.3.2 Strukturberechnung 388
8.3.3 Insassensimulation mit Dummy-Modellen 392
8.3.4 Simulation von Fußgänger- und Zweirad-Kollisionen 396
8.3.5 Simulationen mit Modellen des menschlichen Körpers 400
8.4 Berechnungsbewertung 402
8.5 Rechnerische Optimierung im Bereich der passiven Sicherheit 403
Literaturnachweis zu Kapitel 8 405
9 Passive Sicherheit im Fahrzeugentwicklungsprozess 409
9.1 Prozessziele und Entwicklungsorganisation 410
9.2 Der Entwicklungsprozess 410
9.3 Qualität und deren Absicherung 412
9.4 Herausforderungen innerhalb der Projektarbeit 414
9.4.1 Gesetzliche Anforderungen 414
9.4.2 Rating-Anforderungen 417
9.5 Rechnerische Simulation und experimentelle Absicherung im Entwicklungsablauf 417
9.5.1 Einsatz der Entwicklungswerkzeuge 418
9.5.2 Absicherung neuer Technologien und Werkstoffe 424
9.5.3 Möglichkeiten und Grenzen 425
9.6 Integration der Unfallforschung in den Entwicklungsablauf am Beispiel Mercedes-Benz 426
Literaturnachweis zu Kapitel 9 430
Sachwortverzeichnis 431

8 Rechnerische Simulation (S. 361-362)

Für eine Zulassung im Straßenverkehr sind Fahrzeugversuche international vereinbart und gesetzlich vorgeschrieben. Mit der experimentellen Simulation werden nicht selten unerwartete Schwachstellen aufgedeckt. Nachteilig ist allerdings der Umstand, dass Testobjekte erst als Prototypen oder Muster vorliegen müssen, um experimentell überprüft werden zu können. Dies bedeutet nicht nur hohe Erstellungskosten, sondern auch einen hohen Zeitaufwand, der mit den immer kürzer werdenden Entwicklungszyklen neuer Fahrzeugtypen und -plattformen unvereinbar ist. Daher entwickelte sich die rechnerische Simulation hin zum entscheidenden und anerkannten Auslegungswerkzeug.

Die Anwendung reicht von der Konzeptphase bis hin zur Serienentwicklung und zeichnet sich durch ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Genauigkeit aus. Dies gilt für die statische und dynamische Berechnung des Fahrzeugverhaltens und der Komponenten des Insassenschutz-Systems als auch für die Simulation des Bewegungs- und Belastungsverhaltens von Insassen. Innerhalb dieser Crash-Mechanik-Simulation werden Rechenverfahren eingesetzt, die die zu untersuchende Komponente als deformierbar oder als gekoppelte Starrkörper annehmen.

Entsprechend nutzt man Programme aus dem Bereich der Finite-Elemente- Methode (FEM) bzw. Programme für Mehr-Körper-Systeme (MKS). Nach einer Zusammenfassung der geschichtlichen Entwicklung der Berechnungsverfahren werden die einzelnen mathematischen Methoden kurz umrissen. Daran schließt sich die Beschreibung von verwendeten Modellarten in den unterschiedlichen Berechnungsdisziplinen. Abschließend werden erforderliche Kriterien zur Bewertung einer Berechnung diskutiert und die Möglichkeiten der Optimierung von Systemen mittels Simulation erläutert. 8.1 Geschichte der rechnerischen Simulation Verwendet man MKS-Formulierungen, führt dies zu Systemen von gewöhnlichen Differentialgleichungen.

Eine noch heute aktuelle Gruppe von Algorithmen zur Lösung von Anfangswert-Problemen von gewöhnlichen Differentialgleichungen wurde Anfang des 20. Jahrhunderts, also vor der Entwicklung und Verbreitung von Computern, veröffentlicht. Die Methoden sind nach den Entwicklern, dem deutschen Mathematiker und Physiker Carle David Tolmé RUNGE (1856-1927), der in Göttingen lehrte und dem deutschen Mathematiker Martin Wilhelm KUTTA (1867-1944), der in Stuttgart lehrte, benannt. Die RUNGE-KUTTA-Verfahren sind aber noch nicht in der Lage, die in der Insassensicherheit auftretenden Gleichungen effektiv zu lösen.

Dazu wurden Mitte des 20. Jahrhunderts in Arbeiten von Charles CURTISS und Joseph HIRSCHFELDER Untersuchungen zu so genannten steifen Systemen gemacht. Verfahren zum Lösen des steifen Systems wie RUNGE-KUTTA-ROSENBROCK oder RUNGE-KUTTA-NYSTRÖM erlauben die Aufgaben numerisch zu lösen. Eines der ersten zweidimensionalen Insassen-Simulationsmodelle wurde 1963 in den USA durch CALSPAN von McHENRY unter der Bezeichnung CAL-2D aufgestellt und laufend weiterentwickelt, so entstanden z. B. das Programm ROS (Revised Occupant Simulation) von SEGAL im Jahre 1971, das Programm MODROS (Modified Revised Occupant Simulation) von DANFORTH und RANDALL 1972 und das Programm PSOS (Programm zur Simulation und Optimierung von Sicherheitsgurten) von NIEDERER 1977.

Parallel zum CALSPAN-Modell entwickelte ROBBINS das als MVMA-2D bezeichnete Modell, das von ihm und anderen Co-Autoren 1970 veröffentlicht wurde. Das an der Technischen Universität Berlin entwickelte Insassen-Crashmechanik- Rechenmodell ICMF wurde zwar in Forschungsprojekten intensiv angewandt, jedoch nie kommerziell vertrieben. Es geht ursprünglich zurück auf ein von ANSELM 1975 aufgestelltes Programm.