Untersuchung von Karosseriebauteilen unter dem Aspekt des Kopfaufpralls beim Fußgängerunfall mit NI DIAdem

Author(s):
Lutz Berger - Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen Aachen mbH
Harald Bachem - Forschungsgesellschaft für Kraftfahrwesen Aachen mbH

Industry:
Automotive

Products:
DIAdem

The Challenge:
Vergleich der Fußgängerfreundlichkeit der Haubenwerkstoffe Aluminium und Stahl. Von besonderer Bedeutung ist in diesem Kontext ein zu Beginn des Jahres 2005 eingebrachter Gesetzentwurf der Europäischen Kommission, der spezielle strukturelle Anforderungen an die Fahrzeugfront bezüglich der Deformationseigenschaften bei Kollisionen mit Fußgängern bedingt.

The Solution:
Auswertung des Kopfaufpralls mithilfe einer in NI DIAdem erstellten Auswerteroutine. Es erfolgt eine Automatisierung der Aufgabenstellung über die in DIAdem integrierte Skriptsprache VisualBasic.

Kurzfassung
Die Materialauswahl für Karosserieteile wird durch verschiedene Aspekte wie Kosten, Gewicht und die erforderliche Struktursteifigkeit beeinflusst. Für Motorhauben ist der Gewichtsaspekt insbesondere bei frontgetriebenen Fahrzeugen mit Frontmotor wegen der Gesamt­masseverteilung von besonderer Wichtigkeit. Verglichen mit anderen Karosserieteilen muss eine Motorhaube jedoch eine zunehmende Anzahl an weiteren Anforderungen erfüllen. Von besonderer Bedeutung ist in diesem Kontext ein zu Beginn dieses Jahres eingebrachter Gesetzentwurf der Europäischen Kommission, der spezielle strukturelle Anforderungen an die Fahrzeugfront bezüglich der Deformationseigenschaften bei Kollisionen mit Fußgängern bedingt. Entsprechend des Entwurfes müssen alle Fahrzeuge ab dem Jahr 2005 eine optimierte, energieabsorbierende Frontstruktur aufweisen, um die Anforderungen zu erfüllen.
In der vorliegenden Studie wird die in der geplanten Richtlinie definierte Testprozedur an einem Fahrzeug durchgeführt. Dieses ist auf dem Markt sowohl mit Aluminium als auch mit Stahlmotorhaube bei ansonsten identischem Design verfügbar. Zur Beurteilung des Energieabsorptionsverhaltens beim Kopfaufprall werden die vorgeschriebenen Impaktoren für den Kinder- und Erwachsenenkopf eingesetzt.

Primäres Ziel der Studie ist es, die Fußgängerfreundlichkeit der Haubenwerkstoffe Aluminium und Stahl zu vergleichen. Da das Haubendesign bei dem untersuchten Fahrzeug nicht speziell im Hinblick auf Fußgängerfreundlichkeit entwickelt worden ist, erlauben die Resultate eine Bewertung, ob einer der zwei benutzen Haubenwerkstoffe grundsätzliche Vorteile für ein fußgängerfreundliches Design aufweist.

Zur Durchführung dieser Untersuchungen steht dem Institut für Kraftfahrwesen Aachen ein Stoßkolbenprüfstand zur Verfügung. Im Rahmen dieser Untersuchungen wird eine in DIAdem erstellte Auswerteroutine zuhilfe genommen. Mit dieser Routine sollen die anfallen­den Beschleunigungs- und Lichtschrankensignale verarbeitet, Verletzungskriterien berechnet und zur weiteren Auswertung anschauliche Diagramme automatisiert erstellt werden. Das Hauptaugenmerk wird auf die Auswertung des Kopfaufpralls gelegt. Hierzu sind Funktionen zur Geschwindigkeitsberechnung des Stoßkörpers, der Berechnung des Head Injury Criterions (HIC) sowie der mittleren und maximalen Beschleunigung des Impaktors zu erstellen. Die Ergebnisse können dem Anwender in einem Bild-, PDF- und Excelformat zur Verfügung gestellt werden.

Einleitung
Um Fahrzeugfronten in Hinblick auf ihr Fußgängerschutzpotential zu entwickeln, ist die Untersuchung zahlreicher unterschiedlicher Unfallkonstellationen und Aufprallpositionen erforderlich. Da Experimente mit Full-Body-Dummies von Fußgängern zu kosten- und zeitintensiv sind, basiert eine europaweite Testprozedur auf Subsystemen für Kopf-, Becken- und Beinbereich des Fußgängers. Aufgrund der klaren Definition von Randbedingungen wie Geschwindigkeit und Aufprallwinkel resultiert daraus schließlich eine einfach durchzuführende Testroutine bei einer hohen Reproduzierbarkeit der Resultate. Für die vorliegende Studie, in der das Schutzpotenzial von Motorhauben in Abhängigkeit vom Werkstoff untersucht werden soll, wird ein Serienfahrzeug ausgewählt, bei dem vom Hersteller ein reiner Werkstoffwechsel an der Motorhaube, von Stahl zu Aluminium im Modelljahr 2002, ohne weitere Änderungen des äußeren Designs vorgenommen wurde.

Da die Fahrzeuge der Modelljahre 1999-2001 den gleichen Motorraum und das gleiche Package haben wie diejenigen des Modelljahrs 2002 und später, ist ein reiner Werkstoffvergleich mit diesem Fahrzeug möglich.

Im Rahmen der Untersuchungen kommt DIAdem als Mess- und Auswertesoftware zum Einsatz. Es erfolgt eine Automatisierung der Aufgabenstellung über die integrierte Skriptsprache VisualBasic.

Strukturuntersuchung an den verwendeten Motorhauben
Vor der Durchführung der Fußgängertests werden die Aluminium- und die Stahlhaube zunächst anhand ihrer Struktursteifigkeit vergleichend gegenübergestellt. Dabei werden Ersatzteilhauben benutzt, die auch für die Durchführung der Fußgängerschutztests verwendet werden sollen. Die Auswertung der Ergebnisse wird mittels DIAdem vorgenommen. Diese werden verglichen mit denen von Originalhauben, die bereits in einem Motorhauben-Benchmarking-Projekt getestet wurden. Das Ergebnis dieser Untersuchungen soll daher neben dem Vergleich der Aluminium- und Stahlhaube auch einen Anhaltswert für die auftretenden Unterschiede in der Struktursteifigkeit zwischen Original- und Ersatzteilen liefern (Bake-Hardening-Effekt). Die Resultate für die laterale und torsionale Steifigkeit sind beispielhaft in den Bildern "Vergleich der Quersteifigkeit anhand der DIAdem Daten" und "Vergleich der Torsionssteifigkeit anhand der DIAdem Daten" (siehe Bildergalerie) für die Serienhauben aus Stahl und Aluminium und die entsprechenden Ersatzteile gezeigt.

Der Vergleich in Bezug auf den Haubenwerkstoff macht deutlich, dass die Struktursteifigkeit der Stahlhaube weitaus höher ist als die der Aluminiumhaube. Der prozentuale Vorteil von Stahl gegenüber Aluminium resultiert für die untersuchten Belastungszustände wie folgt:

• Quersteifigkeit + 46 %
• Längssteifigkeit + 53 %
• Torsionssteifigkeit + 42 %

In diesem Kontext muss jedoch berücksichtigt werden, dass das Gewicht der Aluminiumhaube im Vergleich zur Stahlhaube um 47% geringer ist.
Der Vergleich der Originalteile mit den getesteten Ersatzteilen zeigt, dass es keinen signifikanten Unterschied in der Struktursteifigkeit gibt. Obwohl diese Untersuchungen im elastischen Deformationsbereich keine umfassenden Schlussfolgerungen über den Einfluss von Härtungseffekten in dynamischen Tests mit höherer plastischer Deformation (z. B. Kopfaufprall) erlauben, werden die Fußgängeraufpralltests im Anschluss an Ersatzteilen für Motorhaube und Kotflügel durchgeführt.

Kopfaufprallversuche
Das Test-Set-Up ist im Bild "Testaufbau" dargestellt. Zur Versuchsdurchführung wird eine servohydraulische Anlage eingesetzt. Während der Tests wird der Stoßkolben über den Aufprallpunkten mit dem erforderlichen Winkel positioniert und der Impaktor an dessen Ende fixiert. Mit dem Kolben wird der Kopf bis zur erforderlichen Geschwindigkeit von 40 km/h beschleunigt und danach freigegeben, so dass er die Haube in freiem Flug trifft.

Für beide untersuchten Haubenvarianten werden 9 Tests, jeweils mit einem Erwachsenen- und einem Kinderkopf, durchgeführt. In der Summe ergeben sich 36 Tests. Die Dokumentation der Versuchsergebnisse erfolgt durch HIC-Wert, benutztes Zeitintervall zur Berechnung des HIC-Wertes, a3ms, amax, High-Speed-Videoaufnahmen und digitale Photos der plastischen Haubendeformation. Die Videosequenzen erlauben eine detaillierte Analyse z. B. des Deformationsverhalten der Haube oder der Zeitpunkte von Primär- (Kopf auf Haube) und Sekundäraufprall (Haube auf darunter liegender Struktur).

Im Schwerpunkt der Impaktoren ist jeweils ein drei-axialer Beschleunigungssensor positioniert. In Bild "Diagramm Versuchsauswertung" sehen Sie die eine beispielhafte Versuchsauswertung, die automatisiert mittels DIAdem aufgezeichnet und ausgewertet wurde.

Die Auswertung der Messdaten der ausgeführten Tests kann in DIAdem einzeln oder in Serie erfolgen. Wie in Bild 5 "User-Eingabedialog" beispielhaft dargestellt kann der Benutzer in Userdialogen die auszuwertende Messdatei sowie die für den Berechnungslauf variablen Größen angeben. Diese Eingabemasken werden innerhalb eines Skripts, das im DIAdem-internen VisualBasic-Interpreter erstellt wurde, definiert.

Zur Verifizierung der vorgegebenen Impaktorgeschwindigkeit kommt ebenfalls DIAdem zum Einsatz. Dazu wird der Beschleunigungsverlauf des Impaktors am Stoßkolben über eine Lichtschranke aufgezeichnet. Dies geschieht, indem das Licht eines fest installierten Lasers von einer Reflexionsfolie, die auf dem Stoßkolben angebracht ist, reflektiert wird. Die Folie verfügt über ein vorgegebenes Raster mit Hell-Dunkel-Übergängen. Das aufgezeichnete Rechtecksignal kann nun anhand einer Weg-Zeit-Rechnung ausgewertet werden. Dies erledigt ein weiteres VisualBasic-Skript. Dabei werden die Spitzen des Rechtecksignals gesucht und das jeweilige Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgender gleicher Zustände gespeichert. Anhand des vorgegebenen Abstandes zwischen den Hell-Dunkel-Übergängen kann nun die entsprechende Geschwindigkeit ermittelt werden.

Dieses Rastermaß der Hell-Dunkel-Übergänge wird, wie oben bereits angesprochen, neben anderer variabler Größen beim Programmstart in User-Dialogen vom Anwender eingegeben. Dies gewährleistet eine flexible Anwendung bei unterschiedlichen Versuchsarten, wo aber letztendlich stets dieselbe Berechnung durchgeführt wird. Damit wird ein hoher Zeiteinsparungs- und Konsistenzeffekt erzielt, da die Variablen innerhalb des Skripts nicht vor jedem Rechnungslauf vom Anwender angepasst werden müssen und sichergestellt wird, dass sich keine Fehler einschleichen.

Die Auswertung der 36 an den Motorhauben ausgeführten Tests für das untersuchte Fahrzeug hat ergeben, dass in 13 von 18 Fällen an der Stahlhaube eine geringere Belastung beim Kopfaufprall auftritt. Bei der Bewertung der Ergebnisse muss berücksichtigt werden, dass die meisten Resultate für beide Haubenmaterialien weit über dem biomechanischen Limit (HIC 1000) liegen.

Die HIC Werte, die weit über dem Limit liegen, resultieren aus dem sekundären Aufprall auf die unterliegende Fahrzeugstruktur. Speziell im Gebiet um den Federbeindom und die Haubenscharniere ist beim getesteten Fahrzeug nur ein geringer Deformationsweg (5-20 mm) zwischen dem inneren Haubenblech und der darunter liegenden Struktur verfügbar. Wegen der hohen Steifigkeit der beanspruchten Komponenten führt dies zu enormen Beschleunigungsspitzen und HIC Werten.

Zur Bewertung des Einflusses des Sekundäraufpralls auf die Beschleunigungskurve und HIC in Bild "Vergleich von Stahl- und Aluminium Verzögerungskurven an Ch-M-2 und Ch-M-3" werden im Anschluss zwei exemplarische Punkte ausgewählt und für die Stahl- und Aluminiumversion verglichen.

Während des Aufpralls auf Punkt Ch-M-2 findet kein signifikanter Aufprall auf die unterliegende Struktur statt. Die resultierende Beschleunigungskurve führt zu:

• einem größeren Fenster für die HIC Berechnung in der Aluminiumversion
• einer höheren Beschleunigungsspitze für die Stahlversion
• 15-20 % mehr Deformationsweg für die Aluminiumversion
• höherem HIC Wert für die Stahlversion

Während des Aufpralls auf Punkt Ch-M-3 findet ein starker Sekundäraufprall auf die unterliegende Struktur statt. Dies führt zu:

• fast gleichen Fenstern für die HIC Berechung, weil die Beschleunigungskurve maßgeblich durch den Aufprall auf die unterliegende Struktur beeinflusst wird
• leicht höherer erster Beschleunigungsspitze für die Stahlversion
• höhere, sekundäre Beschleunigungsspitze für die Aluminiumversion
• HIC Wert für die Aluminiumversion höher

Zusammenfassung
Im Rahmen der vorliegenden Studie wurde die weitverbreitete pauschale Aussage, dass Motorhauben aus Aluminium generell einen besseren Schutz des Fußgängers bewirken, widerlegt. Anhand der Ergebnisse der Kopfaufpralltests war ersichtlich, dass die Stahlhaube in 13 von 18 Fällen eine geringere Belastung beim Kopfaufprall liefert

Der Einsatz von DIAdem zur Erfüllung der angestrebten Mess-, Auswerte- und Automatisierungsaufgaben erlaubte eine effektive Durchführung der Studie. Die unkomplizierte Bedienung über Eingabedialoge gewährleistet eine geringe Fehleranfälligkeit und einen hohen Zeiteinsparungseffekt, der durch die Möglichkeit der Auswertung ganzer Versuchsserien zusätzlich begünstigt wird. Die ausgewerteten Daten können dem Anwender in einem Bild-, PDF- und Excelformat bereitgestellt und somit im Anschluss mühelos weiterverarbeitet werden.

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Harald Bachem
Forschungsgesellschaft für Kraftfahrwesen Aachen mbH

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