zurück zur Übersicht |
| Dipl.-Ing. Lutz Michaelsen Dipl.-Ing. Rainer Hoffmann |
| EASi Engineering GmbH Siemensstr. 12 63755 Alzenau Tel.: 06023 / 970706 Fax. 06023 / 970170 email info@easi.de |
| zurück zur Übersicht |
Adaptive oder intelligente Rückhaltesysteme werden mit dem Ziel entwickelt, die Schutzwirkung des Rückhaltesystems unter wechselnden Randbedingungen zu optimieren. Hierbei spielt der Insasse eine zentrale Rolle, da er durch seine Größe, Sitzposition und Haltung neben der Unfallschwere die vom Rückhaltesystem aufzunehmende Energie bestimmt. Zur Abdeckung des Spektrums der Erwachsenen-Insassengrößen werden die 3 Standarddummies, der 5th%ile weiblich, 50th%ile und 95th%ile männlich eingesetzt. Der alleinige Einsatz dieser Dummygrößen läßt jedoch verschiedene Aspekte der realen Population außer acht.
In der anthropologischen Forschung werden verschiedene Modelle verwendet, um die Körperproportionen genauer zu klassifizieren. Anhand von wenigen anthropometrischen Schlüsselmaßen lassen sich Körperbaumerkmale bestimmen, die z.B. die Körperproportionen und Körperdimensionen beschreiben. In dieser Matrix stellen die schlanken-großen, dicken-großen, dicken-kleinen und schlanken-kleinen die extremen Körperbautypen dar. Jeder Körperbautyp besitzt seine eigenen mechanisch-dynamischen Eigenschaften (Längen, Trägheitsmomente, Massenschwerpunkte, usw.), welche zu unterschiedlichen Anforderungen an das Rückhaltesystem während eines Autounfalles führen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird dargestellt, wie mit Hilfe von Insassensimulationen Aussagen über das Schutzpotential von Rückhaltesystemen für das gesamte Spektrum der Population gemacht werden können. Hierzu werden auf der Basis von anthropologischen Daten existierende Insassenmodelle skaliert. Die so entwickelten Modelle repräsentieren die Extremkonfigurationen im Hinblick auf Körperlänge und Körperproportion der im ?Anthropologischen Atlas? /1/ veröffentlichten anthropometrischen Studie.
| zurück zur Übersicht |
Adaptive or intelligent restraint systems are developed with the goal to optimise the protective effect under various loads. The occupant plays an important role, because his size and seat position determine the energy which has to be absorbed by the restraint system. The range of occupant heights and weights covers currently three standard dummies, the 5th%ile female, 50th%ile, and 95th%ile male. The usage of these three dummies neglects several aspects of body proportions of the real human populations. The anthropomorphic research uses different human models to describe the body proportion in a better way. Only a few body measures are sufficient to determine the body proportions. In the matrix of body proportions the thin-tall, thick-tall, thick-small, and thin-small people represent extremes of the anthropometric models. Each body type has his own mechanic-dynamic properties (length, inertia, point of inertia, ...) which lead to different requirements for the restraint systems during a car accident.
This study describes, how occupant simulation can be used to determine the efficiency of restraint systems for the whole range of real world occupants. On the basis of anthropometric data occupant simulation models were scaled. These occupant simulation models represent the extreme corners of body proportions of the real world population of Northern Europe. The anthropometric data used, is based on the data published in Anthropologischer Atlas /1/.
| zurück zur Übersicht |
Die Entwicklung von adaptiven Rückhaltesystemen erfordert eine genaue Kenntnis der dynamischen Vorgänge während eines Unfalles. Die Einflußfaktoren auf die Dynamik des Insassen sind vielfältiger Art. Neben der Art der Unfalles und des Fahrzeugtypes, spielen auch die Sitzposition des Insassen, sowie dessen Größe und Körpermasse eine große Rolle. Die Bestimmung der Unfallschwere stellt für moderne Sensoren kein großes Problem da. Dem gegenüber steht die große Unbekannte Insasse. Dies gilt besonders bei der Entwicklung von adaptiven Rückhaltesystemen mit Simulationswerkzeugen, wie MADYMO3D.
Für die Verifikation oder Entwicklung von Insassenschutzsystemen mit MADYMO3D stehen zur Zeit nur 3 verschiedene Dummygrößen zur Verfügung. Die Größeneinteilung dieser Dummies spiegelt nicht unbedingt die reale Verteilung der Körpergröße und -masse der europäischen Bevölkerung wieder. In Abb. 1 ist die Verteilung von Körpermasse und Körperhöhe der verschiedenen Körperbautypen dargestellt, welche die extremen Körperbautypen der nordeuropäischen Bevölkerung beider Geschlechter darstellt. Man sieht hier sehr deutlich, daß die drei Standarddummies nicht die ganze Bandbreite von Körperbautypen abdecken. Weiterhin sind die Bevölkerungen in Südeuropa und Asien im Durchschnitt bis zu 8 cm kleiner und leichter als die Bevölkerung von Nordeuropa (siehe auch /5/), wobei sich die Standarddummies weit außerhalb dieses speziellen Körperbaubereichs befinden.
 |
|
|
Neben der reinen Körperhöhe sind die Körperproportionen und die Korpulenz von Mensch zu Mensch sehr unterschiedlich. Diese Unterschiede werden durch die Perzentilmaße, auf denen z.B. die Dummies basieren, nicht richtig berücksichtigt. Abb. 2 zeigt die mögliche Variabilität in Körperbau und -größe von Menschen wie sie in der heutigen Bevölkerung vorkommen.
 |
|
|
Besonders die kleinen und korpulenten Personen werden nicht durch die heutigen Simulationsdummies abgedeckt (siehe auch Abb. 1). Sie stellen aber ein Extrem dar, da sie sehr schwer sind und aufgrund der kurzen Beine und Arme sehr dicht am Lenkrad sitzen. Ähnlich sieht es mit sehr schlanken und großen Menschen aus.
Das Ziel dieser Studie besteht darin, das Einsatzspektrum der bestehenden drei MADYMO3D Dummies durch anthropometrisch skalierte Dummies zu erweitern. Durch die skalierten Dummies kann ein adaptives Rückhaltesystem schon in der Konzeptphase detailiert, wie z.B. alle extremen Körperbautypen und Sitzpositionen, mit Hilfe von Simulationen bewertet werden. Die Studie soll die Möglichkeiten und Grenzen der skalierten Dummies in einem bestehenden Fahrzeugmodell aufzeigen. Insbesondere sollen die Unterschiede zu den bestehenden Dummies untersucht werden.
| zurück zur Übersicht |
Die anthropometrischen Quellen für diese Studie stammen aus dem RAMSIS-Projekt des Lehrstuhles für Ergonomie der TU München. Die anthropometrischen Daten selbst wurden von 1979-1982 in einer umfangreichen Querschnittstudie in der ehemaligen DDR erhoben und in Anthropologischer Atlas /1/ 1986 veröffentlicht.
Der Lehrstuhl für Ergonomie der TU München hat die Daten aus der o.g. Querschnittstudie statistisch aufbereitet und daraus 45 Körperbautypen je Geschlecht entwickelt. Hieraus wurden für die Skalierung die folgenden Parameter für die Beschreibung der verschiedenen Körperbautypen verwendet:
| Körpergröße | Korpulenz | Proportion |
|
|
|
Die insgesamt 12 Körperbautypen je Geschlecht, die für die Skalierung verwendet wurden, haben jeweils einen korrespondierenden Menschen, der der statistischen Person am ehesten entspricht. Das bedeutet, daß die Körpermaße dieser Körperbautypen keine Perzentilmaße sind, sondern von existierenden Personen stammen. Dies ist für die Modellierung von atypischen Körperbautypen sehr wichtig, da Perzentilmaße keine exakten Differenzierungen von unterschiedlichen Körperproportionen gestatten.
| zurück zur Übersicht |
Die Skalierung der MADYMO3D Dummies wurde mit Hilfe von Rechenprogrammen durchgeführt. Im ersten Schritt wurden die Beziehungen zwischen den Körpermaßen und der entsprechenden Body- und Ellipsoid-Beschreibung des MADYMO3D Dummys erarbeitet. Diese Körpermaßbeziehungen dienten dann als inverse Funktion für die Erstellung der Dummy-Parameter der skalierten Dummies. Für die Dummy-Parameter, bei denen keine Körpermaße für die Skalierung zugrunde gelegt werden konnten, wurden benachbarte Dummy-Parameter herangezogen. Die eigentliche Skalierung erfolgte dann in iterativen Schritten, bis der Unterschied zwischen Ausgangskörpermaß und ermittelten Dummykörpermaß sich nicht weiter verringert hat. Als Ausgangsbasis für die Skalierung wurden der P5 (Frauen) und P50 sowie P95 (Männer) MADYMO3D-Dummy verwendet.
Die Anpassung der Bodymassen erfolgte über eine Dichtebestimmung von Ellipsoidvolumen und dazugehöriger Bodymasse. Änderte sich die Größe der Ellipsoide, so wurde die Masse des entsprechenden Bodys ebenfalls verändert. Die sich daraus ergebenden Gesamtkörpermassen entsprechen denen realer Personen gleichen Körperbautypes. In der folgenden Tabelle sind die Körpermassen und Körperhöhen der skalierten Dummies und der MADYMO3D Dummies gegenübergestellt:
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Die Ergebnisse der Skalierung wurden durch einen Crosscheck mit den drei verfügbaren MADYMO3D Dummies (P5, P50, P95) überprüft. Hierbei wurden als Ausgangsbasis für die Skalierung alle drei MADYOM3D-Dummies verwendet. Die Abweichung bei den Körpermaßen zwischen den skalierten Dummies und den dazugehörigen Körperbautyp beträgt im Mittel bei den Körpermaßen weniger als 5%.
In Abb. 3 sind zwei der skalierten Dummies und die drei MADYMO3D-Dummies gegenübergestellt. Hierbei sind die Unterschiede im Körperbau und in der Korpulenz deutlich zu erkennen.
 |
|
|
| zurück zur Übersicht |
Das verwendete MADYMO3D-Fahrzeugmodell wurde in vorhergehenden Projekten erfolgreich eingesetzt. Es handelt sich hierbei um Mittelklassefahrzeug, welches mit einem Fahrerairbag (60ltr.) und einem Gurtkraftbegrenzer am Gurtaufroller (4kN) ausgerüstet ist. Zusätzlich ist die Lenkradsäule deformierbar ausgelegt. Das Deformationskraftniveau liegt bei 5kN, wobei ein maximaler Deformationsweg von 80mm vorgesehen ist.
Für die Studie wurden folgende 9 Crashpulse verwendet:
|
|
|
In Abb. 4 ist das MADYMO3D-Fahrzeugmodell mit dem sehr kleinen-korpulenten-kurzbeinigen und dem sehr großen-schlanken-langbeinigen skaliertem Dummy zu sehen.
 |
 |
|
|
|
Die Dummies wurden in dem Fahrzeugmodell so positioniert, daß die Pedale und das Lenkrad gut erreicht werden. Der Winkel des Beckens zur Vertikalachse beträgt bei allen Dummies 25°. Die Arm- und Beinhaltung wurde, so weit es möglich war, ebenfalls konstant gelassen. Die maximale Differenz zwischen den H-Punktlagen der Dummies beträgt 280mm.
 |
|
|
Der Unterschied der H-Punktlagen zwischen gleichgroßen und -schweren Dummies mit langen, bzw. kurzen Beinen liegt bei max. 60mm. Abb. 5 stellt dies anhand der kurz- bzw. langbeinigen Version des sehr großen-schlanken Dummys dar.
| zurück zur Übersicht |
Die folgende Betrachtung der Simulationsergebnisse beschränkt sich auf drei exemplarische Crashpulse, welche einen harten (NCAP), mittleren (50km/h 0°) und weichen (Offset 55km/h) Crash beschreiben.
Die Ergebnisse dieser Crashmatrix zeigen, daß die Verletzungsparameter einer großen Streuung unterliegen. Die Bandbreite der Verletzungsparameter liegt außerhalb des Bereiches, den die Standarddummies abdecken. In Abb. 7 ist die 3MS-Brustbeschleunigung über die H-Punktlage aufgetragen. Als Crashpuls wurde der mittlere Crash (50km/h 0°) verwendet. Es zeigt sich hier eine Bandbreite von 20g , welche nicht durch die Standarddummies (markiert durch die eingerahmte Beschriftung P05, P50 und P95) vollständig abgedeckt wird. Insbesondere bei gleicher Sitzposition sind Unterschiede von bis zu ±7g festzustellen.
 |
|
|
In Abb. 8 ist die 3MS-Brustbeschleunigung über der Körpermasse bei Verwendung des NCAP-Crashpulses dargestellt. Hier zeigt sich die erwartete Verringerung der Verletzungsparameter mit steigender Körpermasse. Weiterhin wird deutlich, daß bei gleicher Körpermasse, aber unterschiedlichen Sitzpositionen, eine Bandbreite von ±7g in der Brustbeschleunigung möglich ist. Diese Bandbreite kann bei Nichtbeachtung die Optimierung von adaptiven Systemen erschweren.
 |
|
|
Betrachtet man die 3MS-Brustbeschleunigung über der Körperhöhe bei Verwendung des weichen Crashs (Abb. 8), so zeigt sich bei einer Körperhöhe von ca. 1720 mm eine Bandbreite von ±5g. Das bedeutet eine Abweichung von 50%, wenn man die geringen Absolutwerte zu Grunde legt.
 |
|
|
In Abb. 9 zeigt sich, daß der Worst-Case (Kopf berührt Lenkradkranz) schon bei einem geringen Körpermasse (3MS-Kopfbeschleunigung von 112g bei 72kg Körpermasse) eintreten kann. Dies betrifft den sehr-großen kurzbeinigen Körperbautyp bei dem NCAP Crashpuls, da dieser sehr nah am Lenkrad sitzt.
 |
|
|
Abb. 10 zeigt neben dem Worst-Case (Kopf-Lenkrad Kontakt: 3MS-Kopfbeschleunigung>90g), daß bei gleichen Sitzpositionen eine Bandbreite von ±15g in der Kopfbeschleunigung möglich ist. Diese Beobachtung fand sich auch in Abb. 9 bei gleicher Körpermasse. Diese Tatsache macht den Einsatz von skalierten Dummies für die Entwicklung von adaptiven Rückhaltesystemen notwendig, denn diese Bandbreite treten nicht bei den Standarddummies auf.
 |
|
|
| zurück zur Übersicht |
Die Simulationen zeigen, daß das Responsespektrum der zur Zeit genutzten P5, P50 und P95 Insassenmodelle nur einen kleinen Ausschnitt dessen wiedergibt, was bei realen Menschen zu erwarten ist. Der Einsatz von anthropometrisch skalierten Modellen demonstriert deutlich in welchen Bereichen sich Insassenbelastungen für ähnlich große und schwere Insassenmodelle bewegen. Dies gilt insbesondere für die unterschiedlichen Sitzpositionen und Körpermassen, die in den verschiedenen Körperbautypen auftreten.
| zurück zur Übersicht |
Die Studie mit den skalierten Dummies hat gezeigt, daß die Unterschiede zu den bisherigen Dummymodellen nicht vernachlässigbar sind. Für den weiteren Einsatz der skalierten Dummies ist eine weitere Verfeinerung der Modelle notwendig.
Weiterhin ist der Einsatz der skalierten Dummymodelle in der Entwicklung und Verifikation von adaptiven Rückhaltesystemen geplant. Das Ziel ist die Erreichung einer höhere Robustheit des Insassenschutzsystems. Zusätzlich werden die hier gesammelten Erfahrungen mit den skalierten Dummymodellen bei der Weiterentwicklung von neuen Insassenmodellen genutzt.
| zurück zur Übersicht |
Die Autoren danken dem Lehrstuhl für Ergonomie der TU München für die Bereitstellung der Körpermaßtabellen und für die Unterstützung bei der Skalierung der Dummies. Der Robert Bosch GmbH danken wir für die Bereitstellung der vielfältigen Crashpulse für diese Studie.
| zurück zur Übersicht |
/1/
Flügel, B.; Greil, H.; Sommer, K. (1986)
Anthropologischer Atlas: Alters- und Geschlechtsvariabilität des Menschen: Grundlagen und Daten
Edition Wötzel, Frankfurt / Main
/2/
Geuß, H. (1994)
Entwicklung eines anthropometrischen Meßsystems für das CAD-Menschmodell RAMSIS.
Dissertation am Lehrstuhl für Ergonomie der TU München
/3/
Backaitis, S. H.; Mertz, H. (1994)
Hybrid III: The First Human Like Crash Test Dummy
Society of Automotive Engineers Inc. Warrendale, USA
/4/
Drillis, R.; Contini, R. (1966)
Body Segments Parameters
New York University, New York, USA
/5/
Jürgens, H. W. (1989)
Internationaler Anthropometrischer Datenatlas
Wirtschaftsverlag, Bremerhaven
/6/
Pheasant, S. (1986)
Bodyspace: anthropometry, ergonomics and design
Taylor and Francis, London
/7/
MADYMO User's Manual 3D Version 5.2
MADYMO Database Manual 3D Version 5.2
MADYMO Theory Manual 3D Version 5.2
TNO, July 1996
Last updated: 20. Aug. 1998
© EASi Engineering GmbH 1998