Passive Sicherheit von Kraftfahrzeugen: Biomechanik — Simulation — Sicherheit im Entwicklungsprozess

425 Pages·2009·15.071 MB·German

by  Florian Kramer (auth.)

FlorianKramer
PassiveSicherheitvonKraftfahrzeugen
Aus dem Programm Kraftfahrzeugtechnik
HandbuchVerbrennungsmotor
herausgegebenvonR.vanBasshuysenundF.Schäfer
LexikonMotorentechnik
herausgegebenvonR.vanBasshuysenundF.Schäfer
ViewegHandbuchKraftfahrzeugtechnik
herausgegebenvonH.-H.BraessundU.Seiffert
AutomobildesignundTechnik
herausgegebenvonH.-H.BraessundU.Seiffert
Bremsenhandbuch
herausgegebenvonB.BreuerundK.H.Bill
HandbuchVerkehrsunfallrekonstruktion
herausgegebenvonH.BurgundA.Moser
WasserstoffinderFahrzeugtechnik
vonH.EichlsederundM.Klell
UmweltschutzinderAutomobilindustrie
vonD.Gruden
Fahrwerkhandbuch
herausgegebenvonB.HeißingundM.Ersoy
Nutzfahrzeugtechnik
herausgegebenvonE.HoepkeundS.Breuer
Verbrennungsmotoren
vonE.KöhlerundR.Flierl
Automobilelektronik
herausgegebenvonK.Reif
AutomotiveSoftwareEngineering
vonJ.SchäuffeleundT.Zurawka
VirtuelleProduktentstehungfürFahrzeugundAntriebimKfz
herausgegebenvonU.SeiffertundG.Rainer
Rennwagentechnik
vonM.Trzesniowski
HandbuchKraftfahrzeugelektronik
herausgegebenvonH.WallentowitzundK.Reif
DieBOSCH-Fachbuchreihe:
■Ottomotor-Management
■Dieselmotor-Management
■Autoelektrik///Autoelektronik
■Sicherheits-undKomfortsysteme
■FachwörterbuchKraftfahrzeugtechnik
■KraftfahrtechnischesTaschenbuch
herausgegebenvonRobertBoschGmbH
www.viewegteubner.de
Florian Kramer
Passive Sicherheit
von Kraftfahrzeugen
Biomechanik – Simulation –
Sicherheit im Entwicklungsprozess
3., überarbeitete Auflage
Mit 346 Abbildungen und 31 Tabellen
PRAXIS | ATZ/MTZ-Fachbuch
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Dipl.-Math.Dipl.-Ing.(BA)UlrichFranz,DYNAmoreGmbH,Stuttgart
Dipl.-Ing.ThomasGörnig,ContiTemicmicroelectronicGmbH,Ingolstadt
Dipl.-Ing.BerndLorenz,BundesanstaltfürStraßenwesen,(BASt),BergischGladbach
Dr.-Ing.RodolfoSchöneburg,DaimlerAG,MercedesCarGroup,Sindelfingen
Univ.-Prof.Dr.tech.Dipl.-Ing.HermannSteffan,InstitutfürFahrzeugsicherheitderTechnischen
Universität,Graz
1. Auflage1998
2.,überarbeiteteunderweiterteAuflage2006
3.,überarbeiteteAuflage2009
AlleRechtevorbehalten
©Vieweg+Teubner|GWVFachverlageGmbH,Wiesbaden2009
Lektorat:EwaldSchmitt|GabrieleMcLemore
Vieweg+TeubneristTeilderFachverlagsgruppeSpringerScience+BusinessMedia.
www.viewegteubner.de
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Satz:FROMMMediaDesign,Selters/Ts.
DruckundbuchbinderischeVerarbeitung:Kripsb.v.,Meppel
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier.
PrintedintheNetherlands
ISBN978-3-8348-0536-2
V
Vorwort zur dritten Auflage
EsehrtmichsehrzudiesemhervorragendenBuch,dasnunmehrinseinerdrittenAuf-
lage erscheint, ein Vorwort schreiben zu dürfen. Dieses Buch kann mittlerweile als
Grundlagenarbeit der passiven Sicherheit bezeichnet werden. Auch die Namen der
Koautoren dieses Buches zeigen, dass viele bedeutende Wegbereiter der passiven
SicherheitwesentlichamInhaltdiesesBuchesbeteiligtwaren.
Thomas Görnig ergänzt mit seinem umfassenden Elektronikwissen die neuen, unge-
heuer an Bedeutung gewinnenden Sensorsysteme. Trotz der schnellen Veränderun-
gen, die in diesem Sektor vorliegen, gibt das von ihm gestaltete Kapitel einen exzel-
lenten Überblick über Funktionsweise, aber auch über Probleme verschiedener Sen-
sorsystemezurUnfallerkennung.
Bernd Lorenz präsentiert als Verantwortlicher für passive Sicherheit und Biomechanik
bei der BASt umfassend die umfangreichen gesetzlichen Rahmenbedingungen, die
diepassiveSicherheitbeeinflussen.
Ulrich Franz diskutiert als eine der Schlüsselpositionen im Bereich numerischer Simu-
lationstechniken in der passiven Sicherheit von Kraftfahrzeugen die derzeitigen
Methoden, aber auch neueste Möglichkeiten der Optimierung, wobei gerade letztes
ThemaimBereichderFahrzeugsicherheitenormanBedeutunggewinnt.
RodolfoSchöneburgbeschreibtausseinerPositionalsLeiterderSicherheitundFahr-
zeugfunktion in der Mercedes Car Group in Sindelfingen heraus die Einbettung und
die Vernetzung der Fahrzeugsicherheit im aktuellen Entwicklungsprozess eines Fahr-
zeugs.
Auch die zahlreichen weiteren Mitarbeiter, die ich nicht weiter namentlich erwähnen
möchte, garantieren aufgrund ihrer umfassenden Kompetenz in der Fahrzeugsicher-
heiteinehervorragendeQualitätundAktualitätdiesesBuches.
Dem eigentlichen Autor dieses Buches, meinem Freund Florian Kramer, möchte ich
besonders dafür gratulieren, dass er mit dem vorliegenden Werk einen überaus kom-
plexen und sehr umfangreichen Stoff umfassend aufbereitet hat. Er hat ein hervor-
ragend gegliedertes Fachbuch überarbeitet und neu aufgelegt. Es kann für jeden als
echte Pflichtlektüre bezeichnet werden, der im Bereich der passiven Sicherheit von
Kraftfahrzeugentätigist.
Ich wünsche den Autoren, dass auch die dritte Auflage rasch verkauft wird und werde
das Lehrbuch vor allem meinen Studenten als aktuelles Lehrbuch und als bedeut-
samesNachschlagewerkempfehlen.
Graz,imSeptember2008 HermannSteffan
Univ.-Prof.Dr.techn.Dipl.-Ing.
TechnischeUniversitätGraz
VSI–VehicleSafetyInstitute
VII
Danksagung
Für Ihr Interesse und Ihre Entscheidung, sich das vorliegende Buch „Passive Sicher-
heit von Kraftfahrzeugen“ vorzunehmen, bedanke ich mich bei Ihnen, dem geneigten
Leser.IhnenliegtdiedritteAuflagedesBuchesvor,dassichvonderzweitendadurch
unterscheidet, dass ich den Hinweisen der bisherigen Leserschaft nachgegangen bin
und die festgestellten Unzulänglichkeiten berichtigt habe. Den Tipp-Gebern statte ich
andieserStellemeinenaufrichtigenDankab.
ZudemistesmireineganzbesondereEhreundeinüberausfreudigerAnlass,meinen
Dank zu wiederholen gegenüber den Kollegen, die ich als Mitarbeiter für das vorlie-
gende Werk gewinnen konnteunddienebenihrertäglichenArbeitsbelastungspontan
ihre Unterstützung zugesagt haben. Es sind dies die Herren (in der Reihenfolge der
Kapitel)
o Univ.-Prof. Dr. tech. Dipl.-Ing. Hermann Steffan vom Institut für Fahrzeugsicher-
heitderTechnischenUniversitätGraz.ErschriebfreundlicherweisedasVorwortzu
dieser Auflage und gab mir in kollegialer Hilfsbereitschaft wertvolle Hinweise auf
aktuelleErkenntnisseinnerhalbderFahrzeugsicherheit.
o Dipl.-Ing. Thomas Görnig, Leiter für Strategische Projekte bei der ContiTemic
microeletronic GmbH in Ingolstadt. Er steuerte das (zugegebenermaßen für Fahr-
zeugingenieure schwierige) neue Kapitel „Sensorik zur Unfalldetektierung“ bei, oh-
nedaseinBuchzurpassivenSicherheitheutenichtmehrauskommt.
o Dipl.-Ing. Bernd Lorenz, stellvertretender Leiter des Referats „PassiveSicherheit,
Biomechanik“ bei der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) in Bergisch Glad-
bach. Er las das Kapitel „Überprüfung und Bewertung der Sicherheit“ und überar-
beitete es umfassend. Dabei aktualisierte er insbesondere die Abschnitte zu heuti-
gen und künftigen gesetzlichen Anforderungen und zur Sicherheitsbewertung auf
BasisexperimentellerUntersuchungen.
o Dipl.-Math. Dipl.-Ing. (BA) Ulrich Franz, Geschäftsführer der DYNAmore GmbH
in Langlingen. Er überarbeitete vollständig das Kapitel „Rechnerische Simulation“
und brachte es so auf einen, seit der ersten Auflage vor mehr als zehn Jahren
dringenderforderlichen,aktuellenStand.
o Dr.-Ing. Rodolfo Schöneburg, Leiter Sicherheit / Fahrzeugfunktionen der Merce-
des Car Group in Sindelfingen, der seinerseits unterstützt wurde durch die Herren
Binder, Bürkle, Fehring, Dr.Kolling, Pfeiffer, Völlnagel, Prof.Schaub und Scheu-
nert. Sie erarbeiteten das gegenüber der ersten Auflage des Buches völlig neu
eingearbeiteteKapitel„PassiveSicherheitimFahrzeug-Entwicklungsprozess“.
NichtunerwähntbleibendarfderBeitraganderEntstehungdesBuches,dendieHer-
ren cand.ing.Christoph Köhler, cand.ing.Mirco Petzold und cand.ing.Burkhard
MüllerwährendihrerBeschäftigungalsStudentischeMitarbeiterbeiSAFEimRahmen
ihresPraktikumsgeleistethaben:InunermüdlicherWeisewarensiedamitbeschäftigt,
denzeitgerechtenEingangdereinzelnenBeiträgezukontrollieren,denTextKorrektur
zu lesen und die in den einzelnen Kapiteln verwendete Nummerierung von Abbildun-
gen, Tabellen und Gleichungen auf Richtigkeit zu überprüfen. Ihnen allen gilt mein
besonderer Dank verbunden mit den besten Wünschen für ihren beruflichen und pri-
vaten Lebensabschnitt nach dem erfolgreichen Abschluss ihres Studiums an der
HochschulefürTechnikundWirtschaft(HTW)Dresden.
VIII Danksagung
Das vorliegende Buch hätte nicht entstehen können ohne die wohlwollende Zustim-
mung durch die Herren Prof. Dr.-Ing. Hannes Neumann, Rektor der HTWDresden,
undProf.Dr.-Ing.habil.NorbertGebhardt,LeiterdesStudiengangs„Fahrzeugtechnik“
anderHTWDresden,beidenenichmichdafür,aberauchfürihrVerständnisunddie
moralischeUnterstützungsehrherzlichbedanke.
Im Verlauf der Entstehung des Buches durfte ich die vielfältige Unterstützung durch
freundschaftlich verbundene und interessierte Kollegen erfahren, die aufzuzählen den
Rahmen dieser Danksagung bei Weitem sprengen würde – auch auf die Gefahr hin,
dass ich dadurch Verstimmungen hervorrufe, für die ich mich aber sogleich entschul-
dige,werdeichdiesbisaufzweiAusnahmenunterlassen:GenanntseiandieserStel-
le Herr Prof. Dr.-Ing. Heinz Burg, dem ich für die Hinweise auf Literatur, die Überlas-
sung von Abbildungen und die Korrektur zur Unfallrekonstruktion danke. Und glei-
chermaßen bedanke ich mich bei meinem Sohn und mehrjährigen Mitarbeiter bei
SAFE, Herrn Dipl.-Päd. (Univ.) M.A. Michael Kramer; er stand in der schwierigen Zeit
in freundschaftlicher und kollegialer Weise stets für hilfreiche Diskussionen und Hin-
weisezurVerfügung.
Mein tief empfundener Dank gilt aber vor allem Frau Mariechen Kramer, meiner Ehe-
frau und zugleich Sekretärin bei SAFE, die besonders in den letzten Monaten nicht
müde wurde, mir den Rücken frei zu halten, und mir Aufmunterung, viel Verständnis
undschierunendlicheGeduldentgegenbrachte.
Schließlich bedanke ich mich bei Herrn Ewald Schmitt, Programmleitung Technik und
Cheflektor des Kfz-Bereiches beim Vieweg+Teubner Verlag in Wiesbaden, für die
Abstimmungsgespräche,vorallemaberfürseinenGleichmut,mitdemerdenEingang
des Buch-Manuskripts geduldig abgewartet hat. Ihm und seinen Mitarbeiterinnen,
Frau Gabriele McLemore, Technische Redaktion, und Frau Elisabeth Lange, Lektorat
Technik, gilt zudem mein Dank für das Korrekturlesen und die Aufbereitung des
Skripts sowie für die Herstellung und die Vermarktung des Buches zur passiven Si-
cherheitvonKraftfahrzeugen.
Dresden,imSeptember2008 FlorianKramer
IX
Inhaltsverzeichnis
VorwortzurdrittenAuflage ..................................................................................... V
Danksagung............................................................................................................ VII
1 DiepassiveSicherheit..................................................................................... 1
1.1 SicherheitswissenschaftlicheGrundbegriffe .............................................. 1
1.2 DiepassiveFahrzeug-SicherheitalsTeilgebiet
derStraßenverkehrssicherheit .................................................................. 3
LiteraturnachweiszuKapitel1 ........................................................................... 8
2 Unfallforschung ............................................................................................... 9
2.1 Unfalldatenerhebungund-statistik ............................................................ 11
2.1.1 ZielsetzungderUnfallstatistik ....................................................... 12
2.1.2 PolizeilicherhobeneUnfalldaten ................................................... 12
2.1.3 Indepth-Untersuchungen .............................................................. 13
2.2 Unfallmechanikund-rekonstruktion .......................................................... 15
2.2.1 RekonstruktionvonUnfällen ......................................................... 16
2.2.2 Unfallschwere ................................................................................ 18
2.3 Unfallanalyse ............................................................................................. 19
2.3.1 AufklärungderUnfallursachen ...................................................... 20
2.3.2 AbleitungvonVerbesserungsmaßnahmen ................................... 21
2.4 StrukturierungdesUnfallgeschehens........................................................ 23
2.4.1 Unfallart ......................................................................................... 24
2.4.2 Unfalltyp ........................................................................................ 26
2.4.3 Kollisionsart ................................................................................... 29
2.4.4 Kollisionstyp .................................................................................. 32
2.4.5 Aufprallart ...................................................................................... 37
2.4.6 Aufpralltyp ..................................................................................... 39
2.4.7 BelastungsartundBelastungstyp .................................................. 41
2.4.8 VerletzungsartundVerletzungstyp ............................................... 44
LiteraturnachweiszuKapitel2 ........................................................................... 47
3 Biomechanik .................................................................................................... 49
3.1 AnatomiedesmenschlichenKörpersundVerletzungsmechanismen....... 49
3.1.1 DerKopf ........................................................................................ 50
3.1.2 DieWirbelsäule ............................................................................. 55
3.1.3 DerThorax .................................................................................... 66
3.1.4 DasAbdomenunddasBecken ..................................................... 74
3.1.5 DieExtremitäten ............................................................................ 84
X Inhaltsverzeichnis
3.2 VerletzungsschwereundderenMonetarisierung ...................................... 94
3.2.1 Verletzungsschweregrad ............................................................... 95
3.2.2 VerletzungsskalierungnachAIS ................................................... 96
3.2.3 AndereVerletzungsskalierungen .................................................. 97
3.2.4 MonetäreBewertungderVerletzungsschwere ............................. 99
3.3 Verletzungs-undSchutzkriterien............................................................... 101
3.3.1 Definitionen ................................................................................... 102
3.3.2 UntersuchungsmethodenzurErmittlungvonSchutzkriterien ....... 105
3.3.3 GesetzlichfestgelegteSchutzkriterien .......................................... 110
3.3.4 SchutzkriterieninderDiskussion .................................................. 123
LiteraturnachweiszuKapitel3 ........................................................................... 136
4 Sicherheitsmaßnahmen .................................................................................. 143
4.1 ZielsetzungundDefinitionen ..................................................................... 143
4.1.1 Selbst-undKontrahentenschutz ................................................... 144
4.1.2 WirkrichtungderSchutzmaßnahmen ............................................ 145
4.2 Schutzprinzipien ........................................................................................ 145
4.2.1 EnergetischeBetrachtung ............................................................. 145
4.2.2 WechselwirkungzwischenFrontal-undSeitenkollision ................ 148
4.2.3 Kompatibilität ................................................................................. 148
4.2.4 PrinzipdesGeschwindigkeitsangleichs ........................................ 157
4.2.5 RideDown-Effekt .......................................................................... 159
4.3 MaßnahmenzumSelbstschutz ................................................................. 163
4.3.1 KarosserieundDeformationsstruktur ............................................ 163
4.3.2 Gurtsystemeund-komponenten ................................................... 168
4.3.3 Airbag-Systemeund-Komponenten ............................................. 183
4.3.4 Insassenschutz-Systeme .............................................................. 198
4.3.5 SelbstschutzmaßnahmenfürZweirad-Fahrer ............................... 210
4.3.6 SelbstschutzmaßnahmenfürNutzfahrzeuge ................................ 215
4.4 MaßnahmenzumKontrahentenschutz...................................................... 221
4.4.1 MaßnahmenamPKWzumSchutzäußerer
Verkehrsteilnehmer ....................................................................... 221
4.4.2 MaßnahmenamNFZzumSchutzvonPKW-Insassen
undäußerenVerkehrsteilnehmern ................................................ 226
4.5 NachkollisionäreundsonstigeSicherheitsmaßnahmen ............................ 231
LiteraturnachweiszuKapitel4 ........................................................................... 237
5 SensorikzurUnfalldetektierung .................................................................... 241
5.1 EntwicklungderSensorik .......................................................................... 242
5.1.1 MechanischeSensoren ................................................................. 242
5.1.2 ElektromechanischeSensoren...................................................... 243
5.1.3 ElektronischeSensoren ................................................................ 248
5.2 Seiten-Sensoren ........................................................................................ 256
5.2.1 Beschleunigungssensoren ............................................................ 256
5.2.2 Druck-Sensor ................................................................................ 257
5.3 UpFront-Sensor ........................................................................................ 257
5.4 SystemezurInsassen-Erkennung............................................................. 258
5.4.1 Kindersitz-Erkennung .................................................................... 259
5.4.2 SitzgebundeneSysteme ............................................................... 260
Inhaltsverzeichnis XI
5.4.3 OptischeSysteme ......................................................................... 261
5.4.4 ÜbersichtzuInsassen-Erkennungssystemen ............................... 262
5.5 PreCrash-Sensorik .................................................................................... 263
5.6 Airbag-Elektronik ....................................................................................... 265
5.6.1 SpannungsversorgungundEnergiereserve .................................. 266
5.6.2 SensorensowieSteuerungs-undÜberwachungseinheiten.......... 267
5.6.3 Zündungseinrichtung ..................................................................... 267
5.6.4 SpeicherungvonEreignisdaten .................................................... 268
5.7 SicherheitsanforderungenandieAirbag-Elektronik .................................. 268
5.7.1 MechanischeSysteme .................................................................. 269
5.7.2 ElektromechanischeSysteme ....................................................... 269
5.7.3 ElektronischeSysteme .................................................................. 270
5.7.4 IntegritätslevelfürdieZuverlässigkeit ........................................... 274
5.8 Datenübertragung ..................................................................................... 275
5.8.1 Bus-Systeme ................................................................................. 276
5.8.2 Bus-fähigeAnzünder ..................................................................... 278
5.9 SystemintegrationhinsichtlichaktiverundpassiverSicherheit ................. 280
LiteraturnachweiszuKapitel5 ........................................................................... 282
6 ÜberprüfungundBewertungderSicherheit................................................. 283
6.1 QuantifizierungderStraßenverkehrssicherheit ......................................... 283
6.2 Gesetzgebung ........................................................................................... 287
6.2.1 VorschrifteninDeutschlandundinEuropa ................................... 287
6.2.2 VorschriftenindenUSAundanderenStaaten ............................. 289
6.2.3 ZusammenfassungderVorschrifteninverschiedenenLändern ... 289
6.2.4 KünftigeVorschriftenzurpassivenSicherheit ............................... 301
6.3 BewertungaufderBasisderUnfallstatistik ............................................... 303
6.3.1 HighwayLossDataInstituteReport .............................................. 303
6.3.2 FOLKSAMReport ......................................................................... 304
6.3.3 SecondarySafetyRatingSystemforCars .................................... 304
6.4 BewertungaufderBasisvonexperimentellenUntersuchungen ............... 305
6.4.1 ADAC-TestverfahrenzurpassivenSicherheitvonPKW ............... 307
6.4.2 Bewertungnach„automotorundsport“(ams-Test) ..................... 308
6.4.3 CrashWorthinessRatingSystemforCars(CWRSC)................... 308
6.4.4 NewCarAssessmentProgram(NCAP)........................................ 309
6.4.5 DieQuantifizierungderpassiverSicherheitfürPKW-Insassen
unddasSicherheitskriterien-SystemSiKriS .................................. 314
6.5 VerletzungsfolgekostenundSachschäden ............................................... 319
LiteraturnachweiszuKapitel6 ........................................................................... 323
7 ExperimentelleSimulation .............................................................................. 325
7.1 Versuchsarten ........................................................................................... 326
7.1.1 Fahrzeugversuche ........................................................................ 326
7.1.2 Schlittenversuche .......................................................................... 331
7.1.3 Komponentenversuche ................................................................. 334
7.2 Versuchseinrichtungenund-anlagen ........................................................ 337