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Buch (Monographie) zugänglich unter
URL: http://bast.opus.hbz-nrw.de/volltexte/2015/1486/


Schutzhelme für motorisierte Zweiradfahrer – Band 5: Theoretische Simulation zur Verbesserung der Schutzwirkung

Safety helmets for motorcyclists

Köstner, Helmut ; Huba, Öry


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Freie Schlagwörter (Deutsch): Baustoff , Belastung , Forschungsbericht , Methode der finiten Elemente , Motorradfahrer , Plastizität , Schädel , Schlag , Schutzhelm , Simulation , Verbesserung , Versuch
Freie Schlagwörter (Englisch): Crash helmet , Finite element method , Improvement , Load , Material (constr) , Motorcyclist , Plasticity , Research report , Shock , Simulation , Skull , Test
Collection: BASt-Beiträge / ITRD Sachgebiete / 80 Unfallforschung
Institut: Sonstige
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften
Sonstige beteiligte Institution: Technische Hochschule Aachen. Lehrstuhl und Institut für Leichtbau
Dokumentart: Buch (Monographie)
Schriftenreihe: Forschungsberichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Bereich Unfallforschung
Bandnummer: 188
Sprache: Deutsch
Erstellungsjahr: 1988
Publikationsdatum: 14.08.2015
Kurzfassung auf Deutsch: Mit Abschluss dieses Forschungsprojekts ist eine Wissensbasis erarbeitet, die es ermöglicht relativ schnell die Eigenschaften beliebiger Schutzhelme im Voraus zu berechnen. Es wurde ein Rechenprogrammsystem erstellt, welches mit Hilfe der Schalentheorie und der Methode der Übertragungsmatrizen für alle denkbaren Aufschlagpunkte ingenieurmäßige Aussagen liefert über die Tauglichkeit eines Helms. Mit diesem Programmsystem wurde eine Parameterstudie anhand von 27 Helmvarianten mit dem Ziel durchgeführt, die Abstimmung von Helmschale und Schutzpolsterung so zu wählen, dass eine optimale Energieumsetzung möglich ist, optimal im Sinne einer Minimierung der aus dem Stoß resultierenden Kopfbeschleunigung. Es erfolgte eine Variation der Parameter Schutzpolsterungsdicke und Helmschalendicke. Die Abhängigkeit der Kopfbeschleunigung von der Aufprallenergie wurde ebenfalls untersucht. Neben Vergleichsrechnungen mit der Methode der finiten Elemente wurden auch gemessene Beschleunigungen zur Absicherung der Ergebnisse herangezogen. Die Parameterstudie mittels Übertragungsmatrizen ist auch mit einer parallel entwickelten PC-Programmversion durchführbar. Unter der Voraussetzung hinreichenden Energieaufnahmevermögens sind für den Polycarbonat-Polystyrol-Helm handelsüblicher Machart eine geringe Helmschalendicke, eine geringe Schutzpolsterungsdichte und eine dicke Schutzpolsterung anzustreben, wobei dieser letzte Einfluss weniger stark ist. Nach Abschluss der laufenden Polystyrol-Werkstoffversuche bleibt zu klären inwieweit die beschriebenen Einflüsse abhängig von der Aufprallenergie sind. Die Berechnungen zeigen, dass eine starke Abhängigkeit der maximalen Kopfbeschleunigung von der Aufprallenergie vorliegt, was vom Regelwerk ECE 22/02 nicht hinreichend berücksichtigt wird. Es ist notwendig in den Helmtests unterschiedliche Aufprallenergien zu realisieren. Der Tauglichkeitsnachweis muss den unfallrelevanten Geschwindigkeitsbereich abdecken. Die Prüfkopfmasse muss erhöht werden. Sie repräsentiert die reduzierte Masse und ist im Grenzfall gleich der Masse des Motorradfahrers. Anzustreben ist ideal plastisches Verhalten der Schutzpolsterung, so dass in Kombination mit einer biegesteifen Helmschale über einen weiten Energiebereich Beschleunigungskonstanz erzielt wird. Ein Schritt in diese Richtung wäre der Einsatz von Wabenstrukturen (honeycomb) zwischen Helmschale und Komfortpolsterung.
Kurzfassung auf Englisch: Completion of this research project means that a knowledge base has been created which permits relatively rapid advance calculation of the properties of any type of protective helmet. A computing program system was developed which, in conjunction with the shell theory and the transmission matrices method, provided technical information on the suitability of a helmet with regard to every conceivable point of impact. A parameter study of 27 types of helmet was carried out with this program system. The aim was to achieve proper balance when selecting helmet shells and protective padding as a means of ensuring optimum energy conversion, i.e. optimum in the sense of minimizing the head acceleration resulting from impact. The parameters protective padding density, protective padding thickness and shell thickness were varied. The relation between head acceleration and impact energy was also studied. In order to reinforce the results, measured accelerations were used alongside comparative calculations based on the finite elements method. The parameter study using transmission matrices can also be performed with a PC program version developed in parallel. Providing adequate energy absorption is assured, the standard commercial type of polycarbonate-polystyrene protective helmet should have low shell thickness, low padding density and thick padding, although the effect of the latter is less significant. After completion of the ongoing polystyrene material tests, clarification is required of the extent to which the factors described are dependent on the impact energy. The calculations show that the maximum head acceleration is greatly influenced by the impact energy, a fact which does not receive adequate consideration in the ECE 22/02 regulations. It is necessary to realise different impact energies in the helmet tests. Proof of suitability must cover the speed range relevant for accidents. The mass of the test head must be increased. It represents the reduced mass and in limit cases is equivalent to the mass of the motorcycle rider. The aim should be to ensure ideal plastic behaviour of the protective padding, combined with a strong helmet shell, in order to provide constancy of acceleration to over a wide energy range. The use of honeycomb structures between the helmet shell and the comfort padding would represent a step in this direction.