Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe F: Fahrzeugtechnik
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F 138
Grundlagen zur Kommunikation zwischen automatisierten Kraftfahrzeugen und Verkehrsteilnehmern
(2021)
Der heutige Straßenverkehr ist geprägt durch eine ständige Interaktion zwischen unterschiedlichen Verkehrsteilnehmern, um in geregelten oder ungeregelten Situationen einen reibungslosen Verkehrsablauf zu gewährleisten. Durch einen steigenden Anteil an automatisierten Fahrzeugen und Fahrfunktionen im Verkehrsgeschehen werden zwangsläufig auch die Interaktionen zwischen nicht-automatisierten Verkehrsteilnehmern und automatisierten Verkehrsteilnehmern unterschiedlicher Automatisierungsstufen sukzessive zunehmen.
Der vorliegende Forschungsbericht widmet sich der Frage, wie sich die heutige Kommunikation zwischen automatisierten und nichtautomatisierten Verkehrsteilnehmern unter Berücksichtigung einer zunehmenden Fahrzeugautomatisierung verändern wird und welche möglichen Folgen daraus auf die Verkehrssicherheit und Verkehrseffizienz erwartet werden müssen.
Im Mittelpunkt des Projekts stand eine Analyse, welche Kommunikationsmodelle zur Beschreibung der Interaktionen zwischen automatisierten und nichtautomatisierten Verkehrsteilnehmern geeignet sind. Dabei zeigte sich das Sender-Empfänger-Modell von SHANNON & WEAVER (1949) als geeignet, weil es den im Straßenverkehr üblicherweise kurzzeitigen und gerichteten Kommunikationsprozess durch seine klaren Elemente einfach beschreibbar macht. Zudem erscheint zielführend, die Perspektive und Kommunikationsmöglichkeit des aktiven PkwFahrers bzw. die des automatisiert fahrenden Fahrzeugs einzunehmen.
Dem aktiven Fahrer eines herkömmlichen Pkw steht zur Informationsübermittlung an seine Umwelt eine Vielzahl von Kommunikationsmitteln zur Verfügung, da er sowohl auf die technischen Möglichkeiten seines Fahrzeugs als auch auf seine menschliche Zeichengebung zurückgreifen kann. Diese wurden nach der Modalität, der Formalität, der Intentionalität und der Selektivität klassifiziert.
Diese Klassifizierung erfolgte in einer umfangreichen Sammlung an Interaktionsszenarien, in denen (mindestens) zwei Verkehrsteilnehmer miteinander interagieren. Zudem wurde eine Relevanzbewertung der verschiedenen Interaktionsszenarien hinsichtlich ihres Einflusses auf die Verkehrssicherheit, den Verkehrsfluss und das Verkehrsklima durchgeführt. Aus theoretischen Überlegungen und empirischen Studien wurden mögliche Kriterien abgeleitet, mit deren Hilfe eine qualitative Bewertung der Kommunikationsmittel in Abhängigkeit von der vorliegenden Verkehrssituation und der zu übermittelnden Botschaft durchgeführt werden konnte.
Die Interaktionsszenarien wurden anschließend dahingehend geprüft, ob die bislang genutzten Kommunikationsmittel eines herkömmlichen Pkw auch durch einen automatisiert fahrenden Pkw im Mischverkehr angewendet werden können. Dabei traten insbesondere diejenigen Szenarien in den Mittelpunkt, die vom Regelfall nach StVO abweichen und die im heutigen Verkehrsgeschehen nicht durch geeignete technologiebasierte Kommunikationsmittel verhandelt werden können. Im Rahmen eines Experten-Workshops, u. a. mit Vertretern aus den Bereichen der Arbeits-, Organisations- und Verkehrspsychologie mit Bezug zum automatisierten Fahren, wurde zudem eine Diskussion aus wissenschaftlicher Sicht angestoßen, welche neuen Kommunikationsmittel als Folge einer zunehmenden Fahrzeugautomatisierung möglich bzw. nötig sind.
Die Konsolidierung der wissenschaftlichen Beiträge aus dem Workshop sowie deren Gegenüberstellung mit den eigenen Ergebnissen bildeten den Abschluss der Forschungsarbeit. Auf Basis dessen konnten Handlungsempfehlungen für künftige Forschungsfragen und Studienansätze für die Gestaltung und Evaluierung neuer Kommunikationsformen aus wissenschaftlicher Perspektive abgeleitet werden, die bei der weiteren Forschung zu Fragen der Fahrzeugautomatisierung Eingang finden sollen.
F 140
Die Abschätzung des Reibwertpotentials ist aus fahrdynamischer Sicht von großer Bedeutung. Sowohl fahrzeugseitige Systeme als auch der Fahrer selbst können von einer verlässlichen Information über das derzeitige Gripniveau erheblich profitieren. Dazu wurde im Rahmen einer umfassenden Probandenstudie untersucht, inwiefern eine Information über den aktuellen Reibwert die Fahrweise beeinflusst und möglicherweise einen Sicherheitsgewinn darstellt. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass diejenigen Fahrer, die über eine Reibwertinformation verfügen ihre Fahrgeschwindigkeit und den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug signifikant besser an feuchte und nasse Straßenzustände anpassen, als jene Fahrer, die über keine entsprechende Information verfügen.
Darüber hinaus wurde ein mathematisches Modell entwickelt, welches basierend auf früheren Forschungsarbeiten die Schätzung des Reibwerts insgesamt verbessert. Dabei wurde versucht insbesondere lokale Effekte wie beispielsweise die Vegetation und die Bebauung am Straßenrand sowie Brücken und Tunnel zu berücksichtigen. Die Ergebnisse dieser Rechnungen zeigen, dass eine relativ hohe Genauigkeit bei der Reibwertschätzung erreicht werden kann.
In ergänzenden Detailstudien wurde untersucht, welchen Einfluss die Abschattung durch Bäume einerseits und die Wärmeabstrahlung durch Häuser andererseits auf die Straßenoberflächentemperatur haben. Diese beeinflussen dann wiederum unmittelbar den Reibwert.
F 139
Einfluss von Notbremssystemen auf die Entwicklung von Lkw-Auffahrunfällen auf Bundesautobahnen
(2021)
Auf deutschen Bundesautobahnen kommt es immer wieder zu schweren Auffahrunfällen, die von Güterkraftfahrzeugen oder Bussen verursacht werden. Moderne Notbremsassistenzsysteme (AEBS), wie sie schon seit vielen Jahren in Personenkraftwagen verbaut werden, haben das Potenzial, eine große Anzahl dieser Unfälle vollständig zu vermeiden oder die Unfallfolgen abzumildern. Daher hat die Europäische Kommission mit dem Inkrafttreten der Verordnung (EU) Nr. 347/2012 in einem zweistufigen Verfahren die pflichtmäßige Ausstattung von Güterkraftfahrzeugen (GKfz) und Bussen mit einem Notbremssystem vorgeschrieben.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Auswirkungen des Inkrafttretens der Verordnung hinsichtlich des Unfallgeschehen auf Bundesautobahnen zu untersuchen bzw. den Maßnahmeneffekt der Einführung von Notbremssystemen zu ermitteln. Die Grundlage der Auswertungen bilden die Einzeldaten der amtlichen Straßenverkehrsunfallstatistik für die Jahre 2009 bis 2018 und ergänzende fahrzeugtechnische Angaben des Kraftfahrtbundesamtes. Letztere Angaben liegen nur für in Deutschland zugelassene Fahrzeuge vor, wodurch sich der Untersuchungsbereich auf eben diese Fahrzeuge beschränkte. Die Verordnung gilt für die Fahrzeugklassen M2, M3, N2 und N3, beinhaltet jedoch einige Ausnahmen. Für die Auswertung wurden die Fahrzeugklassen, für die das AEBS verpflichtend ist, daher mithilfe der Verkehrsbeteiligungsart in den Unfalldaten abgegrenzt. Auf diese Weise wurden neun Verkehrsbeteiligungsarten den Güterkraftfahrzeugen zugeordnet und eine Verkehrsbeteiligungsart den Bussen.
Notbremsassistenzsysteme dienen vornehmlich der Vermeidung von Auffahrunfällen, sodass zunächst ausgehend von Unfalltyp und Unfallart das Unfallszenario Auffahrunfall abgegrenzt wurde. Ergänzend wurden zwei weitere Unfallszenarien gebildet, nämlich die Spurverlassen-Unfälle und die anderen Unfälle. Untersucht wurden Unfälle mit Personenschaden und schwerwiegende Unfälle mit Sachschaden im engeren Sinne, die von Güterkraftfahrzeugen und Bussen auf Bundesautobahnen verursacht wurden.
Innerhalb der Gruppe der als GKfz bzw. Busse abgegrenzten Fahrzeuge nahm die Anzahl der Unfälle im Zeitraum von 2009 bis 2018 um 6,5 % leicht zu. Die Unfallzahlen entwickelten sich jedoch besser, je jünger die Fahrzeuge waren. Fahrzeuge mit einem Alter von weniger als fünf Jahren wiesen rückläufige Unfallzahlen auf. Während die Anzahl der Spurverlassen-Unfälle und der anderen Unfälle konstant bis leicht rückläufig war, stieg die Gesamtzahl der Auffahrunfälle mit einem Zuwachs von 21 % deutlich an.
Der Bestand von Lkw und Zugmaschinen mit einer zulässigen Gesamtmasse über 8 t nahm in den Jahren 2012 bis 2018 zu, wobei insbesondere der Bestand älterer Fahrzeuge angewachsen ist. Die Unfallrate blieb hingegen nahezu konstant, während die Unfallbelastung im gleichen Zeitraum um 11,7 % gesunken ist.
Der Gesamteffekt der Maßnahme, welcher angibt, wie stark sich die Unfallzahlen von Güterkraftfahrzeugen und Bussen vom Vor- zum Analysezeitraum durch Notbremssysteme insgesamt reduziert haben, wurde mithilfe von Odds Ratios ermittelt. Neben der Untersuchungsgruppe wurden drei Vergleichsgruppen definiert, sodass der Gesamteffekt aus den einzelnen Veränderungen aller vier Gruppen vom Vor- zum Analysezeitraum bestimmt werden konnte. Die Vergleichsgruppen wurden so definiert, dass sie von der Maßnahme nicht betroffen waren. Der Gesamteffekt (Maßnahmeneffekt) beläuft sich auf 37 % und ist signifikant. Aufgrund der sehr trennscharfen Eingrenzung der Untersuchungsgruppe auf Fahrzeuge, die sicher mit AEBS ausgestattet sind, und auf Auffahrunfälle, auf deren Vermeidung AEBS bestimmungsgemäß abzielt, ist ein Effekt von 37 % in Bezug auf seine Größenordnung durchaus zu erwarten. Die Wirkung der ersten Stufe der EU-Verordnung mit noch verhältnismäßig geringen Anforderungen wird mit dem ermittelten Gesamteffekt vermutlich etwas überschätzt, da sich unter den Fahrzeugen mit AEBS auch solche befinden, die bereits vorzeitig das geforderte Leistungsvermögen der zweiten Stufe der EU-Verordnung erfüllen, und auch solche, die in Bezug auf ihr Leistungsvermögen freiwillig noch weiter darüber hinausgehen.4
Außerdem wurde untersucht, ob neben den Unfallzahlen auch eine Veränderung der Verletzungsschwere verzeichnet werden kann. Es konnte ein deutlicher Rückgang der Zahl der Schwerverletzten vom Vor- zum Analysezeitraum beim Vergleich von Untersuchungsgruppe und der ersten Vergleichsgruppe festgestellt werden.
Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass durch die verpflichtende Ausstattung von Güterkraftfahrzeugen und Bussen mit einem Notbremssystem nicht nur die Unfallzahlen deutlich reduziert, sondern auch die Unfallschwere der verbleibenden Unfälle abgemildert wurde. Ungeachtet dessen zeigt die Analyse auch, dass trotz AEBS nach wie vor eine große Zahl nicht vermiedener Auffahrunfälle zu verzeichnen ist und hier somit weitere Schritte zur Verbesserung der Verkehrssicherheit von schweren Güterkraftfahrzeugen und Bussen erforderlich sind.
F 141
Der Bericht stellt zwei standardisierte methodische Ansätze zur Bewertung der Effizienz und Sicherheit der Mensch-Maschine-Interaktion (MMI) bei der Nutzung von teilautomatisierten Fahrfunktionen vor. Dazu wurden Prüfkriterien definiert, welche die Erfüllung der dazu notwendigen Anforderungen an die Vermittlung eines angemessenen Systemwissens, eines adäquaten System- und Situationsbewusstseins, einer wenig beanspruchenden Systembedienung und einer sicheren Fahrerreaktion an Systemgrenzen erfassen sollen.
Mittels einer Expertenbewertung als erste Methode wird geprüft, ob die Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS, d. h. die Anzeigen, Systemausgaben und die Bedienelemente) die Mindestanforderungen bezüglich Wahrnehmbarkeit und Verständlichkeit von Systemzuständen erfüllt. Der Fokus liegt dabei auf visuellen und akustischen Systemausgaben. Zusätzlich werden Aspekte der Vermittlung eines angemessenen Systemverständnisses über das Benutzerhandbuch sowie der Systembedienung bewertet. Zur Überprüfung dieser Aspekte wurde eine Checkliste mit insgesamt 14 Anforderungen entwickelt. Das Verfahren kann auf Teststrecken oder im Realverkehr angewendet werden. Dazu wird ein Set an Use Cases durchfahren, anhand derer die Erfüllung der einzelnen Items abgeprüft wird. Die Checkliste wurde im Rahmen von zwei Realfahrstudien und einer Fahrsimulatorstudie erprobt und weiterentwickelt. Dabei stand die Überprüfung der Validität (d. h. kann die Checkliste unterschiedlich gute Mensch-Maschine-Interaktionskonzepte voneinander unterscheiden) sowie der Reliabilität (d. h. inwieweit kommen unterschiedliche Rater bei der Bewertung eines Systems auf vergleichbare Ergebnisse) im Vordergrund.
Als zweite Methode wurde ein standardisiertes, szenarienbasiertes Beobachtungs- und Befragungsinstrument zur Bewertung der Systeminterak¬tion entwickelt. Als Bewertungskriterien werden Probleme bei der Systembedienung, im Fahrverhalten sowie Einschränkungen des Überwachungsverhaltens erfasst, die in ein übergeordnetes Versuchs¬leiterrating pro Use Case münden. Darüber hinaus werden Aspekte des Systemverständnisses über eine Befragung des Fahrers zu einzelnen MMS-Anzeigen und Systemreaktionen erfasst. Diese Be-wertungskategorien sind in anschaulicher Form in einer Tablet-Anwendung, der sog. S.A.D.E.-App (Standardized Application for Automated Driving Evaluation), umgesetzt. Die Methode wurde in zwei Simulatorstudien und während einer Fahrt im Realverkehr mit einem Seriensystem erprobt und validiert.
Für eine umfassende, standardisierte Bewertung der Mensch-Maschine-Interaktion beim teilautomatisierten Fahren wird empfohlen, beide Methoden in Kombination zu verwenden. Das Verfahren kann um zusätzliche Methodenbausteine zur Erfassung der langfristigen Entwicklung von Systemvertrauen und -akzeptanz sowie Verhaltensanpassungen erweitert werden.
F 142
Schräglagenangst
(2021)
Ziel des Projektes FE 82.0710/2018 „Schräglagen¬angst“, bearbeitet durch das Fachgebiet Fahrzeugtechnik (FZD) der Technischen Universität Darmstadt (TUDA), das Würzburger Institut für Verkehrswissenschaften GmbH (WIVW) und Auto Mobil Forschung Dresden GmbH (AMFD), ist die Analyse gefahrener Schräglagen von Motorradfahrenden. Hierbei werden sowohl Alltags- wie auch Gefahrensituationen eines möglichst breiten Fahrendenkollektivs untersucht.
Zum einen soll projektseitig untersucht werden, ob ein schräglagenängstlicher Fahrendentyp existiert, der unabhängig von der Fahrsituation ein Überschreiten einer Rollwinkelschwelle vermeidet. Dieses Verhalten kann zu gefährlichen Situationen aufgrund zu hoher Kurvengeschwindigkeiten führen, obwohl diese durch größere Schräglagen vermieden werden könnten. Zum anderen soll in dem Projekt das Fahrendenverhalten bei situationsbedingtem Nichtausnutzen des möglichen Schräglagen¬potenzials analysiert werden.
Im Rahmen dessen werden Methodiken zur Ermittlung des Fahrendenverhaltens in schräglagenängstlichen Situationen sowie zur Ermittlung eines schräglagenängstlichen Fahrendentyps entwickelt. Dazu gehören die Auslegung pseudo-kritischer Manöver zur Untersuchung des Fahrendenverhaltens im Teststreckenversuch sowie ein Fragebogen zur Ermittlung schräglagenängstlicher Fahrendentypen.
Ein weiteres Ziel dieses Projekts ist die breite Erfassung gefahrener Schräglagen von Motorradfahrenden im Straßenverkehr. Insgesamt werden drei verschiedene Messtechnikkonzepte umgesetzt. Das erste basiert auf einem Messmotorrad für Probandenfahrten im Straßenverkehr. Das zweite auf einer Smartphone-Application (App), die im Rahmen des Projekts entwickelt wurde. Bei der Smartphone-Application wird dabei auf die im Smartphone integrierten Sensoren zurückgegriffen. Das dritte Konzept zielt auf eine Stationärmesstechnik, die für einen Zeitraum von mindestens einem Tag oder länger in Kurvenbereichen aufgestellt werden kann, um dort ein möglichst großes Fahrendenkollektiv beobachten zu können, wenn auch mit Einbußen bei den Kenntnissen über den jeweiligen Fahren¬dentyp bzw. das individuelle Fahrkönnen.
Im nächsten Schritt wird auf die Umsetzung der erarbeiteten Konzepte in Fahrversuchen eingegangen. Hier werden zwei verschiedene vordefinierte Streckenabschnitte im Dresdener Umkreis und in der Nähe von Würzburg beschrieben. Zudem wird die Umsetzung der pseudokritischen Manöver bei Teststreckenversuchen in Darmstadt dargelegt.
Im Rahmen der Fahrstudien in Würzburg und Dresden konnte aufgezeigt werden, dass sich im Alltag 75 % aller gefahrenen Schräglagen unter einem Schwellwert von 25° befinden. Hierbei weisen Fahrende mit höherer berichteter Schräglagenangst durchschnittlich geringere maximale Rollwinkel und Rollwinkelspektra auf. Weiterhin konnten erste alters- und fahrleistungsbedingte Abhängigkeiten der Schräglagen beobachtet werden.
In den Fahrversuchen auf abgesperrtem Gelände konnte eine Eignung der Manöver zur Untersuchung von Schräglagenangst-Phänomenen bestätigt werden. Eine allgemein gültige Reaktion auf eine bestimmte Situation konnte nicht nachgewiesen werden. Die Reaktionen sind sehr individuell und abhängig von dem sonstigen Fahrstil. Das plötzliche Auftauchen eines Hindernisses in einer nicht einsehbaren Kurve zeigte bei den meisten Fahrenden starke Reaktionen im Fahrverhalten.
Zusammenfassend wird innerhalb des Projekts die Hypothese der Existenz einer Schräglagenschwelle bestätigt. Diese ist jedoch nicht wie ursprünglich vermutet auf einen bestimmten Rollwinkelwert fixiert, sondern vielmehr eine persönliche und individuelle Schwelle. Sie wird weder in Normalsituatio¬nen noch in Schrecksituationen unterschritten, aber auch nicht deutlich überschritten. Dies bedeutet, dass bei der Notwendigkeit eines größeren Rollwinkels als des persönlich Maximalen ein Verlassen des eigenen Fahrstreifens und ein Unfall droht.
Hier wird als mögliche Weiterarbeit eine flächendeckende Studie zur Untersuchung der Steigerungs-möglichkeiten der eigenen Schräglagenschwelle empfohlen. Dies könnte zum Beispiel mit neuartigen Trainingskonzepten möglich sein.
143
Airbags sind ein wichtiger Bestandteil der passiven Sicherheitsausstattung von Fahrzeugen, haben sich in den letzten 30 Jahren stark weiterentwickelt und somit die Schutzwirkung für die Insassen weiter erhöht. Ziel dieser Arbeit ist es, auf Basis verschiedener Datensätze die Schutzwirkung von modernen Airbagsystemen aufzuzeigen und weiteres Opimtierungspotential offenzulegen. Dabei wurde der Fokus auf die Analyse von Realunfalldaten und Verletzungen durch Airbags und deren Schallpegel gesetzt.
Daten aus dem Unfallgeschehen im Straßenverkehr wurden auf Basis von GIDAS- und NASS-Daten ausgewertet. Mittels der ausgewerteten GIDAS-Daten konnte gezeigt werden, dass bei einem Delta-v von ca. 20 km/h bereits 50 % aller Airbags ausgelöst wurden, welches nicht den Erwartungshorizont der Auslöseschwelle von 25 bis 30 km/h nach KLANNER et al. (2004) entspricht. Außerdem wurde ein Trend erkannt, der zeigt, dass bei neueren Fahrzeugen die Anzahl der Airbagzündungen in einem Unfall steigt. Eine statistische Auswertung von airbaginduzierten Verletzungen ergab, dass keine statistisch signifikanten Ergebnisse in Bezug auf airbaginduzierte Verletzungen entnommen werden konnten, allerdings konnten in den analysierten Fällen leichte Verletzungen identifiziert werden, die durch die Airbagzündung verursacht wurden. Die festgestellten Verletzungen waren beispielsweise Schürfwunden, Prellungen und Verbrennungen bis maximal 2. Grades. Es wurden 14 Einzelfälle analysiert bei denen die Verletzungsschwere höher war, als es die Unfallschwere erwarten ließ. Davon waren elf Unfälle durch schlechte strukturelle Interaktion gekennzeichnet, beispielsweise Unterfahren, zentraler Stoß oder Stoß außerhalb der Längsträger. Im vorliegenden GIDAS-Datenmaterial und in der Analyse von MHH Patientinnen- und Patientendaten konnten Einzelfälle, bei denen es zu Hörschädigung in Folge einer Airbagzündung kam, identifiziert werden, allerdings konnte keine statistisch signifikante Verbindung zwischen Airbagzündung und einer Hörschädigung festgestellt werden.
Auf Basis der analysierten GIDAS-Fälle wurde eine Versuchsmatrix entwickelt, um die aufgezeigten Probleme mittels experimenteller Unfallrekonstruktion und akustischer Messungen zu adressieren. In der Unfallrekonstruktion mit zentralem Baumaufprall konnte gezeigt werden, dass bei dem vorliegenden Fall eine frühere Airbagzündung das Brustverletzungsrisiko hätte senken können und somit die vorliegende Brustverletzung wahrscheinlich vermieden hätte. In dem analysierten Auffahrunfall mit einer Unterfahrensituation konnte gezeigt werden, dass die Airbagauslösung unnötig war, da das Verletzungsrisiko durch die Airbagzündung nicht reduziert wurde. In diesem Fall hätte eine unterdrückte Airbagzündung die Hörschädigung des Fahrers verhindert.
Im Rahmen der durchgeführten akustischen Messungen wurden systematische Messungen von Schallpegeln in Fahrzeugen während eines Unfalls und im Stand gemessen. Es konnte gezeigt werden, dass die Crashbegleitgeräusche der Fahrzeugdeformation ausreichen, um den Stapediusreflex auszulösen, dadurch ist das Risiko einer Hörschädigung gering – trotz Pegel von über 160 dB. Das Risiko für eine Hörschädigung steigt mit der Anzahl der gezündeten Airbags durch die kurze Aneinanderreihung von Knallereignissen trotz ausgelösten Stapediusreflex. Auch bei frühen Zündzeitpunkten steigt das Risiko einer Hörschädigung, da der Stapediusreflex noch nicht ausgelöst ist oder sich in der Anschwellphase befindet und somit seine Schutzwirkung nicht komplett entfalten kann.
Mit den analysierten Daten konnte gezeigt werden, dass die Schutzwirkung von Airbags unumstritten ist, allerdings wurde Optimierungspotential in den Zündalgorithmen offengelegt. Das gilt für Unfälle mit schlechter struktureller Interaktion und daraus resultierendem nicht optimalen Zündzeitpunkt und für eine unnötige Airbagauslösung bei geringer Unfallschwere. Weiteres Optimierungspotential zur Reduzierung des Verletzungsrisikos besteht bei Airbags hinsichtlich ihres Potentials Schürfwunden, Prellungen, Verbrennungen und Hörschäden zu verursachen.
144
Das European New Car Assessment Programme (Euro NCAP) ist ein verbraucherschutzorientiertes Programm zur Bewertung der Sicherheit von – in der Regel – neuen Kraftfahrzeugmodellen. Das Programm gibt es seit 1997, seit 2009 besteht die Bewertung aus 4 Bausteinen (1. Schutz erwachsener Insassen; 2. Schutz von Kindern im Fahrzeug; 3. Schutz schwächerer Verkehrsteilnehmer; 4. Ausstattung mit Fahrerassistenzsystemen).
Das Hauptziel des vorliegenden Projekts bestand darin, die Testergebnisse aus Euro NCAP soweit möglich auf die gesamte Pkw-Flotte zu übertragen und daraus einen Safety Performance Indikator (SPI) für den Pkw-Bestand mehrerer aufeinander folgender Jahre (Zeitreihe) zu bilden. Ein weiteres Ziel war es zu untersuchen, ob ein Zusammenhang zwischen der Euro NCAP-Bewertung von Fahrzeugen und dem Unfallgeschehen existiert. Neben Literaturanalysen wurden hierzu statistische Modelle zum Einfluss der durch den SPI ausgedrückten Fahrzeugsicherheit auf die korrespondierende Zahl der Verunglückten aus der amtlichen Straßenverkehrsunfallstatistik geschätzt.
Ein wesentlicher Schritt bei der Entwicklung eines SPI zur Fahrzeugsicherheit bestand darin, die Euro NCAP-Testergebnisse der verschiedenen Jahre im Hinblick auf die im Zeitverlauf geänderten Testprozeduren soweit als möglich vergleichbar zu machen. Hierfür wurde eine Projektgruppe bestehend aus Experten der BASt in den Bereichen Aktive und Passive Fahrzeugsicherheit gebildet, welche die Aufgabe hatte, je Baustein zu quantifizieren, wie sich diese Veränderungen der Testprozeduren auf die Fahrzeugbewertung auswirken. Dabei wurden die Testrahmenbedingungen des Jahres 2020 als Referenz herangezogen.
Der zweite wesentliche Schritt zur Erzeugung eines Safety Performance Indikators bestand darin, die – neu berechneten – Euro NCAP-Ergebnisdaten für die einzelnen getesteten Marken und Modelle mit den ZFZR-Beständen (1.1.2014 bis 1.1.2020) zu verknüpfen (matching).
Die Verknüpfung der ZFZR-Bestandsdaten mit den Euro NCAP-Bewertungsdaten erfolgte über einen komplexen Algorithmus, der im Kern auf den Merkmalen Fabrikatcode, Modellcode und Jahr der Erstzulassung basiert.
Im Ergebnis konnte im Durchschnitt über die hier betrachteten sieben Bestandsjahre (Stichtage: 1.1.2014 bis 1.1.2020) von den neueren Fahrzeugen (Erstzulassungsjahr ab 2009) rund 70 % eine Euro NCAP-Bewertung zugeordnet werden. Den übrigen Pkw im ZFZR-Bestand wurde die fehlende Bewertung über Imputationsverfahren zugewiesen.
Es wurden insgesamt vier (bausteinspezifische) Safety Performance Indikatoren gebildet, die auf den neu berechneten und vereinheitlichten Fahrzeugbewertungen aus Euro NCAP basieren. Bei den genannten Indikatoren handelt es sich um Durchschnittswerte der Sicherheitsbewertung der im ZFZR erfassten Pkw. Aus diesen vier Indikatoren wurde dann noch ein Safety Performance Gesamtindikator mittels gewichtetem Mittelwert berechnet. Im Ergebnis liegen damit Zeitreihen der vier bausteinspezifischen SPI-Werte sowie des SPI-Gesamtwerts vor.
Das zentrale Ergebnis der Analysen der SPI-Zeitreihen ist, dass alle Indikatoren einen im Zeitverlauf ansteigenden Trend aufweisen. Dies ist ein klares Indiz dafür, dass der Sicherheitsstandard nicht nur bei den Neufahrzeugen, sondern auch bezogen auf den gesamten Pkw-Bestand in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen ist.
Die höchsten Indikatorwerte finden sich beim SPI zum Baustein 2 (Schutz von Kindern im Fahrzeug), am niedrigsten fallen sie hinsichtlich der Ausstattung mit Fahrerassistenzsystemen aus (SPI zum Baustein 4).
Gliedert man die Indikatoren zusätzlich nach Pkw-Segment, so finden sich bei SUV’s, gefolgt von Geländewagen, Großraum-Vans und der Oberklasse die höchsten Werte beim SPI-Gesamtwert. Dass die SUV’s den höchsten SPI aufweisen, hat allerdings auch damit zu tun, dass es sich um ein relativ neues Segment handelt, in dem der Anteil älterer Fahrzeuge vergleichsweise niedrig ist.
Im Rahmen der Unfallanalyse wurden log-lineare Regressionsmodelle gerechnet, um den Einfluss der vier SPI auf die jeweils entsprechenden Unfallmerkmale (verunglückte Pkw-Insassen, Fußgänger und Radfahrer, unfallbeteiligte Pkw) zu ermitteln. Darüber hinaus wurde der Zusammenhang zwischen dem SPI-Gesamtwert und den resultierenden monetären volkswirtschaftlichen Unfallkosten analysiert. Die statistischen Auswertungen zum Zusammenhang zwischen SPI und Unfallgeschehen zeigten in allen Fällen, dass ein höherer Wert des entsprechenden Safety Performance Indikators mit einer geringeren Zahl an verunglückten Personen bzw. unfallbeteiligten Pkw einhergeht. In Bezug auf die Unfallkosten ergab sich, dass bei einer Zunahme des Gesamt-SPI der Pkw-Flotte um 1 % die entsprechenden Unfallkosten ceteris paribus um 0,7 % sinken.
Zudem wurden bei der Konzeption des Projektes bereits die wesentlichen Voraussetzungen für eine kontinuierliche Fortführung der SPI-Zeitreihen in den nächsten Jahren geschaffen.
2
Die Prüfbedingungen und Bewertungskriterien für die Schutzwirkung von Kraftfahrerhelmen erscheinen nicht ausreichend mit unfallstatistischen Daten und biodynamischen Grenzwerten abgesichert. Deshalb wurden in Fallversuchen Schutzhelme unter verschiedenen Randbedingungen (Aufschlagpunkt, Auftreffgeschwindigkeit, Gegenkörperform) geprüft. Die Prüfbedingungen und Meßergebnisse der Simulationsversuche an neuen Helmen wurden den Randbedingungen und Folgen realer Unfälle gegenübergestellt. Zusätzlich wurden aus der Literatur biodynamische Daten und Kriterien zusammengestellt. Die Untersuchung ergab, daß über die bleibende Eindrückung der stoßdämpfenden Polsterung eine Beziehung zwischen den Bewegungen des Fallversuches und des Unfalls hergestellt werden kann. Der Vergleich der biodynamischen Werte und Beschädigungen der Unfallhelme mit den physikalischen Größen der Vergleichshelme ergab, daß die nach der ECE- Regelung 22 zulässigen Grenzwerte keine Gewähr dafür bieten, daß schwerwiegende Verletzungen ausgeschlossen werden können. Als Schlußfolgerung ergibt sich, daß die Stoßdämpfungsprüfung über einen breiten Energiebereich bei gleichzeitiger Verringerung der bisher zulässigen Grenzwerte durchgeführt werden sollte.
146
Dieser Bericht dokumentiert die Konzeption und Vorgehensweise zur Evaluierung sowie die Evaluierungsergebnisse unterschiedlicher Vorgehensweisen für die Herstellung von sicherheitsrelevanten Verkehrsinformationen basierend auf fahrzeuggenerierten Daten. Hierfür wurde ein interviewbasierter Ansatz gewählt, um Expertenmeinungen der Mitglieder des „EU Data Task Force - Data for Road Safety“ Projekts sowie deutscher Stakeholder aus dem Umfeld des Verkehrswarndienstes und der Straßenbetreiber zu erhalten.
Im Rahmen der Konzeptionsphase wurden verschiedene Vorgehensweisen für die Herstellung von sicherheitsrelevanten Verkehrsinformationen – angefangen bei der Anbindung von Fahrzeugdaten am OEM-Backend, bis hin zur Verfügbarmachung von Verkehrsmeldungen an Stakeholder – auf Basis der Gespräche mit DTF-Mitgliedern entwickelt. Damit die verschiedenen Vorgehensweisen evaluiert werden konnten, wurden Bewertungskriterien anhand der Anforderung von Straßenbetreibern, Landesmeldestellen und dem Rundfunk festgelegt.
In der Evaluierungsphase erfolgte die detaillierte Bewertung der verschiedenen Vorgehensweisen entlang der umfangreichen Liste an Bewertungskriterien aus den
vier Hauptaspekten Nutzen, Technologie, Organisation und Kosten. Um verschiedene strategische Positionierungen zu berücksichtigen, wurden vier Szenarien erstellt, die die Dimensionen Investment und Umsetzungshorizont abdecken. Die Szenarien beeinflussen die Gesamtbewertung durch individualisierte Gewichte auf jedem Bewertungskriterium. Zusätzlich zur Bewertung der Vorzüge wurden außerdem potenzielle Risiken identifiziert und hinsichtlich Schweregrad und Eintrittswahrscheinlichkeit für die verschiedenen Vorgehensweisen quantifiziert.
Abschließend wurden die Gesamtbewertungen der Vorgehensweisen verglichen und den verbundenen Risiken gegenübergestellt, um herausragende Lösungen zu identifizieren. Die besten Lösungen wurden im Detail hinsichtlich ihrer Stärken und Schwächen in jedem Szenario analysiert und in den Kontext der strategischen Entscheidung gesetzt.
145
Zur Einhaltung der Partikelemissionsgrenzwerte für Kraftfahrzeuge im Rahmen der Typprüfung nach Europäischer Verordnung (EG) 715/2007 werden von den Fahrzeugherstellern Partikelfilter (Dieselpartikelfilter (DPF)/Ottopartikelfilter (engl. Gasoline Particulate Filter = GPF)) ins Abgassystem der Fahrzeuge verbaut. Spätestens bei Erreichen einer kritischen Rußmasse im Filter muss eine Regeneration eingeleitet werden. Die Regeneration erfolgt durch Abbrennen des im Filter eingelagerten Rußes. Der Kohlenstoffanteil der Partikel oxidiert hierbei mit Sauerstoff oberhalb von ca. 600 °C zu Kohlendioxid. Die Regenerationsstrategie der Fahrzeuge variiert. Grundsätzlich wird zwischen periodischer (aktiver) und kontinuierlicher (passiver) Regeneration unterschieden. Bei Dieselkraftfahrzeugen wird fast ausschließlich die periodische Regeneration eingesetzt, bei Fahrzeugen mit Benzinmotor die kontinuierliche Regeneration.
Ziel des Forschungsprojektes ist es, die Fahrzeugemissionen während einer Partikelfilterregeneration zu messen und hinsichtlich ihrer Veränderung gegenüber eines Fahrbetriebs ohne Regeneration zu bewerten. Dazu werden von drei Diesel- und zwei Benzinfahrzeugen die Partikelfilter beladen und im Anschluss daran eine Regeneration durchgeführt, bei der sowohl die festen als auch die gasförmigen Abgasemissionen gemessen werden. Die festen Bestandteile des Abgases werden im Nachgang auf ihre ehemischen Elemente untersucht.
Bei den drei Dieselkraftfahrzeugen erfolgt die Beladung des DPF bis ca. 80 % bei einer Straßenfahrt. Im Anschluss wird das Fahrzeug auf dem Rollenprüfstand installiert und die Messtechnik angeschlossen. Die Messung der Emissionen während der DPF-Regeneration erfolgt in einem konstanten Motorbetriebspunkt bei einer simulierten Fahrt mit 80 km/h in der Ebene.
Die Auswertung der festen Bestandteile des Abgases zeigt, dass die gemittelten Partikelanzahlwerte während und nach einer DPF-Regeneration von ca. 1E+07 #/s um drei Zehnerpotenzen auf 1E+10 #/s steigen. Bei der Analyse der Gaskomponenten fällt auf, dass insbesondere unmittelbar vor der Regeneration die Gaskomponenten CO, THC, NOx, NO, NO2, NH3 und CH4, einen deutlichen Peak aufweisen, welcher dann mit Beginn der Regeneration wieder absinkt. Der Beginn kurz vor der Regeneration ist der Zeitpunkt, in dem das Motorsteuergerät die Abgastemperatur anhebt. In diesem Umschaltpunkt der Motorparameter werden kurzzeitig die deutlich erhöhten Emissionen der genannten Gaskomponenten gemessen. Die Gaskomponenten, welche bei allen Diesel-Prüffahrzeugen während der Regeneration einen signifikanten Anstieg aufwiesen, sind CO, NO und NOx. Der NO- bzw. NOx-Wert erhöht sich während der Regeneration im Mittel um Faktor 67- bzw. 95 zum gewählten Referenzwert. Der NO2-Wert erhöht sich im Mittel um den Faktor 2,5, der THC-Wert um den Faktor 5 und der SO2-Wert ist um Faktor 4 erhöht. Im Vergleich zum Referenzwert sind die Messwerte von NH3 und CH4 während der Regeneration grundsätzlich höher und die N2O-Konzentration niedriger.
Die Beladung des GPF bei den beiden Prüffahrzeugen mit Benzinmotor wird durch wiederholte Kaltstarts bei -15 °C durchgeführt. Die passive Regeneration erfolgt auf dem Rollenprüfstand durch wechselnden Last- und Schubbetrieb. Im Lastbetrieb werden zunächst die erforderlichen Abgastemperaturen von über 600 °C erzeugt, um daran anschließend im Schubbetrieb den erforderlichen Sauerstoffüberschuss sicherzustellen und eine passive Regeneration kontrolliert herbeizuführen.
Die Auswertung der Änderung der Emissionen, welche durch die passive Regeneration an den GPF hervorgerufen werden, wird durch die Anforderung eines dynamischen Messablaufes, welcher in Zyklen bei konstanter Geschwindigkeit mit unterschiedlicher Lastaufbringung erfolgt, erschwert. Bei der Partikelanzahl ist kein eindeutiger Trend erkennbar. Während bei einem Prüffahrzeug kein signifikanter Unterschied zwischen Regeneration und leerem GPF gemessen wurde, sind die PN-Emissionen bei dem zweiten Prüffahrzeug während der Regeneration erhöht. Die Analysen der Verläufe der Abgaskomponenten zeigen, dass alle erhöhten Emissionen außer NH3, HCHO und zum Teil NO während der Aufbringung der Last und nicht während des Schubbetriebes und somit der passiven Regeneration anstiegen. Die Änderungen der Mittelwerte aus der Regeneration sind im Vergleich zum leeren Filter deutlich geringer als die beim DPF der Dieselfahrzeuge.
Die chemische Analyse der festen Bestandteile ergab bei beiden Fahrzeugtypen keine Auffälligkeiten. Der überwiegende Teil der festen Abgasbestandteile ist Kohlenstoff.
Die Messungen der Dieselkraftfahrzeuge zeigten eindeutige und reproduzierbare Ergebnisse. Hier konnten durch die aktive Regeneration, die Phasen; Beladung, Regeneration und Filterkuchenaufbau in einem konstanten Motorbetriebspunkt abgegrenzt und die Veränderungen der Emissionen untersucht werden. Die Analyse der Messungen der Fahrzeuge mit Benzinmotoren zeigten kein eindeutiges Ergebnis. Dies ist zum einen auf die passive Regeneration zurückzuführen, welche keinen konstanten Motorbetriebspunkt ermöglicht. Dadurch überlagern dynamische Einflüsse das Ergebnis. Zum andern ist, bedingt durch die Verbrennung und Abgasnachbehandlung, die Rußmasse in einem GPF deutlich geringer als in einem DPF. Dadurch wird während der Regeneration weniger Ruß verbrannt und die Veränderung der Schadstoffe fällt geringer aus.