Einfluss von Kollisionsgeschwindigkeit und Fahrzeugfront auf Ablauf und Schweregrad von Fahrzeug-Fussgänger-Kollisionen

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1 Research Collection Doctoral Thesis Einfluss von Kollisionsgeschwindigkeit und Fahrzeugfront auf Ablauf und Schweregrad von FahrzeugFussgängerKollisionen Author(s): Schlumpf, Max Publication Date: 1984 Permanent Link: Rights / License: In Copyright NonCommercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 Diss. ETHZ Nr Einfluss von Kollisionsgeschwindigkeit und Fahrzeugfront auf Ablauf und Schweregrad von FahrzeugFussgä'ngerKollisionen ABHANDLUNG Zur Erlangung des Titels eines Doktors der Technischen Wissenschaften der EIDGENOESSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZUERICH vorgelegt von MAX SCHLUMPF Dipl. El.Ing. ETHZ geboren am 9. Januar 1954 von Krummenau (SG) Angenommen auf Antrag von Prof. Dr. sc. nat. M. Anliker, Referent Prof. Dr.Ing. H. Appel, Korreferent 1984

3 Cinephotogrammetrie 1 ZUSAMMENFASSUNG Bei FahrzeugFussgänger Kollisionen übt der Bewegungs ablauf des angefahrenen Fussgängers einen entscheidenden Einfluss auf die Art und Schwere der auftretenden Verletzun gen aus. Weiterhin ist für die Zwecke der Unfallrekonstruk tion die Kenntnis von typischen Bewegungsmustern von Bedeu tung. Die bei realen Kollisionen auftretenden Bewegungen des angefahrenen Fussgängers zeigen häufig einen komplizierten räumlichen Verlauf, deren messtechnische Erfassung, Simula tion und Analyse bis anhin nicht in befriedigender Weise möglich war. Räumliche Bewegungsmuster und zugehörige Ver letzungsmechanismen sind deshalb kaum hinreichend untersucht und entsprechend wird bei der Konstruktion heutiger Fahr zeugfronten der Sicherheit äusserer Verkehrsteilnehmer nicht in wünschbarem Masse Rechnung getragen. Die Untersuchung räumlicher Bewegungen und deren Auswir kungen auf die Verletzungsgefahr, sowie der Einfluss der Ge staltung der Fahrzeugfront auf die Kollisionsbewegungen sind deshalb hauptsächlich Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Sie beruht auf den Ergebnissen von rund 100 experimentellen Kollisionsversuchen (CrashTests), bei welchen die Bewegungsanalyse mit Hilfe der computergestützten Hochgeschwindigkeits erfolgte sowie auf der mathematischen Simulation räumlicher Körperbewegungen. Neben der Erfassung der Bewegung wird im Hinblick auf die Untersuchung der Verletzungsgefahr spezielles Gewicht auf die Messung der mechanischen Belastung von Kopf und Be cken gelegt, denn aus der Analyse realer Unfälle geht her vor, dass Verletzungen des Kopfes und der unteren Extremitä ten am häufigsten auftreten, gefolgt von solchen des Be ckens. Die Beurteilung dieser Gefahr geschieht dabei auf grund von allgemein angewandten Verletzungskriterien. Zunächst wird gezeigt, dass sich geringgradige Änderun gen der Testbedingungen im Labor bis zu Kollisionsgeschwin

4 2 digkeiten von 35 km/h im Gegensatz zu Änderungen der Front geometrie nur wenig auf den Bewegungsablauf auswirken. Eine genügende Reproduzierbarkeit, welche in vielen publizierten experimentellen Studien bis anhin fehlte, wird hier durch die Anwendung einer Videosubtraktionsmethode bei der Repositionierung des Surrogates erreicht. Die bekannten und generellen Erkenntnisse und Vorschläge zur Gestaltung von Fahrzeugfronten, welche einen angefahre nen Fussgänger weniger traumatisieren sollten (Höhe der Hau benvorderkante im gebremsten Zustand zwischen 70 und 80 cm über Boden, Front möglichst senkrecht mit einem breiten, we nig vorstehenden Stossfänger, Haubenvorderkante aus nachgie bigem Material mit grossem Krümmungsradius, Haube mit gün stiger KraftDeformationsKennlinie im Kopfaufprallbereich) können deshalb unterstützt und deren Verbesserungstendenzen in einem wesentlich weiteren Bereich von Kollisionskonfigu rationen nachgewiesen werden, als bei bisher durchgeführten Arbeiten. So wird neben den in der Literatur beschriebenen Untersuchungen mit zentralen Stössen und wenigen Fussgängerstellungen insbesondere der Einfluss der Eigenbewegung des Fussgängers, seiner Beinstellung zu Beginn der Kollision, seiner Körpergrösse und der Gehrichtung beim Eckstoss doku mentiert. Etliche der bei realen Unfällen vorhandenen Umstände, beispielsweise Fussgängerreaktionen, können im Labor kaum simuliert werden und entziehen sich daher einer systemati schen Analyse. Zur Abklärung solcher Zusammenhänge und damit zur Erweiterung der im Experiment gefundenen Ergebnisse wur de das Simulationsprogramm der Firma CALSPAN evaluiert und dessen Handhabung soweit vereinfacht, dass es auch für um fangreiche Parameterstudien eingesetzt werden kann. In die sem Programm wird die Struktur des Körpermodells durch 17 mit unterschiedlichen Gelenken verbundene Segmente festge legt. Daraus ergibt sich ein System mit 54 Freiheitsgraden. Für jedes Segment werden Impuls und Drallsatz formuliert, wobei die Nebenbedingungen zusätzlich zu berücksichtigen

5 3 sind. Je nach Konfiguration sind damit bis zu 306 nichtlineare Bewegungsdifferentialgleichungen zu lösen. Besonderes Gewicht wird auf die Validierung des Modelies gelegt, denn im Hinblick auf die stark nichtlinearen Verhältnisse muss dieses im Gegensatz zu den meisten bisher publizierten Mo dellen für einen repräsentativen Satz mit strategisch ge wählten Kollisionskonfigurationen geprüft werden. Im weite ren wird die Gültigkeit der experimentellen und theoreti schen Simulationsmethoden in Bezug auf eine befriedigende Reproduktion des realen Kollisionsgeschehens gezeigt und die Grenzen der Anwendbarkeit diskutiert. Neben der Kopfbelastung durch den Primäraufprall auf der Motorhaube wird in Simulationen auch die Abwurfdynamik der verschiedenen Fronttypen abgeklärt, welche für die Schwere des sekundären Strassenaufpralls von Bedeutung ist. Der Ein fluss der Frontgeometrie und der Nutzen von Fahrzeugänderun gen wird bei höheren Kollisionsgeschwindigkeiten ab etwa 45 km/h allerdings gering. In diesem Bereich wachsen die Bela stungen auf den angefahrenen Fussgänger über alle Massen und die Bewegungsverhältnisse werden unüberblickbar komplex. Deshalb haben Vorschläge für eine Fahrzeugfront mit dem Ziel eines verbesserten Fussgängerschutzes nur dann einen Sinn, wenn gleichzeitig eine Senkung der Höchstgeschwindigkeit in nerorts angestrebt wird. In Studien über die Auswirkungen von 'Tempo 50' kann zudem eine signifikante Abnahme der Be ckenfrakturen nachgewiesen werden. Die durch eine allfällige Erhöhung der Haubenvorderkante mögliche Mehrbelastung des Beckens kann deshalb bei entprechend nachgiebiger Konstruk tion im Hinblick auf die signifikant reduzierte Gesamtverletzungsschwere durchaus in Kauf genommen werden. Änderungen der Frontgeometrie im vorgeschlagenen Umfang haben auf den Ablauf und Schweregrad eines Unfalls mit einem angefahrenen Kind keinen wesentlichen Einfluss. Für einen effizienten Schutz ist es vor allem wichtig, eine weiche Knautschzone, eine Art 'Soft Nose* vorzusehen, die den An prall entschärft.

6 4 ABSTRACT The motion of a pedestrian who is Struck by a vehicle has a decisive influence on the type and severity of the sustained injuries. Furthermore the knowledge of typical spatial motion pattern is of importance for accident reconstruction. The motions executed by the impacted pedestrian in real collisions are often found to exhibit complicated spatial characteristics, whose measurement, Simulation, and analysis has not been possible in a satisfactory manner to date. Spatial motions patterns and associated injury mechanisms are therefore not under a sufficiently wide ränge of impact conditions investigated, and, as a result, exterior vehicle safety does not seem to obtain due attention in ve hicle front design. Accordingly, the analysis of spatial mo tion and their significance with regard to injury hazard, as well as of the influence of vehicle front design on the resulting motions are the primary subject of this work. It ist based on the results of approximately 100 crashtests, where the motion analysis was performed with the aid of computerassisted highspeedcinephotogrammetry, and on the mathematical Simulation of body motion. Aside from a quantitative evaluation of motion, special attention was given, for the purpose of an estimation of the associated injury hazard, to the measurement of acceleration and velocity of the head and pelvis because from the analy sis of real accidents one finds that the head is most often injured, followed by the lower extremities and the pelvis. Commonly used injury criterions such as the HIC (Head Injury Criterion) and the '3 msec Criterion1 for the pelvis are thereby used as an estimator for injury severity. In real collisions many influences are present, which cannot be simulated in the laboratory, e.g. the motion of the pedestrian prior to impact, or which cannot be analysed systematically at all. In order to be able to analyse such influences and to increase moreover the significance of the

7 5 experimental results, the Simulation model developed by CALSPAN was evaluated and extended, such that it could be applied in extensive parameter studies. In this Computer mo del the human body is represented by 17 rigid segments which are connected in viscoelastic joints. As such it has 54 degrees of freedom. According to the specific configuration chosen, up to 306 nonlinear differential equations may have to be solved (momentum and angular momentum balance, as well as constraint equations). Special attention is given to pro gram Validation, because in view of the strong nonlinearity of the problem such a model has to be examined in a wide ränge of strategically chosen collision configurations, in order that parametric Variation studies yield reliable re sults. Validity and limitations of the mathematical model are discussed. Likewise, the throwoff patterns of the different types of fronts is examined in the Simulation, because these pat terns govern the severity of the secondary impact of the pe destrian on the ground. However, the influence of front geometry and the benefit of vehicle design changes decreases significantly for impact speeds above 45 km/h. In this hig her ränge the pedestrian loadings exceed all reasonable limits and the motion patterns become exceedingly complex. Therefore, propositions for improved vehicle fronts which respect to exterior safety are of value only if concurrently an according reduction of innercity speed limits is stipulated. The evaluation of the effect of such a speed limit re duction in the city of Zürich from (60 to 50 km/h) has shown a significant decrease in pelvis injuries in particular. A possible increase in pelvis loading associated with an increase of the height of the upper leading edge, which is favourable for Overall injury severity can therefore be tolerated all the more if the front deformability be chosen accordingly. Finally, all characteristics of vehicle front geometry and deformability proposed, do not exhibit an adverse effect

8 on the course and severity of a collision with a child. It is found that "Soft Nose" features are of primary importance for an efficient protection of children.