Airbag und Gurtstraffer Passive Lebensretter David Beichel 2007/08
2008 BUNDESREALGYMNASIUM 8010 GRAZ PETERSGASSE 110 David Beichel 8.a Fachbereichsarbeit aus Chemie Airbag und Gurtstraffer Passive Lebensretter Betreuerin: Mag. rer. nat. Elisabeth Klemm Ich erkläre hiermit eidesstattlich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ausschließlich unter Verwendung der angeführten Hilfsmittel verfasst habe. Abgegeben am: 29. Februar 2008 (Unterschrift des Kandidaten)
Inhaltsverzeichnis 1 Vorwort... 4 2 Sicherheitsaspekt im Kraftfahrzeug... 5 2.1 Aktive und passive Sicherheitssysteme... 5 2.1.1 Aktive Sicherheitssysteme... 5 2.1.2 Passive Sicherheitssysteme... 5 2.2 Belastungsgrenzwert für Insassen... 6 3 Technische Umsetzung passiver Sicherheitssysteme... 9 3.1 Airbag... 9 3.1.1 Geschichte des Airbags... 11 3.1.2 Gasgeneratoren... 12 3.1.3 Luftsack... 15 3.1.4 Verschiedene Airbagsysteme... 17 3.1.5 Wickelfeder / Schleifkontakt... 19 3.2 Gurtstraffer... 20 3.2.1 Mechanische Gurtstraffer... 20 3.2.2 Pyrotechnische Gurtstraffer... 21 3.2.3 Reversible Gurtstraffer... 23 3.3 Beschleunigungssensoren (Crashsensoren)... 24 3.3.1 Elektromechanische Sensoren... 24 3.3.2 Beschleunigungssensoren auf Basis von Piezokristallen... 24 4 Chemischer Hintergrund... 25 4.1 Polyamide... 25 4.1.1 Nylon 6.6 (PA 6.6)... 26 4.2 Silicone... 27 4.3 Piezokristalle... 27 4.4 Natriumazid... 29 4.5 Nitroguanidin... 30 4.6 Nitrocellulose... 31 5 Experimente zur Materialchemie... 33 5.1 Synthese von Nylon 6.10... 33 5.2 Nitrierung von Cellulose... 33 5.3 Herstellung und Hydrolyse von Tetrachlorsilan ( Silicon )... 34 6 Zusammenfassung und Ausblick... 36 Literaturverzeichnis... 37 Bildquellenverzeichnis... 40 Anhang... 42 Disposition... 42 Arbeitsprotokoll... 43
Vorwort 1 Vorwort Der Airbag und der weniger bekannte Gurtstraffer sind der Inbegriff der passiven Sicherheitssysteme in Kraftfahrzeugen. Sie sind stille Begleiter im Fahrzeug und treten erst im Millisekundenbereich nach einer Kollision in Aktion. Die gesamte schützende Funktion von Airbag und Gurtstraffer spielt sich in einem Zeitraum von ca. 150 Millisekunden nach dem Aufprall ab. Dieser Zeitabschnitt entspricht in etwa einem Wimpernschlag und ist für den Menschen nur sehr beschränkt wahrnehmbar. Trotzdem bestimmen Airbag und Gurtstraffer bei der Autoanschaffung mit. Was also verbirgt sich hinter den Begriffen Gurtstraffer und Airbag? Im Zuge der Recherchen wurde eine Vielzahl von Firmen, Autofahrerclubs, Fahrzeugherstellern und anderen Institutionen kontaktiert, und um Informationen gebeten. Nur die Wenigsten haben auf meine Anfrage und in weiterer Folge auf das kontinuierliche Drängen von Frau Mag. Elisabeth Klemm, der ich in diesem Rahmen auch einen Dank für ihre Unterstützung aussprechen möchte, reagiert. Nur von einigen wenigen wurden tatsächlich Informationen bereitgestellt. Besonders zu erwähnen sind: Herr Friedrich Ligg vom ÖAMTC Steiermark; Herr Axel Malczyk vom Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft e.v: Unfallforschung der Versicherer Kompetenzzentrum Sicherheit im Alltag; Dipl.-Ing. Rolf Ruckdeschel; sowie die Firmen Audi, DuPont, BMW, Ford und Michelin. Ursprünglich wollte ich mich auch mit aktiven Sicherheitssystemen wie Kevlar im Reifen, Xenonlicht, Keramikbremsen und Sicherheitsglas in der Windschutzscheibe beschäftigen. Im Zuge der Recherchen wurde ein enormer Brocken an Informationen freigelegt. Dieser große Themenbereich wäre im Rahmen einer Fachbereichsarbeit nur oberflächlich zu bewältigen. Besonderer Dank gilt Herrn Dipl.-Ing. Johannes Wernig, Leitung Fahrzeugsicherheit EG5 bei Magna Steyr sowie Herrn Ing. Gerhard Sailer, KFZ-Abteilung des WIFI-Steiermark, für das persönliche Engagement bei der Bereitstellung von Informationen und Anschauungsmaterial und Frau Mag. Elisabeth Klemm für die hervorragende Betreuung. 4
Sicherheitsaspekt im Kraftfahrzeug 2 Sicherheitsaspekt im Kraftfahrzeug 2.1 Aktive und passive Sicherheitssysteme Bereits durch die StVZO ist den Fahrzeugherstellern der Insassenschutz vorgeschrieben. Sie sind daher angehalten die Bauart der Fahrzeuge so auszulegen, dass Insassen bei Unfällen bestmöglich geschützt sind und Verletzungen ebenfalls möglichst vermieden und eingeschränkt werden. In Folge unterscheidet man zwischen aktiven und passiven Sicherheitssystemen. [vgl.1] 2.1.1 Aktive Sicherheitssysteme Aktive Sicherheitssysteme im Fahrzeug sind alle jene Systeme, die den Fahrer in die Lage versetzen, Unfälle möglichst zu vermeiden. [1] Darunter fallen zum Beispiel jene elektronische Systeme (z.b. ASR 1, ASC 2, DSC 3, ESP 4, ABS 5 ), die dem Fahrer helfen sollen das Fahrzeug in Ausnahmesituationen, in denen man an die physikalischen Grenzen stößt, besser zu beherrschen. Dazu zählt aber auch jede Form der Innenausstattung, die die Konzentration des Lenkers erhöht (Klimaanlage, Freisprecheinrichtung, Navigationssysteme ) und ebenso auch die bauliche Beschaffenheit des Autos (Geometrie der Aufhängung, Beleuchtungsanlage, Beschleunigungsvermögen, Sichtfeld des Fahrers ), die es ermöglicht Unfälle zu vermeiden. [vgl.1,2] 2.1.2 Passive Sicherheitssysteme Passive Sicherheitssysteme sind alle Systeme am Fahrzeug, die bei Unfällen die Fahrzeuginsassen und die Unfallgegner vor schweren oder tödlichen Verletzungen schützen. [1] Hier sind natürlich alle baulichen Maßnahmen an der Fahrzeugkarosserie eingeschlossen, die einen Unfall für den menschlichen Körper erträglicher machen. Dazu ist es notwendig, dass sich die Karosserie in den äußeren Bereichen bei einem Unfall verformt und einen Teil der auftretenden Verzögerungskräfte absorbiert. Im Gegensatz dazu soll die Fahrgastzelle selbst unversehrt bleiben, um den Insassenschutz zu gewähren. 1 ASR =Anti-Schlupf-Regelung [vgl.36] 2 ASC = ASR 3 Dynamische Stabilitäts-Kontrolle [vgl.36] 4 Elektronisches Stabilitäts-Programm [vgl.1] 5 Anti- Blockier- System [vgl.1] 5
Sicherheitsaspekt im Kraftfahrzeug Airbagsysteme und Sicherheitsgurte stellen einen wichtigen Teil dieses Bereiches dar. Im Normalfall sollten jene Sicherheitssysteme jedoch keiner Verwendung bedürfen. [vgl.1] Abb.1: Grafische Übersicht über aktive und passive Sicherheitssysteme im Kfz 2.2 Belastungsgrenzwert für Insassen Seit 1924 sind unzählige Crashtests erfolgt. Zu Beginn wurden teilweise lebende Versuchspersonen und Leichen eingesetzt. Später griff man zunehmend zu Crashpuppen (Dummys). Aus Abb3 kann man die vorgeschriebenen Anforderungen für einen Dummy bei einem Frontaufprall entnehmen. 6
Sicherheitsaspekt im Kraftfahrzeug Aus den medizinischen Erfahrungswerten haben sich folgende Grenzwerte für einen durchschnittlichen gesunden Menschen ohne tödliche Verletzungen herauskristallisiert: HIC = H(ead) I(njury) C(riterion); HIC 1000 (entspricht 1000m/s 2 ); Der HIC beschreibt die Kopfbelastung a Brust-Traum-Index (BTI) 85g Beckenbeschleunigung 130g Nicht nur die auftretenden Beschleunigungskräfte, sondern auch die Dauer der Belastung sind für die Schwere der Verletzungen ausschlaggebend. Der Zusammenhang zwischen Einwirkzeit und Beschleunigungskräften wird in der W(ayne)S(tate)U(niversity)-Kurve dargestellt. Die unten angeführte Kurve zeigt den Zusammenhang zwischen Einwirkzeit und Beschleunigungskräften bei einem stirnseitigen Aufschlag mit dem Kopf auf einen harten Gegenstand, wie zum Beispiel auf die Windschutzscheibe oder das Lenkrad. [vgl.1,3,4,5,6] Abb.2: W(ayne)S(tate)U(niversity)-Kurve für einen stirnseitigen Aufschlag auf einen harten Gegenstand 7
Sicherheitsaspekt im Kraftfahrzeug Der HIC lässt sich mit folgender Formel berechnen: HIC t 2 1 = a * dt t2 t 1 t1 ( t t ) 1000(36 );700(15) 36bzw.15 2 1 ms 2,5 2 x 2 y a = a + a + a 2 z Man untersucht die resultierende Gesamtbeschleunigung a des Kopfes im Massenschwerpunkt im Intervall [t 1 ;t 2 ], wobei t 1 und t 2 so gewählt werden, dass der HIC ein Maximum darstellt und (t 1 -t 2 ) 36 Millisekunden ist. Beim HIC 15 gilt (t 1 -t 2 ) 15 Millisekunden. [vgl.1,4,6] Abb.3:Anforderungen an eine Crashpuppe 8
Technische Umsetzung passiver Sicherheitssysteme 3 Technische Umsetzung passiver Sicherheitssysteme 3.1 Airbag Unter einem Airbag 6 versteht man einen mit Gas gefüllten Beutel, der sich im Falle eines Unfalls schlagartig entfaltet und sich zwischen die betreffende Person und Teile der Fahrzeugkarosserie und Innenausstattung legt, auf welche der Körper aufgrund der auftretenden Beschleunigungskräfte während des Unfalls stoßen würde. Dadurch wird der Körper frühzeitig in seiner Bewegung dynamisch gebremst. Außerdem wird die Schleuderbewegung des Kopfes und die damit verbundene Belastung im Bereich der Halswirbelsäule reduziert. Die enorme Oberfläche des Luftbeutels verteilt die auftretenden Kräfte, wie sie entstehen, wenn man auf einen harten Gegenstand stößt, gleichmäßig über den Insassen, sodass kein punktueller Druck entstehen kann. [vgl.1,6] Das Airbagsystem unterstützt in seiner Funktion das Sicherheitsgurtsystem und die Karosseriestruktur des Fahrzeuges. [1] Für ein Höchstmaß an Sicherheit muss die gesamte Konstruktion aufeinander abgestimmt sein. Ziel ist es, die Verzögerungskräfte für den Insassen bei einem Unfall erträglich zu machen und Beschleunigungsspitzen zu minimieren. [vgl.1] Abb.4: Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Insassenvorverlagerung 6 engl. Luftsack [vgl.1] 9
Technische Umsetzung passiver Sicherheitssysteme Ein Airbagsystem, das für den Insassenschutz bestimmt ist, sollte immer mit einem Gurtrückhaltesystem kombiniert sein, da der Airbag kein Ersatz für das Angurten ist. [vgl.1] Der Airbag ist nur für die normale, aufrechte Haltung des Fahrers und Beifahrers während des Sitzens konzipiert und kann nur in diesem Fall ein Optimum an Sicherheit bereitstellen. Befindet sich einer der Insassen Out- of- position, bückt sich der Beifahrer zum Beispiel während der Fahrt zum Handschuhfach oder legt die Füße auf das Armaturenbrett und es öffnet sich plötzlich der Airbag, kann es durch die Wucht des sich entfaltenden Beutels (bis zu 300km/h und mit Leistungen von bis zu 70PS) zu schweren oder gar tödlichen Verletzungen kommen. [vgl.1,7] In Zukunft wird man mit speziellen Ultraschall- und Infrarotsensoren die Sitzbelegung und die Sitzposition überwachen und nur dann den Airbag freigeben, wenn keine Gefahr einer Verletzung besteht. Die Entwicklung dieses Systems wird aber durch schuldrechtliche Unklarheiten gebremst. In den meisten Autos sind Sitzbelegungserkennungssensoren Standard. So wird sichergestellt, dass der Beifahrerairbag nur dann ausgelöst wird, wenn wirklich ein Beifahrer mitfährt. Das senkt die Reparaturkosten, da ausgelöste Airbags in der Regel nicht wieder regeneriert werden können. In über 97 Prozent aller Frontalunfälle mit Airbag-Auslösung ist durch den Luftsack das Leben der Insassen geschützt oder sind schwere Verletzungen vermieden worden. [1] In weniger als 3 Prozent können dem Airbag Verletzungen zugeschrieben werden. [vgl.1,4] Airbagsysteme sind mitunter Teil der passiven Sicherheit eines Fahrzeuges und treten daher nur während eines Unfalles in Aktion. Die Steuerelektronik erkennt mit Hilfe von Beschleunigungssensoren (Crashsensoren) wenn ein bestimmter Wert überschritten wird (ca. vierfache Erdbeschleunigung). Dieser Wert wird als Unfallschwelle bezeichnet und muss zuvor in unzähligen Testsituationen ermittelt werden, damit sichergestellt wird, dass zwischen einem tatsächlichen Unfall und zum Beispiel Fahrbahnunebenheiten unterschieden werden kann. Meist werden hier massenträgheitsgesteuerte Sensoren eingesetzt. 10