DE3637855A1 - Aus maschinenelementen bestehendes oberschenkelskelett - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein aus Maschinenelementen be­ stehendes Oberschenkelskelett zur Aufprallsimulation eines Knies eines sitzenden menschlichen Körpers auf ein Deformationsglied oder dergleichen, mit einem knie­ förmig gestalteten Prallkörper am Stoßende einer Ober­ schenkelstange und mit einer Gesamtmasse, die der einer im Oberschenkel des sitzenden menschlichen Körpers beim Knieaufprall wirksamen Beschleunigungsmasse etwa ent­ spricht.

Ein derartiges Oberschenkelskelett, bei dem es sich um eine technisch vereinfachte Nachbildung eines Oberschenkel­ knochens handelt, ist in der Fachwelt vom Oberschenkel eines sogenannten Hybrid II-Dummies her einschlägig be­ kannt. (Veröffentlichung "Dummies im Crash" - Zeitschrift "mot", 11/1985). Zwei von einem Metallrohr gebildete Oberschenkelstangen sind hierbei knieseitig mittels eines Scharniergelenks jeweils an die zugeordneten Unter­ schenkelstangen und mittels jeweils eines Kugelgelenks an ein Becken aus Metall angeschlossen, so daß sich eine dem menschlichen Körper vergleichbare Bewegungsfreiheit des Oberschenkels ergibt.

Die Oberschenkelstangen sind derart von Schaumformteilen umgeben und mit einer Kunststoffhaut ummantelt, daß ein realistischer Oberschenkelquerschnitt gegeben ist. Inner­ halb dieser Oberschenkelkontur ist auf der Oberschenkel­ stange eine Kompensationsmasse starr befestigt, durch die eine absolut gesehen weitgehende Massenanpassung an den menschlichen Oberschenkel gewährleistet ist.

Zur Auslegung von Deformationsgliedern für den Knieauf­ prall, auch Kniepolster genannt, wurden mit dem Hybrid II Dummy zahlreiche Knieaufprallversuche durchgeführt. Diese Versuche haben jedoch gezeigt, daß die gemessenen Verformungen der Deformationsglieder keine Rückschlüsse auf das Verletzungsrisiko des Menschen beim Knieaufprall zulassen.

Vielmehr wurden beim Knieaufprall der Dummies deutlich höhere Kräfte gemessen, die trotz wesentlich kürzerer Kontaktzeiten mit dem Kniepolster zu erheblich stärkeren Verformungen des Kniepolsters führten, als dies beim Knieaufprall eines menschlichen Körpers zu erwarten wäre.

Dieser Unterschied liegt unter anderem darin begründet, daß bei den verwendeten Dummies ca. 80% der gesamten Masse im stählernen Skelett konzentriert sind, während der Rest auf die relativ dünne Gummihaut und die diversen Kunststoffschaumteile zurückgeht. Beim Menschen hingegen entfallen nur etwa 6% der Gesamtmasse auf das Skelett und damit der überwiegende Masseanteil auf die übrigen Gewebearten. Diese Verhältnisse dürften auch beim Oberschenkel im wesentlichen zutreffen.

Ein weiterer Unterschied bei der Aufprallwirkung des Knies auf ein Deformationsglied dürfte in den unterschiedlichen Eigenschaften des Stahlskeletts zum Knochenskelett be­ gründet sein.

Da es sich bei den Dummies um Meßgeräte handelt, soll sich ihr Skelett unter den normalerweise bei Unfällen auftreten­ den Kräften nicht verformen, wenn man von den Rippenbögen absieht. Ebenso müssen die Gelenke nahezu ohne Lagerspiel aber mit möglichst geringer Lagerreibung ausgeführt sein. Damit ist das Dummy-Skelett nahezu dämpfungsfrei beweg­ lich.

Beim Körper des Menschen hingegen verformen sich die Knochen des Skeletts unter Last geringfügig elastisch und auch in den Gelenken sorgen Faserknorpel für eine zum Teil erheb­ liche Nachgiebigkeit. Zudem ist das Muskelgewebe über Sehnen mit dem Knochengewebe verbunden, so daß sich bei stoßartigen Belastungen eine über die skelettale Dämpfung hinausgehende Zusatzdämpfung infolge von Längendehnungen und dergleichen des angeschlossenen Gewebes ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aus Maschinen­ elementen bestehendes Oberschenkelskelett der gattungsge­ mäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß es zur Aus­ legung von Deformationsgliedern oder dergleichen mit Hilfe der Knieaufprallsimulation deutlich besser geeignet ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Durch die Zeitverzögerung zwischen dem Wirksamwerden der beiden Teilmassen am Deformationsglied ergibt sich bezüg­ lich der Stoßwirkung eine deutlich bessere Näherung an die Eindringtiefe des menschlichen Knies in das Deformations­ glied.

Das Oberschenkelskelett kann entweder als separater Versuchs­ träger oder, wie nach Anspruch 2 vorgesehen, in eine übliche anthropomorphe Testpuppe integriert sein.

Aus den Patentansprüchen 3 bis 10 gehen vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung hervor.

Im folgenden sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer zeichnerischen Darstellung näher erläutert.

Jede der Fig. 1, 2 und 3 zeigt eine Prüfanordnung zur Simulation eines Knieaufpralls auf ein Deformationsglied.

Hierbei ist jeweils ein Versuchsträger 1, 2 bzw. 3 z.B. auf einem nicht dargestellten Gleisschlitten mit einer definierten Aufprallgeschwindigkeit auf ein Kniepolster 4, das in nicht dargestellter Weise ortsfest gehalten ist, auffahrbar. Jeder der Versuchsträger 1, 2 und 3 wird hierbei in seiner Längsrichtung bewegt und trifft, wie durch Pfeile angedeutet, senkrecht auf der Prallfläche des Kniepolsters 4 auf. Beim Kniepolster 4 handelt es sich um einen unter Energieabsorption plastisch verformbaren Körper aus Kunststoffhartschaum, der mit einer Folie 5 ummantelt ist. Derartige Schaumkörper sind aufgrund ihrer Formtreue im deformierten Zustand und der damit verbundenen einfachen Meßbarkeit der Eindringtiefe der Versuchsträger 1, 2 bzw. 3 besonders für Knieaufprallversuche geeignet.

Jeder der Versuchsträger 1, 2 und 3 ist an seinem Stoß­ ende mit einem Prallkörper 6 versehen, dessen Abmessungen und dessen Formgebung denen des Knies eines Menschen weit­ gehend entsprechen. Am gegenüberliegenden Ende der Ver­ suchsträger 1, 2 und 3 ist jeweils eine Hüftgelenkkugel 7 vorgesehen.

Die Versuchsträger 1 und 2 weisen jeweils eine durchgehende Oberschenkelstange 8 auf, die den Prallkörper 6 starr mit der Hüftgelenkkugel 7 verbindet. Auf dem zylindrischen Außenumfang der Oberschenkelstange 8 des Versuchsträgers 1 ist eine paßgenaue Schiebehülse 9 längsverschiebbar geführt. Die Passung zwischen der Schiebehülse 9 und der Oberschenkelstange 8 ist so gewählt, daß diese nahezu reibungsfrei auf der Oberschenkelstange 8 verschiebbar ist. In einem Abstand zur Schiebehülse 9 ist ein Ring­ anschlag 10 vorgesehen, der ortsfest auf der Oberschenkel­ stange 8 angeordnet ist. Zwischen dem Ringanschlag 10 und der Schiebehülse 9 ist eine Schraubenfeder 11 abge­ stützt, durch die die Schiebehülse 9 in der dargestellten Ausgangsposition gehalten ist. Die Masse der Schiebe­ hülse 9 ist so bemessen, daß sie ein Masseäquivalent zur Muskulatur des menschlichen Oberschenkels darstellt. Sie ist daher auch als Muskelersatzmasse bezeichnet.

Beim Auftreffen des Prallkörpers 6 auf das Kniepolster 4 wird aufgrund dieses Aufbaus nicht die gesamte kinetische Energie des Versuchsträgers 1 in einem einzigen Stoßimpuls in das Kniepolster 4 eingeleitet. Es ergibt sich vielmehr ein zweiter zeitverzögerter Stoßimpuls dadurch, daß die Schiebehülse 9 in Richtung des Ringanschlags 10 be­ schleunigt wird bis die Schraubenfeder 11 auf Block geht. Dieser zweite Stoßimpuls, bei dem die Schraubenfeder 11 als zusätzliches Verzögerungsglied wirksam ist, vermag nur noch eine geringe Vergrößerung der Eindringtiefe des Prallkörpers 6 in das Kniepolster 4 zu bewirken, da der erste Stoßimpuls bereits weitgehend absorbiert ist.

Alternativ ist es beim Versuchsträger 2 vorgesehen, den Stoßimpuls der Muskelersatzmasse in mehrere kleinere Stoß­ impulse zu zerlegen. Hierzu ist die Schiebehülse 9 in mehrere Ringscheiben 12 aufgeteilt, die in unterschied­ lichen Abständen zum Ringanschlag 10 über die Länge der Oberschenkelstange 8 verteilt angeordnet sind. Zur Redu­ zierung des erforderlichen Verschiebeweges der Ring­ scheiben 12 und zur Positionierung der Ringscheiben 12 auf der Oberschenkelstange 8 ist zwischen dem Ringan­ schlag 10 und der benachbarten Ringscheibe 12 sowie zwischen allen weiteren Ringscheiben 12 jeweils eine Schraubenfeder 13 abgestützt. Beim Aufprallversuch nehmen somit, abgesehen von der am Ringanschlag 10 abgestützten, Schraubenfeder 13, alle weiteren Schraubenfedern 13 über ihre Druckeinfederung hinaus auch am Beschleunigungsvor­ schub der Ringscheiben 12 teil. Die Ringscheiben 12 sind reibungsarm gelagert, so daß sie einer Änderung ihres Bewegungszustandes nur wenig Widerstand entgegensetzen. Der Wicklungsdurchmesser der Schraubenfedern 13 ist deut­ lich größer bemessen als der Durchmesser der Oberschenkel­ stange 8, so daß zwischen der Oberschenkelstange 8 und den Schraubenfedern 13 keine Reibung auftritt. Alle Schraubenfedern 13 stützen sich nur stirnseitig ab, wo­ bei sie durch nicht dargestellte Positioniermittel in dargestellter Weise konzentrisch zur Oberschenkelstange 8 gehalten sind. Nach dem ersten Stoßimpuls beim Auf­ treffen des Prallkörpers 6 auf das Kniepolster 4 ergibt sich somit ein zweiter kaskadenartiger Kraftstoß, da die Schraubenfedern 13 unter Krafteinwirkung durch die relativ zur Oberschenkelstange 8 beschleunigten Ring­ scheiben 12 nacheinander auf Block gehen. Nach dem bis­ herigen Erkenntnisstand kommt die Wirkung eines Kraft­ stoßes des Versuchsträgers 2 noch näher an die realen Verhältnisse beim Knieaufprall heran als die des Ver­ suchsträgers 1.

Beiden Ausführungsformen haftet jedoch der Nachteil an, daß sich mit den Versuchsträgers 1 und 2 keine den Ver­ hältnissen der menschlichen Anatomie entsprechenden Nach­ giebigkeiten darstellen lassen. Diese Möglichkeit bietet demgegenüber der Versuchsträger 3, der über eine längen­ veränderbare Oberschenkelstange 14 verfügt.

Bei dieser Oberschenkelstange 14 ist eine Kolbenstange 15, die starr mit dem Prallkörper 6 verbunden ist, teleskop­ artig in einem gegenstückigen, kugelgelenkfesten Schubrohr 16 geführt. Im Schubrohr 16 ist eine Druckfeder 17 ange­ ordnet, deren Wicklungsaußendurchmesser auf den Innendurch­ messer des Schubrohrs 16 abgestimmt ist. Stirnseitig ist die Druckfeder 17 einerseits auf einem Boden des Schub­ rohrs 16 und andererseits auf dem Boden der Kolbenstange 15 abgestützt. Die Kolbenstange 15 kann somit mittels der Druckfeder 17 in ihrer dargestellten Ausgangsposition ge­ halten werden. Beim Aufprall des Prallkörpers 6 auf das Kniepolster 4 wird in einem ersten Stoßimpuls im wesent­ lichen die kinetische Energie des Prallkörpers 6 selbst und der Kolbenstange 15 absorbiert. Der zweite Stoß­ impuls ist wirksam, wenn sich das Schubrohr 16 in der inneren Endlage der Oberschenkelstange 14 befindet. In dieser Stellung ist die Druckfeder 17 aufgrund der Relativ­ beschleunigung des Schubrohrs 16 auf Block gegangen und gibt beim Auflaufen die kinetische Energie an die Kolben­ stange 15 weiter. Zusätzlich ist es denkbar, die Ober­ schenkelstange 14 als Feder-Dämpfer-Einheit auszubilden. Hierzu könnte entweder die gesamte Oberschenkelstange 14 als Öl- oder Gasdruckdämpfer gestaltet werden oder der Dämpfer könnte nach Art eines Federbeines in den lichten Querschnitt der Druckfeder 17 integriert sein.

Auch für den Versuchsträger 3 gilt, daß seine Gesamtmasse weitgehend der eines menschlichen Oberschenkels ent­ sprechen sollte.

Aufgrund der isolierten Aufprallversuche mit den Versuchs­ trägern 1, 2 und 3 ist ferner zu berücksichtigen, daß die Anlenkmassen, die zusätzlich kniegelenkseitig und hüftge­ lenkseitig als anteilige Beschleunigungsmassen wirksam sind, mit dargestellt werden. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Massevergrößerung des Prall­ körpers 6 und der Hüftgelenkkugel 7 kompensiert werden. Bei der paarweisen Integration von Oberschenkelstangen 8 bzw. 14 in anthropomorphe Testpuppen erübrigt sich diese Kompensation; allerdings muß hierbei auf eine übliche Schaumummantelung der Oberschenkel 8 bzw. 14 verzichtet werden, damit die erforderliche Verschiebebeweglichkeit des Masseanteils erhalten bleibt.

Gegen äußere, die Verschiebebeweglichkeit hemmende Einflüsse (z.B. Sitzauflagekraft) kann eine unverformbare und rohr­ feste Hülse mit dünner Schaumauflage angebracht werden.

Claims (10)

1. Aus Maschinenelementen bestehendes Oberschenkelskelett zur Aufprallsimulation eines Knies eines sitzenden mensch­ lichen Körpers auf ein Deformationsglied oder dergleichen mit einem knieförmig gestalteten Prallkörper am Stoßende einer Oberschenkelstange und mit einer Gesamtmasse, die der einer im Oberschenkel des sitzenden menschlichen Körpers beim Knieaufprall wirksamen Beschleunigungsmasse etwa entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Masseanteil der Beschleunigungsmasse längsbeweglich an der Oberschenkelstange (8, 14) angeordnet ist, und daß der Masseanteil derart in einem Abstand von einem zuge­ ordneten, prallkörperfesten Anschlag positioniert ist, daß der auf dem Auflaufen des Masseanteils auf den zugeordneten Anschlag beruhende Stoßimpuls gegenüber dem beim Auftreffen des Prallkörpers (6) auf dem Defor­ mationsglied (4) auftretenden Stoßimpuls zeitverzögert erfolgt.

2. Oberschenkelskelett nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prallkörper (6) als Kniegelenk und das gegenüber­ liegende Ende der Oberschenkelstange (8, 14) als Hüft­ gelenk (7) ausgebildet sind, und daß zwei Oberschenkel­ stangen (8, 14) paarweise in eine anthropomorphe Test­ puppe integriert sind.

3. Oberschenkelskelett nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der längsbewegliche Masseanteil der Oberschenkel­ stange (8, 14) von einer Muskelersatzmasse gebildet ist, die als Schiebehülse (9) auf einem zylindrischen Ab­ schnitt der Oberschenkelstange (8) geführt ist.

4. Oberschenkelskelett nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiebehülse (9) in mehrere Ringscheiben (12) aufgeteilt ist, die jeweils in einem Abstand vonein­ ander über die Länge des zylindrischen Abschnitts der Oberschenkelstange (8) verteilt angeordnet sind, und die auf einen gemeinsamen Anschlag auflaufen.

5. Oberschenkelskelett nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag von einem Ringanschlag (10) gebildet ist, der auf einem prallkörperseitigen Abschnitt der Oberschenkel­ stange (8) fixiert ist.

6. Oberschenkelskelett nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberschenkelstange (14) teleskopartig längen­ veränderbar ist.

7. Oberschenkelskelett nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Masseanteil mittels eines Verzögerungsgliedes gegen seine Bewegungsrichtung beim Knieaufprall abge­ stützt ist.

8. Oberschenkelskelett nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied von einem Federelement (11, 13, 17) gebildet ist.

9. Oberschenkelskelett nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied als Dämpfungsglied ausgebildet ist.

10. Oberschenkelskelett nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied aus einer Feder-Dämpfer-Einheit besteht.