DE4316992A1 - Meßanordnung zur Belastungsmessung an den unteren Gliedmaßen einer anthropomorphen Meßpuppe oder dergleichen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Belastungsmessung an den unteren Gliedmaßen einer anthropomorphen Meßpuppe oder dgl. der im Oberbegriff des Hauptanspruches angegebenen Art.

Eine derartige Meßanordnung ist beispielsweise aus der US-PS 4 349 339 bereits bekannt. Diese Meßanordnung umfaßt vier Kraft­ meßdosen, die am Oberschenkel, am Knie, am Unterschenkel und am Fuß des Meßpuppenbeins angebracht sind. Mit den Kraftmeßdosen können die an der jeweiligen Meßstelle auftretenden Belastungs­ kräfte z. B. bei Crash-Tests dreiachsig gemessen werden. Über die nahe dem Fußgelenk angeordnete Kraftmeßdose können dabei jedoch unmittelbar nur Beugekräfte erfaßt werden, die zu einer Überdehnung des Fußgelenks führen können, da der Fuß bereits eine kritische Beugestellung zum Unterschenkel erreicht haben muß. Im übrigen kann nur unterstellt werden, daß die mit der Kraftmeßdose des Unterschenkels gemessene Axialkraft geringer sein muß als die am Fuß des Meßpuppenbeins wirksame Kraft.

Mit der bekannten Meßanordnung ist es somit nicht ohne weiteres möglich, den Einfluß einer Fußraumgestaltung eines Kraftwagens auf die Verletzungsgefahr der unteren Gliedmaßen eines mensch­ lichen Körpers beim realen Unfallgeschehen zu untersuchen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte Meßanordnung dahingehend weiterzuentwickeln, daß hinreichend zuverlässige Erkenntnisse über den Einfluß einer Fußraumge­ staltung eines Kraftwagens auf die Verletzungsgefahr der unte­ ren Gliedmaßen eines menschlichen Körpers bei Unfällen gewonnen werden können.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs.

Aus den übrigen Ansprüchen gehen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung hervor.

Auf besonders einfache Weise können die Kraftmeßfühler unter dem Fuß bzw. den Füßen positioniert werden, wenn sie unter einem Meßschuh angebracht sind, der wie ein üblicher Schuh über den Fuß gezogen werden kann. Realistische Kraftwirkungen werden dadurch erzielt, daß alle dämpfenden Elemente des Schuhs er­ halten bleiben.

Ein weiterer Vorteil des Meßschuhs ist darin zu sehen, daß sich die Meßanordnung durch Wechseln des Schuhs bei verschiedenen Meßpuppen einsetzen läßt.

Im Bereich geringer Belastungen ist es ferner möglich, ver­ gleichende Belastungsmessungen an den unteren Gliedmaßen einer Meßpuppe und an den unteren Gliedmaßen einer Versuchsperson durchzuführen, wobei die selben Meßschuhe verwendet werden können. Durch Abgleich im Bereich geringer Belastungen, bei der noch keine Verletzungsgefahr für die Versuchsperson besteht, ist davon auszugehen, daß auch bei größeren Belastungen, bei der nur noch Messungen am Fuß des Meßpuppenbeins möglich sind, eine weitgehende Äquivalenz erhalten bleibt. Somit läßt sich das Verletzungsrisiko an Fuß, Sprunggelenk, Unterschenkel, Kniegelenk und Oberschenkel des menschlichen Beins mit höherer Wahrscheinlichkeit abschätzen als mit bisher bekannten Meßan­ ordnungen.

Um realistische Aufstandsverhältnisse des Meßschuhs zu gewähr­ leisten, sind voneinander unabhängig unter Sohle und Absatz des Meßschuhs mit Kraftmeßfühlern versehene Meßplattenpaare vorge­ sehen.

Zur dreiachsigen Messung von dynamischen Kräften sind Kraft­ meßfühler aus piezoelektrischem Quarzkristall besonders geeig­ net, da sie eine hohe Steifigkeit aufweisen und eine gute Trennung der Kraftkomponenten zulassen. Damit diese Kraftmeß­ fühler seitlich angreifende Plattenkräfte übertragen können, sind sie vorzugsweise axial zwischen übereinandergeschichteten Meßplatten der Plattenpaare verspannt, wobei der Verspannvor­ gang zweckmäßig mittels hochfester Spannschrauben erfolgt.

Um die Positionierung der Kraftmeßfühler zwischen den überein­ anderliegenden Platten zu erleichtern und die über den Spann­ vorgang in die Platten eingeleitete Biegespannung zu minimie­ ren, sind die Kraftmeßfühler als Kraftmeßringe ausgebildet, deren Hohlquerschnitt jeweils vom Schaft einer zugeordneten Spannschraube durchsetzt wird.

Werden über die Plattenfläche verteilt drei Kraftmeßfühler zwischen Oberplatte und Unterplatte des Plattenpaars angeord­ net, so läßt sich über ein gleichmäßiges Anziehmoment der Spannschrauben eine gleichmäßige Axialkraft auf die Kraftmeß­ fühler aufbringen.

Durch die Massenträgheit der nur mittelbar mit dem Meßschuh verbundenen Unterplatte der beiden Meßplattenpaare wird bei quer zur Plattenebene gerichteten Beschleunigungskräften eine meßwertverfälschende Störkraft wirksam. Zur Korrektur dieser Störgröße muß die zugehörige Beschleunigung bekannt sein, wes­ halb an der Unterplatte der Meßplattenpaare ein Beschleunigungs­ aufnehmer vorgesehen ist.

Um die Kräfte möglichst nah am Fuß messen zu können, sollte die Dicke der Plattenpaare möglichst gering gehalten werden. Unter der leicht gebogenen Sohle des Meßschuhs kann die Dicke durch eine keilförmige Gestaltung von Ober- und Unterplatte erheblich reduziert werden. Eine weitere Verbesserung ist möglich, wenn die Plattenpaare zwischen Brandsohle und Laufsohle bzw. zwi­ schen Brandsohle und Absatz angebracht sind.

Damit unnötiges Gewicht eingespart werden kann, besteht insbe­ sondere das der Laufsohle des Meßschuhs zugeordnete Meßplatten­ paar aus Leichtmetall z. B. Aluminium. In Kombination mit einem Meßplattenpaar aus Stahl am Absatz des Meßschuhs läßt sich ferner eine unerwünschte Verlagerung des ursprünglichen Schuh­ schwerpunktes verhindern.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer zeichnerischen Darstellung näher erläutert.

In der Darstellung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Meßschuhpaars mit der Meßanordnung,

Fig. 2 die Meßplattenpaare eines Meßschuhs des Meßschuh­ paars in einer perspektivischen Draufsicht,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch das vordere Meßplatten­ paar gemäß der Schnittlinie III-III in Fig. 2, und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch das hintere Meßplatten­ paar dem Schnittverlauf der Schnittlinie IV-IV in Fig. 2 entsprechend.

Das in Fig. 1 gezeigte Meßschuhpaar 1 ist auf der Basis des für Crash-Versuche mit üblicherweise als Dummy bezeichneten Meß­ puppen vorgeschriebenen "Standard US-Navy Ausgehschuhs" aufge­ baut, wobei lediglich die Laufsohle 2 und der Absatz 3 beider Schuhe von ihrer Brandsohle 4 abgelöst wurden. Zwischen Brand­ sohle 4 und Laufsohle 2 wurde ein Meßplattenpaar eingefügt, das eine Oberplatte 5 und eine darunterliegende Unterplatte 6 um­ faßt. Oberplatte 5 und Unterplatte 6 weisen eine übereinstim­ mende Umfangskontur auf, die exakt der Umfangskontur der auf der Unterseite der Unterplatte 6 befestigten Laufsohle 2 ent­ spricht.

Von diesem Meßplattenpaar unabhängig ist zwischen Brandsohle 4 und Absatz 3 ein weiteres Meßplattenpaar eingefügt, das eben­ falls übereinanderliegend eine Oberplatte 7 und eine Unter­ platte 8 umfaßt. Oberplatte 7 und Unterplatte 8 sind zueinander und zum auf der Unterseite der Unterplatte 8 befestigten Absatz 3 deckungsgleich gestaltet. Durch Zwischenfügung der Meßplatten­ paare vergrößert sich der Abstand zwischen den Aufstandsflächen von Laufsohle 2 bzw. Absatz 3 und Brandsohle 4 lediglich um etwa 35 mm, während das ursprüngliche Aufstandsverhalten der Ausgehschuhe weitestgehend erhalten bleibt.

Oberplatte 5 und Unterplatte 6 bzw. Oberplatte 7 und Unter­ platte 8 sind jeweils in einem geringen Abstand voneinander gehalten, der nur wenige mm beträgt. Dabei verlaufen die Trennspalte 9 bzw. 10 beider Meßplattenpaare in zueinander parallelen Horizontalebenen und weisen eine konstante lichte Spalthöhe auf. Nahe der Trennspalte 9 bzw. 10 sind aus dem Au­ ßenumfangsbereich beider Meßplattenpaare der Meßschuhe jeweils drei Meßleitungsbündel 11 herausgeführt. Die mittels eines Schutzschlauches ummantelten Meßleitungen jedes der Meßlei­ tungsbündel 11 sind mit einem zugeordneten Kraftmeßring 12 elektrisch leitend verbunden.

Wie in Fig. 2 übersichtsmäßig an den Meßplattenpaaren des lin­ ken Meßschuhs zu erkennen ist, sind zwischen Oberplatte 5 und Unterplatte 6 sowie Oberplatte 7 und Unterplatte 8 jeweils drei Kraftmeßringe 12 angeordnet, die ähnlich einer dicken Unter­ legscheibe hochzylindrisch gestaltet sind. Die baugleichen Kraftmeßringe 12 bestehen aus piezoelektrischem Quarzkristall, wobei sie axial zwischen parallel flachen Flächen von Oberplatte 5 und Unterplatte 6 bzw. Oberplatte 7 und Unterplatte 8 ver­ spannt sind und als den Trennspalt 9 bzw. 10 aufrechterhaltende Distanzmittel wirken. Beim Meßplattenpaar der Laufsohle 2 also zwischen Oberplatte 5 und Unterplatte 6 sind einer der Kraft­ meßringe 12 mittig im vorderen Bereich und zwei der Kraftmeß­ ringe 12 seitlich im hinteren Bereich angeordnet, wodurch sich eine Dreipunktabstützung ergibt. Demgegenüber sind die drei Kraftmeßringe 12 beim dem Absatz 3 zugeordneten Meßplattenpaar umgekehrt angeordnet, also zwei seitlich im vorderen Bereich und eine mittig im hinteren Bereich zwischen Oberplatte 7 und Unterplatte 8. Durch den Hohlquerschnitt der Kraftmeßringe 12 hindurch sind die Meßplattenpaare miteinander verschraubt. Hierzu sind hochfeste Spannschrauben 13 vorgesehen, die mit einer Vorspannkraft von 20 KN angezogen sind und als Durch­ steckschrauben ausgebildet sind.

Wie anhand der Schnittdarstellungen gemäß Fig. 3 und Fig. 4 zu erkennen ist, wird von den Unterplatten 6 und 8 jeweils ein Beschleunigungsaufnehmer 14 gehalten, mit dem sich die Be­ schleunigung der zugeordneten Unterplatte 6 bzw. 8 meßtechnisch erfassen läßt. Es versteht sich, daß auch für die Beschleuni­ gungsaufnehmer 14 eine Meßleitung vorgesehen ist, die mit einem der Meßleitungsbündel 11 vereinigt ist.

Das Meßplattenpaar mit Oberplatte 5 und Unterplatte 6 ist über seine Länge gesehen im vorderen Bereich relativ zum hinteren etwa horizontalen Längenbereich geringfügig nach oben ange­ winkelt, wodurch eine gute Näherung an die Aufstandsverhält­ nisse der an der Unterplatte 6 befestigten Laufsohle 2 gegeben ist. Bei über die gesamte Länge des Meßplattenpaars konstanter Dicke des Verbunds wurde trotzdem ein horizontaler Trennspalt 10 erreicht, da sich der abgewinkelte Längenbereich der Unter­ platte 6 zur Schuhspitze hin keilförmig verjüngt, während sich der Längenbereich der Oberplatte 5 im gleichen Maße verdickt. Dabei liegen der vordere Kraftmeßring 12 bis auf das Distanzmaß für den Trennspalt 10 im verdickten Längenbereich der Ober­ platte 5 und die beiden hinteren Kraftmeßringe 12 im hinteren Längenbereich der Unterplatte 6 versenkt. Hierdurch stimmen die Querschnittsdicken beider Meßplattenpaare exakt überein.

Über die Meßleitungen der Meßleitungsbündel 11 sind die Kraft­ meßringe 12 mit einem nicht gezeigten 12-Kanal-Ladungsverstär­ ker verbunden, der in bekannter Weise für den Einsatz bei Crash-Versuchen beschleunigungsfest ausgelegt ist.

Mit der beschriebenen Meßanordnung lassen sich mittels des Meß­ schuhpaars 1 die Aufstandskräfte des Fußes sowie ihre Vertei­ lung über die Fußsohle im Rahmen von Crash-Versuchen sehr exakt erfassen, da die Auflösung der Ladungssignale in den verschie­ denen Richtungen von hoher Qualität ist. Hierdurch wird es so­ gar möglich, vergleichende Tests von Auskleidungen des Fußraums mit unterschiedlichen Dämpfungseigenschaften vorzunehmen.

Claims (10)

1. Meßanordnung zur Belastungsmessung an den unteren Gliedmaßen einer anthropomorphen Meßpuppe oder dgl. mit mehreren Kraft­ meßfühlern, die auf voneinander beabstandete Meßstellen ver­ teilt angeordnet sind, wobei einer der Kraftmeßfühler an einem gelenkig mit einem Unterschenkel verbundenen Fuß angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßfühler (Kraftmeßringe 12) der Meßanordnung zur Ermittlung der Aufstandskräfte des Fußes sowie ihrer Verteilung über die Fußsohle unter dem Fuß der Meßpuppe oder dgl. ange­ ordnet sind.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßfühler (Kraftmeßringe 12) der Meßanordnung mittels eines Meßschuhes (Meßschuhpaars 1) unter dem Fuß der Meßpuppe oder dgl. anbringbar sind.

3. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßschuh (Meßschuhpaar 1) mit zwei Meßplattenpaaren (Oberplatte 5; 7 bzw. Unterplatte 6; 8) versehen ist, wobei ei­ nes der Meßplattenpaare (Oberplatte 5, Unterplatte 6) unter der Sohle und das andere Meßplattenpaar (Oberplatte 7, Unterplatte 8) unter dem Absatz des Meßschuhs (Meßschuhpaars 1) befestigbar sind.

4. Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Meßplattenpaar (Oberplatten 5; 7 bzw. Unterplatten 6; 8) zwei übereinandergeschichtete Meßplatten umfaßt, die durch zwischen ihnen abgestützte Kraftmeßfühler (Kraftmeßringe 12) auf Distanz gehalten sind, und die miteinander verspannt sind.

5. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßfühler (Kraftmeßringe 12) aus piezoelektrischem Quarzkristall bestehen.

6. Meßanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßfühler als Kraftmeßringe (12) ausgebildet sind, deren Hohlquerschnitt von einer zugeordneten Spannschraube (13) durchsetzt ist.

7. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der unteren Meßplatte des Meßplattenpaars (Oberplatte 5; 7, Unterplatte 6; 8) ein Beschleunigungsaufnehmer (14) ange­ bracht ist.

8. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßplatte des unter der Sohle des Meßschuhs (Meßschuh­ paars 1) befestigbaren Meßplattenpaars (Oberplatte 5, Unter­ platte 6) im Längsschnitt gesehen keilförmig gestaltet sind, wobei sich ihr Querschnitt in entgegengesetzten Richtungen verjüngt, und daß die an den Keilflächen abgestützten Kraft­ meßfühler (Kraftmeßringe 12) in die in ihrem Anordnungsbereich dickere Platte des Meßplattenpaars (Oberplatte 5 bzw. Unter­ platte 6) eingelassen sind.

9. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Meßplatten des Meßplattenpaars (Oberplatte 5; 7, Unterplatte 6; 8) eine Dreipunktabstützung über drei Kraftmeßfühler (Kraftmeßringe 12) vorgesehen ist.

10. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das größerformatige Meßplattenpaar (Oberplatte 5, Unterplatte 6) aus Leichtmetall besteht.