DE69918869T2

DE69918869T2 - Schutzhelm

Info

Publication number: DE69918869T2
Application number: DE69918869T
Authority: DE
Inventors: Hans Von Holst; Peter Halldin
Original assignee: Neuroprevention Scandinavia AB
Current assignee: Mips AB
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: US6658671B1; EP1246548B1; DE69918869D1; ES2226494T3; EP1246548A1; JP2003518203A; WO2001045526A1; JP4080206B2; ATE271325T1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Schutzhelm mit einer Außenschale und einer Innenschale gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Um Schädel- und Gehirnverletzungen zu verhindern oder zu reduzieren, ist es üblich, in verschiedenen Situationen von Schutzhelmen Gebrauch zu machen. Viele verschiedene Schutzhelmtypen mit unterschiedlichen Gestaltungen und Eigenschaften sind auf dem Markt verfügbar. Allgemein gesagt, besteht ein solcher Helm aus einer harten Außenschale, die oft aus einem Verbundwerkstoff hergestellt ist, und einer energieabsorbierenden Innenschale. Heutzutage muss ein Schutzhelm so gestaltet sein, dass er bestimmte gesetzliche Vorschriften erfüllt, welche unter anderem die maximale Beschleunigung betreffen, die im Schwerpunkt des Gehirns bei einer bestimmten Belastung auftreten kann. Typischerweise werden Versuche durchgeführt, bei welchen etwas, das als ein Dummy-Schädel bekannt ist, der mit einem Helm ausgerüstet ist, von einer Aufprallfläche einem radialen Schlag ausgesetzt ist. Daraus ergaben sich moderne Helme mit guter Energieabsorptionsfähigkeit im Falle von Schlägen radial gegen den Schädel, während die Energieabsorption für andere Belastungsrichtungen nicht so optimal ist. Das Fehlen von gesetzlichen Vorschriften dafür, wie Helme die Winkelbeschleunigung reduzieren sollen, ist unter anderem durch die Tatsache bedingt, dass Verletzungskriterien für Drehverletzungen fehlen.
Im Falle von Linearbeschleunigung (Linearaufprall) sind es typischerweise Brüche des Schädels und/oder Druck- oder Abschürfungsverletzungen des Gehirngewebes, welche auftreten. Fälle von reiner Winkelbeschleunigung (Drehung um den Drehmittelpunkt des Schädels) sind selten. Die gängigste Beschleunigungsart ist Drehbeschleunigung, das heißt kombinierte Linear- und Winkelbeschleunigung. Beispiele von Drehverletzungen sind einerseits Subduralhämatome, SH, die als eine Folge des Reißens von Blutgefäßen bluten, und andererseits diffuse axonale Verletzungen, DAI, welche als Nervenfasern zusammengefasst werden können, die als eine Folge von variierender Trägheit und Dichte in dem Gewebe des Gehirns zerreißen. In Abhängigkeit von den Eigenschaften der Drehkraft, wie die Dauer, Größe und Zuwachsrate, treten entweder SH oder DAI auf, oder eine Kombination von diesen wird erlitten. Allgemein gesagt, treten SH im Falle von kurzer Dauer und erheblicher Größe auf, während DAI im Falle von längeren und weiter verbreiteten Beschleunigungsbelastungen auftritt. Es ist wichtig, dass diese Erscheinungen berücksichtigt werden, um es möglich zu machen, einen guten Schutz für den Schädel und das Gehirn zu schaffen.
Ein typischer Schutzhelm ist aus US-A-4 307 471 bekannt.
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung ist es, einen Schutzhelm zu produzieren, welcher das Verletzungsrisiko für den Träger reduziert. Ein anderes Ziel ist es, einen Schutzhelm zu produzieren, welcher einfach, leicht und flexibel für den Träger ist. Ein weiteres Ziel ist es, einen leicht hergestellten Schutzhelm zu produzieren.
Beschreibung der Erfindung
Ein wirkungsvoller Schutzhelm wird mit einer Ausführungsform erreicht, welche die Merkmale gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufweist.
Aufgrund der Tatsache, dass die Außenschale des Helms relativ zu der Innenschale bei gleichzeitiger Absorption von Drehenergie in dem Helm verschoben werden kann, ist es möglich, die auf den Träger wirkenden Verletzungskräfte mit einem reduzierten Verletzungsrisiko als eine Folge zu reduzieren.
Die Verwendung von einer oder mehreren relativ dünnen Gleitschichten bedeutet, dass die Masse und Konstruktionshöhe des Helms niedrig gehalten werden kann, was den Trägerkomfort erhöht und ferner das Verletzungsrisiko reduziert.
Durch Verwendung einer Innenschale mit den momentan üblichen Eigenschaften für Schutzhelme wird ein Schutzhelm erreicht, welcher gut zum Absorbieren sowohl von radialen Schlägen als auch schrägen Schlägen geeignet ist und daher den Träger gut schützen kann.
Weitere Merkmale und vorteilhafte Eigenschaften treten aus der Beschreibung und den Patentansprüchen unten hervor.
Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird unten ausführlicher anhand von beispielhaften Ausführungsformen erläutert, die in den Zeichnungen gezeigt sind, in welchen:
1 schematisch einen Schnitt durch einen Schutzhelm gemäß der Erfindung zeigt,
2 den Schutzhelm in 1 zeigt, wenn dieser einem schrägen Schlag ausgesetzt ist,
3 alternative Ausführungsformen des Schutzhelms gemäß der Erfindung zeigt,
4 die Beziehung zwischen Zeit und Kraft im Falle eines schrägen Schlages gegen zwei unterschiedliche Helmtypen gemäß 2 zeigt,
5 und 6 die Ergebnisse aus einer numerischen Studie im Falle von schrägen Schlägen gegen einen mit einem Helm versehenen Schädel zeigen,
7-9 verschiedene Ausführungsformen der Verbindung zwischen der Außenschale und der Innenschale in einem Schutzhelm gemäß der Erfindung zeigt.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Ein in 1 schematisch gezeigter Schutzhelm 1 gemäß der Erfindung ist aus einer Außenschale 2 und einer innerhalb der Letzteren angeordneten Innenschale 3 konstruiert, welche für den Kontakt mit dem Kopf des Trägers bestimmt ist. Zwischen der Außenschale 2 und der Innenschale 3 ist eine Gleitschicht 4 angeordnet, welche eine Verschiebung zwischen der Außenschale 2 und der Innenschale 3 möglich macht. In dem Randabschnitt des Helms ist oder sind ein oder mehrere Verbindungsteile 5 angeordnet, welche die Außenschale 2 und die Innenschale 3 miteinander verbinden und der gegenseitigen Verschiebung zwischen ihnen durch Absorptionsenergie entgegenwirken.
Die Außenschale 2 ist relativ dünn und stark, um dem Schlag verschiedener Arten zu widerstehen, und kann vorteilhaft zum Beispiel aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt sein. Die Innenschale 3 ist beträchtlich dicker und soll zum Dämpfen oder Absorbieren von Schlägen gegen den Kopf geeignet sein. Sie kann vorteilhaft zum Beispiel aus Polyurethanschaum oder Polystyren hergestellt sein. Die Konstruktion kann in unterschiedlichen Weisen variiert werden, welche unten zum Beispiel mit einer Anzahl von Schichten aus unterschiedlichen Werkstoffen hervortreten. Eine Anzahl von unterschiedlichen Werkstoffen und Ausführungsformen können als die Gleitschicht 4 verwendet werden, zum Beispiel Öl, Teflon, Mikrokugeln, Luft, Gummi usw. Diese Schicht hat vorteilhaft eine Dicke von etwa 0,1–5 mm, jedoch können auch andere Dicken in Abhängigkeit von dem ausgewählten Werkstoff und der gewünschten Ausführung verwendet werden. Als Verbindungsteile 5 können zum Beispiel verformbare Streifen aus Kunststoff oder Metall verwendet werden, welche in der Außenschale und der Innenschale in einer geeigneten Weise verankert sind.
2 zeigt das Wirkprinzip eines Schutzhelms 1 gemäß der Erfindung mit einem vereinfachten Modell einer zweidimensionalen Ausführungsform, wo der Helm 1 und ein Schädel 10 halbzylindrisch sind, wobei der Schädel 10 an einer Längsachse 11 montiert ist. Ein kleines Stück von der Achse 11 entfernt ist ein Sensor 12 zum Messen der Torsionskraft und des Drehmoments, das auf den Schädel 10 übertragen wird, wenn der Helm 1 einem schrägen Schlag K ausgesetzt ist, welcher sowohl eine Tangentialkraft K_T als auch eine Radialkraft K_R gegen den Schutzhelm 1 bewirkt. In diesem besonderen Zusammenhang sind nur die den Helm drehende Tangentialkraft K_T und deren Wirkung von Interesse.
Wie zu sehen ist, bewirkt die Kraft K eine Verschiebung 13 der Außenschale 2 relativ zu der Innenschale 3, wobei die Verbindungsteile 5 verformt werden.
Eine Anzahl von Versuchen wurden durchgeführt, einerseits an einem Helm gemäß der Erfindung, mit einem Ölfilm als die Gleitschicht, und andererseits an einem herkömmlichen Helm mit der Außenschale fest an die Innenschale geklebt. Der Mittelwert einer Anzahl von Versuchen wurde berechnet und ist in 4 gezeigt, wo die in dem Sensor 12 gemessene Kraft als eine Funktion der Zeit gezeigt ist. Der herkömmliche Helm ist durch die durchgehende Kurve A dargestellt, und der Helm gemäß der Erfindung ist durch die gestrichelte Kurve B dargestellt.
Wie zu sehen ist, wird eine bedeutende Verbesserung (geringere Kraft) von etwa 25% bei einer Ausführungsform gemäß der Erfindung erreicht.
Zusätzlich zu der in 1 gezeigten Ausführungsform sind auch eine Anzahl von anderen Ausführungsformen des Schutzhelms 1 möglich. Einige mögliche Varianten sind in 3 gezeigt. In 3a ist die Innenschale 3 aus einer härteren, relativ dünnen äußeren Schicht 3'' und einer weicheren, relativ dicken inneren Schicht 3' konstruiert. In 3b ist die Innenschale 3 in derselben Weise wie in 3a konstruiert. In diesem Falle gibt es jedoch zwei Gleitschichten 4, zwischen welchen es eine Zwischenschale 6 gibt. Die beiden Gleitschichten 4 können, wenn es so gewünscht ist, unterschiedlich ausgeführt und aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt sein. Eine Möglichkeit ist zum Beispiel, eine geringere Reibung in der äußeren Gleitschicht als in der inneren zu haben. In 3c ist schließlich die Außenschale 2 anders als die vorhergehende ausgeführt. In diesem Falle deckt eine härtere, äußere Schicht 2'' eine weichere, innere Schicht 2' ab. Die Proportionen der Dicken der verschiedenen Schichten wurden in der Zeichnung zum Zwecke der Klarheit übertrieben und können natürlich entsprechend dem Bedarf und den Anforderungen angepasst werden.
5 und 6 zeigen das Ergebnis aus einer numerischen Studie, die mittels eines dynamischen Finite-Element-(FE) Programms durchgeführt wurde. Zuerst wurde ein geometrisches 2D-Modell produziert und wurde durch gute Übereinstimmung mit Experimenten bestätigt. Dann wurde ein 3D-Modell mit Nacken und Kopf aus etwas hergestellt, was als ein Hybrid-III Dummy bekannt ist, welcher bei der Kollisionssimulation in der Kraftfahrzeugindustrie verwendet wird. Einerseits wurden ein herkömmlicher Helm und andererseits ein Helm mit einer Außenschale, einer Gleitschicht, einer Innenschale und Verbindungsteilen gemäß der Erfindung an dem Kopf verwendet. Die Verbindungsteile wurden unter Verwendung von Kunststofffederelementen modelliert. Das Drehmoment wurde an einem feststehenden Punkt zwischen dem Schädel und dem Nacken berechnet (siehe 5), und die Drehbeschleunigung wurde im Schwerpunkt des Schädels berechnet (siehe 6).
Wie aus 5 zu sehen ist, wird bei einem Helm gemäß der Erfindung, der dicken durchgehenden Kurve B, eine Reduzierung des Drehmoments um den feststehenden Punkt zwischen dem Schädel und dem Nacken um etwa 50% im Vergleich zu einem herkömmlichen Helm, der dünnen Kurve A, erreicht.
Dementsprechend ist aus 6 zu sehen, dass bei einem Helm gemäß der Erfindung, der dicken durchgehenden Kurve B, eine Reduzierung der Drehbeschleunigung im Schwerpunkt des Schädels um etwa 45% im Vergleich zu einem herkömmlichen Helm, der dünnen Kurve A, erreicht.
Diese Studie zeigt, dass ein Schutzhelm gemäß der Erfindung große Möglichkeiten zur Reduzierung des Verletzungsniveaus eines Helmträgers hat.
Eine Anzahl von möglichen Ausführungsformen und die Positionierung von energieabsorbierenden Verbindungsteilen 5 sind in 7–9 gezeigt.
Gemäß 7 ist die Innenschale 3 aus relativ weichem Material und kann eine Durchdringung eines unteren, nach innen gebogenen Randes 2a an der Außenschale 2 ermöglichen, wenn die Letztere relativ zu der Innenschale 3 verschoben wird. An der Außenseite der Innenschale 3 gibt es eine Abdeckschicht 3a, welche die Innenschale 3 verstärkt und gleichzeitig zu der Gestaltung des Schutzhelms beiträgt. Diese Ausführungsform kann in unterschiedlichen Weisen, wie erforderlich ist, modifiziert werden.
Die in 8 gezeigte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 1. Jedoch ist der Unterschied, dass der Helm selbst gemäß 3 mit einer härteren äußeren Schicht 3'' und einer weicheren inneren Schicht 3' in der Innenschale 3 konstruiert ist. Das Verbindungsteil 5 ist in diesem Falle in der härteren, stärkeren äußeren Schicht 3'' befestigt.
9 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher das Verbindungsteil 5 aus einer progressiven Klemmverbindung besteht, wobei der untere Teil der Außenschale 2 und der untere Teil der härteren, äußeren Schicht 3'' der Innenschale 3 derart abgeschrägt sind, dass bei Verschiebung der Außenschale das Klemmen mit erhöhter Reibung als eine Folge bewerkstelligt wird.
Der oben verwendete Begriff Gleitschicht bedeutet eine Schicht, welche zwischen zwei Teilen angeordnet ist und die gegenseitige Verschiebung dieser durch Gleiten oder in einer anderen Weise erleichtert. Innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche kann die Konstruktion der Gleitschicht innerhalb breiter Grenzen hinsichtlich sowohl des Materials als auch der Gestaltung wie der Anzahl von Gleitschichten und deren Positionierung variieren.

Claims

Schutzhelm, bei welchem zwischen einer Außenschale (2) und einer innerhalb der Letzteren angeordneten Innenschale (3) eine Gleitschicht (4) vorhanden ist, um im Fall eines schrägen Schlags gegen den Schutzhelm eine Gleitverschiebung der Außenschale relativ zur Innenschale zu ermöglichen, wobei der Schutzhelm in seinem Randabschnitt Verbindungsteile (5) aufweist, welche die Außenschale und die Innenschale miteinander verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale (2) vom Harttyp ist und in der Radialrichtung des Helms härter als die Innenschale (3) ist, dass das Verbindungsteil (5) ein energieabsorbierendes Verbindungsteil (5) aufweist, welches verformbar ist, wodurch Schlagenergie absorbiert wird während einer Gleitverschiebung zwischen der Außenschale und der Innenschale.
Schutzhelm gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale (2) und die Innenschale (3) am Randabschnitt des Helms mit mindestens einem Verbindungsteil (5) miteinander gekuppelt sind.
Schutzhelm gemäß Anspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil/die Verbindungsteile (5) verformbare Streifen aus Kunststoff aufweisen.
Schutzhelm gemäß einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil/die Verbindungsteile (5) an der Außenseite der Außenschale (2) angeordnet ist/sind.
Schutzhelm gemäß einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite (3'') der Innenschale (3) aus einem härteren Material hergestellt ist als der Rest der Innenschale (3').
Schutzhelm gemäß einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material in der Gleitschicht (4) Öl ist.
Schutzhelm gemäß einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material in der Gleitschicht (4) Mikrokugeln ist.
Schutzhelm gemäß einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material in der Gleitschicht (4) Teflon ist.
Schutzhelm gemäß einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil/die Verbindungsteile (5) in der Außenschale (2) angeordnet ist/sind.
Schutzhelm gemäß einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil/die Verbindungsteile (5) in der Innenschale (3) angeordnet ist/sind.
Schutzhelm gemäß einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschale (3) von einer härteren, äußeren Schicht (3'') und einer weicheren, inneren Schicht (3') gebildet ist, wobei das Verbindungsteil/die Verbindungsteile (5) in der härteren, äußeren Schicht (3'') angebracht ist/sind.
Schutzhelm gemäß einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickenabmessung der Gleitschicht (4) innerhalb des Bereichs 0,1–5 mm ist.