JP2007515322A - 運動物体のためのプレクラッシュ減速システム - Google Patents

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Abstract

運動物体(2)のためのプレクラッシュ減速システムが、少なくとも1つの調節可能な膨張エレメント(1)を備える。センサーシステムが、物体(2)に衝突の恐れがあることを検知し、膨張エレメント(1)を作動する。膨張エレメント(1)は展開されて、物体(2)と衝突相手との間隔を埋める。アクチュエーターによって、膨張エレメント(1)は接近する衝突相手の作用の下で、決められたとおりに変形し、変形区間全体にわたって物体(2)が決められたとおりの減速を受けるようにする。

Description

本発明は請求項1の上位概念に記載する運動物体のためのプレクラッシュ減速システムに関する。
2001年、ドイツでは交通事故死者が4894人に達した。そのうち車両搭乗者が4000人、894人が歩行者だった。この種の事故の場合、自動車がある特定の速度で、ほかの交通関与者または物体と衝突する。衝突時の速度が0km/h以上であれば、既存の運動エネルギーが、衝突する車両の変形によって機械的エネルギーに変換されて放散する。この負の加速度は、速度と、停止するまでに通過する走行区間から計算される。
問題は基本的に、衝突時に非常に高いピーク値を取る可能性がある負の加速度によって生じる。車両の変形段階の間、車室の搭乗者はこの負の加速度にさらされる。拘束システムがなければ、車室の境界で不適切な力の伝達が行われ、人的負傷を生じるであろう。車室が変形する場合、変形段階終了時に、搭乗者は機械的に挟まれて負傷する可能性がある。そのため自動車産業界は、設計上および材料工学上の改善を加えることにより、車室が安定化され、できるだけ変形範囲に含まれないよう、努力している。そのほか搭乗者が、たとえば安全ベルトといった拘束システムによって、車両から放り出されるのを防止するべきであるが、そのため搭乗者は、ボディと同じ負の加速度を受けざるを得なくなる。身体全体を同時に拘束できないため、すなわちボディに結合できないため、解剖学上の理由からとくに頭が、すでに制動された車室に対して、ある特定の加速度で衝突する危険が大きい。この場合負の加速度のピーク値が生じ、重大な頭部負傷につながる可能性がある。これと別なシステムは、適切な設計上の措置、たとえばステアリングコラムを遠くすることによって、衝突時のステアリングホイールと胸郭または頭部との間隔を大きくし、こうして車室が縮小することによる負傷を最小限に抑えようとする(Audi)。そのほか次のようなエアバックシステムも開発された。そのシステムは、適切な衝突面を設け、衝突面積を最大とすることによって、身体部分が車室に衝突する力を減少させるというものである。このようなコンセプトは、エアバッグが身体全体を包むのであれば、完璧に実現できるところであろう。それは技術的に不可能なので、その目的に少しでも近づくためには、多数の小さいエアバッグを用いることになり、その個数と位置決め箇所が、いずれの新しいモデルシリーズでも増加する(拘束システム中のエアバック、側面エアバッグ、膝エアバッグ)。
しかしすべての衝突試験で、負の加速度の限界値が得られている。これを超えると、どのような安全システムがあっても、わずかであれ、中程度であれ、あるいは重大な負傷を、搭乗者に生じる限界値である。
衝突前に減速する方法は、ブレーキシステム、タイヤ、路面被覆に関する現在のテクノロジーについては、物理学的には十分議論されている。したがってこの面からは、衝突時の車両に作用する絶対減速度は約11m/s2と、大きな軽減は期待できない。ボディの衝突の場合、まず利用できる変形範囲の大部分において速度の一部だけが消滅し、衝突終了段階では、ボディの変形と剛性が増しているのに、まだ存在する残存速度を非常に短い走行区間で消滅させなければならない。このとき負の加速度のピーク値が生じ、搭乗者の負傷リスクが最大となるのである。
状況がとくに不利となるのは、自動車の側面衝突の例である。なぜならばドアは設計上、変形範囲が車室の内張りまでと非常にわずかであり、また安定性は車両のフロント部またはリア部より劣るからである。したがって側面衝突(たとえば典型的な立木との衝突)の場合負傷リスクか最大となる。なぜならば、第1には車室が変形、縮小するからであり、第2には搭乗者が、最短距離でドアまたは側面エアバッグで制動され、その際非常に大きな負の加速度が生じるからである。
この問題が非常に大きくなるのは、たとえばモーターサイクルライダーの場合である。この前進手段の設計レイアウト上の条件から、衝突の際に彼を保護するのは、彼の特殊な服装とヘルメットだけである。衝突時モーターサイクルライダーは多くの場合、走行手段との接触を失う。たとえばカーブでスリップして、走行手段の背後の路面に放り出され、別な例としては正面衝突の際、走行手段の負の加速度が大きくなった結果として、この走行手段から放り出される。したがって身体と路面、ガードレール、またはほかの自動車との衝突を生じる。その際その特殊な服装とヘルメットは、身体が衝突する前の制動距離をきわめてわずか長くするだけで、負の加速度もきわめてわずか小さくなるだけである。モーターサイクル事故に重大な負傷の件数が多いのはそのためである。
もう1つの例としてボートと船を挙げよう。これらは構造上直接にではなく、駆動手段の逆推進によってのみ制動することができる。その結果制動距離が非常に長くなり(その例は石油タンカー)、これがしばしば衝突の原因となる。この種の衝突はしばしば、石油の流出のような環境破壊につながる。
運動物体の技術的装備はつねに発展している。対話的なセンサーシステムが存在し、これらはたとえばカメラまたはレーダーといった適切な装置を備えて、車両の直接近辺にある交通関与者の相対的運動を検知することができる。その結果として、たとえば安全車間距離警報システムのような興味ある開発物が生まれている。インテリジェントなプログラム回路は、定められた特性曲線を持つ緊急ブレーキを始動し、運転者は、標準化されたABS‐ブレーキ装置(ダイムラー‐クライスラー社のブレーキアシスタント)によってサポートされる。ヨーイングセンサーで制御された回路(ポルシェ社のPSM(ポルシェ・スタビリティ・マネジメント))は、アンダステアまたはオーバーステアの恐れがあるときこれを検知する。そして対応するホイールを選択的に制動し、エンジンマネジメントに介入することによって、エンジン出力を減じたり、あるいはステアリングに積極的に介入したりして(BMWのDSC)、危険な状態の車両を安定化する。プレクラッシュシステム(ダイムラー‐クライスラー)は、適切なセンサーシステムによって目前の衝突を検知し、早期にシートベルトテンショナーを作動し、シートを適切なポジションに持って行き、開いている窓を閉じる。
衝突の際に歩行者を、バンパーにぶつかる前に保護するエアバッグシステムが知られている(たとえば独国特許出願公開第10062560号、欧州特許出願公開第1024063号)。さらには、センサーが障害物を検知すると、衝突前に展開されるエアバッグシステムも知られている(独国特許出願公開第19806153号)。このシステムは、エアバッグによって追加的なクラッシャブルゾーンを形成し、車両と人体の損傷を軽減する。エアバッグは爆発的に充てんされ、制動システムとしてではなくショックアブソーバーとして働き、増加した負の加速度をそれほどは減少させない。
本発明の課題は、プレクラッシュ減速システムであって、負傷の危険性が減少されるもの、あるいは少なくとも負傷の重さが軽減されるものを得ることである。
本発明はこの課題を、請求項1の諸特徴を持つ減速システムによって解決する。
本発明の有利な実施形態と発展形を、従属請求項に記載した。
本発明は、負の加速力間の領域、たとえば1.1Gという従来方式制動時の負の加速力と、たとえば200Gというピーク値を持つ衝突時の負の加速力との間の領域を利用して、負の加速力を衝突前の状態から、生物学的に耐えられる領域まで増加する。その結果、とくに車室内のエアバッグシステムおよび拘束システムと組み合わせれば、搭乗者になんら負傷を生じないが、衝突相手のボディと衝突する前に、できるだけ多くのエネルギーを放散させることになる。作動された膨張エレメントは、衝突相手と接触するまで、決められたレベルで連続的な負の加速度が得られるようにする。こうして本発明は、ボディが衝突する前にすでに、決められた値に負の加速度を増加する。
衝突が目前にあること、または衝突の恐れがあることが検知されると、本発明の膨張エレメントは直ちに作動される。そのためには、それ自体知られたセンサー技術、たとえば光学システムまたはレーダーシステムを用いることができる。これらのシステムは、衝突の危険あるほかの物体に対するこの運動物体の相対的運動を検知する。このような技術は、すでに車両安全の各システムに用いられている。
この調節可能な膨張エレメントは衝突の恐れがあると展開されて、衝突相手との間の間隔を埋める。この膨張エレメントは、減速度を決められたとおりに増加して物体を減速させることにより、衝突相手との間隔を最適に活用し、減速をその間隔全体にわたってできるだけ均一に配分する。そのために次のようなアクチュエーターを設ける。すなわちこのアクチュエーターは、運動物体の運動エネルギーが作用する下で、膨張エレメントが決められたとおりに変形するのを可能にする。そしてそれにより、システムの作動から衝突まで、つまり衝突相手と直接接触するまでの、区間全体にわたって、この運動物体に制御または調整された減速を行えるようにする。プロセス全体において生じる最大減速度はこのようにして減少させられる。なぜならば衝突前により大きな区間を、運動エネルギーを放散させるために利用できるからである。
本発明は、さまざまな実施形態が可能である。
1つの実施形態で、このプレクラッシュ減速システムは、自動車に用いられる。衝突の恐れがあることが適切なセンサーシステムで検知されると、膨張エレメントが車両から障害の可能性ある物体に向かって展開される。この展開は、プロセッサーエレメント、回路エレメント、センサーエレメントの適切かつインテラクティブなネットワークによって行われ、このセンサーエレメントが車両の諸現象を監視し、目前の衝突を検知する。
もう1つの実施形態でこのシステムは、モーターサイクルライダーが、リュックサックまたは特殊なベストのようにして装着するものとする。この場合、プレクラッシュセンサーと、必要なマイクロプロセッサーを備える電子系統と、それに展開可能な膨張エレメントは、この制動システムに組み込むことができる。またはデータ交換を介するものとすれば、プレクラッシュセンサー系統とそれに付属するマイクロプロセッサーは、場所的にはポータブルな制動システムから分離して設置することができる。衝突が予見される場合、たとえばこの膨張エレメントを大型の膨張バッグとして展開し、同時に安定機能(脊椎/頭部)を行使する。こうしてドライバーの頭部を、有利な姿勢に固定することができる。少なくとも身体の一部を包まれたライダーは、こうして衝突の際に、たとえば2メートルの制動距離の追加を得ることができる。この場合も、負の最大加速度を減少させるアクチュエーターを設けることができる。この場合の負の最大加速度は、このシステムを備えない状態よりもドラスティックに軽減され、負傷は最小限に抑えられる。
舟艇の場合、本発明の膨張エレメントをプレクラッシュセンサーと組み合わせれば、前進速度が比較的遅いためと、展開に利用できるスペースがあるため、最適な制動または衝突相手の回避が可能である。
本発明によるプレクラッシュ制動システムの作用を、下記の例で説明する。記号の説明は次のとおり。
a=加速度
s=制動距離(ボディ変形によるもの)
sf=制動距離(作動された膨張エレメントによるもの)
v=速度
a=v2/2s
例1:108km/hでコンクリート壁に衝突
v=30m/s(108km/h),s=1m(ボディの変形範囲1m)
a=900m2/2ms2=450m/s2=45.9G
同じ状況で膨張エレメントを作動した場合:
v=30m/s(108km/h),sf=5m
a=900m2/10ms2=90m/s2=9.2G
例2:216km/hでコンクリート壁に衝突
v=60m/s(216km/h),s=1m
a=3600m2/2ms2=1800m/s2=183.5G
同じ状況で膨張エレメントを作動した場合:
v=60m/s(216km/h),sf=5m
a=3600m2/10ms2=360m/s2=36.7G
例3:50km/hでコンクリート壁に衝突
v=13.89m/s(50km/h),s=1m
a=192.9m2/2ms2=96.5m/s2=9.8G
同じ状況で膨張エレメントを作動した場合:
v=13.89m/s(50km/h),sf=5m
a=192.9m2/10ms2=19.29m/s2=2G
例1では、自動車がこの制動システムを用いずに、直立するコンクリート壁に108km/hで正面衝突する。この自動車は、たとえば1mの区間で0km/hに制動される。ボディの変形範囲から負の加速度約45.9Gが生じ、これは搭乗者に作用するが、作用面積が小さいと生命にかかわる負傷の原因となる。本発明による膨張エレメントは衝突前5mで作動されて、衝突相手までの間隔5mをつなぎ、衝突相手に接触する。この場合、5m追加された制動距離は、増加した負の加速度で制動するために用いられ、搭乗者に作用する最大減速力は、これにより9.2Gとなる。この場合、拘束システムおよびエアバッグシステムと組み合わせれば、人的負傷の可能性を大幅に排除できる。
下記に図面に示した実施例を用いて、本発明をさらに詳しく説明する。
図1および2は、本発明の基本原理を示す。運動物体、この実施例で乗用車2は、プレクラッシュ制動システムとして調節可能な膨張エレメント1を備える。この膨張エレメント1は、乗用車2の通常状態では畳み込まれていて、乗用車2のボディに取り付けられ、あるいは好ましくはボディに内蔵されているものとする。
乗用車に組み込まれたセンサーシステムは、乗用車2の走行を監視する。このセンサーシステムは、ここには図示せず、それ自体知られているものであるが、たとえば乗用車の前方空間を監視して、正面衝突、または障害物への乗り上げ、またはほかの車両を検知する。同様にヨーレートセンサー、傾斜センサー、速度・車間距離センサーを車両の適切な位置に取り付けて、車両挙動、場合によってはスキッドなどを検知することができる。
センサーシステムが、目前に衝突の可能性があることを示す信号を出すと、この制動システムが作動される。調節可能な膨張エレメント1は強制的に展開されて、乗用車2と、推定された衝突相手または物体との中間スペースを埋める。膨張エレメント1の長さに相当する距離まで、乗用車が衝突相手に近づくと、膨張エレメント1は衝突相手に接触する。車両と衝突相手がさらに接近すると、たがいに近づく衝突相手同士の間隔が減少しただけ、膨張エレメント1は変形する。このとき決められた減速度で車両2の制動が行われるように、膨張エレメント1の変形を、適切なアクチュエーターによって制御する。内蔵されたプロセッサーシステムが、膨張エレメントの変形を次のように制御または調整する。すなわちこの減速が、変形区間全体の間、すなわち衝突相手と衝突接触するまで、大きくなってはいるが、生物学的に耐えられる数値を遵守するように、制御または調整する。これは、減速度はできるだけ高くして、できるだけ効果的な制動を得るが、1つの決められた最大値をつねに下回るようにするということである。この最大値は、車両の搭乗者が身体的損傷を受けずに耐えることができるものとする。そして搭乗者の身体がコントロールされずに車室そのほかの車両部分に衝突したりして、人的負傷を生じないようなものとする。
この膨張エレメントは好ましくは柔軟な外殻からなるものとし、この外殻は、作動されると急激に圧縮空気または同様なものを吹き込まれ、膨らまされる。アクチュエーターは、決められたとおりの制御された変形を車両制動時に生じるものであって、たとえば次のようなバルブとすることができる。すなわち、この外殻内部の圧力が圧縮変形によって指定の値を上回るとき、このバルブが開いて、外殻から充てんガスを逃がすものとする。これは次のようなコントロールバルブとすることもできる。すなわちこのコントロールバルブは、外殻中の圧力上昇に対応して開度を調節し、変形が増加しても外殻内の圧力を一定に保つものとする。この外殻中でバルブを介して遵守される最大圧力が、膨張エレメントが車両を制動する減速度を決定する。
図3〜7はもう1つの実施形態を示す。調節可能な膨張エレメントは、乗用車2のボディの正面で、たとえばバンパーの下に組み込まれている。柔軟な膨張エレメント3は畳み込まれ、ハウジング4に収められていて、このハウジングが、乗用車2のボディの輪郭内に挿入され、内蔵されている。センサーの信号があるとハウジング4は開いて、外殻3を展開することができ、図4および7に示すように、乗用車2の正面を包むことができる。展開された外殻3から、制動距離の追加を得ることにより、減速度を上げて的を絞った制動を行うことができる。
圧縮空気で外殻3を膨張させ、この圧縮空気を制御して排出するという方法ではなく、もう1つの変形方法を意図することができる。この外殻3には多数の圧力セル5が包まれている。これら圧力セル5は、たとえばボール状または枕状に閉じたセルであって、ガスを充てんされている。これら圧力セル5は、柔軟な外殻とともに小さい体積に圧縮され、ハウジング4に包まれている。ハウジング4は、ガスを充てんされた圧力セルを収めた外殻3を、圧縮状態で保持する。センサー信号を受けてハウジング4が開くと、圧力がかかった圧力セル5が膨張し、外殻3を展開する。展開された外殻3は、衝突プロセスの間、たがいに近づく衝突相手同士によって次第に圧縮される。これによりここの圧力セル5も圧縮される。圧力セルに作用する圧縮圧力が限界値を超えると、圧力セル5が破裂する。これにより外殻3はある程度柔軟になるが、残る圧力セル5の圧縮によって圧力はふたたび上昇し、決められた制動が生じる。このようにして圧力セル5は連続的に順次破裂して、的を絞られかつ決められた外殻変形が、ほぼ一定の減速をともなって生じる。
図8および9はもう1つの実施形態を示す。
この実施形態では、乗用車2のボディにフレーム6が取り付けられている。フレーム6はほぼU字形を描いて乗用車2の正面を取り囲み、フレーム6のアーム末端は、乗用車2の左右、かつ乗用車2の縦方向長さのほぼ中央に、旋回可能な状態で取り付けられている。フレーム6には、柔軟な外殻3の形の調節可能な膨張エレメントが収められる。
センサーシステムが目前の衝突または乗用車2のスキッドを検知すると、フレーム6は、その取り付け部の横軸を中心として、図9の実線で示したホームポジションから、点線で示したポジションに旋回される。この旋回運動のとき、フレーム6は外殻を、乗用車2の正面からそのルーフを経て、乗用車2のテールまで引っ張る。フレーム6には空気供給・排出装置が設けられていて、これにより外殻は前記のような方法で膨らませられる。膨らんだ外殻は、車両の外側輪郭のほぼ全体を包む。横転などの場合も、車両が障害物に衝突する前に、選択的な制動をかけ、運動エネルギーの制御された放散が可能となる。
図10〜12は、本発明のもう1つの実施形態を示す。
1人のモーターサイクルライダーが、たとえばベストまたはリュックサックの形の制動システムを装着している。この場合好ましくは、ライダーの背中に膨張エレメントを1つと、その胸部に膨張エレメントを1つ取り付けるものとする。この制動システムに内蔵されるか、あるいはモーターサイクルに取り付けられているセンサーシステムの信号に応じて、この制動システムは作動される。
図11に示すように、ライダーの背中で一方の外殻3が、身体前面で他方の外殻3が展開される。ライダーは、展開された両方の外殻によって、頭部と胴体を完全に包まれ、保護される。
図12に示すように、この制動システムは、外殻3はライダーの四肢も包んで保護するような形状とすることもできる。
図12に示すように、モーターサイクルが障害物と衝突すると、ライダーはしばしばモーターサイクルから持ち上げられ、空中を飛ぶ。外殻3でライダーの身体全体を包み、保護することにより、ライダーの身体がいかなる姿勢であっても、ライダーが障害物または地上に衝突するのを捕らえ、あるいは生物学的に耐えられる状態で制動する。
図13〜15は、本発明の制動システムを船に応用した場合を示す。船の場合、走行速度は比較的遅いが、質量が比較的大きい。したがって質量が大きいことによる高い運動エネルギーに、制動をかけなければならない。しかしこの場合速度が遅いため、大容量の膨張エレメントを展開するに十分な時間がある。したがって膨張エレメント5は、比較的長い減速区間にわたって、的を絞った制動を行うことができる。
図14および15に記載するように、2隻の船が衝突する危険があるとき、全運動エネルギーを完全に制動する必要はなく、若干航路を変えれば、衝突と大きな損害を防止するに十分である。
展開状態のプレクラッシュ制動システムを備える乗用車。側面図。 図1のシステムの上面図。 作動されていない状態の制動システムを備える乗用車。 図3の側面図に相当する作動された状態の制動システム。 図3の制動システムの垂直断面図。 作動されていない状態の制動システムの透視図。 作動され、展開された状態の制動システムの透視図。 もう1つの実施形態の制動システムが作動されていない状態にある乗用車の側面図。 図8に対応する図で、制動システムが作動されているもの。 もう1つの実施形態であって作動されていない状態の制動システムを装着したモーターサイクルライダー。 図10に対応する図で、作動システムが作動されているもの。 衝突した状態のモーターサイクルライダーの図。 2隻の船によるプレクラッシュ状態の側面図。 制動システムの作動開始時における船の上面図。 図14の状態からさらに制動が進行した場合の図。

Claims (9)

  1. 運動物体のためのプレクラッシュ減速システムにおいて、少なくとも1つの調節可能な膨張エレメント(1)が物体(2)の外側に取り付けられていることと、センサーシステムが、物体が衝突相手と衝突する潜在的可能性を検知することと、その衝突が生じる前に、センサーシステムが膨張エレメントを作動し展開することと、展開された膨張エレメント(1)が衝突相手と接触し、物体と衝突相手との間の間隔を埋めることと、物体と衝突相手との間で膨張エレメント(1)が決められたとおりに変形し、これにより物体に、増加されかつ決められたとおりの減速が生じることと、決められた減速度に調整するため、膨張エレメント(1)が決められとおりに変形するようアクチュエーターが制御することとを特徴とする、上記の減速システム。
  2. 物体(2)に組み込まれた制御システムが、隣接する交通関与者または障害物のパラメーターに基づいて(たとえば衝突相手の速度またはそれとの距離)、及び物体の走行運動パラメーターに基づいて(たとえばみずからの速度、可能な最大減速、ヨー角度)、膨張エレメント(1)の作動と決められた変形を制御することを特徴とする、請求項1に記載の減速システム。
  3. 膨張エレメント(1)が柔軟な外殻(3)を備え、作動されると圧力によりこの外殻が展開されることを特徴とする、請求項1または2に記載の減速システム。
  4. 柔軟な外殻(3)は、作動されていない状態にあるときは物体(2)の中に、とくに車両のボディの中に組み込まれていることを特徴とする、請求項3に記載の減速システム。
  5. 圧力をかけて導入されたガスによって、柔軟な外殻(3)が展開されることと、外殻(3)の変形が、ガスを決められたとおりに排出することによって制御されることを特徴とする、請求項3または4に記載の減速システム。
  6. ガスを充てんされた多数の柔軟な圧力セル(5)が外殻(3)に包まれていることと、システムが作動されていない状態では、外殻(3)がその包まれた圧力セル(5)とともに、圧縮された状態で容器(4)に収められていることと、作動するには容器(4)を開放して、それにより圧力セル(5)を膨張させ、外殻(3)を展開することと、圧力セル(5)は変形の際に圧縮され、指定された圧縮圧力以上になると順次破裂することとを特徴とする、請求項3または4に記載の減速システム。
  7. 1つまたは複数の膨張エレメント(1)が車両外側に取り付けられていることを特徴とする、前期各請求項のいずれかに記載の減速システムであって、自動車に用いるもの。
  8. 車両(2)のボディに旋回可能な状態で取り付けられたフレーム(6)が、1つまたは複数の外殻(3)を備えることと、フレーム(6)は、システムを作動する際に車両(2)にそって旋回され、柔軟な外殻(3)が車両全体にわたって展開されることとを特徴とする、請求項7に記載の減速システム。
  9. 少なくとも1つの膨張エレメントが、人間の身体に、とくにはモーターサイクルライダーの身体に取り付け可能であることを特徴とする、請求項1から6のいずれかに一項に記載の減速システム。
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