SE530225C2 - Metod och anordning för provning av skyddshjälmar med hänsyn till förmåga att förhindra huvudskador på grund av yttre våld genom såväl rak central stöt som eccentrisk stöt med rotationsvåld - Google Patents

Description

530 225 å.) Denna brist i standarden kan också leda till ytterligare felaktiga resultat vid bedömning av hjälmprov..

En viktig felkälla är sålunda att, speciellt vid prov med fritt fallande huvud utan styrning, en del av den totala fallenergin i stötögonblicket transformeras om till rotationsenergi på grund av att i det allmänna fallet eccentrisk stöt förekommer. Upp till 50 procent av den ursprungliga fallenergin kan på detta sätt omvandlas till rotation , vilket alltså ej registreras under nuvarande standard (10). Den uppmätta accelerationen blir därvid mindre än om stöten varit renodlat central. Eftersom man helt bortser från rotationseffekten skulle man därför genom att göra en hjälm avlång eller med utstående partier kunna få den mera rotationsbenägen och därför med gällande provstandard falskeligen visa bättre skyddsegenskaper.

Till yttermera visso kan detta leda till en snedvridning av hjälmutvecklingen genom att tillverkare kan göra hjälmar med mera rotationsbenägen form för att få dem att lättare passera certifieringproven. Även om sådana avsikter ej kan sägas ha varit bestämmande för nu i bruk varande typer av hjälmar med avlång form, som t ex cykelhjälrnar, så har vissa hjälmtyper okritiskt kunna utvecklas utan att hänsyn behövt tas till den större risk för skadligt rotationsvåld som den avlånga geometrin kan medföra. Ett mera stilrnässigt utförande med strömlirijeforrn och därmed större momentupptagning har alltså kumiat prioriteras av marknadsföringsskäl, utan att den därmed ökande rotationsbenägenheten behövt beaktas. En hjälm godkänd enligt nuvarande standard innebär därför ingen garanti för fullgott huvudskydd mot yttre våld, speciellt som våldet ipraktiken oftast är kombinerat med rotation.

Därtill kan även framhållas att stora differenser i resultat har konstaterats mellan CEN och ISO standardmetoder för provning av huvudskydd [l0]. Dessa metoder skiljer sig huvudsakligen genom olika grad av styrning av provhuvudet i stötögonblicket, vilket leder till en motsvarande skillnad i förlorad energi genom rotation, som inte registreras i provet. Det har visat sig att ISO-metoden med styming av fallet, och därmed mindre möjlighet till rotation, ger ett större antal underkända hjälmar än CEN-proven, som har fritt fallande huvud utan styrning. Prov enligt ISO-standarden är därför strängare än CEN eftersom med ISO en jämförelsevis större del av den totala energin påverkar hjälmen som registrerad linjär acceleration.

Detta belyser ytterligare vikten av att hänsyn tages till rotationseffekten i certifieringsprov på skyddshj älmar för att man skall kunna uppnå kompatibilitet mellan resultat från olika provriggar och laboratorier och därmed komma därhän att önskemålet på en enda globalt accepterad provningsstandard kan uppfyllas och bli realistiskt möjligt. 530 225 Beskrivning.

Förslag till ny metodik och provrigg.

Det i figur l skisserade förslaget till rigg för hjålmprovning skiljer sig från nuvarande standard främst genom att det möjliggör simulering av det allmänna och vanligaste fallet med både linjärt våld och rotation som uppkommer vid slag mot huvudet.

Metoden grundar sig på att en väl definierad stöt får träffa hjälmen, stationärt monterad på ett modellhuvud, somi sin tur är fastsatt på ett fiindament via ett instrumentcrat fäste. Detta fäste har närmast fundamentet en flexibel del med styvhet och dämpning som simulerar människans hals genom att denna del består av ett lämpligt valt mjukare element av exempelvis gummi.

Den andra delen av fästet, närmast modcllhuvudet, uppbär instrumentering som utgörs av en sexkomponentgivare för registrering av till modcllhuvudet överförda resultanter av en krafi- och en momentvektor med vardera tre komponenter från den pålagda stöten.

Stöten åstadkommes lämpligen genom att en fallvikt, långsträckt för god vertikal styrning, får träffa provforemålet, hjälmen, från ett i sidled (x- och y-led) törskjutbart tom. Den vertikala styrningen utgörs av tre eller flera omgivande ståndare av exempelvis stålrör ijämn delning. Fallviktens cylindriska del kan nära ändarna förses med glidytor av exempelvis teflon för att nedbringa friktionen under fallet. Tornet är installerat på ett koordinatbord med en tung stabil bottenplatta, som har justerskruvar och skalor för inställning av givna önskade x - y förskjutningar och låsrnöjligheti detta läge till fundamentet. Tornet kan på detta sätt noggrannt positioneras för träfïpå en anslagskropp enligt figur l - 2, med minimal massa, och med anslagskroppen fasthållen mot hjälmen på den förutbestämda träffpunkten via en sele med tre eller fyra tunna radiella gummiband i horisontalplanet enligt figur 2. Fallviktens massa kan förslagsvis göras samma som den hos modellhuvud inklusive hjälm för att få samma energiinnehåll i stöten som i nuvarande standard. För ökad vertikal stabilitet hos vikten kan massan koncentreras mot viktens ändar med mellanliggande styv del, dock kan huvuddelen av massan ligga i änden närmast anslagspunkten för att få bästa sidstabilitet genom tröghetskrafterna vid sneda slag. På fundamentet firms möjlighet att installera modcllhuvudet med sin axel inom en 90-graders sektor i ett plan vinkelrätt mot tomets x-riktning och med axelns vinkel varierbar från horisontellt till vertikalt ytterläge. För varje uppsatt läge bibehålles den för hjälm- modellhuvud gemensamma tyngdpunkten i samma koordinatpunkt. Möjligheten till vinkelvariation inom nämnda sektor kan vara kontinuerlig eller i diskreta inkrement genom exempelvis solljäderfonnigt arrangerade hål inom derma sektor. Det senare för bästa möjlighet till stadig installation. Genom att modcllhuvudet därjämte är vridbart uppsatt på en hylsa med kulled utökas möjligheterna till orientering av den vertikala stöten från fallvikten mot alla önskade områden på hjälmen.

I stället för etti x- och y- riktningania förskjutbart falltorn kan man alternativt ha falltomet stationärt och modcllhuvudet med dess fäste horisontellt :Eörskjutbart i nämnda riktningar. Efiersom detta dock synes vara svårare att lösa konstruktionsmässigt har här valts alternativet med rörligt tom.

På detta sätt kan man rikta in för central eller eccentrisk stöt i önskat träfforrrråde på hjälmen med den genom fallvilctens massa och den inställda fallhöjden bestämda anslagsenergin. Därjärnte mäts viktens fallhastighet omedelbart före anslaget. För avsedd eccentrisk stöt kan önskad momentarm i relation till huvudets kända tyngdpunktsläge inställas med hjälp av justerskruvarna och måttskaloma i x- och y-led på koordinatbordet. Altemativt kan man vid uppsättningen också använda momentsignalen från krafi-momentgivaren i rnodellhuvudets hals för att därur kunna beräkna motsvarande momentarrn. En renodlat central stöt på en skyddshjälm kan liksom i nuvarande standardmetod endast åstadkommas vid slag rakt uppifrån (erown), men möjligheterna till en mera ren central stöt i andra områden är bättre med den nya metoden genom att inställningen här har ett utökat antal kontrollerade frihetsgrader. 530 225 'i Istället för fallprov kan man också använda en kalibrerad riktbar pneumatisk kanon enligt figur 3 med en kolv och en därmed förbunden axiellt rörlig stötstång (motsvarande fallvikten) för att åstadkomma stötbelasmingen mot önskat område på det stationärt monterade hjälmförsedda provhuvudet . Genom att kanonen är universellt riktbar och kan parallellförflyttas i x- och y-led relativt provhuvud och hjälm, som är centralt monterade och vridbart fästade på kulled, kan man som vid metoden med fallvikt få önskad eccentrisk eller i det närmaste rak central stöt i förutbestämt träffornråde.

Stötstângens massa och hastighet avpassas för önskad anslagsenergi. Pneumatiken ger en relativt enkel möjlighet till automatisk återtöring av stötstången för snabbare produktion, vilket också är tänkbart om än något mera komplicerat även vid altemativet med rörligt falltorn. Metoden med fallvikt torde dock vara att föredra genom sin möjlighet till bättre precisioni förutsägelsen av anslagsenergin for varje önskat träfforrrråde, Städet i nuvarande CEN och ISO provningsstandard motsvaras i föreliggande förslag av den ovan nämnda stationära lösa anslagskroppen (enligt figur 1 och 2) med minsta möjliga massa och med instrumentering för mätning av i hjälmen ingående krafier, moment och accelerationer. Vid provningen läggs först anslagskroppen på hjälmens yta i önskat provområde och hålls där på plats i förhållande till tomets eller stötstångens centrumlinje med förut nämnda sele av gummiband i ett plan vinkelrätt mot centrumlinjen för att inte dämpa fallviktens (eller stötstångens) rörelse. Efier utlösning av fallvikten träffas anslagskroppen av viktens plana ändyta varvid stöten förmedlas till hjälmskalet.

Genom att enligt figuren anslagskroppen förses med sfariskt konvexa kontaktytor av lärnpligt stor krölcningsradie kan ingrepp undvikas i hjälmskalet av anslagskroppens kanter vid eccentrisk stöt.

Anslagskroppens kontaktyta mot hj älmskalet kan ha en viss definierad råhet for att innefatta kontrollerad simulering av rotationsvåld genom eccentrisk stöt och friktionskrafter vid rörlig kontakt med exempelvis en vägbana. Kontaktytan mot hjälmen kan därför förses med exempelvis ett tätt mönster av inristade koncentriska cirklar med vassa åsar emellan som lämplig sfärisk friktionsyta.

På detta sätt och med de olika inställningsmöjlighetema kan man i derma rigg också få en specificerad eccentrisk stöt med given anslagsvinkel mot hjälmens yta och minimal energiförlust genom sidorörelse hos vikt och anslagskropp, vilket dock samtidigt är under kontroll genom möjlighetema till registrering av under stötförloppet uppkomna krafter och moment. Vid krav på mycket sneda anslag mot hjälmens yta kan alternativt den separata anslagskroppen utelämnas och i stället fallviktens (stötstångens) ände utformas med friktionsyta för direktkontakt med hjälmen, där nackdelen dock kan vara problem med rörliga ledningar. Eventuellt kan anslagsytan vara utformad som en sned skiva, vilket också kunde vara försvarbart om uppmätnirrg sker av motsvarande på hjälmen verkande krafikomponcnter i sidled.. I detta fall torde skivan av viktsskäl behöva interegreras med fallvikt eller stötstång för att styras mot både tippning och axiell rotation.

Anslagskroppen kan göras i flera upplagor, utformad som en dom eller del av en puck för att möjliggöra att samma apparatur kan utnyttjas för såväl penetrationspröv på hjälmar som vid prov med simulerade puckskott mot ansiktsskydd.

Ovan beskrivna provrigg med fallvikt kan även användas till att utsätta hjälmen för ett mera renodlat moment, via en anordning exempelvis enligt figur 4, for simulering av från hjälmen till huvudet överfört rotationsvåld. Med hjälmen installerad på modellhuvudet fästes ett (oefiergivligt) stålband på hjälmen och lindas runt denna ett eller flera varv i det önskade momentplanet. Stâlbandet bärs upp av bryttrissor enligt figur 4 och förenas i ändama med en anslagsplatta. Vid anslaget påverkas hjälmen med ett i det närmaste rent rotationsmoment. Registrering sker av såväl på hjälmen uppkommet impulsmoment genom ingångskrafien i bandet som uppmätt rcaktionsmoment i halsfästet på modellhuvudet.

I en enldare variant av detta prov kan man tänkas använda en i sin ena ände vid hjälmen fastsatt hävarm, som i sin fria ände träfias av fallvikten.. Vid måttlig längd på hävarmen kan man vid ifrågavarande typ av provrigg få ett dominerande irnpulsmoment som dock alltid är blandat med rak central stöt. 530 225 ö' Rimliga värden på halsfastets elastieitet och dämpning skall fastställas för bästa möjliga simulering av flexibiliteten hos människans hals under verkliga förhållanden. Detta kan åstadkommas genom att enligt ovan kombinera halsgivaren med en gummidämpare närmast infästningen i fundamentet, varvid gummidämparen avpassas för normal styvhet och dämpningsegenskaper hos den mänskliga halsen.

Jämfört med nuvarande standard beräknas inflytandet av det föreslagna halsfästets naturligt låga böj styvhet ge en förlängd accelerationskarakteristik hos modellhuvudet med mera realistiska pulstider.

Detta torde vara önskvärt men fordrar dock en närmare undersökning för att bedöma valet mellan att anknyta till förhållandena i nuvarande standard eller till en mera avvikande men naturligt simulerad pulskarakteristik.

En datorsimuleríng av provriggen och dess funktion kommer att användas för att optimera fästets totala flexibilitet och fallviktens massa för val av rimliga värden på fallhöjden till anpassning och praktisk järnförbarhet med verkliga omständigheter beträffande hastighet och energinnehåll i stöten mot hjälm och huvud vid t ex en motorcykelolycka Olika alternativa provningsprinciper.

Här sammanfattas några olika typer av provningsprinciper som är tänkbara för certifiering av hjälmar med hänsyn tagen till skyddseffekt mot såväl linjärt våld som rotationsvåld. Möjlighet att utföra dessa prov skulle till största delen kunna inrymmas bland den föreslagna provningsriggens egenskaper.

Resultatdata kan omräknas för att anknyta till nuvarande standard. 1) Som intressant alternativ till nuvarande bedömningsgrund för skyddshjälmar har angivits registrering av krafier och moment istället för accelerationsmätning, vilket skulle innebära bättre möjlighet att ta hand om simulering av rotationsvåld via belastning med moment. Registreringen vid fallprovet kan innefatta krafter och moment med beräkning av exempelvis max, medelvärde, effektivvärde, skadeindex och transmissibilitet, uppmätta före och efter modellhuvud med hjälm. Här finns även möjlighet att räkna om krafter och moment till motsvarande accelerationsvärden för att anknyta till nuvarande standard. 2) Om man istället utgår direkt från aecelerationsmäminga, vilket anknuter till nuvarande standard, beräknar man på motsvarande sätt max, medelvärde, effektivvärde, skadeindex och transmissibilitet med avseende på erhållna värden för simulerat linjärt och mer eller mindre rent rotationsvåld. 3) Man kan grunda bedömningen av hjälmkvalité på. absorberad energi registrerad dels som total ingångsenergi erhållen ur fallviktens (stötstångens) hastighet och massa, dels i hjälmen lokalt dissiperad deformationsenergi mätt via ett impedanshuvud och dels den ur modellhuvudets uppmätta krafter, moment och accelerationer beräknade rest av linjär- och rotationsenergi som överförts till modellhuvudet via hjälmen vid fallprov. Impedanshuvudets funktion är att lokalt registrera accelerationer och krafter, varur motsvarande energi kan beräknas efter integration av aceelerationen. 4) Ett annat altemativ för hjälmprovning är utnyttjande av vibrationstelmik genom mätning av arnplituder för acceleration, krafter och moment och därur erhålla värden på fasvinkelvridning, resonans, transmissibilitet och dissiperad energi för att på ett bekvämt sätt erhålla dämpningen i hjälmen och därmed bedöma dess skyddande förmåga. Denna metod skulle erfordra en speciell adapter med möjlighet att applicera och mäta både drag och tryck i givna punkter och i givna riktningar på hjälmens yta. Adaptem skulle kunna utföras som en ringfonnad hållare som angriper och mäter samtidigt i två diametralt motsatta punkter på hjälmen centralt eller eccentriskt. I stället för uppfästriing av modellhuvud med hjälm på ett speciellt halsfaste kan vibrationsexiteringen enkelt tillföras ett fritt upplagt eller upphängt modellhuvud med hjälm. Den påtvingade exrteringen skulle kunna innefatta slagpåkänning genom att kopplingen till adaptem utförs med ett givet glapp för olinjär stötexitering. Metoden har begränsningar genom att den knappast kan tillämpas i alla punkter och riktningar på hjälmen, men den torde kunna användas som komplement till andra typer av prov, och vid prov där krav på snabba svar prioriteras. 530 225 i» Ovan nämnda varianter är exempel på provmetoder med möjlighet att simulera och mäta såväl rakt centralt våld som rotationsvåld mot huvudet och är förenliga med principen stationärt modellhuvud på en simulerad mänsklig flexibel hals för vektoriella mätdata. Det vore av intresse att skaffa praktisk erfarenhet av prov på olika hjälmar för att kunna välja ut någon av dessa provprinciper till att ersätta nuvarande standard eller till en början att ingå som komplement till andra metoder.

Den praktiska möjligheten att använda den här föreslagna vibrationsmetoden för hjälmprovning avses först komma att undersökas med hjälp av en befirrtlig sirnuleringsmodell på dator. På detta sätt kan man utvärdera den möjlighet till förenkling eller komplettering av hjälmprovning som detta förslag skulle innebära. Genom studier på simuleringsmodellen kan man i förväg optimera erforderliga data på motsvarande typ av rigg för prov på skyddshjälmar med avseende på lämpliga värden för t ex effekt, frekvensomfång, resonans, fasförskjutning och amplitud hos motsvarande masselastiska system för hjälmprov i verkligheten. Den ovan nämnda möjligheten att här applicera vibrationsexiteringen mot hjälmen på ett fritt upphängt eller upplagt modellhuvud kan innebära ett förenklat provningsförfarande. Det finns också möjlighet att denna princip kan användas för att separat utprova olika dämpningsmaterial för hjälmar.

Mätutrustning .

Ingående lokal stötkrafi på hjälmen skall mätas med givare i den tidigare nämnda anslagskroppen.

Avsikten är att mäta ingående krafter och moment till storlek och riktning med en sexkomponentgivare för vektoriell registrering av tre krafi- och tre momentkomponenter Efter inledande prov med denna sexkomponentgivare kan man bedöma om utrustningen kan förenklas genom byte till en givare med färre komponenter.

Mätutrustningen i anslagskroppen innefattar alternativt också ett impedanshuvud med accelerometer och kraftgivare för en eller helst flera komponenter för mätning av lokalt absorberad energi i varje inställt stötområde på hjälmen. Dessutom kan man ur impedanshuvudets signaler för accelerationer och krafter också erhålla motsvarande riktning och resultant för dessa lokalt pålagda ingångsdata för hjälmen som underlag för beräkning av pålagt rotationsvåld. Det torde dock visa sig lämpligt att dela upp vissa prov på olika anpassade separata givare för att inte överbelasta en enda anslagskropp med flera givarfunktioner. I stället för att monteras i den lösa anslagskroppen kan givare byggas in i fallviktens (stötstångens) yttre ände för att därigenom möjliggöra snedare stöt. Detta kan dock ge vissa ledningsproblem vid stötförloppet, vilket doch är likartat vid nuvarande standardrnetod med fallande huvud. Eventuellt kan altemativet med nedan upptagna anordning för tangentiellt våld vara lämpligt i detta afall..

Reaktionskrafter och moment på modellhuvudet, mäts med sexkomponentgivare i den närmast huvudet befintliga styva delen av halsfästet. Uppmätta data refereras här till ett koordinatsystem med origo i modellhuvudets tyngdpunkt. Detta koordinatsystem skall bindas till givarens kalibrering.

För vektoriell mätning på modellhuvudet av både linjär- och rotationsacceleration använder man lämpligen sex, ev nio enkla accelerometrar utplacerade ortogonalt på. modellhuvudets yta med maximalt avstånd från huvudets tyngdpunkt för att få bästa möjliga precision. Signalema från dessa givare kan också användas för att erhålla motsvarande integrerade värden på huvudets hastighet och förskjutning för att tillsammans med registrerade kraft- och momentdata även ge möjlighet att beräkna den till modellhuvudet överförda energin.

Tangentiellt riktad stöt mot hjälmen kan simuleras med anordningen enligt figur 4 för rent moment, där angiven instrumentering i anslagskropp, modellhuvud och halsfäste kan användas för registrering av motsvarande data.. Denna typ av simulering kan användas för att bedöma hjälmens skyddsverkan mot rotationsvåld genom energiupptagning vid relativa rörelser i skiktet mellan huvud och hjälmskal.

Hastighetsmätning på fallvikt och stötstång ingår i standardprovning och utförs med hjälp av en givare monterad så nära intill stötpunkten som möjligt. 530 225 "lr Förut nämnda förslag till metod med vibrationsexitering kräver en motsvarande dynamometer med möjlighet att generera för provet erforderliga prestanda med avseende på bl a frekvens, krafi och amplitud . I princip är ovan angivna typer av givare för krafter, moment och accelerationer tillämpliga även för detta alternativ, Diskussion Provning av skyddshjälmar är kopplad till deras förmåga att hindra skador på människans hjärna vid våld mot hjälmbärarens huvud. Tillgängliga skadekriterier för den mänskliga hjärnan är baserade på läkarvetenskapliga forskningsresultat med accelerationsmätiiingar. Det har därför legat nära till hands att vid standardiserade hjälmprov använda uppmätta aecelerationsvärden för bedömning av skyddsförmågan hos hjälmar. Om en annan typ av hjälmprov skall användas som altemativ skall den därför kunna refereras till motsvarande godtagbara aceelerationsvärde i modellhuvudets tyngdpunkt.

Hittills har dock, som påpekats, endast den linjära delen av accelerationen beaktats vid certifiering av hjälmar; man bortser alltså helt från hjälmens skyddsförmåga mot rotatiönsvåld i nuvarande standard, mycket beroende på svårigheten att mäta och utvärdera rotationsvåldet och frånvaron av passande utrustning.

Ett attraktivt alternativ vore därför att i stället för accelerationsmätning använda registrerade värden på i modellhuvudet in- och utgående krafter och moment eftersom det skulle vara enklare att via en motsvarande konventionell sexkomponentgivare (vindtunnelvåg) i varje önskad mätpunkt parvis registrera en krafi- och en mornentvektor med vardera tre komponenter för att därmed utvärdera hjälmens skyddsförrnåga med avseende på såväl rotationsvåld som rakt centralt våld, För att studera vektoriella linjär- och rotationsaccelerationer i modellhuvudets tyngdpunkt ur uppmätta kraft- och momentvärden vid nuvarande metod med standard rigg och fallande huvud utan styming kan man tänka sig att utföra inledande prov, som utöver det linjära våldet även inrymmer viss begränsad möjlighet till mätningar av rotationsvåld på det i nuvarande standard föreskrivna städet.

Detta skulle då utformas som en integrerad sexkomponentgivare med möjlighet att vektoriellt registrera stötpulsema för via hjälmen i modellhuvudet ingående krafier och moment. Denna givare måste ha stor styvhet och liten tjädrad massa. Städets anslagsyta bör då också ha en viss råhet för att simulera friktion i sidled vid huvudets anslag mot exempelvis en vägyta. Eventuellt kan man då även tänka sig att snedställa städet och förse det med en större anslagsyta med låg massa. I detta fall är en sexkomponentgivare speciellt fördelaktig eftersom man därmed erhåller måtresultat till storlek och riktning för både linjärt och rotationsvåld.

Vad som då händer under slaget är att hjälmens skal och stoppning komprimeras, varvid motsvarande defonnationsmotstånd uppstår och ökar alltefiersom deformationen fortskrider. Motståndet utgörs av krafier och moment som till sin typ kan vara exempelvis elastiska, viskösa eller friktion och har, till följd av det mass-elastiska systemet, karaktären av dämpad svångning för att med viss fastörskjutning sinsemellan uppnå ett maximum och sedan återgå för att cykliskt upprepas och bilda en högfrekvent puls. Då återgången ej är fullständig innebär detta en energiförlust, som gör att svångningens amplitud inom pulsens varaktighet snabbt minskar genom motståndet av viskös- och friktionskaraktär, vilket också yttrar sig som hysteres, kvarstående deformation och värmeutveckling intill dess att all kinetisk energi från fallvikten är uttömd. En synbar effekt av deforrnationskrafien, reaktionen, kan också bli att enheten hjälm-modellhuvud kommer att accelereras i reaktionskraftens riktning i form av en studs med rotation..

Frågan år nu om man kan använda i kontaktytan mellan städet och hjälmen uppmätta krafter och moment med hjälp av den i städct integrerade sexkomponentgivaren för beräkning av motsvarande linjär- och rotationsaccelerationer hänförda till den för modellhuvudet och hjälmen gemensamma tyngdpunkten. 530 225 Till en början kan man då studera fallet med ren central stöt. Om ingen annan kraft verkar på systemet kommer den på städet uppmätta resulterande reaktionskrafien att via hjälmen verka på den sammanlagda massan av modellhuvud och hjälm som därigenom får en negativ acceleration (retardation). På grund av proportionaliteten mellan kraft och acceleration kan man därför beräkna denna acceleration som hänförd till den gemensamma tyngdpunkten med kännedom om den sammanlagda massan hos modellhuvud och hjälm. Ur detta kan sedan önskade skadekriterier erhållas.

Skillnaden mellan å ena sidan accelerationsmätning i huvudets tyngdpunkt och å andra sidan mätning av krafi-momentkomponentema i kontaktytan skulle i det senare fallet förväntas bli att man här mäter en något mera odämpad karakteristik för krafi-momentkomponenterna än för accelerationer uppmätta i modellhuvudets tyngdpunkt där viss energi gått förlorad. Ett preliminärt studium bekräfiar detta och visar annars en i stort sett likformig karakteristik för båda metoderna, vilket stöder tanken på möjligheten att använda uppmätta krafter och moment för bedömning av skyddseffekten mot central stöt för olika hjälmar.

I det allmänna fallet med eccentrisk stöt är problemet mera komplicerat, genom att stötförloppet förutom krafivektom även innehåller en momentvektor. Hänsynstagande till rotationen kräver kännedom om koordinaterna för angreppspunlden på modellhuvud-hjälm i ett rörligt system med origo i nämnda gemensamma tyngdpunkt. Detta måste mätas upp.i relation till givaren. Hänsyn måste också tas till momentarmens förändring under stötförloppet, genom exempelvis huvudets rotationsrörelse. För principen fritt fallande huvud utan styming är därför det till huvudets koordinatsystem bundna förfarandet med accelerationsmätning mera lämpligt.

Eftersom vid hjälmprov baserat på mätning av kraft och moment vissa svårigheter alltså kan förväntas med att komma åt registrering av det moment som motsvarar simulerat rotationsvåld på det fritt fallande huvudet, har den altemativa metoden med stationärt huvud och fallvikt här föreslagits som en mera framkömlig väg. Den skulle ge möjlighet till enklare och bättre simulering av verkligheten exempelvis genom i detta fall mera förutsägbara, i rummet relativt stabila tröghetsaxlar under stötförloppet. De små vinkeländringar på grund av utböjningar som det är fråga om här torde kunna anses vara försumbara. Låt oss nu därför övergå till en analys av derma metod. Städet motsvaras här av fallviktens ändyta och den på provobjektet-hjälmen utlagda anslagskroppen, som med tillhörande givare vektoriellt mäter ingående stötkraft och moment på enheten hjälm-modellhuvud. Alternativt kan givaren monteras i fallviktens stötande istället för på den lösa anslagskroppen Reaktionskrafter och moment uppmätta i halsfästet motverkar de av stöten orsakade ingående krafterna och momenten på modellhuvudet och måste därför subtraheras från dessa ingående uppmätta resultat för att erhålla mot modellhuvudet resulterande krafter och moment med däremot svarande accelerationsvärden. Som en konsekvens av dettalskulle man vid ett idealiserat oändligt styvt halsfaste och modellhuvud få aceelerationen noll för modellhuvudet eftersom detta blir utan rörelse och hela den ingående kraften fortplantas till halsfastet. Detta är också orsaken till att man vid styvt halsfäste och stationärt huvud, som vid provning av industrihj älmar, ej kan hänföra proven till accelerationsrnätriing utan måste hålla sig till uppmätta krafter, som även här borde vara tidsintegrerade medelvärden eller effektivvärden av vektoriellt uppmätta resultarrter. Med den nya här föreslagna provmetoden ligger alltså den efter subtraktionen erhållna skillnaden i uppmätta krafi- och momentvärden till grund för beräkning av acceleration och skadeindices. Detta skulle alltså kunna vara tillämpligt även på den provmetod som idag användes på industrihjälmarna. Det vore värt att prova om detta skulle ge acceptabel noggrannhet även med det för detta fall mycket styva halsfästet.

Ett villkor i derma typ av prov är att modellhuvudet kan betraktas som odefonnerbart; en approximation som används även i nuvarande standard. I själva verket leder dock detta till högre resultatvärden än med naturligt huvud och är därför ett strängare prov med säkrare hjälmar som följd. 530 225 Genom huvudets tröghetsmotstånd begränsas den fortsatta kompressionen av hjälmens stoppning till den punkt då all kinetisk energi hos fallvikten är förbrukad och absorberad i form av kvarstående deformation, viskös dämpning, friktion, värme och Överförd resterande kinetisk energi. En mindre del av därnpningen ligger i halsfastets gummiupphängning. Halsfastets givare mäter den via hjälm och modellhuvud till halsfästet överförda dämpade kraft som uppnås under stötpulsen.

Med de relativt låga värdena för den naturliga halsens styvhet kan man förvänta sig att de i anslagskroppen uppmätta tröghetskrafterna kommer att dominera över de i halsfästet uppmätta reaktionskrafierna. Skillnaden mellan dessa krafter resulterar alltså i en rörelse hos modellhuvudet som innebär en motsvarande acceleration, vilken på grund av den låga halsstyvheten kan väntas få. en liknande karakteristik som standardfallet med det fritt fallande huvudet. Den föreslagna provutrustningen kan därför alternativt också användas för direkta mätningar av max acceleration för jämförelse med nuvarande standard och möjliggöra utvärdering för val av bästa provmetod.

Med det föreslagna nya provningsförfarandet söker man alltså uppnå fördelen jämfört med den gamla standarden att man får en mera fullständig och pålitlig bild av hjälmens skyddsfönnåga genom att motsvarande certifieringsprov omfattar både rak stöt och rotationsvåld. Eftersom linjär- och rotationsacceleration vid prov på modellhuvud med hjälm kan antas vara proportionella mot på deras gemensamma massa verkande krafter och moment synes det också med nuvarande typer av järnförelsevis odeformerbara modellhuvuden vara berättigat att grunda beräkningen av skadekriterier för hjälmprov på uppmätta krafter och moment istället för att som i gällande provningsstandard använda uppmätta värden på max acceleration. Fördelen med detta skulle vara att det är enklare och säkrare att mäta och hantera kraft och momentdata än motsvarande max accelerationer som vid stötprov kan visa svårbemästrad spikighet på grund av högfrekventa resonanssvängningar i accelerometem. Till syvene och sist kan man också säga att skador oftast är direkt hänförbara till uppkomna krafter.

Med en övergång till kraft och momerrtrnätning ökar också den praktiska möjligheten att provningsstandarden kan utvidgas till att produktionsmässigt ta hänsyn till rotationsvåldet. En speciell fördel ligger i att mätgivare för krafter och moment kan kalibreras med lätt tillgängliga dödviktsnonnaler. Detta skulle bidra till bättre global kompatibilitet mellan olika laboratorier och standarder. Därjämte till säkrare resultat med mindre spridning än att enbart lita till accelerometrar som i nuvarande standard, där ofta stora avstånd till behörigt kalibreringslab för denna givartyp gör att tidsintervallen mellan kontrollkalibreringar kan bli glesa, vilket innebär osäker skyddskvalite' hos certifierade marknadsförda hjälmar .

Till fördelarna med den här föreslagna principen för stötprovning av skyddshjälmar kan också inbegripas att provhuvudet med hjälm är stationärt monterat på ett flexibelt fäste, vilket ger en mera verklighetstrogen simulering med hänsyn till halsens mekaniska egenskaper ifråga om styvhet och dämpning. Med detta arrangemang kan man därför anse att provningsmiljön bättre närmar sig den verkliga människokroppen än simuleringen i nuvarande standard. Genom att egenfrekvensen kan anges med en kvadratrotsfunktion blir valet av styvhet i halsfastet mindre kritiskt och likaså inverkan av ev åldringsbenägenhet hos dämparen En viktig invändning mot förfarandet med stationärt huvud och sirnulerad hals torde vara att man får stora skillnader i reaktionskrafl: mellan axiell stöt i huvud-halsrikming och stöt tvärs denna riktning.

Det kan dock diskuteras om inte den föreslagna metoden bättre simulerar det naturliga förhållandet i människokroppen än nuvarande standardprov med fritt fallande huvud som helt bortser från möjligheten av inverkan från halsens styvhet på provresultaten. Givetvis måste dock detta undersökas med praktiska prov för att utreda kompatibiliteten med motsvarande prov i nuvarande standard.

Flexibiliteten i riggens halsfaste måste också justeras för anpassning till att få en mera verklighetstrogen helkroppssimulering. Detta skulle då innebära snarare en minskad styvhet i halsfästet, som därmed ytterligare fjärmar sig från nuvarande standardprovning. 530 225 lf) För jämförelse och komplement kan man också alternativt använda sig av upptagen energi och erhållna värden på transmissibilitet. Användning av transmissibilitetsbegreppet, här grundat på förhållandet mellan energiupptagning i modellhuvud resp hjälm, vore en möjlig alternativ provmetod för att statistiskt mera riktigt bedöma skyddshjälmar och få mindre spridning i resultatet än att som nu enbart använda accelerationsmätningar som gnmd. Genom att den efterfrågade energin förutom på uppmätta krafter och moment även grundar sig på beräkning med integration av uppmätt acceleration för att fä motsvarande hastighet och förskjutning, har detta en utjärnnande effekt och gör det utgående resultatet mindre beroende av accelerationens spikighet än om max acceleration använts som bedömningsb as _ Generell användning av tidsintegrerade medelvärden, eiïektivvärden eller absolutvärden i resultatpresentationen vid hjälmprov skulle av samma skäl innebära säkrare bedömning av hjälrnars skyddskvalite. Detta bör föreskrivas i provningsstandarden, att användas jämsides med nuvarande standard, vilket vore särskilt berättigat i den mån man använder enbart max acceleration för bedömningen och inte de vedertagna skadckriterierna, HIC och GSI, som bygger på integrationsberälcriiiigar. Ändrad standard kan dock innebära att en omdeñnition av toleransgränserna måste göras, då spikigheten i nuvarande använda maxvärden irinebår att maxvärdena ligger högre än förväntade integrerade medelvärden.

Eftersom vid registrerad rotationsacceleration karakteristiken innehåller både positiv och negativ amplitud, måste hänsyn tagas därtill genom tecken-oberoende beräkningar med exempelvis absolutvärden eller effektivvärden.

En annan möjlighet med det nya förfarandet är att man genom mätning med impedanshuvud kan få en uppfattning om den lokala förmågan till energiabsorption vid stöt i olika områden på hjälmen.

Impedanshuvudet ger kraft- och accelerationsdata, som efter integration används för energiberäkningen och därför enligt tidigare har en utjämnande eiïektpå resultatet.

Ytterligare en annan princip för hjälmprovning är förslaget med vibrationsexitering av hjälm- modellhuvud, eventuellt med glappfunktion för olinjär stötsimulering. Denna metod skulle med t ex utnyttjande av transmissibilitetsbegreppet, fasvinkelregistrering och dissiperad energi kunna utgöra ett förenklat och bekvämt alternativ eller komplement till nuvarande provstandard grundad på stötprov.

Utrustning för vibrationsexitering av denna dignitet är omfattande och dyrbar. Om metoden efter utvärdering visar sig praktiskt användbar finns dock möjligheten att den skulle kunna tillämpas vid större provningseentra som redan har sådan utrustning, kanske med ledig kapacitet. Här finns också behov av forskning för att ta fram omräkningsfunktioner för att harmonisera derma nya metod med nuvarande skadekriterier och läkarvetenskapligt grundade toleranströsklar mot hjärnskador till följd av enstaka stötar, För att få underlag för detta skall till en början göras en litteraturstudie och datorsimulering av metoden, varefter denna variant, liksom vid övriga nya metoder, provas i praktiken för jämförelse med nuvarande standard fallprov. Vidare forskning kan ev leda fram till en förenklad, speciell vibrationsutrustning för derma typ av prov.

Här angivna olika provningsmetoder kan beräkningsmässigt kopplas till medicinska skadekriterier för hjäman, Det mest bekanta kriteriet, Wayne State kurvan, bygger som tidigare nämnts på accelerationsmätiiingar i mänskliga huvuden, och ligger till grund för olika skadeindcx bl a HIC och GSI, vilka ingår i nuvarande provstandard för vissa hjälmar. Alla dessa kriterier,specie1lt de nu använda toleransgränsema för max acceleration, är emellertid, som redan berörts, ofullständigt underbyggda och gäller strängt taget bara för centrala stötar och då endast rakt uppifrån, varför de bör revideras.

Eftersom rotationsvåld ej berörs i nuvarande provningsstandard, och medicinskt vedertagna kriterier för denna typ av våld ej finns tillgängliga, bör det anslås forskningspengar för att experimentellt och ur litteraturen ta fram olika skadekriterier anpassade till aktuella behov av förbättrade standardmetoder för provning av huvudskydd. 530 225 ll Det skall också betonas att en järniörelse mellan gamla standardprov och nya varianter måste genomföras för att välja ut den bästa metoden och få acceptans för denna. Det forskningsarbete som erfordras skall omfatta utredning av såväl teoretiska relationer som resultat från jämförande praktiska prov på hjälmar.

Proceduren vid hjälmprovning skall innefatta slagprov på nuvarande områden och riktningar relativt provhuvudet, men skall också kompletteras med speciella prov för simulering av renodlat rotationsvåld. Lämpligen användes då den föreslagna riggen, som kan avpassas för såväl acceleration som kraft, moment och energimätning. Särskilda fiinktionsprov skall göras dels med och dels utan anslagskropp och dels med anslagskroppens instnnnentering integrerad i stötstångens nedre ände.

För produktion torde den föreslagna typen av provrigg kunna mäta sig med den gamla, efiersom den medger både lättare och snabbare inställning, inklusive avfyming. En fördel är också att den nya provutrustningen går att använda för alla typer av skyddshjälmar inklusive industrihjälmar och kan dessutom ersätta tidigare separata riggar för såväl fallprov som penetrationsprov och prov på ansiktsskydd.

Sammanfattning av föreslagna provningsprinciper.

Det föreligger ett behov till förbättring av nuvarande provningsstandard för skyddshjälmar med avseende på såväl central stöt som rotationsvåld mot huvudet. Nu gällande CEN- och ISO- standarder innehåller endast ofullständiga provningsföreskrifter med central stöt och saknar helt föreskrifter för prov med vanligen förekommande farligt rotationsvåld. Båda dessa två typer av våld kan simuleras i den här föreslagna typen av rigg för impaktprov med hjälm på stationärt modellhuvud, som uppbärs av ett naturligt flexibelt halsfaste. Bedömning av hjälmens skyddsförrnåga kan förutom som i nuvarande standardprov med max acceleration och härledda skadekriterier även grundas på integrerade medel-, absolut- och efiektivvärden för uppmätta krafter, moment, accelerationer och upptagen energi, erhållna ur den vektoriellt registrerade stötpulsen för såväl rakt centralt som rotationsvåld. Därtill har även vibrationsprov med uppmätta fasvinklar mellan kraft och förskjutning samt värden på motsvarande transmissibilitet, avseende nivåer av dissiperad energi, föreslagits som kompletterande mått på skyddsfömåga hos hjälmen.

Föreslagna alternativa provningsprinciper i ovan angivna rigg är enligt följande: 1) Vektoriell registrering av överförda krafier och moment från en fallvikt till hjälm-modellhuvud via flerkomponentgivare dels i stötens anslagspunkt mot hjälmen och dels i modellhuvudets fäste på fundamentet med koordinatsystemet för krafter och moment refererat till modellhuvudets tyngdpunkt, varefier beräkning av motsvarande max vården, integrerade medel- effektiv- och absolutvärden för krafter, moment, accelerationer (linjär och rotation), transmissibilitet och skadeindex kan ske.

Jämför med resultat från nuvarande standard och tillgängliga skadekriteria. 2) Vektoriell registrering via dels en treaxlig accelerometer i modellhuvudets tyngdpunkt av Överförd linjär acceleration från fallvikt till hjälm och modellhuvud, dels via sex till nio accelerometrar utplacerade på modellhuvudets yta för registrering av rotationsaccelerationen hos modellhuvudet.

Använd uppmätta vektoriella värden på modellhuvudets aecelerationer (linjär och rotation), bilda max värden, integrerade medel-, effektiv; absolutvärden och skadeindex för jämförelse med nuvarande standard och tillgängliga konventionella kriteria för hjälmens skyddsfönnåga. Jämför med värden erhållna enligt föregående punkt (1). 530 225 lål 3) Registrera vektoriellt krafier och accelerationer samt lokalt Överförd energi till hjälmen via ett irnpedanshuvud i anslagspunkten med uppmätt momentarm i förhållande till tyngdpunkten för modellhuvud med hjälm. Beräkna även Överförd energi via uppmätta krafter, moment och accelerationer på modellhuvudet. Använd totala ingångsenergin (fallenergin) , den av impedanshuvudet uppmätta i hjälmen lokalt absorberade, samt den till modellhuvudet överförda energin och bilda även motsvarande transmissibilitet med avseende på absorberad energi som mått på hjälmens skyddsförrnâga. Jämför med övriga prov. 4) Istället för slagprov utsattes hjälmen för lokal vibrationsexitering ev med glappfunktion för olinjär slagkarakteristík. Detta ger möjligheter till simulering motsvarande både linjärt centralt våld och rotationsvåld via en särskild adapter för drag och tryck mot hjälmen. Registrerade värden på från hjälmen till modellhuvudet överförda krafter, moment, accelerationer och energi kan sedan uttryckas i form av transmissibilitet med värden som återspeglar hjälmens skyddsförrnåga. Även uppmätt fasvinkel mellan vektorema för krafi och förskjutning kan här användas som mått på hjälmens dämpande förmåga. Vibrationsmetoden är förenlig med det tidigare angivna arrangemanget för stationärt modellhuvud och simulerad flexibel hals med instrument för vektoriell mätning av accelerationer och/ eller krafter och moment, men skulle här kunna förenklas genom möjligheten till hängande eller fri uppläggning av modellhuvud med hjälm. Metoden kommer till en början att prövas med hjälp av en befintlig datormodell. 530 225 få Referenser [1] Lissner, H. R., Lebow, M. and Evans, F. G., "Experimental Studies on the Relation Between Acceleration and Intercranial Pressure Changes in Man," Surgery, Gynecology, and Obstetrics, Vol. III, 1960, pp. 329-338. [2] Hodgson V. R. and Patrick, L. M., "Dynarnic Response to the Human Cadaver Head Compared to a Simple Mathematical Model,“ Proceedings, 13th Stapp Conference, Society of Automotive Engineers, 1969. [3] Gadd, C. W., "Use of a Weighted Impulse Criterion for Estimating Injury Hazard," Proceedings, Tenth Car Crash Conference Paper 660703, New York, Society of Automotive Engineers, 1966. [4] Ljung, C., "On Protection Criteria in Helmet Testing with Proposed Test Method for Recreational Helmets," Technical Report SP-Rapp 1984-31, Borås, Sweden [5] Johnson, G. I., "Parameterstudie ang. Hjälmprovning, Del l och 2," Technical Report, MU-884, FFA, The Aeronautical Research Institute of Sweden, Stockholm 1974. [6] Aldrnan, B., Lundell, B., and Thorngren, L., "Helmet Attenuation of the Head Response in Oblique Impacts to the Groundj' IRCOBY Conf, Lyon, 1979. [7] Johnson, G. I., "Development of an Impact Testing Method for Protection Hehnets. " Safety In Ice Hockey". ASTM Publication Code Number 04-01050. Ann Arbor MI, 1989 [8] Margulies, S. S., and Tibault, L. E., "A Proposed Tolerance Criterion for Diffuse Axogonal Injuries in Man," Journal of Biomechanics, 1992, 25 917-923. [9] Halldin, P., Gilchrist, A. and Mills, N. J., " A New Oblique Impact Test for Motorcycle Helmetsj' Woodhead Publishing Ltd, I J Crash 2001, Vol 6 No l.

[10] Johnson, G. I., "A Comparison of Results on Helmet Impact Testing", ASTM Journal of Testing and Evaluation, Volume 31, Number 1, January 2003. 530 225 Figurbeskrivning 1 figur 1 - 4 visas principskisser av en föreslagen provrigg och detaljer därav för provning av skyddshjälmar. De i figurema ingående detaljerna och deras resp funktioner framgår av motsvarande detaljnummer i resp figur och följande beteckningar med beskrivning.

Figur 1: \Q O0\]U\(Jl«ß(J-)I\)>~4 | 10 ll 12 Figur 2: 6 _ 6.1 6.2 6.3 7 7.1 11.1 - 11,2 Figur 3: Pl P2 P3 P4 - P5 P6 P7 P8 - P9 Figur 4: M1 - M2 Sarnmanställning av provrigg Falltorn med fyra vertikala rör för styrning av fallvikten Tvärsektion av falltom Koordinatbord för positionering av falltornet i xy-planet Tung basplatta av exempelvis stål, ingår i koordinatbordet, ger stabilitet åt falltornet Fundament Hjälm med anslagskropp och irnpedanshuvud Modellhuvud med monterad hjälm i ytterläge-horisontell axel med läge justerbart i x-led Alternativ montering av modellhuvud med hjälm i ytterläge-vertikal axel med läge justerbart i z-led Modellhuvudets halsfäste med sex-komponentgivare för registrering av krafter och moment Halsfastet förbundet med modellhuvudet genom en kulled Gummiupphängning för simulering av flexibilitet i människans hals Fallvikt med glidytor, styrd av falltornets omgivande fyra rör Utlösningsmekanism for fallvikten Detaljer av provrigg Anslagskropp i läge for prov på hjälm Anslagskropp med impedanshuvud, förstorad vy med sfäriska anslagsytor Anslagsyta med ristat koncentriskt cirkelmönster, simulerar vägytans råhet Sele av gummiband för fixering av anslagskropp Modellhuvud med hjälm uppsatt för provning Del av hjälm i förstorad vy Förstorad vy av fallvikt och anslagskropp F allvikt Alternativ typ av provrigg med pneumatisk cylinder Pneumatisk cylinder med kolvstång och hastighetsmätare Snabböppnande ventil Behållare för tryckmedium, lufi eller hydraulolja Tilloppsventil Ställskruvar för vertikal och horisontell förflyttning av pneurnatiska cylindern Instrumentcrad enhet, hjälm/ modellhuvud installerad med axeln i horisontellt läge Altemativt vertikalt läge för hjälm / modellhuvud Hjälm installerad på modellhuvud Anslagskropp installerad i träffpunkten på hjälm Exempel på principer för att åstadkomma ett i det närmaste renodlat stötmoment för provning av monterad hjälm på. modellhuvud Moment i huvudets vertikala symrnetriplan Moment i huvudets horisontella referensplan 530 225 Bilaga A1 Algoritmer Krafter, moment, accelerationer och deras riktningar .

Uppställning av algoritmer har gjorts med tanke på bästa möjliga kompabilitet mellan nuvarande och ev kommande provstandard _ A) Beräkning av storheter från uppmätta krafter och moment, Komponentema ( F ) för resulterande krafier och moment beräknas ur uppmätta signaler från en sexkomponentgivare i modellhuvudets halsinfástriing. Härvid användes denna givares kalibreringsmatris (m ) och givarens signalmatris ( S ) enligt F = m . S ( 1 ) Resulterande krafi- ( F ) och momentvärden ( M ) beräknas ur de erhållna komponentvärdena i det givna ortogonala koordinatsystemet ( xyz ) F= (2 ) M=«/ Mxz + My2+ Mä Resulterande krafiriktning är bestämd via cosinerna for vinklarna ( cpF ) mellan resultantvektorn och resp koordinataxel cpFx = acos Fx/ F rpFy acos Fy/ F (3 ) acos Fz/ F <|>Fy På samma sätt erhålles motsvarande vinklar ( qpM ) for momentresiiltantens riktning rpMx = acos Mx/ M cpMy = acos My/ M ( 4 ) mpMz = acos Mz/ M Vinklama kan järnforas för överensstämmelse. 530 225 Ha Nu är alltså vid stöten uppkomna momentana krafler ( F ) och moment ( M ) kända till storlek och riktning.

Motsvarande tidrnedelvärden integrerade över pulstiden ( T ) erhålls ur de resulterande momentana krafterna och momenten enligt T Fave=(l/T),iF dt 0 (5) T Mave =(1/T)IMdr 0 B) Beräkning av storheter från uppmätta komponenter av linjär- och rotationsacceleration På analogt sätt som vid krafier och moment kan vid aeeelerationsrnâming ur sex uppmätta komponenter ( a ) i koordinatsystemet (xyz ) motsvarande värden erhållas för aceelerationen dels den linjära vektom ( aL ) och dels rotationsveldom ( aR) Alltså accelerationsvektorris storlek at = v <6) ak = och vektorriktriingar qøaLx = aeos aLx/ aL rpaLz = aeos aLz/ aL waRy cpaRz aeos aRy/ aR ( 8 ) aeos aRzJ aR 530 225 Vi C) Konvertering av uppmätta krafter och moment till motsvarande accelerationer Modellhuvudets accelerationsvärden ( aL ) och ( aR) för linjär och rotationsrörelse kan erhållas ur resultanten for uppmätta krafi- och momentvärden ( F) och ( M ) med kännedom om modellhuvudets massa ( W) och tröghetsmoment ( I ) enligt aL=F/w (9) aR=M/I Motsvarande integrerade tidsmedelvärden över pulslängden ( T) T aLave=(l/T),[F/w .dt 0 (10) T aRave =(l/T)I M/I .dt På samma sätt, genom tidsintegrering över pulslängden, behandlas såväl beräknade som direkt uppmätta storheter.

Beräkning av genererad energi Totalt avgiven energi ( E ) erhålles ur stötkraften ( Fs ), beräknad med kännedom om stötstångens (fallviktens) massa ( ws ), och uppmätt hastighet (vs), summerad över pu1stiden( T). Stötstångens friktion fiårutsäties vara relativt liten och försumbar.

Fs = ws i d(vs)/dt T E = I Fs vs dt O T Vs = l d(vs) /dt dt 0 Vs E= Iwsvs d(vs) =ws(vs)2/2 (11) O 530 225 l 'äs I inrpedarishuvudet angiven energi (Eimp ) erhålles från dess accelerations- ( aimp ) och kraflvärden (Pimp) T Eimp = = jFimp aimptdt (12) 0 I modellhuvudet dissiperad linjär energi ( EL ) och rotationsenergi ( ER ) erhålles ur halsgivarens uppmätta momentana komponenter och deras beräknade resultantcr flór linjär - och rotationsacceleration ( aLh) resp ( aR ) samt motsvarande registrerade krafier ( Fmo ) och moment ( Mmo ) T EL = jFmoaLtdt 0 (13) T ER = jMmoaRtdt 0 Beräkning av transmissibilitet Som mått på en lijälms skyddsfönnåga mot hjärnskador till följd av slag mot huvudet beräknas hjälmens transmissibilitet ( Tr ), som innebär andelen från hjälm till huvud överförda medelvärdesbildade krafier ( Fave ) och moment ( Mave ), eller altemativt Överförd linjär- och rotationsacceleration (aLave) resp ( aRave) och motsvarande Överförd linjär- och rotationsenergi (ELave ) resp (ERave) .

Med avseende på överförda krafier och moment TrF = Favehuvud / Favehjälm TrM = Mavehuvud/ Mavehjâlm ( 14) Med avseende på överförda accelerationer TraL = aLavehuvud / aLavehjälm 15 TraR = aRavehuvud / aRavehjälm ( ) Med avseende på Överförd energi TrEL = ELavehuvud / ELavehjälm ( 16 ) TrER = ERavehuvud / ERavehjälrn 530 225 1% Beräkning av skadeindex Skadeixidex GSI erhålles ur resultanterna för av halsgivaren registrerade krafter ( F ) och moment (M) som sedan omrâknas till motsvarande accelerationsvärden .Dessa kan också erhållas ur direkt uppmätta värden på accelerationer av linjär och rotationstyp Beräkning av (GSIL) för linjär acceleration ur registrerade krafter ( F ) och massan (Wmo) T osn. = hF/wf-f d: (17) 0 Beräkning på analogt sätt av ( GSIR ) för registrerat moment ( M), modellhuvudets tröghetsmoment ( l ) och en konverteringsfaktor eller överföringsfiinktion ( k) T Gs1R=1 0 Om linjär- och rotations acceleration ( aL ) resp ( aR) erhålles genom direkt dataregistrering blir på motsvarande sätt T Gs1L= lpaLWar (19) 0 och T osm =1 0 För att utröna om laiteriet vid rotationsvåld på detta enkla sätt som i ( 18 ) och ( 20 ) kan anlcnytas till samma typ av algoritm som vid rak stöt måste detta underbyggas med vidare forskning. 530 225 .lb Figurbeskrivning I figur 1 - 4 visas principskisser av en föreslagen provrigg och detaljer därav för provning av skyddshjälmar. De i figurerna ingående detaljerna och deras resp funktioner framgår av motsvarande detaljnummer i resp figur och följ ande beteckningar med beskrivning.

Figur 1: Sammanställning av provrigg 1 - Falltorn med fyra vertikala rör för styrning av fallvikten 2 - Tvärsektion av falltom 3 - Koordinatbord för positionering av falltomet i xy-planet 4 - Tung basplatta av exempelvis stål, ingår i koordinatbordet, ger stabilitet åt falltomet 5 - Fundament 6 - Hjälm med anslagskropp och impedanshuvud 7 - Modellhuvud med monterad hjälm i ytterläge-horisontell axel med läge justerbart i x-led 7.2 - Modellhuvud 8 - Alternativ montering av modellhuvud med hjälm i ytterläge-vertikal axel med läge justerbart i z-led 9 - Modellhuvudets halsfaste med sex-komponentgivare för registrering av krafier och moment Halsfastet förbundet med modellhuvudet genom en kulled 10 - Elastisk upphängning för simulering av flexibilitet i människans hals 11 - Fallvikt med glidytor, styrd av falltomets omgivande fyra rör 12 - Utlösningsmekanism för fallvikten Figur 2: Detaljer av provrigg 6 - Anslagskropp i läge för prov på hjälm 6.1 - Anslagskropp med impedanshuvud, förstorad vy med sfäriska anslagsytor 6.2 - Anslagsyta med ristat koncentriskt cirkelmönster, simulerar vägytans råhet 6.3 - Sele av elastiska band för fixering av anslagskropp 7 - Modellhuvud med hjälm uppsatt för provning 7.1 - Del av hjälm i förstorad vy 11.1 - Förstorad vy av fallvikt och anslagskropp 11.2 - Fallvikt Figur 3: Alternativ typ av provrigg med pneumatisk cylinder P1 - Pneumatisk cylinder med kolvstång och hastighetsmätare P2 - Snabböppnande ventil P3 - Behållare för tryckmedium, luft eller hydraulolja P4 - Tilloppsventil P5 - Ställskruvar för vertikal och horisontell förflyttning av pneumatiska cylindern P6 - Instrurnenterad enhet, hjälm/ modellhuvud installerad med axeln i horisontellt läge P7 - Alternativt vertikalt läge för hjälm / modellhuvud P8 - Hjälm installerad på modellhuvud P9 - Anslagskropp installerad i träffpunkten på hjälm Figur 4: Exempel på principer för att åstadkomma ett i det närmaste renodlat stötmoment för provning av monterad hjälm på modellhuvud M1 - Moment i huvudets vertikala symmetriplan M2 - Momentihuvudets horisontella referensplan

Claims (1)

1. 530 225 ll Patentkrav Krav 1, metod för provning av skyddshjälmar, innefattande simulering av olika slags specificerat yttre våld mot huvudet för att därigenom utröna hjälmens förmåga att hindra uppkomsten av hj ämskador hos bäraren vid olyckor med slag mot hans huvud, varvid nämnda metod är kännetecknad av att provobjektet hjälmen (7), är installerad på ett instrumenterat stationärt modellhuvud (7.2), och utsätts för simulerat våld genom en stötkraft genererad från en rörligt justerbar anordning Krav 2,. metod enligt krav l kännetecknad av att stötkraften vid provet genereras genom att en fallvikt (ll) med inställbar fallhöjd och ingångsenergi släpps från ett rörligt falltom (1), som med vertikal längdaxel kan parellellförflyttas i horisontalplanet med möjlighet till inriktning för önskad träffpunkt på hjälmen (7) genom att det vertikalt stående falltornet (1) bärs upp av en svängningsstabiliserande tung basplatta (4) som är fästad på ett horisontellt koordinatbord (3) för skruvinställning av falltomet ( l) till de i horisontalplanet önskade xy- koordinaterna och därmed fallviktens (l 1) träffpunkt på hjälmen (7) blir bestämd i detta plan och vars lägeskoordinater(x) och (y) kan avläsas med hjälp av till skruvinställningen hörande skalor Krav 3, metod enligt krav 2 kännetecknar! av att stötkraften istället för via en fallvikt här åstadkommes genom en anordning med tryckmedium från en uppladdningsventil (P4) till en trycktank (P3) kopplad via en kort ledning med för avfyring snabböppnande ventil (P2) till en pneumatisk eller hydraulisk cylinder med en kalibrerad kolvstång 031) som är riktbar via justerskruvar (P5) för stöt i önskat träffområde mot den på modellhuvudet (P6) installerade hjälmen (P8). Krav 4, metod enligt något av kraven l - 3, kännetecknad av att slagdonet, som kan vara exempelvis fallvikten (l 1) eller stötstången (Pl), utövar stötkraften mot den stationära hjälmen ( 7), via en mellanliggande likaledes stationär anslagskropp, (6) eller (P9), med liten massa och som spänns fast med hjälp av exempelvis en elastisk sele (6.3) i önskat läge för stötens precisa träffpunkt på hjälmen (7) eller tillhörande del därav, exempelvis ett ansiktsskydd . Krav 5, metod enligt något av kraven l - 4 kännetecknad av att det stationära modellhuvudet (7.2) med monterad hjälm (7) är fästat till ett fundament (5) via en simulerad mänsklig hals (8), (9) som närmast fundamentet har ett elastiskt dämpande element (10) for att ge fästet en flexibilitet som motsvarar den mänskliga halsens, därjämte också att fästet (8),(9) närmast modellhuvudet är instrumenterat för att vektoriellt kunna mäta reaktionerna av de krafter, moment och accelerationer som på grund av stötimpulsen från fallvikten (5) överförts via hjälmen (7) och modellhuvudet (72) till ftmdarnentet (5), varigenom även den från modellhuvudet återstående delen av ingående stötenergi kan erhållas. Krav 6, metod enligt något av kraven 1 - 5 kännetecknad av att inställning av stötens träffpunkt på hjälmen (7), förutom genom justeringsmöjlighet i xy-planet kan åstadkommas genom lutning av halsfästet i provhuvudets vertikala symmetriplan med olika attitydvinklar (a) från vertikalt läge, och därtill även inställas med möjlighet för modellhuvudet och hjälmen till rörelse med rollvinkeln (cp) omkring halsfästets längdaxel,och ytterligare möjlighet till förflyttning (ö) utmed detta halsfästes längdaxel, varj ämte ytterligare frihetsgrader kan erhållas med modellhuvudet monterat på kulled vars centrum lämpligen sarrnnanfaller med modellhuvudets tyngdpunkt. 530 225 .ll Krav 7, metod enligt något av kraven 1 - 6 kännetecknad av att data kan registreras med stationära flerkomponentgivare för vektoriella värden på såväl accelerationer som krafter och moment vid simulerat våld genom stöt mot ett stationärt provhuvud med hjälm, varvid möjlighet till förenklad datahantering kan erhållas för linjär- och rotationsaccelerationer ur registrerade krafter och moment genom kända värden på massa och tröghetsmoment, varefter sedvanlig omräkning av erhållna accelerationer kan ske till motsvarande standardiserade skadeindex exempelvis HIC och GSI, som bedömningsgrund för den provade hjälmens skyddsfónnåga, men att metoden även kan ge utrymme till ytterligare förenkling med ett färre antal vektorkomponenter för godtagbart resultat. Krav 8,. metod enligt krav 4, kännetecknad av att av de två kontaktytoma mellan slagdonet (l 1), (P1) och anslagskroppen (6), (P9) den ena är plan och den andra är svagt konvex (bomberad) (6. 1) för att undvika snedbelastning av anslagskroppen mot hjälmens yta (7.1). Krav 9,. metod enligt kraven 3 och 4 kännetecknad av att anslagskroppen (6), (P9) med sitt givararrangemang för både kraft-moment och accelerationer fungerar som ett impedanshuvud för registrering av lokal energiabsorption i träffområdet på hjälmen och att metoden for registrering av energiabsorption är möjlig även för modellhuvudet som har liknande instrumentering i halsfastet (9).