Impaktoren für die Beine: Vom Knöchel bis zum Oberschenkel

Im vorherigen Artikel haben wir erklärt, was Impaktoren sind und warum sie bei den Tests zum Fußgängerschutz ein unverzichtbares Instrument sind. In diesem Beitrag konzentrieren wir uns auf Impaktoren, die die unteren Extremitäten eines Fußgängers – also den Bereich vom Knöchel bis zum Oberschenkel – simulieren. Gerade die Beine werden bei einer Kollision mit einem Fahrzeug häufig als Erstes getroffen. Für erwachsene Fußgänger stellen sie daher einen der besonders kritischen Bereiche im Hinblick auf Verletzungen dar.

Warum sind Beinverletzungen so häufig?

Bei einem Zusammenstoß zwischen einem Fahrzeug und einem Fußgänger trifft der Stoßfänger den unteren Teil des Beins. ‌Der Körper des Fußgängers wird ausgelenkt, und es kommt zum Kontakt von Becken, Rumpf und Kopf mit dem Fahrzeug. Dabei absorbieren die unteren Extremitäten einen großen Teil der Aufprallenergie, was häufig zu Knochenbrüchen, Schäden an den Kreuzbändern oder Verletzungen des Beckens führt – oft mit dauerhaften Folgen. Deshalb widmen Entwickler im Rahmen der Tests zum Fußgängerschutz der Konstruktion des Stoßfängers und der Fahrzeugfront große Aufmerksamkeit. Und genau hier spielen Impaktoren für die unteren Extremitäten eine entscheidende Rolle.

Impaktor für den oberen Beinbereich (Upper Legform Impactor)

Der Oberschenkel-Impaktor wird verwendet, um die Interaktion zwischen dem Fahrzeug (oberer Bereich des Stoßfängers oder Vorderkante der Motorhaube) und dem oberen Beinbereich zu bewerten. Er besteht aus mehreren grundlegenden Komponenten:

• einem Stahlrohr, das den Oberschenkelknochen repräsentiert,
• einer Schaumstoffummantelung zur Simulation des Muskelgewebes,
• einem Sensorsystem zur Messung von Kräften und Biegemomenten.

Das Gesamtgewicht dieses Dummys beträgt je nach verwendetem Regelwerk meist 10,5 kg. Interessant ist, dass es sich um den einzigen Impaktor im Rahmen der Fußgängerschutztests handelt, der während der Prüfung mechanisch geführt wird. Die übrigen Impaktoren legen zumindest einen Teil ihrer Flugbahn frei fliegend zurück. 

Er wird üblicherweise bei den Verbrauchertests von Euro NCAP eingesetzt. In den europäischen Homologationsvorschriften für Standardfahrzeuge ist er zwar nicht vorgeschrieben, Hersteller nutzen ihn jedoch für Tests von nachträglich montierten sogenannten Schutzrahmen. Modernere Impaktoren, etwa der Flex PLI, können die Messung der Belastung des Oberschenkelknochens, die dieser Oberschenkel-Impaktor liefert, bislang nicht vollständig ersetzen.

Impaktor für den unteren Beinbereich (Lower Legform Impactor): TRL, Flex PLI, aPLI

Ziel des Tests ist in erster Linie die Bewertung des Fahrzeugstoßfängers und seiner Interaktion mit dem Bein des Fußgängers. Beim Test wird der Impaktor mit einer Geschwindigkeit von etwa 11,1 m/s (ca. 40 km/h) in Richtung Stoßfänger geschossen, wobei die Treffgenauigkeit gemäß Vorschrift innerhalb einer Toleranz von 10 mm liegen muss. 

Entwicklung der Impaktoren für den unteren Beinbereich

Die erste Version des Impaktors für den unteren Beinbereich, als LLEG (TRL Lower Legform) bezeichnet, entstand bereits in den 1980er Jahren in einem britischen Labor und wurde schrittweise zu einem Standardprüfinstrument. Es zeigte sich jedoch, dass seine biomechanische Ähnlichkeit zum menschlichen Bein begrenzt ist und er nur einen Teil der typischen Verletzungen erfassen kann. 

Deshalb wurde der modernere Flex PLI entwickelt – mit einer flexibleren Konstruktion und einer größeren Anzahl von Sensoren, die es ermöglichen, Biegung und Belastung an mehreren Stellen der Extremität zu messen und mögliche Verletzungen präziser zu beschreiben. Dieser Typ wird in Homologationstests verwendet, während er in den Verbrauchertests von Euro NCAP bereits durch den noch weiterentwickelten aPLI ersetzt wurde, der neben einer erweiterten Sensorik auch über eine zusätzliche Massekomponente verfügt, welche den Einfluss des Rumpfes simuliert. 

TRL Lower Legform Impactor 

Der älteste Impaktor für den unteren Beinbereich, der heute in Europa kaum noch eingesetzt wird, besteht aus zwei starren Teilen, die Oberschenkel und Unterschenkel repräsentieren und durch ein flexibles Kniegelenk verbunden sind (Stahlplatten zum einmaligen Gebrauch). Die gesamte Konstruktion ist von einer Schaumstoffschicht zur Simulation des Muskelgewebes und einer elastischen „Haut“ umgeben. Das Gesamtgewicht des Dummys beträgt etwa 13,4 kg. 

Während des Kontakts erfassen die Sensoren:

• Biegung und Verschiebung im Kniegelenk,
• Beschleunigung im Unterschenkel.

Diese Werte werden anschließend mit den in den Homologationsvorschriften und Sicherheitsbewertungsprogrammen definierten Grenzwerten verglichen.

Flex PLI – Flexible Pedestrian Leg Impactor

Ein weiterer Impaktor für den unteren Beinbereich, der als Flex PLI bezeichnet wird, stellt eine neuere Lösung dar, die dem Verhalten des menschlichen Körpers aus biomechanischer Sicht deutlich näher kommt. Das ist auf mehrere konstruktive Änderungen zurückzuführen: Unterschenkel und Oberschenkel bestehen aus flexiblen Trägern, die in Kunststoffsegmente eingesetzt sind, und im Kniebereich wurden die Einweg-Metallplatten durch ein System aus starken Stahlseilen und Federn ersetzt. Das Gewicht des Impaktors liegt in einem ähnlichen Bereich wie bei der älteren Variante, konkret bei 13,2 kg.

Während der Prüfung erfassen die Sensoren:

• Biegung der Knochen (Unterschenkel – wird ausgewertet, Oberschenkel – nur Überwachung der Werte),
• Verschiebungen und Biegung im Knie (vier Potenziometer im Bereich der Kreuzbänder),
• Beschleunigung im Knie.

Ausgewählte Sensorwerte werden mit den Grenzwerten der aktuellen Homologationsvorschriften (EHK 127) verglichen, auf deren Grundlage über die Zulassung des Fahrzeugs für den regulären Straßenverkehr entschieden wird.

aPLI – advanced Pedestrian Legform Impactor

Der neueste Impaktor für den unteren Beinbereich, als aPLI bezeichnet, ist mit einer größeren Anzahl von Sensoren ausgestattet und kommt aus biomechanischer Sicht dem realen menschlichen Bein noch näher. Konstruktiv basiert er auf dem Flex PLI, fällt jedoch auf den ersten Blick durch die markante Masse im oberen Bereich des Impaktors auf. Dieser schwenkbare Teil simuliert den Einfluss von Becken und Rumpf beim Aufprall auf die Fahrzeugfront. Sein Gesamtgewicht ist dadurch auf 24,7 kg gestiegen.

Die Sensorik basiert auf der vorherigen Version und wurde weiter ausgebaut. Während des Tests werden folgende Größen überwacht:

• Biegung der Knochen (ausgewertet werden Unterschenkel und Oberschenkel),
• Verschiebungen und Biegung im Knie,
• Beschleunigung im Knie,
• Beschleunigung im Beckenbereich sowie Winkelgeschwindigkeiten des Beckens (ohne in der Vorschrift festgelegte Grenzwerte).

Herausforderungen bei der Prüfung der unteren Extremitäten

Die Simulation eines Aufpralls auf ein menschliches Bein ist technisch anspruchsvoll. Die menschliche Extremität ist ein komplexes biomechanisches System aus Knochen, Bändern, Muskeln und Gelenken – und ihr Verhalten bei einem Aufprall lässt sich nur schwer exakt nachbilden. Deshalb wird die Entwicklung der Impaktoren kontinuierlich vorangetrieben. Moderne Versionen versuchen beispielsweise:

• die Elastizität von Knochen und Bändern besser zu simulieren,
• zusätzliche Sensoren für detailliertere Messungen zu integrieren,
• im oberen Bereich zusätzliche Masse zu ergänzen, damit die Belastung des Rumpfes der  einer realen Kollision entspricht.

Für die Genauigkeit der Ergebnisse ist außerdem die Einhaltung streng standardisierter Testbedingungen entscheidend – etwa die exakte Geschwindigkeit, die Treffgenauigkeit, die senkrechte Ausrichtung des Impaktors vor dem Aufprall, eine stabile Temperatur, Luftfeuchtigkeit und ähnliche Parameter. 

Wie läuft der Test bei AUREL ab?

AUREL betreibt eine eigene Teststelle für den Fußgängerschutz in der Tschechischen Republik. Die Vorbereitung eines Tests mit einem Beinimpaktor erfordert eine sehr präzise Vermessung der Testzone an der Fahrzeugfront. Die Ingenieure müssen die Höhe und Position der einzelnen Konstruktionselemente bestimmen, die Fahrzeuggeometrie im Koordinatensystem überprüfen und den Impaktor auf den exakten Aufprallwinkel einstellen, damit jeder Test den Anforderungen der Methodik entspricht.

Ein wichtiger Teil der Vorbereitung ist außerdem die Kontrolle der dynamischen Antwort des Impaktors. Dabei wird überprüft, ob seine mechanischen Eigenschaften den vorgeschriebenen Standards entsprechen, denn ohne diese Validierung wären die Testergebnisse nicht zuverlässig. Der eigentliche Test umfasst die präzise Einstellung des Impaktors, seine Belastung und anschließend eine detaillierte Analyse der gemessenen Kräfte und Momente. Diese Daten ermöglichen es, die Belastung einzelner Beinbereiche zu bewerten und zu beurteilen, ob der Impaktor nach den Aufprallen weiterhin für weitere Tests eingesetzt werden kann.  

Ein Schlüsselinstrument für die Entwicklung sichererer Fahrzeuge

Impaktoren für die unteren Extremitäten ermöglichen es den Herstellern, die Konstruktion von Stoßfängern und der Fahrzeugfront so zu testen und zu optimieren, dass bei einer Kollision mit einem Fußgänger das Risiko schwerer Verletzungen  minimiert wird. Das AUREL Labor setzt sie sowohl bei Homologations- als auch bei Entwicklungstests ein und verknüpft die Ergebnisse physischer Prüfungen mit numerischen Simulationen. ‌Im nächsten Beitrag dieser Serie widmen wir uns einem weiteren wichtigen Bereich des Fußgängerschutzes – den Impaktoren zur Simulation des Aufpralls des Kopfes.

Möchten Sie wissen, wie sich Ihr Fahrzeug in Fußgängerschutztests schlägt? Schreiben Sie uns und erhalten Sie weitere Informationen zu den Tests mit Impaktoren für die unteren Extremitäten.