Fahrzeugsicherheit
Der Wunsch nach mehr Sicherheit im Straßenverkehr für alle Teilnehmer treibt die Gesetzgebung und Verbraucherschutzorganisationen auf der ganzen Welt an. Mit jeder Fahrzeuggeneration wird der Sicherheitsstandard nach oben geschraubt, dabei ersetzen neue Anforderungen nicht die bestehenden, sondern erweitern diese. Die Simulationsspezialisten der CDH AG entwickeln dabei die sicherheitsrelevanten Funktionen des Fahrzeuges lange bevor der erste Prototyp in Hardwareversuchen getestet wird.
Crash-Simulation
Dem Fahrzeuginsassen muss unter allen denkbaren Unfallszenarien genügend Überlebensraum zur Verfügung gestellt werden. Dies resultiert in den verschiedensten Crashlastfällen:
Frontcrash
- gem. gesetzlicher Vorgaben, wie z. B. FMVSS208 oder ECE R96
- gem. Verbraucherschutz, wie z. B. IIHS Small Overlap oder EuroNCAP
Seitencrash
- gem. gesetzlicher Vorgaben, wie z. B. FMVSS214 oder ECE R95
- gem. Verbraucherschutz, wie z. B. IIHS Seitencrash oder EuroNCAP Pfahlaufprall
Heckcrash
- gem. gesetzlicher Vorgaben, wie z. B. FMVSS301
- gem. Verbraucherschutz, wie z. B. EuroNCAP
Überschlag
- gem. gesetzlicher Vorgaben, wie z. B. Dacheindrückung
Die Berücksichtigung von Low Speed Lastfällen gewährleistet, dass das Fahrzeug leichte Parkrempler ohne Schaden und leichte Auffahrunfälle nur mit geringen Reparaturkosten übersteht. Mit Hilfe der Crashsimulation finden die CDH Spezialisten die richtigen Bauteileigenschaften, wie Geometrie, Material und Verbindungstechnik, sowie für die Fahrzeugstruktur als Ganzem. Dies stellt für alle Crashdisziplinen und sonstige Anforderungen eine multidisziplinäre Optimierung dar. Abhängig von der Projektphase kommen unterschiedliche Simulationsmethoden zum Einsatz u. a.:
- Vereinfachte Konzeptmodelle
- Topologieoptimierung
- Wandstärkenoptimierung
- Stochastische Simulation
Insassenschutz
Im Rahmen der Insassensimulation werden alle Teile des Fahrzeuges optimiert, die während eines Unfalls potentiell Kontakt mit dem Insassen haben. Eine besondere Bedeutung haben dabei die primären Komponenten des Rückhaltesystems, Airbag und Gurt. Aber auch Bauteile, wie Sitz und Instrumententafel werden gezielt auf die Interaktion mit dem Insassen ausgelegt. Der Einsatz moderner Sensoren erlaubt u.a. die Unterscheidung von verschiedenen Unfallschweren, der Insassengröße und der Sitzposition. Mit Hilfe umfangreicher Parameterstudien werden in der virtuellen Entwicklung die optimalen Eigenschaften für z. B. Airbaggasgeneratoren oder Gurtkraftbegrenzer gesucht. Speziell bei der Entwicklung von Airbagsystemen wird auch das Risikopotential über die Betrachtung s.g. Out-of-Position Lastfälle berücksichtigt. Die realistische Abbildung des physikalischen Verhaltens, sei es das Abbrandverhalten von Gasgeneratoren oder das Entfalten von gefalteten Airbags, in der Simulation sind Voraussetzung für belastbare Simulationsergebnisse.
Frontcrash
- gem. gesetzlicher und Verbraucherschutzvorgaben, wie z. B. FMVSS208 5%ile HIII Dummy
Seitencrash
- gem. gesetzlicher und Verbraucherschutzvorgaben, wie z. B. IIHS SiD IIs
Heckcrash
- gem. Verbraucherschutz, wie z. B. EuroNCAP
Die Vielzahl an Designparametern in Kombination mit der großen Anzahl unterschiedlicher Lastfälle, sowie der Wechselwirkung einzelner Parameter macht den Einsatz von automatischen Optimierungsmethoden notwendig. Abhängig von der konkreten Fragestellung können verschiedene Methoden verwendet werden:
- Design of Experiment (DoE)
- Gradientenbasierte Optimierungsalgorithmen
- Evolutionäre Optimierungsalgorithmen
- Stochastische Optimierungsalgorithmen
Menschmodell
Bis heute wurde die passive Fahrzeugsicherheit geprägt durch den Einsatz von Crashtest-Dummies (Anthropomorphic Test Devices). Zukünftig sollen Einschränkungen die mit der Konstruktion der Crashtest-Dummies einhergehen durch den Einsatz von Menschmodellen (Human Body Models) überwunden werden. Mit diesen Modellen soll die Diversität des menschlichen Körpers bei der Entwicklung von Fahrzeugrückhaltesystemen besser berücksichtigt werden. Hierbei kann es sich um folgende Faktoren handeln:
- Körpergewicht und Größe
- Geschlecht
- Alter
- Komfortsitzposition
Partnerschutz
Neben dem Schutz des Fahrzeuginsassen, hat der Partnerschutz immer mehr Bedeutung gewonnen, voran der Fußgängerschutz. Im Zielkonflikt zwischen Fahrzeugdesign, Bauraum und Sicherheitsanforderungen kann mit Hilfe der Simulation das richtige Konzept definiert werden, dabei werden früh im Entwicklungsprozess Fragen bzgl. der verwendeten Materialien genauso beantwortet, wie die Entscheidung über aktive oder passive Systeme getroffen. Zum Leistungsspektrum der CDH AG gehören neben den reinen CAE Tätigkeiten auch die Koordination von Versuchen, von der Bauteil-, Fahrzeug- und Prüfstandsplanung und die Analyse von Versuchen und der Vergleich mit der Simulationsprognose. Die Kommunikation der Fußgängerschutzbelange innerhalb Ihrer Organisation übernehmen wir genauso, wie die Verfolgung der Maßnahmenumsetzung im Rahmen der Projektkoordination. Abgerundet wird das Leistungsspektrum der CDH AG durch Sensorsimulationen, wie sie zur Entwicklung aktiver Fußgängerschutzkonzepte notwendig sind.
- Kopfaufprall
- Hüftaufprall
- Beinaufprall
Jeweils für gesetzliche Anforderungen in Europa und Japan, sowie Verbraucherschutztests wie z. B. EuroNCP
Hochvoltsicherheit
Die Bedeutung von elektrifizierten Fahrzeugen nimmt rasch zu, sei es als Hybrid (HEV), Plug-in Hybrid (PHEV), reines Elektrofahrzeug (BEV) oder als Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV). Mit der Technologie der Hochvoltsysteme gehen aber auch neue Risiken einher, z.B. die Gefahr eines Kurzschlusses oder eines Brands bzw. das Versagen eines Wasserstofftanks. Für alle möglichen Szenarien des realen Unfallgeschehens müssen Vorkehrungen getroffen werden, die Anforderungen gehen dabei weit über bestehende gesetzliche Crashanforderungen hinaus.
Karosserie
Bereits in der Konzeptphase muss die Rohkarosserie des Fahrzeugs nicht nur für den Schutz der Insassen, sondern auch für den Schutz des HV-Systems ausgelegt werden. CDH Spezialisten finden intelligente Leichtbaulösungen um diese Ziele optimal zu erreichen.
Batteriegehäuse
Das Batteriegehäuse schützt im Falle eines Unfalls die Batteriezellen in seinem Inneren vor äußeren Belastungen. Dazu müssen bereits auf Komponentenebene die Erfüllung gesetzlicher Anforderungen nachgewiesen werden. Mit Hilfe der FEM optimiert CDH die Steifigkeit und Festigkeit des Batteriegehäuses bereits vor den ersten Prototypen.
Die Integration der gesamten Batterie in die Fahrzeugumgebung ist ein weiterer Schwerpunkt der HV-Sicherheit. Aufgrund der hohen Massen wirken bei einem Unfall sehr große Trägheitskräfte auf die Batterie, diese müssen auf vorher definierten Kraftpfaden in die Karosserie eingeleitet werden. CDH ist in der Lage die übertragenen Kräfte präzise zu bestimmen und die zu wählende Verbindungstechnik bzw. die formschlüssige Einbausituation zu dimensionieren.
Batteriezellen
Die Li-Ionen-Zellen stellen den verletzlichen Kern der HV-Technologie dar, ihrem Schutz dienen alle Maßnahmen. Eine realistische Abbildung ihres mechanischen Verhaltens in der Simulation ist dabei die Voraussetzung für prognosesichere Berechnungen.
Elektronikkomponenten
Alle stromführenden Komponenten sind auf ihr Verhalten während eines möglichen Unfalls zu untersuchen. Ladegerät, Leistungselektronik oder PTC-Heizelementen müssen hinsichtlich ihrer Belastung und auch hinsichtlich des Zeitpunkts der Belastung untersucht werden. Mögliche Beschädigungen dürfen erst spät, nach Abschalten der Spannungsversorgung, auftreten.
Leitungen
Die gleichen Anforderungen wie für die Elektronikkomponenten gelten auch für alle HV-Leitungen.
Ansprechpartner
Ulrich Freyberger//Aktuelles
Release Note CDH/AMLS 5.3 and CDH/FastFRS 2.3 (revision 170)
Praxiskonferenz Fußgängerschutz vom 3. bis 4. Juli 2024 in Bergisch Gladbach, Deutschland