Integrale Sicherheit von Kraftfahrzeugen

Kraftfahrzeuge weisen bereits heute ein hohes Maß an Sicherheit für Insassen und für äußere Verkehrsteilnehmer (z. B. Fußgänger und Radfahrer) auf; eine weitere Verbesserung stellt die Automobilindustrie vor große Herausforderungen, die nur durch eine Ausweitung der Zielsetzung und eine enge Zusammenarbeit zwischen Herstellern, Zulieferern und Entwicklungsdienstleister einer gemeinsamen Lösung zugeführt werden können. Während sich die passive Sicherheit mit unfallfolgenmindernden Maßnahmen zur Begrenzung der Unfallfolgen befasst, bezieht sich die aktive Sicherheit auf die Vermeidung der Unfälle und die Herabsetzung deren Häufigkeit. Die integrale Sicherheit verknüpft nun beide Bereiche mit dem Ziel, das Schutzpotenzial aller Verkehrsteilnehmer weiterhin zu steigern. Dabei werden der gesamte Unfallablauf von der Unfallentstehung über die Kollision bis zum Rettungswesen ganzheitlich betrachtet und Schutzmaßnahmen entwickelt, erprobt und in den Fahrzeugen serienmäßig eingesetzt. Dabei zielen die Bestrebungen der Sicherheitsingenieure darauf ab, Gefahrensituationen während des normalen Fahrzustandes frühzeitig zu erkennen, zu interpretieren und folgerichtig Maßnahmen zur Unfallvermeidung und zur Minimierung der Unfallfolgen einzuleiten. Assistenzsysteme, konditionierbare und reversible Insassenschutz-Systeme oder automatische Notruf-Systeme, auf die im Folgenden näher einzugehen sein wird, sind bei vielen Automobilherstellern bereits Stand der Technik und stehen dem Benutzer neuerer Fahrzeuge zur Verfügung. Einzeln betrachtet verbessern diese Systeme zweifellos das Unfallvermeidungspotenzial. Durch die Nutzung der mit Hilfe der Assistenzsysteme gewonnenen Informationen und Daten aber lassen sich, sofern eine Kollision unvermeidbar erscheint, Insassenschutz-Systeme frühzeitig, schon vor dem Aufprall, ansteuern, sodass sich die Unfallfolgen reduzieren lassen, zumindest aber die Unfallschwere herabgesetzt werden kann und damit zu einer Verbesserung der Fahrzeugsicherheit führen. Diese Verknüpfung von aktiver und passiver Sicherheit über die Vorunfall- oder PRE-CRASH-Phase charakterisiert die „integrale Sicherheit“.

Im vorliegenden Kapitel wird der Frage nachgegangen, in welchem Umfang und auf welche Art und Weise Straßenverkehrsunfälle stattfinden und unter welchen Umständen Verkehrsteilnehmer dabei zu Schaden kommen. Die Unfallforschung umfasst die drei Teilbereiche Unfallerhebung und -statistik, Unfallrekonstruktion und Unfallanalyse. Die Aufgabe der Unfallforschung besteht nun darin, die Ursachen, die zu einem Unfall führen, aufzuklären. Aus dieser Erklärung können Erkenntnisse abgeleitet werden, deren Umsetzung in der Technik, in der Medizin und in der Psychologie zu einer Verbesserung der Sicherheit des Straßenverkehrs beiträgt.

Während sich die Biomechanik in der aktiven Fahrzeugsicherheit wie auch in der Arbeitswissenschaft auf ergometrische (zu verrichtende Arbeit) und dynamometrische (aufzubringende Betätigungskraft) Aspekte und ihre Einflussfaktoren konzentriert, behandelt die Biomechanik im Zusammenhang mit der passiven Sicherheit die mechanische Belastbarkeit des lebenden Körpers oder von Körperteilen mit dem Ziel, die Verletzungsmechanik bei Unfallopfern zu analysieren und objektive Kriterien zur Unterscheidung von reversiblen und irreversiblen Verletzungen bereitzustellen. Unter Biomechanik versteht man also die Beschäftigung mit dem mechanischen Verhalten des lebenden Körpers bzw. seiner Bestandteile, d. h. es werden hier statische und dynamische Zustände und Prozesse analytisch beschrieben. Im Folgenden soll die Verletzungsmechanik von Organ- und Gewebeverletzungen sowie Frakturen aufgezeigt werden. Dazu wird auf die Anatomie des menschlichen Körpers und das Verhalten bei Belastungen eingegangen.

Mit der Zunahme des Straßenverkehrs aufgrund der wachsenden Anzahl zugelassener Kraftfahrzeuge wuchs auch die Anzahl der Unfälle. Entsprechend frühzeitig setzten die Bemühungen der Legislative ein, zur Verbesserung der Verkehrssicherheit Vorschriften für Fahrzeuge zu erlassen, ohne die Mobilität und das Verkehrsgeschehen zu beeinträchtigen. Zur Überprüfung der Sicherheitsmaßnahmen werden einerseits Funktionsuntersuchungen durchgeführt, andererseits stellt die Sicherheitsgesetzgebung für einzelne Sicherheitskomponenten oder für die Gesamtheit aller Sicherheitseinrichtungen eine Wirkvorschrift dar, bei der nach Erfüllung oder Nicht-Erfüllung der gesetzlichen Anforderung unterschieden wird. Die Bewertung hingegen hat zum Ziel, die Fahrzeugsicherheit nicht nur nach ja/nein-Kriterien zu unterscheiden, sondern auch den unter- und überkritischen Bereich wertemäßig zu erfassen, sodass z. B. im Rahmen der Untersuchungen zur passiven Sicherheit die Insassenbelastungswerte selbst das Gütekriterium darstellen und die Höhe des Wertes mit der Wahrscheinlichkeit der körperteilspezifischen Verletzung korreliert. Damit werden dem Verbraucher Informationen bereitgestellt, nach denen er das Unfallverhalten, im Rahmen der Untersuchungen zur aktiven Sicherheit aber auch das Unfallvermeidungspotenzial, eines bestimmten Fahrzeuges vergleichend mit einem anderen, innerhalb einer Fahrzeugklasse oder auch innerhalb der Fahrzeugpopulation, beurteilen kann.

Ein wesentliches Ziel der Fahrzeugentwicklung ist es, die Unfallzahlen auf ein Minimum zu reduzieren und die Unfallfolgen abzumildern bzw. langfristig den unfallfreien Verkehr zu realisieren („Vision Zero“). Die europäische Kommission hat das Ziel ausgegeben, diese Vision bis 2050 zu erreichen. Dazu soll zunächst die Anzahl der Verkehrstoten im Zeitraum von 2020 bis 2030 halbiert werden und 2030 einen Zielwert von ca. 11.400 getöteten Personen im Straßenverkehr europaweit erreichen. 2021 lag die Zahl der getöteten Personen im Straßenverkehr in Europa bei ca. 19.900. Passive Sicherheitssysteme wie Airbags oder verbesserte Fahrzeugstrukturen, gesetzliche Verordnungen, aber auch infrastrukturelle Maßnahmen, wie die Straßenbeschaffenheit und Kreuzungskonzepte, haben die Anzahl der im Straßenverkehr getöteten Menschen kontinuierlich verringert. Einen positiven Einfluss auf die Entwicklung der Unfallstatistiken hatte ebenfalls die Einführung von aktiven Sicherheitssystemen und Fahrerassistenzsystemen (FAS) in den letzten zwei Jahrzehnten.

Der Insassen- und Partnerschutz dient der Verringerung und der Vermeidung von Unfallfolgen. Neben den Insassen von Fahrzeugen zählen auch Verkehrsteilnehmer, die sich außerhalb eines Fahrzeuginnenraums befinden, zu den zu schützenden Personen. Sie werden als Vulnerable Road User (VRU) zusammengefasst. Die Entwicklung von Schutzkonzepten für Fahrzeuginsassen und VRU ist ein herausforderndes Technologiefeld, da es die Vernetzung unterschiedlicher Disziplinen erfordert: Die ganzheitliche Betrachtung des Verkehrsgeschehens, die Analyse der Unfallentstehung, des Unfallverlaufs, die Möglichkeiten zur Detektion eines Unfallgeschehens und die Entwicklung von Strategien zur Intervention sind Beispiele für Entwicklungsaufgaben beim Insassen- und Partnerschutz. Dieses Kapitel beschreibt, wie sich durch die Verknüpfung der Systeme und Komponenten der Passiven Sicherheit mit anderen Disziplinen Schutzkonzepte der Integralen Sicherheit für Kraftfahrzeuge realisieren lassen. Beispiele dafür sind Interventionen durch Rückhaltesysteme bereits in der Pre-Crash-Phase oder die Fusion von Sensoren verschiedener Fahrzeugdomänen zur Differenzierung von Interventionsstrategien und erweiterte Adaptivitätsfunktionen von Rückhaltesystemen. Der Kern dieses Kapitels ist die Vorstellung der Technologien von Rückhaltesystemen, insbesondere von Sicherheitsgurt-Systemen und Airbag-Systemen. Sie leisten einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung von Verletzungsrisiken – insbesondere für Fahrzeuginsassen. Sie werden ergänzt um Kinder-Rückhaltesysteme und Technologien für den Insassenschutz aus weiteren Fahrzeugdomänen.

Seit den 1980er Jahren gehört die passive Sicherheit zur Standardausrüstung der meisten Automobile; neben der Sicherheitsfahrgastzelle gehören dazu auch Gurt- und Airbag-Systeme. Diese Insassenschutz-Systeme sind heute ohne die notwendige Elektronik für Sensierung und Diagnose sowie für die zeitgerechte Ansteuerung undenkbar. Die Entscheidung, ob die Insassenschutz-Systeme wie Straffer und Kraftbegrenzer des Gurtsystems sowie Fahrer-, Beifahrer-, Kopf- und Thorax-Airbags beim Unfall aktiviert werden sollen, hängt von den Signalen ab, die von den eingesetzten Sensoren detektiert werden. Sowohl in den Airbag-Steuergeräten, als auch in den unterstützenden Front- und Seiten-Sensoren werden heute in der Regel mikromechanische Beschleunigungssensoren verwendet. Bei Seitenkollisionen kommen aber auch Druck-Sensoren zum Einsatz, die in den Fahrzeugtüren installiert sind. Die heutigen Insassenschutz-Systeme erfahren eine gewaltige Veränderung: So konzentriert sich die Entwicklung der Sicherheitssysteme auf eine verbesserte Rückhalte-Funktion, wobei der Schutz auch äußerer Verkehrsteilnehmer immer stärker in den Vordergrund rückt. Diese Anforderung erfordert eine neue Generation von Sensoren zur Insassenerkennung und zur Klassifizierung, in der PreCrash-Phase und zur Umfeld-Detektierung. Dabei findet ein zunehmender Informationsfluss zwischen PreCrash- und der InCrash-Phase statt, um dem steigenden Sicherheitsbedürfnis gerecht werden zu können.

Der Fahrzeugentwicklungsprozess hat sich aufgrund äußerer Einflüsse, des Wettbewerbsdrucks und der zeit- und kundennahen Produktplatzierung in den vergangenen Jahrzehnten zunehmend verändert. Dieses kennzeichnet einen Trend, der sich noch weiter fortsetzen wird, um markt- und kundenspezifischen Anforderungen noch besser gerecht werden zu können. Die Vorgehensweise früherer Entwicklungsabteilungen wurde von der sequenziellen Abarbeitung, sowie einer noch überschaubaren Produktpalette und Fahrzeugkomplexität geprägt. Heute sind Fahrzeuge und die integrierten Systeme komplexer und vernetzter, die Anzahl der Varianten höher, die erhältlichen Serien- und Sonderausstattungen zahlreicher und die verfügbare Entwicklungszeit kürzer. Fakten also, die eine parallele Arbeitsweise unter Zuhilfenahme computergestützter Entwicklungswerkzeuge und effizienter Prozesse notwendig machen. Die schnelle und qualitativ hochwertige Produktentwicklung ist demnach nicht nur von der Kompetenz der beteiligten Fahrzeugentwickler und Lieferanten abhängig, sondern wird vor allem durch effiziente und beherrschte Prozesse sichergestellt. Im Folgenden soll hierzu beispielhaft ein Produktentstehungsprozess dargestellt und dabei im Besonderen die Umfänge der passiven Sicherheit beleuchtet werden. Schwerpunkte liegen bei den „Entwicklungswerkzeugen“ experimentelle und rechnerische Simulation, aber auch das Innovationsmanagement und die Einbindung der Unfallforschung in den Entwicklungsprozess am Beispiel eines Fahrzeugherstellers werden erläutert.