Wie Crumple Zones funktionieren

Knautschzonen sollen die Kraft einer Kollision absorbieren und neu verteilen. Sehen Sie mehr Autosicherheitsbilder. Gelbe Hundeproduktionen / Getty Images

Die Autosicherheit hat in den letzten Jahrzehnten einen langen Weg zurückgelegt, und eine der effektivsten Innovationen ist die Knautschzone. Auch bekannt als Quetschzone, Knautschzonen sind Bereiche eines Fahrzeugs, die so konstruiert sind, dass sie sich bei einer Kollision verformen und zerknittern. Dies absorbiert einen Teil der Energie des Aufpralls und verhindert, dass dieser auf die Insassen übertragen wird.

Natürlich ist es nicht so einfach, Menschen bei Autounfällen zu schützen, wie das ganze Fahrzeug zerknittern zu lassen. Ingenieure müssen bei der Entwicklung sicherer Autos viele Faktoren berücksichtigen, darunter Fahrzeuggröße und -gewicht, Rahmensteifigkeit und die Belastungen, denen das Auto bei einem Unfall wahrscheinlich ausgesetzt ist. Beispielsweise sind Rennwagen weitaus stärkeren Stößen ausgesetzt als Straßenautos, und SUVs stürzen häufig mit größerer Kraft ab als Kleinwagen.

Wir werden herausfinden, wie Knautschzonen die an einem Absturz beteiligten Kräfte umverteilen, woraus Knautschzonen bestehen, und einige andere fortschrittliche Sicherheitssysteme kennenlernen, die derzeit getestet werden. Wir werden auch herausfinden, wie Knautschzonen in Rennwagen eingebaut wurden und warum eine Reihe von Renntoten hätte verhindert werden können, wenn der Sport diese Sicherheitsmerkmale früher übernommen hätte. Wir werden uns sogar Knautschzonen ansehen, die die massiven Auswirkungen einer Zugkollision absorbieren sollen.

Lesen Sie die nächste Seite, um herauszufinden, welche Kräfte an einer Kollision beteiligt sind, und um zu erfahren, wie eine gut gestaltete Knautschzone die Verletzungen der Insassen minimieren kann.

Was ist in einer Knautschzone??

Die Besonderheiten von Knautschzonendesigns sind normalerweise proprietäre Informationen, die Autohersteller nur ungern preisgeben. Sie können je nach Größe und Gewicht des Fahrzeugs stark variieren. Designer müssen ein Gleichgewicht zwischen zu viel Schlagfestigkeit und zu wenig Schlagfestigkeit finden. Einfache Designs können Rahmensegmente enthalten, die so konstruiert sind, dass sie sich in bestimmten Bereichen biegen oder auf sich selbst zusammenfallen. Fortgeschrittenere Konstruktionen können eine Vielzahl von Metallen und anderen Materialien verwenden, die sorgfältig entwickelt wurden, um so viel kinetische Energie wie möglich zu absorbieren. Hochleistungsautos verwenden häufig ein Wabendesign, das unter normalen Bedingungen Steifheit bietet, aber bei einem Unfall zusammenbrechen und zerknittern kann.

Inhalt

1. Aufprallkraft
2. Design-Kompromisse
3. Todesfälle im Autorennsport verhindern

Diese Autos wurden in einer Forschungseinrichtung für Fahrzeugsicherheit in Wolfsburg einem Kollisionstest unterzogen. Beachten Sie, wie die Knautschzonen den größten Teil des Aufpralls absorbiert zu haben scheinen. Peter Ginter / Getty Images

Immer wenn ein Auto in einen Unfall verwickelt ist, wirken intensive kinetische Kräfte. Bei jedem Absturz ist eine bestimmte Kraft vorhanden. Die tatsächlichen Zahlen variieren je nach Geschwindigkeit und Masse des Autos sowie der Geschwindigkeit und Masse dessen, was es trifft. Physiker messen diese Kraft als Beschleunigung -- Selbst wenn von einer hohen zu einer niedrigeren Geschwindigkeit gewechselt wird, wird jede Änderung der Geschwindigkeit im Laufe der Zeit wissenschaftlich als Beschleunigung bezeichnet. Um Verwirrung zu vermeiden, bezeichnen wir die Crash-Beschleunigung als Verzögerung.

Knautschzonen erreichen zwei Sicherheitsziele. Sie reduzieren die anfängliche Kraft des Unfalls und verteilen die Kraft neu, bevor sie die Insassen des Fahrzeugs erreicht.

Der beste Weg, um die Anfangskraft bei einem Crash mit einer bestimmten Menge an Masse und Geschwindigkeit zu reduzieren, besteht darin, die Verzögerung zu verlangsamen. Sie haben diesen Effekt selbst gesehen, wenn Sie aus irgendeinem Grund auf die Bremse treten mussten. Die Kräfte, die Sie bei einem Not-Aus erfahren, sind viel größer als wenn Sie für eine Ampel allmählich langsamer werden. Bei einer Kollision kann eine Verlangsamung der Verzögerung um einige Zehntelsekunden zu einer drastischen Verringerung der Kraft führen. Kraft ist eine einfache Gleichung:

Kraft = Masse * Beschleunigung

Durch Halbieren der Verzögerung wird auch die Kraft halbiert. Wenn Sie die Verzögerungszeit von 0,2 Sekunden auf 0,8 Sekunden ändern, wird die Gesamtkraft um 75 Prozent reduziert.

Knautschzonen erreichen dies, indem sie eine Pufferzone um den Umfang des Autos erstellen. Bestimmte Teile eines Autos sind von Natur aus starr und verformungsbeständig, z. B. der Fahrgastraum und der Motor. Wenn diese starren Teile auf etwas treffen, werden sie sehr schnell abgebremst, was zu viel Kraft führt. Das Umgeben dieser Teile mit Knautschzonen ermöglicht es den weniger starren Materialien, den ersten Aufprall zu erzielen. Das Auto beginnt zu bremsen, sobald die Knautschzone zusammenbricht, wodurch die Verzögerung um einige zusätzliche Zehntelsekunden verlängert wird.

Knautschzonen helfen auch dabei, die Aufprallkraft neu zu verteilen. Die ganze Kraft muss irgendwohin - das Ziel ist es, sie von den Insassen wegzuschicken. Stellen Sie sich die in einen Absturz verwickelte Kraft als Kraftbudget vor. Alles, was während eines Aufpralls mit dem Auto passiert, und jede Person, die sich zum Zeitpunkt des Aufpralls im Auto befindet, verbraucht einen Teil der Kraft. Wenn das Auto auf ein instationäres Objekt trifft, wie ein geparktes Auto, wird eine gewisse Kraft auf dieses Objekt übertragen. Wenn das Auto mit einem flüchtigen Schlag auf etwas trifft und sich dreht oder rollt, wird ein Großteil der Kraft für das Drehen und Rollen aufgewendet. Wenn Teile des Autos abfliegen, wird noch mehr Kraft aufgewendet. Am wichtigsten ist, dass Schäden am Auto selbst Kraft verbrauchen. Teile des Rahmens biegen, Karosserieteile zerschlagen, Glas zerbrechen - all diese Aktionen erfordern Energie. Überlegen Sie, wie viel Kraft erforderlich ist, um den Stahlrahmen eines Autos zu biegen. Diese Kraft wird zum Biegen des Rahmens aufgewendet, sodass sie niemals auf die Insassen übertragen wird.

Knautschzonen basieren auf diesem Konzept. Teile des Autos sind mit speziellen Strukturen ausgestattet, die beschädigt, zerknittert, gequetscht und zerbrochen werden können. Wir werden die Strukturen selbst kurz erklären, aber die Grundidee ist, dass es Kraft braucht, um sie zu beschädigen. Knautschzonen verbrauchen so viel Kraft wie möglich, damit andere Teile des Autos sowie die Insassen nicht unter den Auswirkungen leiden.

Warum also nicht das ganze Auto zu einer riesigen Knautschzone machen? Und wenn Sie Platz für eine Knautschzone benötigen, um Stöße zu absorbieren, wie bauen Sie ein kompaktes Auto mit Knautschzonen? Wir werden im nächsten Abschnitt erklären.

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Der Erfinder der Knautschzone

Béla Barényi war Ingenieur und Erfinder und verbrachte den größten Teil seiner Karriere bei Daimler-Benz. Sein Name erscheint auf mehr als 2.500 Patenten. In einem dieser 1952 erteilten Patente wird erläutert, wie ein Auto mit Bereichen vorne und hinten konstruiert werden kann, die bei einem Aufprall kinetische Energie verformen und absorbieren. Er setzte das Konzept 1959 für den Mercedes-Benz W111 Fintail ein, das als erstes Auto Knautschzonen einsetzte [Quelle: Deutsches Patent- und Markenamt].

Dieser BMW hat offensichtlich einen schweren Aufprall erlitten und scheint stark beschädigt zu sein. Keiner der Schäden betraf jedoch den Fahrgastraum - die vordere Knautschzone machte ihren Job. Tim Graham / Getty Images

Das Absorbieren und Umleiten von Auswirkungen ist großartig, aber es ist nicht das einzige Sicherheitsproblem, über das sich Autodesigner Sorgen machen müssen. Der Fahrgastraum des Autos muss nicht von äußeren Gegenständen oder anderen Teilen des Autos durchdrungen werden und muss zusammenhalten, damit die Insassen nicht hinausgeworfen werden. Sie können nicht ein ganzes Auto zu einer Knautschzone machen, weil Sie nicht möchten, dass die Leute darin auch zerknittern. Aus diesem Grund sind Autos mit einem starren, starken Rahmen ausgestattet, der die Insassen umschließt, mit Knautschzonen vorne und hinten. Die Kraftreduzierung und -umverteilung erfolgt im Fahrgastraum durch die

Verwendung von Airbags.

Es gibt einige Teile von Autos, die einfach nicht zerknittern können. Der Motor ist der Haupttäter - in den meisten Fahrzeugen ist der Motor ein großer, schwerer Stahlblock. Kein Zerknittern da. Gleiches gilt für Fahrzeuge mit Aluminium-Motorblöcken. Manchmal müssen Autos neu gestaltet werden, um den Motor weiter zurück in den Rahmen zu bewegen, um eine größere Knautschzone aufzunehmen. Dies kann jedoch auch zu Problemen führen. Wenn der Motor infolge eines Aufpralls in den Fahrgastraum zurückgeschoben wird, kann dies zu Verletzungen führen.

-Kraftstofftanks und Batteriepacks in Elektro- oder Hybridfahrzeugen müssen ebenfalls vor Stößen geschützt werden, um Brände oder die Exposition gegenüber giftigen Chemikalien zu vermeiden. Sie können so gestaltet werden, dass ein Teil des Rahmens den Tank schützt, dieser Teil des Rahmens sich jedoch vom Aufprall wegbiegen kann. Wenn beispielsweise ein Auto auf dem Heck steht, biegt sich der Rahmen nach oben, hebt den Gastank aus dem Weg und absorbiert einen Aufprall. Neuere Autos verfügen über Systeme, die die Kraftstoffzufuhr zum Motor während eines Unfalls unterbrechen, und der Tesla Roadster, ein Hochleistungs-Elektroauto, verfügt über ein Sicherheitssystem, das die Batteriepacks abschaltet und die gesamte elektrische Energie aus den im gesamten Auto verlaufenden Kabeln ableitet es spürt einen Notfall [Quelle: Tesla Motors].

Natürlich ist es einfach, Knautschzonen in ein großes Fahrzeug mit viel Platz zum Zerknittern einzubauen, bevor der Fahrgastraum beeinträchtigt wird. Das Entwerfen von Knautschzonen in kleinen Fahrzeugen erfordert etwas Kreativität. Ein gutes Beispiel ist der smart fortwo, ein extrem kleiner

und effizientes Fahrzeug. Fahrer und Beifahrer sind in der Tridion-Sicherheitszelle eingeschlossen, einem Stahlgerüst mit ausgezeichneter Steifigkeit für seine Größe. Die Geometrie ist so konzipiert, dass die Stöße über den gesamten Rahmen verteilt werden. An der Vorder- und Rückseite des Smart Fortwo befinden sich Smart Calls Crashboxen. Dies sind kleine Stahlgerüste, die zusammenfallen und zerknittern, um Stöße zu absorbieren. Weil die Crashboxen so klein sind, wurden andere stoßdämpfende Merkmale verwendet, um sie zu ergänzen. Beispielsweise kann das Getriebe im Falle einer Frontalkollision als Stoßdämpfer wirken. Der kurze Radstand des fortwo bedeutet, dass fast jeder Aufprall die Reifen, Räder und die Federung betrifft. Diese Komponenten wurden entwickelt, um sich zu verformen, abzubrechen oder zurückzuprallen und dabei zu helfen, während eines Aufpralls noch mehr kinetische Energie zu absorbieren [Quelle: smart USA].

Als nächstes werden wir sehen, wie Knautschzonen dazu beitragen, Ihren Lieblingsrennfahrer am Leben zu erhalten.

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Knautschzonen in Zügen

Wir haben über die unglaubliche kinetische Kraft bei der Arbeit gesprochen, wenn ein Auto abstürzt, aber stellen Sie sich die Kraft vor, die entsteht, wenn zwei Züge kollidieren. Aufgrund des immensen Gewichts eines Zuges kann eine Kollision Kräfte erzeugen, die Dutzende oder sogar Hunderte Male größer sind als bei einem Autounfall. Knautschzonen können jedoch auch unter diesen extremen Umständen verwendet werden. Mithilfe von 3D-Computersimulationen können Ingenieure eine Knautschzone erstellen, die sich beim Aufprall gleichmäßig und gleichmäßig verformt und die maximal mögliche Kraft aufnimmt. Die Knautschzonen werden dann an beiden Enden jedes Wagens in einem Personenzug platziert. Im Falle einer Kollision verteilt die Kettenreaktion von Autos, die ineinander schlagen, die Kraft auf alle Knautschzonen im Zug. Das könnte genug Aufprallkräfte aufnehmen, um Verletzungen der Passagiere zu vermeiden [Quelle: Machine Design].

Einige Stürze, wie der mit dem Formel-1-Fahrer Robert Kubica, sehen spektakulär und schrecklich aus. Tatsächlich hat die Zerstörung des Autos Kubica wahrscheinlich das Leben gerettet. DAVID BOILY / AFP / Getty Images

Auch wenn Sie kein Fan von Autorennen sind, haben Sie wahrscheinlich Bilder von spektakulären Unfällen gesehen, bei denen Autos die Strecke hinunterstürzen und Teile in alle Richtungen schleudern, während das Auto buchstäblich zerstört wird. Doch auf wundersame Weise steigt der Fahrer aus dem verdrehten Wrack und geht unverletzt davon. Während diese Abstürze schrecklich aussehen, verbraucht all diese spektakuläre Zerstörung kinetische Energie. Es ist wahrscheinlich keine lustige Fahrt für den Fahrer, aber das Auto macht genau das, wofür es in dieser Situation entwickelt wurde - schützen Sie die Person auf dem Fahrersitz.

Es gab auch seltene Fälle, in denen ein Rennwagen mit hoher Geschwindigkeit auf ein festes Objekt traf, wie beispielsweise den Unfall von NASCAR-Fahrer Michael Waltrip in Bristol im Jahr 1990. Er traf das stumpfe Ende einer Betonwand bei Renngeschwindigkeit, und das Auto hielt sehr plötzlich an . Der Aufprall erzeugte enorme Kräfte, doch Waltrip war unverletzt. Der Grund liegt darin, die Überreste seines Autos an diesem Tag zu betrachten. Es wurde vollständig und vollständig zerstört. All diese Kraft wurde für die Zerstörung des Autos aufgewendet. Offensichtlich ging der Vorfall weit über die Fähigkeiten einer Knautschzone hinaus, und tatsächlich war es nur eine Frage des Glücks, dass nichts in den Fahrerraum eindrang, um Waltrip zu verletzen. Gewaltumverteilung rettete ihm das Leben.

Die Folgen des Unfalls, bei dem Dale Earnhardt Sr. getötet wurde. Sein Auto, die schwarze Nummer 3, scheint nicht schwer beschädigt zu sein. Robert Laberge / Allsport / Getty Images

Es gibt jedoch einen unglücklichen Kontrapunkt zum Konzept. Von den 1980er bis zu den frühen 2000er Jahren gab es zahlreiche Todesfälle im Rennsport aufgrund eines zu steifen Chassis. Der wahrscheinlich bekannteste Vorfall ist der Tod von Dale Earnhardt Sr. im Daytona 500 von 2001. Der Unfall schien anfangs nicht schwerwiegend zu sein, und das Auto schien keinen großen Schaden zu erleiden. Das war jedoch genau das Problem. Ein Großteil der Aufprallkraft wurde direkt auf den Fahrer übertragen, was zu sofortigen und schweren Verletzungen führte. Die tödliche Verletzung war eine basiläre Schädelfraktur, eine Verletzung des Bereichs, in dem sich Schädel und Rückenmark verbinden. Diese Verletzung ist die Todesursache bei vielen Autorennenunfällen und tritt auf, wenn der Kopf beim Aufprall nach vorne schnappt, während der Körper durch Sicherheitsgurte festgehalten wird. Während Kopf- und Nackenstützen die Häufigkeit von Schädelbrüchen im Basilikum verringert haben, hat die Reduzierung der Aufprallkräfte auf den Fahrer ebenfalls eine wichtige Rolle gespielt.

In dieser Zeit wurden mehrere andere bekannte Fahrer getötet sowie weniger bekannte Fahrer in NASCAR-modifizierten und späten Modellklassen, die auf Strecken in den Vereinigten Staaten fahren. Der Grund für die Zunahme tödlicher Unfälle war einfach das Streben nach höherer Leistung. Autodesigner und Crews suchten nach einem besseren Handling, indem sie ein steiferes Chassis entwickelten. Dies beinhaltete das Hinzufügen von Komponenten zum Rahmen, die Verwendung von geraden Rahmenschienen und den Wechsel zu Stahlrohren mit dickeren Wänden. Sicher, sie haben das Chassis steifer gemacht, aber als diese unflexiblen Autos gegen eine Wand stießen, gab es kein Nachgeben. Keine der Kräfte wurde vom Auto aufgenommen - der Fahrer nahm den größten Teil des Aufpralls auf.

Noch vor Earnhardts Tod im Jahr 2001 versuchten Rennstrecken, Lösungen für dieses Problem zu finden. Gleise im Nordosten der USA experimentierten mit riesigen Blöcken aus industriellem Styropor an den Wänden, ein ähnliches Konzept wie die Soft-Wall-Technologie, die heute auf vielen Superspeedways verwendet wird. Noch wichtiger ist, dass die Autos gewechselt wurden. An bestimmten Stellen des Fahrgestells werden jetzt dünnere Stahlrohre verwendet, und die Rahmenschienen werden gebogen oder gekerbt, damit sie sich beim Aufprall etwas vorhersehbar verformen.

Das NASCAR Car of Tomorrow, das im Sprint Cup-Rennsport eingesetzt wird, verfügt über Schaumstoff und anderes stoßabsorbierendes Material, das in kritische Bereiche des Rahmens eingesetzt wird. Obwohl Autorennen immer eine gefährliche Sportart sein werden, haben die Verwendung einer weniger starren Fahrwerkskonstruktion, einer weichen Wandtechnologie und Kopf- und Nackenrückhaltesystemen die Aufprallkräfte auf die Fahrer erheblich reduziert.

Weitere Informationen zu Sicherheitsvorrichtungen für Kraftfahrzeuge, Rennen und anderen verwandten Themen finden Sie unter den Links auf der nächsten Seite.

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Sicherheitsfahrt nach unten

Volvo hat eine weitere stoßdämpfende Technologie für den Einsatz in Kleinwagen entwickelt. Der Fahrersitz ist an einem Schlitten auf einer Schiene montiert, vor dem sich Stoßdämpfer befinden. Bei einem Aufprall gleitet der gesamte "Schlitten" (Sitz und Fahrer eingeschlossen) bis zu 20 cm nach vorne, und die Stoßdämpfer erledigen buchstäblich ihre Arbeit und absorbieren den Stoß des Aufpralls. Gleichzeitig gleiten das Lenkrad und ein Teil des Armaturenbretts nach vorne, um Platz für den Fahrer zu schaffen. In Kombination mit einer vorderen Knautschzone und möglicherweise einem Airbag könnte dieses System die auf den Fahrer bei einem Frontalaufprall einwirkenden Kräfte erheblich reduzieren [Quelle: Ford Motor Company].

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Weitere großartige Links

• Circle Track Magazine
• Materialwelten
• NASCAR

Quellen

• Akins, Ellen. "Sicherheit in kleinen Autos: Das Sicherheitskonzept von Volvo." Ford Motor Company. 12. Januar 2005. (1. August 2008) http://media.ford.com/newsroom/feature_display.cfm?release=19713
• Bolles, Bob. "Stock Car Safety - Ein Auffrischungskurs." Kreisspur. (1. August 2008) http://www.circletrack.com/safety/ctrp_0805_stock_car_safety/index.html
• Maschinendesign. "Wird die Absturzzone zusammenbrechen? FEA sagt." 6. November 2003. (31. Juli 2008) http://machinedesign.com/ContentItem/62566/WillthecrashzonecrumpleFEAtells.aspx
• Materielle Welten. "Die Auswirkungen von Knautschzonen: Stürze gegen die Wand." (1. August 2008) http://www.materialworlds.com/sims/Crash/
• Smart USA. "Eine harte Schale mit einem weichen Innenraum." (1. August 2008) http://www.smartusa.com/smart-fortwo-safety-design.aspx
• Tesla Motors. "Sicherheit." (31. Juli 2008) http://www.teslamotors.com/design/safety.php
• Das Deutsche Patent- und Markenamt. "Béla Barényi." (31. Juli 2008) http://www.dpma.de/ponline/erfindergalerie/e_bio_barenyi.html