HyDRA®: Vollelektrischer Schlitten verkürzt Entwicklungszeit
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Dank der Präzision und digitaler Schnittstellen beschleunigt HyDRA® die Gurtsystem-Entwicklung mit hochdynamischem Testen. Sie ermöglicht zukünftig ein ganz neues Niveau an Adaptivität, also der Anpassung der Sicherheitssysteme an reale Verhältnisse.
Der klassische Crash-Test-Dummy wurde 1976 als „50-Prozent-Mann“ eingeführt. Er hat zwar inzwischen eine ganze Familie dazu bekommen (eine 5-Prozent-Frau und drei Kinder) – doch die Anforderungen der Gesellschaft und der Mobilität entwickeln sich rasant weiter: Männer und Frauen, deren Statur und Gewicht nicht dem „Standard“ der Dummies entsprechen, wollen im Falle eines Crashs genauso sicher sein wie ältere Menschen, die einen empfindlicheren Knochenbau haben. Und dank hochautomatisiertem Fahren wird es bald veränderte Fahrzeug-Innenräume mit bislang unüblichen Sitzpositionen geben – für die dieselben Ansprüche an die individuelle Sicherheit gelten. Verbraucherschutzorganisationen wie NCAP drängen mit erweiterten Crash-Sicherheitsanforderungen darauf, sich nicht mit dem aktuell schon sehr hohen Niveau bei der passiven Sicherheit zufrieden zu geben.
Paradigmenwechsel: Passive Sicherheit, wie man sie braucht
„Der generelle Trend in der passiven Sicherheit geht zu adaptiven Rückhaltesystemen, die viel spezifischer auf das tatsächliche Unfallgeschehen und den tatsächlichen Bedarf an Rückhaltekräften reagieren können“, erklärt Dr. Kai-Ulrich Machens, Manager Seat Belt Systems Engineering: Function Test Methodology, Materials & Acoustics bei ZF LIFETEC in Alfdorf. Dank neuartiger Sensorik in den Autos kann die Steuerungssoftware für Rückhaltesysteme in Zukunft auf viel mehr Informationen zurückgreifen: Was für ein Crash passiert da gerade? Wieviel wiegt die Person im Fahrersitz? Wieviel die auf dem Beifahrersitz? Welche Staturen haben sie, sitzen sie gerade oder schräg oder gar vornübergebeugt? Mit diesen Informationen können insbesondere beim Sicherheitsgurt adaptive Funktionen realisiert werden, beispielsweise welche Rückhaltekräfte ein Gurtsystem braucht, um eine zierliche Person bei einem Frontalcrash optimal zu schützen. Adaptiv bedeutet: Jede und jeder bekommt die passive Sicherheit, die zu ihm oder ihr und zur Situation passt.
HyDRA®: ultrapräzises Test-Equipment mit digitalem Zwilling
„Wenn wir allerdings versuchen, nach bisherigen Methoden adaptive Rückhaltesysteme zu entwickeln, kommen wir nicht zum Ziel“, erklärt Dr. Lars Kübler, Direktor Seat Belt Systems Engineering bei ZF LIFETEC "Die funktionalen Simulationsmodelle, die es braucht, um optimale Einstellungen für unterschiedliche Crash-Szenarien mit verschiedenen Insassen zu entwickeln, lassen sich aus den komplexen Full-Scale-Crashtests nur sehr schwer gewinnen.“ Kübler ist sich daher sicher: „Adaptive Sicherheit braucht viel mehr virtuelles Testen – aber das auf der Grundlage hochpräziser dynamischer Tests.“
HyDRA® ist eine Testanlage, die genau diesen Ansatz umsetzt. Die Abkürzung steht für „Hyper Dynamic Response Actuator“. Es ist ein elektrisch angetriebener Mini-Schlitten, auf dem hochdynamische Tests von Gurtsystemen umgesetzt werden können – Geschwindigkeiten bis 144 km/h und Beschleunigungen oder Verzögerungen bis 70 g. (Zur Erinnerung: Ein normaler Pkw beschleunigt mit 0,3 g, ein Formel-1-Bolide beim Start mit 1,5 g). HyDRA® ist dabei mit extrem präziser Messtechnik ausgestattet. Zum Beispiel dokumentieren induktive Wegemess-Sensoren auf den Tausendstel Millimeter genau jede Verschiebung an bestimmten Messtellen im Crashverlauf. Integrierte Kraftmesszellen nehmen die dynamischen Lasten auf, die in den Phasen eines Crashs im Gurtband herrschen und auf den Insassen einwirken. All diese Sensoren erzeugen Daten – und genau darin besteht ein zentraler Vorteil des Testsystems, das auf der Welt seinesgleichen sucht: Ein digitaler Zwilling läuft immer schon mit. Auf diese Weise lassen sich die (aufwändigen und langsamen) physikalischen Tests im Nachgang durch viele verschiedene (effiziente und schnelle) virtuelle Tests oder Simulationen fortsetzen oder ergänzen.
Schneller validieren heißt schneller entwickeln
Damit bietet HyDRA® den Entwicklern von Gurtsystemen eine ganze Bandbreite von neuen Möglichkeiten. Eine verbindet sich mit dem Stichwort Lean Validation. „Normalerweise werden bei der Entwicklung von Gurtsystemen aufwendige Systemtests für jede Anwendung gemacht – also im Zweifel für jedes Modell eines Fahrzeugherstellers“, erklärt Machens. „Mit HyDRA® können wir zukünftig einen Großteil dieser Testergebnisse durch Simulationen mit hoher Güte voraussagen.“ Auf diese Weise wird ZF LIFETEC auch in der Abstimmung mit Kunden schneller: „Daten und Simulationen auf der Basis von HyDRA® beschleunigen unsere Reaktionszeit bei Kundenanfragen“, betont Machens.
Dank HyDRA® lässt sich ein weiterer Trend berücksichtigen, der klassische Schlittenanlagen vor zusätzliche Herausforderungen stellt: das Zusammenführen von Crash und Pre-Crash, also die direkte Berücksichtigung der Manöver ausgelöst durch Fahrerassistenzsysteme (oder den Fahrer selbst), die vor dem Crash wirken. Ein Beispiel für solche Pre-Crash-Systeme ist der Notbrems-Assistent. Was gut ist: In vielen Fällen kann er den Crash verhindern, bei den restlichen Fällen kann er die Aufprallgeschwindigkeit vor einem realen Crash reduzieren und damit die Auswirkungen (Verletzungen) mildern. Was weniger gut ist: Die scharfe Bremsung kann bewirken, dass Insassen vorverlagert werden und bereits einen Teil des Gurtwegs „verbrauchen“, der im weiteren Crash-Ablauf nicht mehr zur Verfügung steht. „Pre-Crash-Systeme bei der Entwicklung und beim Testing von Gurtsystemen zu berücksichtigen, ist eine Herausforderung“, weiß Machens. „Mit HyDRA® gelingt sie.“ Kein Wunder, dass ZF LIFETEC HyDRA® auch eingesetzt hat, um das eigene Pre-Crash-System weiterzuentwickeln, beispielsweise für den aktiven Gurtstraffer ACR8 .
Data-Mining: KI und HyDRA® als Partner
Und hat die neue Schlittenanlage erst einmal hunderte von Tests mit ihren standardisierten und digitalisierten Testaufbauten absolviert, lässt sich diese Datenbasis nutzen, um gezielt weitere Analysen anzustellen, beispielsweise um projektübergreifend verschiedene Baustände miteinander vergleichen zu können. KI-Algorithmen können dann gezielt darauf angesetzt werden, Zusammenhänge und Charakteristika zu finden. „Auf diese Weise können wir noch besser aus den Crash-Versuchen lernen und auch unsere Entwicklungsarbeit weiter beschleunigen“, so das Fazit von Machens.
Vorträge und Veröffentlichungen
2024 HUMANETICS SAFETY SUMMIT EUROPE, HEIDELBERG, GERMANY HUMANETICS SAFETY SUMMIT EUROPE
2024 HUMANETICS SAFETY SUMMIT EUROPE, HEIDELBERG, GERMANY
CONNECTING HUMANS IN MOTION
RESTRAINT ANALYSIS ON HyDRA® TO FOSTER REAL-LIFE SAFETY
- Dr.-Ing. Kai-Ulrich Machens, Manager Seat Belt Systems Engineering, ZF LIFETEC
- Dr.-Ing. Lars Kübler, Director Seat Belt Systems Engineering, ZF LIFETEC
2024 crash.tech 2024, Ingolstadt, Deutschland Crash.tech 2024
International conference TÜV SÜD, Technische Hochschule Ingolstadt, Esplanade 10, Ingolstadt, 13 März 2024
HyDRA®: DESIGN SPACE VALIDATION FOR SEATBELT SYSTEMS COMBINED WITH FUNCTIONAL MODELS FOR REAL-LIFE SAFETY
- Dr.-Ing. Kai-Ulrich Machens, Manager Seat Belt Systems Engineering, ZF LIFETEC
- Dr.-Ing. Lars Kübler, Director Seat Belt Systems Engineering, ZF LIFETEC
2023 27th ESV 2023, Yokohama, Japan 27th ESV 2023
27th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV) Convention Center “PACIFICO“ Yokohama North, Japan, 5 April 2023
DYNAMIC TESTING WITH PRE-CRASH ACTIVATION TO DESIGN ADAPTIVE SAFETY SYSTEMS
- Dr.-Ing. Kai-Ulrich Machens, Manager Seat Belt Systems Engineering, ZF LIFETEC
- Dr.-Ing. Lars Kübler, Director Seat Belt Systems Engineering, ZF LIFETEC
2022: AIRBAG 22, Mannheim, Deutschland Airbag 2022
15th International Symposium and Exhibition on Sophisticated Car Safety Systems Convention Center “Rosengarten“ Mannheim, Germany, 29 November 2022
HyDRA®: PHYSICAL & VIRTUAL DYNAMIC TEST-BENCH TO APPROACH INTEGRATED SAFETY
- Dr.-Ing. Kai-Ulrich Machens, Manager Seat Belt Systems Engineering, ZF LIFETEC
- Dr.-Ing. Lars Kübler, Director Seat Belt Systems Engineering, ZF LIFETEC
Andreas Neemann hat seinen ersten ZF-Magazintext im Jahr 2001 zum 6HP-Automatgetriebe geschrieben. Seither begleitet der Automotive-Autor mit Faible für komplexe Themen den Konzern in vielen Publikationen für interne wie externe Leser.
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When it comes to global occupant safety systems such as airbags and seatbelts, ZF is the leader, as is widely known.
Der Crash-Clan schützt
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