koruması değerlendirmesine etkilerinin incelenmesi

OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
BAŞLIK TASARIMININ BOYUN İNCİNME (WHIPLASH) KORUMASI
DEĞERLENDİRMESİNE ETKİLERİNİN İNCELENMESİ
Çağlar Polatgil*, Murat Dal*,
*
Martur Automotive Seating and Interiors, R&D Center
ÖZET
Bu makalede koltuk geliştirme süreci içerisinde ki Whiplash yaralanmalarını önlemek amacı ile başlık üzerinde
yapılan çalışmalar gösterilmiştir. Lsdyna programı kullanılarak oluşturulan koltuk sonlu elemanlar modeli üzerinden,
değişik başlık modelleri kullanılarak, Biorid mankenin Lsdyna sonlu eleman modeli ile Whiplash simülasyonları
gerçekleştirilmiştir. Başlık tasarım modelindeki değişikliklerin Euroncap Whiplash test prosedürü çerçevesinde,
dinamik puanlama sonuçları ve değişik dizayların bu sonuçlara olan etkileri ortaya konmuştur.
Anahtar kelimeler: Whiplash, Lsdyna, sonlu elemanlar yöntemi
ENGLISH TRANSLATION OF THE TITLE
ABSTRACT
This article is about headrest developments during a seat development process in order to prevent Whiplash injuries.
The work which has been carried out is creating Lsdyna seat model with three different headrest designs and implement
Whiplash Simulations with Lsdyna Biorid manikin. Euroncap Whiplash procedure dynamic rating results of these
simulations and various effects of headrest design to dynamic ratings are also investigated.
Keywords: Whiplash, Lsdyna, finite element methode
olarak hazırlanmış Biorid adı verilen manken ile
gerçekleştirilmektedir. Koltuk geliştirme süreçlerinde
yapılan simülasyonlarda Biorid mankenin sonlu
elamanlar modeli kullanılmaktadır. Bu model farklı
simülasyon platformları için geliştirilmiştir. Toplam
Euroncap Whiplash puanı, koltuğun bağlı olduğu yapının
üç farlı ivmelenmesi (Düşük,orta,yüksek) sonucunda
oluşan dinamik puanlama ile geometrik olarak HRMD
mankeninden okunan değerlerin
ağırlıklı olarak
toplanması sonucu elde edilir.
1. GİRİŞ
Whiplash yaralanması, travma, baş ve gövdenin ters
yönde ani hareketleri sonucu oluşan boyun zedelenmesini
tarif etmek amacıyla kullanılan bir terimdir. Hareketin
kamçı hareketine benzemesi sonucu bu isim verilmiştir.
Euroncap Whiplash testi, araç testleri kapsamında,
yetişkin yolcu güvenliği testi olarak araç performans
kriterlerine etki eden bir yolcu güvenlği testidir.
Euroncap Whiplash Testlerinde araç koltuğunun kızak
test sisteminine bağlandıktan sonra, farklı ivme
değerlerinde hızlandırılarak, üzerinde ki biorid mankenin
boyun hareketi incelenmektedir. Burada biorid manken
üzerindeki ölçme sistemleri kulanılarak toplanan veriler,
hesaplanacak 7 kriter üzerinden Whiplash puanlaması
için kullanılmaktadır. Bunlar; NIC(Boyun incilme
kriteri), NKM (Üst boyun kuvvet-moment etkileşimleri),
Dummy kafasının koltuk başlığı ile kontağa girdiği an,
T1 omurunun ivmesi, dummy kafasının geri sekme hızı,
üst boyun kesme kuvveti (FX) ve üst boyun çekme
kuvveti (FZ) olarak sayılabilir. Whiplash testlerinde özel
Şekil 1. Whiplash Puanlama Şematik
1
Euroncap whiplash testinden yüksek puan alabilmek için
koltuk geliştirme sürecinde bazı kriterlere dikkat edilmesi
gereklidir. Whiplash puanını ve dinamik kriterleri en çok
etkileyen kriterlerden biri dummy kafasının koltuk
başlığına olan uzaklığı (backset) sayılabilir. Bu değer
hem statik puanlamada, hemde kafanın dinamik
harketinin sonuçlarına etki etmektedir[3]. Pasif kafalık
sistemlerinde ayrıca başlık tasarımı koltuk sisteminin
toplam whiplash puanı sonucunu etkilediğinden önem
kazanmaktadır. Burada kullanılabilcek farklı malzemeler
ve dizaylar dummy kafasının hareketinden oluşan
dinamik davranışlarda etken bir parametre sayılabilir.
Pasif başlık sistemlerinde Whiplash yaralanmasını
engelleme manken kafası ile gövdenin birlikte hareketini
sağlayarakta düzenlenebilmektedir. Bu hareketi sağlamak
çok kolay olmamakla birlikte Koltuk sisteminin en
yukarıdan en aşağıya kadar belli kesitlerde incelenmesi
sonucu bu haraket kontrol edilmektedir. Bu hareket
esnasında özellikle dummy omuz bölgesi ve pelvis
bölgesi bağıl hareketleri incelenmektedir. Sırt, boyun,
kalça bölgesinin koltuk süngeri üzerinde yapacağı
deplasmanlar kontrol edildikten sonra gerekli dizayn
değişikliklerine gidilebilmektedir. Whiplash Koltuk
tasarımı koltuk üzerinde ki bileşenleri etkilediğinden
süreç içerisinde ki başlıca kriterlerlerden biridir. Birçok
biomekanik ve tıbbi araştırmalara rağmen whiplash
boyun zedelenmesinin ana mekanizması halen
çözülememiştir. Bu da soruna net bir çözüm bulunmasını
zorlaştırmaktadır. Ancak koltuk sırt yapısı ve başlık
tasarımının yaralanma riskini azalttığı bilinmektedir. Bu
kuruluşların en eskisi olan IIHS, 1995 yılından itibaren
başlık
geometrisini
değerlendiren
protokoller
yayımlamıştır. Bir diğeri ve en bilineni olan EUNCAP ise
2009 yılında 5 yıldız puanlamasına whiplash skorunu da
dâhil etmiştir.
mesafeleri yatay ve dikey eksende ölçülmektedir. Test
sonunda 3 adet koltuğun, 3 tekrardan toplam 9 adet
ölçüm sonucu elde edilir ve bu değerlerin ortalaması
alınır. Ölçümler başlığın test pozisyonu ve en alt, en geri
pozisyonu için yapılır.
Şekil 3. HRMD mankeni statik testler[2]
Dinamik testler: Bu aşamada ise test koltuğu
araç içindeki konumuna uygun şekilde test sistemine
sabitlenir ve farklı ivmelenme ile dinamik test yapılır.
Bu ivmeler istatiksel veriler yardımıyla oluşturulmuş
farklı hız değerleri ve ivme değişimleridir.
Şekil 4. İvme eğrileri[2]
3.
WHIPLASH
KORUMASINA
KOLTUK SİSTEMİ GELİŞTİRME
2. EUNCAP WHIPLASH DEĞERLENDİRME
PROTOKOLU
YÖNELİK
Her ne kadar boyun zedelenme mekanizması tam olarak
anlaşılamamış olsa da, kaza anında boyun hareketinin
azaltılmasının zedelenme riskini düşürme de kilit nokta
olduğu bilinmektedir. Boyun hareketini azaltmak, kaza
anında baş ekseni ile gövde ekseni arasındaki açının
mümkün olduğu kadar korunması ile olmaktadır[3].
Test protokolü, değerlendirmenin gerçeğe uygun ve
tekrarlanabilir olabilmesi amacıyla test hazırlığı ile ilgili
standartlar ortaya koymaktadır. Bunlar test koltuğun ve
başlığın pozisyonları, baş ve başlık mesafelerinin
ölçülmesi, test mankenin konumlandırılması ve test ivme
değerleri için koridorlar olarak özetlenebilir.
Şekil 5. Manken kafası ve gövdesinin relatif değişimaçısı
Genel olarak bunu azaltmanın 3 yöntemi olmaktadır.
Bunlar;
1-Anti Whiplash Sistemleri: Kaza anında başlık mekanik
Şekil 2. Euroncap başlık pozisyonlama[2]
EUNCAP whiplash testi 2 aşamadan oluşmaktadır:
Statik testler: Bu aşamada HRMD (Head Restraint
Measurement Device) adındaki ölçüm mankeni ile başlık
2
olarak veya sensörler yardımıyla öne ve yukarı hareket
eder ve kafayı destekler.
2Yata n Sırt : Kaza anında koltuk sırtını geriye
doğru hareket ettiren ve sırtın dönmesi ile
sonuçlanan bir deformasyon sağlanarak, koltuk sırtının
daha fazla enerji sönümlemesini sağlamaktır.
3B aşlık T asar ı mı nd aki Değ i şikl ikler : Başlık
sisteminde değişik dizayn ve malzeme özellikleri
kullanılarak,
mankenin kafa hareketinin incelenmesi.
4. BAŞLIK
ETKİLERİ
TASARIMI
Daha önce yapılmış parametrik çalışmalarda da manken
kafası ile koltuk başlığı arasındaki boşluk değeri 0 ile 140
mm arasında değiştirilerek kafanın T1 omuruna bağılı
haraketi incelenmiş ve boşluk değerindeki artışın 60mm
den sonra kafanın geri çekme değerini değiştirmediği
görülmüştür. [4]
VE
Başlık tasarımında yapılacak ilk iyileştirme geometrik
olarak başlığın baş ile olan boşluk (backset) ve yükseklik
(height) değerlerini, protokole göre tam puan alacak
şekilde düzenlemektir[1].
Şekil 7. Boşluk değeri (backset) arttırılarak manken
kafasının T1 omurauna göre kinematiği [4]
4.1 Koltuk Başlığı Modelleme Tekniği ve Etkileri
Pasif whiplash sistemlerinde başlık tasarımı büyük önem
kazanmaktadır. Başlık tasarımında özellikle Biorid
mankenin kafa ağırlık merkezinin yeterli
zaman
içerisinde desteklenmesi ve yavaşlaması, kafa ivmesinin
kontröllü sönümlenmesi amaçlanmştır. Aşağıda 3 farklı
başlık tasarımı ve sonuçlarından bahsedilecektir. Üç
örnektede biorid manken kafası ile başlık arasındaki
boşluk 50mm olarak ayarlanmıştır.
Şekil 6. Başlık test pozisyonunda iken olması gereken
değerler: boşluk < 40mm, yükseklik < 0mm,
Başlık en alt / en geri pozisyonda..: boşluk < 70mm,
yükseklik < 40mm[1]
Ancak geometrik olarak tam puan almak, dinamik
testlerde başarılı performans elde etmeye her zaman
yetmemektedir. Çarpışma anında başlığın dinamik olarak
koltuk sırtı ile uyumlu çalışması gerekmektedir. Başlık,
başın durmasını ve öne hareketini gövde ile aynı anda
sağlayacak şekilde tepki vermelidir. Whiplash koruma
özelliği iyi tasarlanmış bir koltuk, çarpışma anındaki
başlıca 3 hareket aşamasında baş ve gövdenin göreceli
hareketini en aza indirmelidir.
A
Şekil 7. Sol: Lsdyna Simülasyon Modeli, Sağ: MankenBaşlık arası boşluk değeri (A): 50 mm
Çalışmaya konu olan örnekler aşağıdaki şekilde
gösterilmiştir.
1
2
Örnek 1
Örnek 2
Örnek 3
Şekil 8. Örnek 1: PU sünger başlık, Örnek 2: EPP
doldurulmuş başlık, Örnek 3:Epp ön yüzeyi açılı başlık
3
Şekil 6. Whiplash Kinematiğinin Fazları
3
Simülasyonlar da koltuk hareket ivmesi olarak Euroncap
orta ivme eğrisi kullanılmıştır.(Medium pulse).
Örnek 1 de, başlık içerisinde malzeme olarak sadece PU
sünger kullanılmıştır. Yapılan simulasyon sonucu
dinamik puanlama aşağıda ki tabloda görülmektedir.
Tablolardaki kısaltmaların açıklamaları aşağıdaki gibidir.
HRC: Manken kafasının koltuk başlığına değme zamanı
T1G: Manken T1 omurunun max. ivmesi
FX: Manken Üst Boyun kesi kuvveti
FZ: Manken Üst boyun çeki kuvveti
NIC: Boyun incinme kriteri
NKM: Üst Boyun Kesi kuvveti ve Moment etkileşimleri
HRV: Manken kafasının geri sekme hızı
Örnek 3 te ise başlık içesirine hem EPP eklenmiş hemde
başlık içinde EPP ön yüzeyine açı verilmiştir. Dinamik
Simülasyon sonucu aşğıdaki gibidir.
Tablo 3. Örnek 3 Dinamik Puanlama Sonucu
Tablo 1. Örnek 1 Dinamik Puanlama Sonucu
Şekil 11. Örnek 3 Dinamik Kriter Sapma Tablosu
5. SONUÇ
Simulasyonlarda koltuk sisteminde sadece başlık
değiştirilip euroncap dinamik puanlama sonuçlarında
başlığın değişiminden gelen etkiler net bir şekilde ortaya
konmuştur. Makalede uygulanan üç farklı başlık
yapısından en yüksek puanlama sonucu ön yüzeyine açı
verilmiş EPP katkılı PU sünger başlık konularak elde
edilmiştir. EPP katkısının sünger başlık sistemlerinde
Euroncap whiplash dinamik puanlama sisteminde pozitif
katkı yaptığı gösterilmiştir. Ancak burada yapılan
simulasyonlar Euroncap orta ivmelenme sonucunda
ortaya konulan sonuçlardır. Diğer iki ivmelenme (düşük
ve yüksek ivmelenme) altında başlık modellerinin etkileri
başka şekillerde görülebilir. Başlık tasarımına karar
verilirken Euroncap için üç farklı ivmelenme puanlama
sonucuna dikket edilmelidir.
Bir başka sonuçta, Euroncap dinamik puanlama
kriterlerinin birbirleri içindeki etkileşimlerinin değişken
olduğudur. Örnek üçün en yüksek puan almasındaki
değişimin NIC değerinin pozitif yönde artması ile
sağlandığı görülmektedir.
Şekil 9. Örnek 1 Dinamik Kriter Sapma Tablosu
Örnek 2 de başlık içerisine EPP (Expanded
Polypropylene)
konularak
manken
kafasının
desteklenmesi amaçlanmıştır. Dinamik puanlama
simulasyon sonucu aşağıda görülmektedir.
Tablo 2. Örnek 2 Dinamik Puanlama Sonucu
[
]
2
( NIC(t) = 0.2 * a rel (t) + V xrel (t) )[1]
Aynı zamanda Manken kafasının geri sekme hızı en
düşük olarak sünger içine EPP katkılı başlık sonucunda
elde edilmiştir. Ancak sonuçlar göstermektedir ki sadece
başlık bölgesindeki iyileştirmeler Euroncap whiplash
dinamik puanlamadan maksimum puan almayı
sağlamamaktadır. Burada yapılması gereken koltuğun
Şekil 10. Örnek 2 Dinamik Kriter Sapma Tablosu
4
Biorid manken ile etkileşime geçtiği diğer bölgelerinin de
(omuz bölgesi, kalça bölgesi) çalışılması gerektiğidir.
Koltuğun her bir ivmelenme altında aldığı sonuçların
ayrıca optimize edilmesi önerilmektedir.
KAYNAKLAR
1.
2.
3.
4.
“Euro-NCAP-Whiplash-test-protocol-V3.1",
June 2011
“Euro-NCAP-Assessment-Protocol---AOP--v5.4", November 2011
K. Bortenschlager (PDB), M. Hartlieb (Daimler
AG), K. Barnsteiner (BMW Group), L. Ferdinand
(Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG, Germany), et
al."Review of Existing Injury Criteria and their
Tolerance Limits for Whiplash Injuries with
Respect to Testing Experience and Rating
Systems." 20th ESV (Paper 07-0486), Lyon
(France), 2007
Brian D. Stemper ∗, Narayan Yoganandan, Frank A.
Pintar, “Effect of head restraint backset on head–
neck kinematics in whiplash” Accident Analysis
and Prevention 38 (2006) 317–323,
5
6

Download Report