DE19754541A1 - Schutzvorrichtung für den Kopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für den Kopf von Radfahrern, Motorradfahrern, Arbeitern und Sportlern und stellt im weitesten Sinne einen Ersatz und eine Verbesserung für einen herkömmlichen Schutzhelm dar.

Das Tragen eines Schutzhelmes ist in weiten Bereichen des Verkehrs, der Berufstätig und Freizeit aus Sicherheitsgründen vorgeschrieben. Insbesondere Motorradfahrer, Arbeiter auf Werften, Fabriken und Baustellen sowie Sportler, insbesondere Reiter tragen regelmäßig Schutzhelme und in zunehmendem Maße auch Radfahrer.

Dem Vorteil der Schutzwirkung des Helms für den Kopf stehen andererseits Nachteile bezüglich der Sicht- und Hörbehinderung, sowie mangelnder Tragekomfort gegen über, wodurch sich die Akzeptanz für das Tragen des Helms bei der großen Gruppe der Radfahrer nur zögerlich entwickelt. Berichte in der Presse über Erfahrungen in Australien mit der Helmpflicht für Radfahrer weisen aus, daß die beobachtete Reduzierung von schweren Unfällen mit Kopfverletzungen weniger auf das Tragen der Helme, als darauf zurückzuführen ist, daß wegen der Helmpflicht weniger Menschen mit dem Rad fahren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzvorrichtung für den Kopf zu schaffen, die bei mindestens gleichwertiger Schutzwirkung eines Schutzhelms bequem zu tragen ist und eine ungehinderte Orientierung über Auge und Ohr sicherstellt, und damit die oben genannten Nachteile eines Schutzhelms eliminiert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein über den Kopf zu streifendes und im Bereich des Halses und der Schultern zu fixierendes ringförmiges Airbag-System den Schutz des Kopfes und des Halsbereiches im Falle eines Sturzes oder Auftreffens eines größeren Gegenstandes übernimmt.

Nach dem Stand der Technik werden Airbag-Systeme in großem Umfang in Kraftfahrzeugen zum Schutz der Insassen bei Unfällen eingesetzt. Sowohl für den Schutz gegen Frontalkollisionen, als auch gegen Stöße von der Seite befinden sich Systeme im Einsatz, bzw. in der Entwicklung. Eine Vielzahl von Schutzrechten betrifft Anordnungen und Ausgestaltung solcher fahrzeugseitig angeordneten Schutzeinrichtungen.

Weiterhin ist gemäß der Patentschriften DE 42 34 009 A1,
DE 195 26 641 A1
sowie Gebrauchsmuster 29 500 167.4
bekannt, Schutzanzüge, insbesondere für Motorradfahrern für verschiedene Körperbereiche mit Airbag-Einrichtungen auszustatten.

Weiterhin ist durch die Patentschrift DE 44 32 270 A1
und Gebrauchsmuster DE 296 19 229 U1
bekannt, auch Schutzeinrichtungen für den Hals mit Hilfe von Airbags zu schaffen.

Eine Einrichtung zum Schutz des Kopfes, insbesondere als Ersatz für das Tragen eines Schutzhelms unter Verwendung des Airbags-Prinzips ist jedoch nach dem Stand der Technik nicht bekannt.

Im Folgenden wird eine Einrichtung gemäß den Erfindungsgedanken beschrieben.

Gemäß Fig. 1 befindet sich das Airbag-Schutzsystem 1 im Bereitschaftszustand als geschlossener Ring im Hals-Schulterbereich des Benutzers.

Im ausgelösten Zustand umschließt das Gaspolster des Airbag-Schutzsystems gemäß Fig. 2 Hals und Kopf des Benutzers bis über Scheitelhöhe.

Das Gaspolster besteht gemäß Fig. 4 im wesentlichen aus dem zylinder- oder kegelförmigen Hauptpolster 2 sowie Nebenpolstern im Bereich des Halses 3 sowie im Bereich des Scheitels 4. Materialauswahl des Polsters, sowie die Dimensionierung des Gaspolsters sind entsprechend der abzudämpfenden Stoßenergien gewählt. Hier sind je nach Anwendungsbereich angepaßte Auslegungen vorzusehen.

Die Einströmöffnungen vom Gasgenerator in das Hauptpolster 2 sowie vom Hauptpolster in die Nebenpolster 3, 4 sind so angeordnet und ausgelegt, daß bei Auslösung zunächst das Hauptpolster gefüllt und entfaltet wird und erst danach die Nebenpolster Halsbereich und Scheitel umschließen.

Die Fixierung des Airbag-Schutzsystems 1 am Körper des Benutzers erfolgt gemäß Fig. 3 vorzugsweise durch einen Brustgurt 5 mit Schnellverschlüssen 6 auf der Brustseite. Es sind jedoch auch andere Befestigungsarten, wie Klettverschluß, Knöpfe, Reißverschluß, Gummizug im Brustbereich möglich. Insbesondere für Motorradfahrer bietet sich die Integration des Airbag-Schutzsystems 1 in eine Weste oder Jacke an.

Gemäß Fig. 5 befindet sich im oberen Bereich 7 des Airbag-Schutzsystems der gefaltete Airbag. Im unteren Bereich 8 befinden sich das für die Auslösung erforderliche Ortungssystem 9 mit Ortungssensoren 10, das Airbag-Bewe­ gungsmeßsystem 11, das Fahrpositions-Meßsystem 18, der Sender/Empfänger 12, der Steuerrechner 13, die Batterieversorgung 14, die Zündeinrichtung 15 sowie der Gasgenerator 16.

Die Festigkeit des Airbags gegenüber scharfkantigen oder spitzen Objekten wird durch geeignete Materialwahl sichergestellt.

Gemäß Fig. 6 kann die Schutzwirkung des Airbag-Schutzsystems beim Auftreffen scharfkantiger Objekte erhöht werden. Dazu wird der Airbag in eine Reihe von Einzelkammern 19 aufgeteilt. Die Füllung der Kammern erfolgt über Rückschlagventile 20, die beim Auftreffen eines Hindernisses auf eine Kammer den Druckausgleich zu anderen Kammern verhindern und damit einen erhöhten Widerstand bewirken.

Gemäß Fig. 2 sind im Hauptpolster geeignete Vorkehrungen getroffen, um nach der Auslösung Sichtmöglichkeit und die Atmung sowie die Hörfähigkeit des Benutzers sicherzustellen. Dies kann erfindungsgemäß durch geeignete Aussparungen 21 im Hauptpolster erfolgen.

Einige Sekunden nach der Auslösung des Airbags ist das Unfallgeschehen abgelaufen, so daß der Airbag automatisch wieder entleert werden kann. Dies kann z. B. durch feine Öffnungen in der Airbag haut bewirkt werden. Es kann jedoch auch sinnvoll sein, den Airbag gefüllt zu lassen, um Bewegungen bei evtl. Wirbelverletzungen zu unterbinden. In diesem Fall wird der Airbag über ein Ventil durch das Rettungspersonal entleert.

Für die Anwendergruppe der Motorradfahrer wird wegen der erhöhten und schwerwiegenden Gefahr von Rückgratverletzungen vorgeschlagen, das Airbag-Schutz­ system um einen zweiten Airbag für den Rückenbereich 22 zu erweitern. Fig. 7 zeigt eine entsprechende Anordnung.

Die Technik von Airbag-Systemen, insbesondere ihrer Zündung und Gaserzeugung ist Stand der Technik und kann mit im Vergleich zu Fahrzeug-Airbags reduzierten Energie und Gasmengen zur Anwendung kommen. Auf eine detaillierte Beschreibung wird daher verzichtet.

Für die Auslösung des erfindungsgemäßen Airbag-Schutzsystems ist jedoch ein neuartiges und im Vergleich zu Fahrzeug-Airbags komplexeres Auslösesystem erforderlich.

Im folgenden wird zur Erläuterung am Beispiel der Ausführung für Radfahrer die Funktion des Systems sowie die Auslegung einzelnen Komponenten beschrieben.

Die Auslösung des Airbags soll erfolgen, wenn eine Unfallsituation mit der Gefahr eines Kopfaufpralls eingetreten ist.

Das Auslösesystem muß mit hoher Sicherheit diese Situation erkennen und die Auslösung des Airbags einleiten. Andererseits muß es verhindern, daß ohne Vorliegen einer unfallbedingten Gefahr im normalen Fahrbetrieb und in gelegentlich auftretenden besonderen Fahrsituationen eine unerwünschte Auslösung erfolgt. Solche Fahrsituationen liegen z. B. vor, wenn ein Radfahrer sehr nah an einem Mast vorbeifährt oder sich während der Fahrt unter tiefhängende Baumäste duckt.

Es ist klar, daß die Unterscheidungsfähigkeit zwischen Unfallsituation und besonderen Fahrsituationen wesentlich von der "Intelligenz" und damit von der Komplexität des vorgesehenen Auslösesystems bestimmt wird. Die sich rasant weiterentwickelnde Mikroelektronik und Sensortechnik, insbesondere die Mikrosystemtechnik ermöglichen in naher Zukunft die Realisierung solcher komplexer Systeme in ausreichend miniaturisierter Bauweise und bei Massenproduktion, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Airbagsystem möglich wäre, zu marktgerecht niedrigen Kosten.

Erfindungsgemäß ist das Auslösesystem nach dem Schema entsprechend Fig. 8 aufgebaut.

Ein Ortungssystem 9, ein Airbag-Bewegungsmeßsystem 11, ein Fahrzeug-Bewe­ gungsmeßsystem 17 und ein Fahrpositions-Meßsystem 18 liefern ihre Daten an einen Steuerrechner 13. Der Steuerrechner ermittelt fortlaufend aus diesen Daten sowie gespeicherten Referenzdaten, ob eine Unfallsituation vorliegt und erzeugt in diesem Fall das Auslösesignal für die Zündeinrichtung 15 welche ihrerseits den Gasgenerator 16 zündet.

Ortungssystem 9 und Airbag-Bewegungsmeßsystem 11 sind gemäß Fig. 5 im Airbag-Schutzsystem 1 untergebracht.

Das Fahrzeug-Bewegungsmeßsystem 17, welches am Fahrradrahmen befestigt ist, liefert seine Daten drahtlos über Sender/Empfänger 12 an den Steuerrechner 13 im Airbag-Schutzsystem 1.

Komponenten des Fahrpositions-Meßsystems 18 befinden sich einerseits im Airbag-Schutzsystem, andererseits am Fahrradrahmen.

Das Ortungssystem 9 erfaßt in einem Umgebungsbereich von einigen Metern die Entfernung und die Annäherungsgeschwindigkeit von Objekten. Es kann als optisches System, Radarsystem oder Ultraschallsystem ausgebildet sein.

Bei dem bevorzugten Ultraschallsystem sind Schallsender/-empfänger 10 gemäß Fig 5 im Airbag-Schutzsystem 1 angeordnet. Sie realisieren einen Erfassungsbereich gemäß Fig. 9.

Senderleistung, Empfängerempfindlichkeit sowie Signalverarbeitungsverfahren sind nach dem bekannten Stand der Technik so gewählt, daß bei maximal möglicher Objektannäherungsgeschwindigkeit, bei Radfahrern ca. 15 m/s, Objekte so rechtzeitig eingemessen werden, daß die Airbagauslösung mit dem erforderlichen Zeitvorlauf von 20-30 ms vor dem Aufschlag erfolgen kann. In diesem Zeitpunkt hat sich das Objekt bereits auf eine Entfernung von ca. 0,5 m genähert. Bei einer Erfassungsreichweite von z. B. 2 m steht mit ca. 100 ms eine ausreichende Zeit für Messung und Signalverarbeitung zur Verfügung.

Das Airbag-Bewegungsmeßsystem 11 erfaßt den Bewegungszustand des Radfahreroberkörpers. Es ist vorzugsweise als Inertiales Referenzsystem ausgebildet,welches nach dem bekannten Stand der Technik aus den Daten von 3 Beschleunigungsmessern und 3 Inertialen Drehgeschwindigkeitsmessern laufend alle gewünschten translatorischen und rotatorischen Bewegungsgrößen ermittelt. Dies sind hauptsächlich die Größen, die bei einem Sturz oder bei einer Kollision im Vergleich zum Fahrbetrieb abweichende Werte annehmen, d. h.

• - Schock in Längs- und Querrichtung (Kollision),
• - Translation in vertikaler Richtung (Fallen),
• - Dynamische Translation in horizontaler Richtung (Beginn der Sturzbewegung).

Weitere Größen, wie Neigungswinkel können hinzukommen.

Das Fahrzeug-Bewegungsmeßsystem 17 erfaßt die Bewegung des Fahrzeugs über nach dem Stand der Technik ausgebildete Sensoren für die Größen

• - Fahrgeschwindigkeit (Tachometer),
• - Schock in Längs- und Querrichtung (Beschleunigungsmesser).

Weitere Größen, insbesondere der Seitenneigungswinkel können hinzukommen.

Das Fahrpositions-Meßsystem 18 überwacht die Position des Airbag-Schutzsystems und damit des Radfahreroberkörpers in Relation zum Fahrradrahmen. Es ist vorzugsweise als optisches Meßsystem nach bekannten Verfahren ausgebildet. Es liefert im wesentlichen die Information, ob sich der Fahrer innerhalb oder außerhalb eines definierten normalen Bewegungsraumes befindet. Gemäß Fig. 8 sind aktive Komponenten dieses System sowohl fahrzeugseitig als auch im Airbag-Schutzsystem angeordnet (z. B. bei Verwendung eines Transponderverfahrens).

Fig. 8 zeigt die denkbare Maximalkonfiguration des Auslösesystems. Praktisch wird man die Ausstattung auf einen für die Anwendergruppe erforderlichen Umfang beschränken. Im Zuge einer Produktentwicklung sind auf der Basis definierter Unfall- und Betriebssituationen die Anforderungen an die Entscheidungssicherheit eines Systems festzulegen und mit einer geeigneten Konfiguration zu verifizieren. Denkbar wären folgende Konfigurationen:

1. Konfiguration A

Lediglich Fahrzeug-Bewegungsmeßsystem 17 und Fahrpositions-Meßsystem 18 sind vorhanden.

Die Auslösung des Airbags erfolgt, wenn bei Fahrgeschwindigkeit oberhalb einer Grenzgeschwindigkeit von z. B. 10 km/h der Fahrer sich aus dem normalen Bewegungsraum herausbewegt oder ein Schock oberhalb eines Grenzwertes das Fahrrad trifft. Der Bewegungsraum ist hier so weit definiert, daß er auch extreme Normalpositionen, wie Rollen auf einer Pedale stehend, einschließt.

Diese Konfiguration erfordert den Signalaustausch zwischen Fahrzeug und Airbag-Schutzsystem.

2. Konfiguration B

Lediglich das Airbag-Bewegungsmeßsystem 11 ist vorhanden. Die Auslösung des Airbags erfolgt, wenn eine dynamische vertikale Abwärtsbewegung oder Seitenbewegung mit sturztypischen Daten erfolgt oder ein Schock oberhalb eines Grenzwertes den Fahrer trifft. Winkel- und Winkelgeschwindigkeitsdaten können als Hilfsinformationen herangezogen werden.

Diese Konfiguration realisiert ein autarkes, fahrzeugunabhängiges Airbag-Schutzsystem.

3. Konfiguration C

Lediglich Ortungssystem 9 und Fahrpositions-Meßsystem 18 sind vorhanden. Das Ortungssystem wird nur für einige Sekunden aktiv geschaltet, wenn sich der Fahrer aus dem Erfassungsbereich des Fahrpositions-Meßsystems herausbewegt. Die Auslösung des Airbags erfolgt, wenn das Ortungssystem die gefährliche Annäherung eines Objektes, d. h. gefährliche Objektgröße, gefährliche Annäherungsgeschwindigkeit und kritische Entfernung, feststellt.

Werden für das Fahrpositionsmeßsystem am Fahrzeug lediglich passive Reflektoren verwendet, ist auch bei dieser Konfiguration kein sonstiger Signalaustausch zwischen Fahrzeug und Airbag-Schutzsystem erforderlich.

4. Konfiguration D

Lediglich Ortungssystem 9 und ein abgemagertes Airbag-Bewegungsmeßsystem 11 sind vorhanden.

Das Airbag-Bewegungsmeßsystem erfaßt Neigungswinkel des Fahreroberkörpers nach vorn, hinten und zur Seite sowie auftretende Schocks. Bei Grenzwertüberschreitungen wird das Ortungssystem für einige Sekunden aktiv geschaltet.

Die Auslösung des Airbags erfolgt bei gefährlicher Annäherung eines Objektes.

Diese Konfiguration ist wie B fahrzeugunabhängig.

Über die beschriebenen Konfigurationen hinaus können auch andere Kombinationen von Einzelfunktionen für Radfahrer sinnvoll sein.

Für die anderen Anwendergruppen sind die Einzelfunktionen des Auslösesystems in jeweils zweckmäßiger Weise zu kombinieren und zu ergänzen.

So kann es für die Anwendung bei Motorradfahrern sinnvoll sein, das Fahrzeugbewegungs-Meßsystem um ein Annäherungsradar in Fahrtrichtung zu ergänzen, um bei Auffahrunfällen mit hoher Geschwindigkeit den Airbag frühzeitig auszulösen.

Bei der Anwendung für Bau- und Werftarbeiter kann es bei Einsatz eines Inertialen Airbag-Bewegungsmeßsystems sinnvoll sein, zusätzlich ein Ortungssystem mit lediglich in vertikaler Richtung orientiertem Erfassungsbereich vorzusehen.

Bei den Anwendergruppen Reiter und Alte/Behinderte ist ein Inertiales Airbag-Bewegungsmeßsystem wahrscheinlich ausreichend.

Claims (16)

1. Schutzvorrichtung für den Kopf, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Bereitschaftszustand ringförmiges Airbag-Schutzsystem 1 im Hals-Schulterbereich des Trägers angeordnet ist, welches nach der Auslösung mit seinen Gaspolstern (2, 3, 4) Hals und Kopf umschließt.

2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hauptpolster (2) und Nebenpolster (3, 4) angeordnet sind.

3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auslösung zunächst das Hauptpolster (2), danach die Nebenpolster (3, 4) mit Gas gefüllt werden.

4. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Polstern Öffnungen (21) für den Bereich des Gesichtes und der Ohren vorgesehen sind.

5. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Brustgurt (5) am Körper gehalten wird.

6. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in den Kragen einer Weste oder Jacke integriert ist.

7. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Airbag-Polster (22) für den Rückenbereich vorgesehen ist.

8. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polster in Einzelkammern (19) aufgeteilt sind, die über Rückschlagventile (20) mit Gas gefüllt werden.

9. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerrechner (13), eine Zündeinrichtung (15) und ein Gasgenerator (16) in den unteren Bereich (8) integriert sind.

10. Schutzvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Airbag-Bewegungsmeßsystem (11) in den unteren Bereich (8) integriert ist.

11. Schutzvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ortungssystem (9) in den unteren Bereich (8) integriert ist.

12. Schutzvorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fahrpositions-Meßsystem (18) in den unteren Bereich (8) integriert ist oder dessen Informationen über eine drahtlose Signalverbindung an den Steuerrechner (13) übermittelt werden.

13. Schutzvorrichtung nach Anspruch 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Fahrzeug-Bewegungsmeßsystem (17) über eine drahtlose Signalverbindung Informationen an den Steuerrechner (13) liefert.

14. Schutzvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Airbag-Bewegungsmeßsystem (11) als Inertiales Referenzsystem ausgebildet ist.

15. Schutzvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ortungssystem (9) als Ultraschall-Ortungssystem ausgebildet ist.

16. Schutzvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug-Bewe­ gungsmeßsystem (17) neben anderen Sensoren ein Annäherungsradar in Fahrtrichtung enthält.