Gepersonaliseerde airbags en autogordels voor ieder ongeluk
Veiligheid/Lennart Wesel
Foto/Bram Saeys
| Tot in de jaren vijftig van de vorige eeuw beweerden autofabrikanten dat het onmogelijk was de gevolgen van een zwaar auto-ongeluk te overleven. De krachten die het menselijk lichaam ondergaat tijdens een ongeluk zouden simpelweg te groot zijn, zo werd gezegd. Toch zijn de overlevingskansen bij een ongeluk de afgelopen vijftig jaar drastisch verhoogd, vooral dankzij de autogordels en, in mindere mate, de airbag. Ir. Rogier Hesseling deed aan de faculteit Werktuigbouwkunde promotieonderzoek naar manieren om die veiligheid verder te verhogen. |
 |
Behalve automobilist is Hesseling ook motorrijder. Hij weet ook wel dat het veiliger is in zijn Toyota Corolla dan op zijn Yamaha Fazer 600. “Waar ik protectie kan dragen, doe ik het, maar motorrijden is nog altijd veel gevaarlijker dan autorijden”, zegt Hesseling. En autorijden is al gevaarlijk genoeg; in 2001 overleden 38.935 EU-inwoners aan de gevolgen van een auto-ongeluk, zo valt te lezen in Hesselings proefschrift. Daarmee is het verkeersongeluk doodsoorzaak nummer één voor EU-burgers onder de vijftig. De totale kosten van alle auto-ongelukken in dat jaar bedroegen honderdzeventig miljard euro.
Volvo was in 1959 de eerste autofabrikant die de gevolgen van een botsing probeerde te beperken door een driepuntsgordel in productie te nemen. Vijftien jaar later waren het de luxere Amerikaanse ‘sleeën’ als de Cadillac en de Buick die geleverd konden worden met airbags. De vroegere airbags en gordels waren passief; het maakte niet uit wat voor botsing plaatsvond of wie achter het stuur zat; de airbags reageerden hetzelfde bij iedere aanrijding. Moderne airbags en gordels zijn daarentegen adaptief; hun gedrag kan in beperkte mate aan de inzittende en aan de botsing worden aangepast. “Eigenlijk heel logisch”, aldus Hesseling. “Het maakt voor het krachtenspel uit of er een dikke Duitser of een klein Chinees vrouwtje in een auto zit.” In zijn proefschrift neemt Hesseling actieve gordels en airbags in beschouwing. Het gedrag van airbag en gordel wordt tijdens de botsing continu gemanipuleerd zodat één of meerdere, voor het letselrisico relevante, variabelen van de inzittende een van tevoren vastgesteld referentiesignaal volgen. Dit referentiesignaal weerspiegelt dan het laagst haalbare letselrisico. Om dat doel te bereiken, worden sensoren, een digitale regelaar en actuatoren -onderdelen die daadwerkelijk kracht kunnen uitoefenen- aan het airbag- en gordelsysteem toegevoegd. Het uitgevoerde onderzoek is dan ook een samenwerking tussen de Control Systems Technology Group (faculteit Werktuigbouwkunde) met professor dr.ir. Maarten Steinbuch en dr.ir. Frans Veldpaus en de Advanced Safety Engineering Group met dr.ing. Thomas Klisch van een Duitse autofabrikant.
Botsproef
Voor zijn onderzoek richtte Hesseling zich op de bij testen meest gebruikte botsproef: een frontale botsing van een middenklasse voertuig met een snelheid van 56 km/u tegen een betonnen barrière. Voor de goede orde: voor zijn
onderzoek heeft Hesseling geen enkele auto laten crashen. “De kosten van een botsproef zijn extreem hoog en bovendien bestaan de actuatoren en sensoren die we zouden willen gebruiken nog niet. Daarom maken we gebruik van numerieke simulatie”. Een simulatie van een botsproef is vrij pittig; een gewone pc is er zo’n drie kwartier mee bezig, terwijl de botsproef zelf niet langer duurt dan 125 milliseconden.
In een numeriek model is het relatief gemakkelijk actuatoren en sensoren te definiëren. Hesseling: “Om het gedrag van het airbagsysteem te beïnvloeden, wordt gebruik gemaakt van een regelbare opening die lucht laat ontsnappen en voor het gordelsysteem van een actuator die de kracht in de gordel voorschrijft. Het is de bedoeling dat de airbags en gordels een variabele tegenkracht bieden voor de inzittende, die anders als een vrije massa richting het stuur zou bewegen. De regeling van de airbag richt zich erop de vertraging van het hoofd een referentiesignaal te laten volgen en het gordelsysteem wordt geregeld om de vertraging van de borstkas een referentiesignaal te laten volgen. Hoe hoger de absolute versnelling van het hoofd, des te groter de uitstroomopening in de airbag. Voor de gordels geldt ongeveer hetzelfde; hoe hoger de vertraging waarmee het bovenlichaam naar voren beweegt, des te sterker de gordel aangespannen moet worden. De simulaties tonen aan dat bij een geschikte regeling de maximale versnelling van het hoofd en van de borstkas significant afneemt; van ongeveer 55 G naar 30 G voor het hoofd en van 50 G naar 28 G voor de borstkas. (1 G komt overeen met één keer je eigen lichaamsgewicht. Bij 55 G ervaar je een kracht van 55 keer je lichaamsgewicht, red.) In andere woorden; het risico van ernstig letsel aan het hoofd en de borstkas neemt met minstens veertig procent af”.
Op dezelfde wijze kan ook de indrukking van de borstkas drastisch verlaagd worden door een actief gordelsysteem. Simulaties tonen voor dat doel gelijke
reducties van het letselrisico aan. “Het standaard gordelsysteem resulteert in een maximale indrukking van bijna vijftig millimeter, terwijl met een actief geregeld gordelsysteem de indrukking ‘maar’ 26 millimeter is”, zegt Hesseling.
Simulaties met actieve airbag- en gordelsystemen, ook wel restraint systemen genoemd, kunnen ook effectief zijn voor de verbetering van huidige, adaptieve gordels en airbags, meent Hesseling. “Normaliter worden de adaptieve eigenschappen door minimalisatie van relevante letselcriteria bepaald. Vaak zijn hier meer dan tienduizend simulaties voor nodig. Bij actieve restraint systemen kan men, gegeven een regelaar en een referentiesignaal, na één simulatie de meest geschikte eigenschappen van het restraint systeem bepalen. Op die wijze kun je voor verschillende inzittenden en botsingen de beste eigenschappen van de gordel en de airbag bepalen en deze vervolgens vertalen naar het ontwerp van een adaptieve gordel en airbag.”
De vraag is natuurlijk wat het rekenwerk van Hesseling oplevert aan veiligheid. “Er zijn tabellen die op basis van letselcriteria een schatting geven van kosten. Daarbij gaat het bijvoorbeeld om kosten van
ziekenhuis en revalidatie. Uit mijn resultaten blijkt dat deze kosten drastisch afnemen.” Hesseling is echter de eerste om zijn resultaten te relativeren. “De
modellen die wij gebruiken, geven geen inzicht in verwondingen als een gescheurde long of een gebroken rib. Bovendien hebben we maar naar één botsing en twee verschillende inzittenden gekeken.”
Na zijn promotie zal Hesseling voortborduren op zijn promotiewerk bij TNO-Wegtransport in Delft. Over de importantie van zijn onderzoek is hij bescheiden, maar hij hoopt dat er over een jaar of tien een auto rondrijdt waarin de ideeën van zijn proefschrift verwerkt zijn. “Er zijn een hoop praktische zaken; de te ontwerpen sensoren en actuatoren moeten klein, licht, goedkoop en zo accuraat mogelijk zijn. En dat biedt gelukkig nog veel mogelijkheden voor verder
onderzoek en ontwikkeling.”/.