bfu–Grundlage Tests mit Fahrradhelmen mit und ohne MIPS · 2.1 Aufbau 16 2.2 Messausrüstung 17...

bfu–Grundlage

Tests mit Fahrradhelmen mit und ohne MIPS

Autoren: Bern 2019Patrick Isler, Kai-Uwe Schmitt, Raphael Murri, Othmar Brügger

bfu-Grundlage

Tests mit Fahrradhelmen mit und ohne MIPS

Autoren: Bern, 2019 Patrick Isler, Kai-Uwe Schmitt, Raphael Murri, Othmar Brügger

bfu – Beratungsstelle für Unfallverhütung

Impressum

Herausgeberin bfu – Beratungsstelle für Unfallverhütung Postfach CH-3001 Bern Tel. +41 31 390 22 22 [email protected] www.bfu.ch Bezug auf www.bestellen.bfu.ch, Art.-Nr. 2.351

Autoren Patrick Isler, Dynamic Test Center AG

Kai-Uwe Schmitt, PD Dr. sc. techn., AGU Zürich Raphael Murri, Dynamic Test Center AG Othmar Brügger, MSc ETH, Teamleiter Forschung Sport, bfu

Redaktion Mario Cavegn, lic. phil., Teamleiter Forschung Strassenverkehr, bfu

Othmar Brügger, MSc ETH, Teamleiter Forschung Sport, bfu Projektteam Abteilung Publikationen / Sprachen, bfu

Andrea Herrmann, Projektassistentin Forschung, bfu © bfu 2019 Alle Rechte vorbehalten. Verwendung unter Quellenangabe (siehe Zitationsvorschlag) erlaubt.

Kommerzielle Nutzung ausgeschlossen. Zitationsvorschlag Isler P, Schmitt K, Murri R, Brügger O. Tests mit Fahrradhelmen mit und ohne MIPS.

Bern: bfu – Beratungsstelle für Unfallverhütung; 2019. bfu-Grundlage. DOI 10.13100/bfu.2.351.01

Aus Gründen der Lesbarkeit verzichten wir darauf, konsequent die männliche und weibliche Formulierung zu verwenden. Wir bitten die Lesenden um Verständnis.

bfu-Grundlage Inhalt 5

Inhalt

I. Abstract / Résumé 7

1. Tests mit Fahrradhelmen mit und ohne MIPS 7

2. Tests de casques cyclistes dotés ou non de la technologie MIPS 8

3. Tests with bicycle helmets with and without MIPS 9

II. Ziel und Zweck 10

III. Testobjekte 11

IV. Versuchsanordnung 15

1. Fallversuche 15

1.1 Aufbau 15

1.2 Messausrüstung 16

1.3 Testumfang 16

2. Schlittenversuche 16

2.1 Aufbau 16

2.2 Messausrüstung 17

V. Resultate 18

1. Fallversuche 19


VI. Auswertung 20

1. Fallversuche 20

1.1 Kopfbeschleunigungen und HIC 20

1.2 Drehraten 21


VII. Biomechanische Beurteilung 22

1. Fallversuche 22

1.1 Bewertung der durch den Aufprall erzeugten max. translatorischen Beschleunigung 22

1.2 Bewertung der durch den Anprall erzeugten Rotation 23


3. Computersimulationen 25

4. Fazit 25

6 Inhalt bfu-Grundlage

VIII. Fahrradhelme müssen besser schützen 27

1. Bedeutung des Fahrradhelms als Präventionsmassnahme 27

2. Beurteilung der biomechanischen Wirksamkeit des Fahrradhelms 27

3. Ein Helm soll bei einem Aufprall rutschen 28

4. Der Helm soll Rotationsbeschleunigungen reduzieren 28

5. Fazit 29

Quellen 30

Anhang 31

bfu-Grundlage Abstract / Résumé 7

I. Abstract / Résumé

1. Tests mit Fahrradhelmen mit und

ohne MIPS

Ziele

Im Auftrag der bfu – Beratungsstelle für Unfallver-

hütung untersuchte die Dynamic Test Center AG die

Vor- und Nachteile von MIPS (Multi-directional Im-

pact Protection System) in Fahrradhelmen bezüglich

Kopfbelastungen bei einem Sturz mit dem Fahrrad.

Bei MIPS handelt es sich um eine Kunststofffolie,

welche zwischen Kopf und Helm an der Helminnen-

seite befestigt wird. Die Folie ist mittels elastischer

Gummibänder am Helm befestigt, sodass sie sich in

der starren Helmschale bewegen kann. MIPS soll die

rotativen Belastungen, welche bei einem Sturz vom

Helm auf den Kopf übertragen werden, reduzieren.

Methoden

Dazu wurden zwei Versuchsreihen mit vier zufällig

ausgewählten Fahrradhelmmodellen – je einmal mit

und einmal ohne MIPS – durchgeführt. Beide Versu-

che wurden so ausgewählt, dass der Kopf beim Auf-

prall in Rotation versetzt wird. Zum einen wurden

mit den Helmen Fallversuche gemäss der Vornorm

prEN 13087-11 durchgeführt, bei welcher die An-

forderungen über die aktuelle Norm EN 1078 hin-

ausgehen, zum anderen wurden die Helme an einer

kompletten Prüfpuppe getestet, um die wirkenden

Kräfte unter möglichst realen Bedingungen nachzu-

stellen. Die auftretenden Belastungen in den Tests

waren oft nahe an den biomechanischen Grenzwer-

ten. Bei schlechteren Modellen gingen einzelne Be-

lastungen sogar darüber hinaus.

Resultate

Die Ergebnisse wurden einerseits anhand üblicher

biomechanischer Belastungsgrenzwerte und ande-

rerseits durch die Arbeitsgruppe für Unfallmechanik

(AGU) beurteilt. Die durchgeführten Tests zeigen

eine Reduktion der Kopfbelastungen für Fahrrad-

fahrer durch MIPS bei rotativen Bewegungen. Zu-

sätzlich konnte gezeigt werden, dass die wirkenden

Kräfte und Momente in der Halswirbelsäule durch

MIPS reduziert werden.

Fazit

Aus den Resultaten wird ersichtlich, dass sich die

Schutzwirkung eines Helms mit MIPS zwar steigern

lässt, ein schlechter Helm mit MIPS aber immer noch

höhere biomechanische Belastungen zulässt als ein

guter Helm ohne MIPS. Ein Wechsel von der aktuel-

len Norm EN 1078 zur prEN 13087-11 ist aufgrund

der erzielten Ergebnisse zu begrüssen.

8 Abstract / Résumé bfu-Grundlage

2. Tests de casques cyclistes dotés ou

non de la technologie MIPS

Objectifs

Le Dynamic Test Center SA a été mandaté par le bpa

– Bureau de prévention des accidents pour étudier

les avantages et les inconvénients du système MIPS

(Multi-directional Impact Protection System) équi-

pant certains casques cyclistes, relativement aux

charges qui s’exercent sur la tête lors d’une chute à

vélo. Cette technologie consiste en une couche de

matière plastique fixée sur la face intérieure du

casque entre la tête et ce dernier. La fixation est as-

surée par des bandes de caoutchouc élastiques qui

permettent à la couche de se déplacer à l’intérieur

de la coque rigide du casque. Ce système entend

réduire les forces de rotation qui sont transmises du

casque à la tête en cas de chute du cycliste.

Méthode

A cet effet, deux séries d’essais ont été réalisées avec

quatre modèles de casque cycliste choisis aléatoire-

ment, l’une avec les quatre casques dotés de la tech-

nologie MIPS, l’autre avec les mêmes casques n’en

étant pas équipés. Pour les deux séries, le choc a été

conçu de telle manière qu’il induise une rotation de

la tête. D’une part, des essais de chute conformes

au projet de norme prEN 13087-11 (dont les exi-

gences vont au-delà de celles figurant dans la norme

EN 1078 actuelle) ont été effectués; d’autre part, les

casques ont été testés sur un mannequin entier afin

de reproduire les forces au plus proche de la réalité.

Les charges occasionnées dans les tests étaient sou-

vent proches des valeurs biomécaniques limites.

Pour les modèles de casque de moins bonne qualité,

certaines charges étaient même supérieures à ces

valeurs.

Résultats

Les résultats ont été examinés, d’une part, à l’aide

de valeurs biomécaniques de charge limites usuelles

et, d’autre part, par le groupe de travail pour la mé-

canique des accidents (Arbeitsgruppe für Unfallme-

chanik, AGU, Zurich). Les tests montrent que la

technologie MIPS permet de réduire les charges su-

bies par les cyclistes en cas de mouvement de rota-

tion de la tête, de même que les forces et moments

de force qui agissent sur la colonne cervicale.

Conclusions

La technologie MIPS améliore certes l’effet protec-

teur du casque. Toutefois, même équipé de ce sys-

tème, un casque de piètre qualité permet le déploie-

ment de charges biomécaniques qui restent plus éle-

vées que celles obtenues avec un bon casque non

doté de MIPS. Compte tenu de ces résultats, le rem-

placement de la norme EN 1078 actuelle par le pro-

jet de norme prEN 13087-11 est souhaitable.

bfu-Grundlage Abstract / Résumé 9

3. Tests with bicycle helmets with and

without MIPS

Objectives

On behalf of the bfu – Swiss Council for Accident

Prevention, Dynamic Test Center AG investigated

the advantages and disadvantages of MIPS (Multi-

directional Impact Protection System) in bicycle hel-

mets with regard to head impact in the event of a

fall. MIPS is a plastic film which is attached to the

inside of the helmet and lies between the head and

the helmet. The film is attached to the helmet with

elastic bands so that it can move within the rigid

shell of the helmet. MIPS is designed to reduce the

rotational load transferred from the helmet to the

head in the event of a fall.

Methods

To this end, two test series – one with, one without

MIPS – were performed on four randomly selected

bicycle helmet models. Both tests were specifically

selected to rotate the head on impact. On the one

hand, the helmets were subjected to drop impact

tests in accordance with the pre-safety standard

prEN 13087-11, which goes beyond the require-

ments set by the current safety standard EN 1078.

On the other hand, the helmets were tested on a

full dummy in order to simulate the actual forces un-

der as realistic conditions as possible. The loads oc-

curring during the texts often came close to the bio-

mechanical thresholds. In the worst-performing

models, some loads even exceeded the biomechan-

ical thresholds.

Results

The results were assessed based on standard biome-

chanical thresholds and additionally by the Working

Group on Accident Mechanics (AGU). The tests car-

ried out showed that MIPS achieves a reduction in

impact to cyclists during rotational movements. It

was also found that MIPS reduces the forces and

momentum in the cervical spine.

Conclusion

The findings show that, while the protective effect

of a helmet can be increased with MIPS, a poor hel-

met with MIPS still tolerates greater biomechanical

loads than a good helmet without MIPS. In light of

the achieved results, a switch from the current EN

1078 safety standard to prEN 13087-11 is to be wel-

comed.

10 Ziel und Zweck bfu-Grundlage

II. Ziel und Zweck

Mit dieser Versuchsreihe soll die erhöhte Schutz-

funktion von Fahrradhelmen mit MIPS-Einlage un-

tersucht werden. Dabei sollen Unfallsituationen

nachgebildet werden, bei welchen der Kopf rotie-

renden Belastungen ausgesetzt ist. Da die aktuelle

Norm für Fahrradhelme in der Schweiz und Europa

[1] keine Prüfung kennt, bei welcher Rotationsmo-

mente eingeleitet werden, wurden die Tests nach

dem Entwurf der prEN 13087-11 [2] durchgeführt.

Bei dieser Prüfung werden die Helme in Kombina-

tion mit einem Kopfmodell auf eine um 45° ge-

neigte Ebene fallen gelassen, um eine Rotation zu

erzeugen. Zudem wurde eine zweite Versuchsreihe

durchgeführt, um einen Unfall mit einer kompletten

Prüfpuppe zu simulieren. Dabei konnten zusätzlich

die auftretenden Kräfte im Nackenbereich beobach-

tet werden. Um die Ergebnisse vergleichen zu kön-

nen, wurde vom selben Helmmodell jeweils ein

Exemplar mit und eines ohne MIPS-Einlage getestet.

Aufgrund der kleinen Testmenge sollen keine kon-

kreten Aussagen über einzelne Helmmodelle ge-

macht werden, sondern nur über die gesamte Prüf-

menge. Aus den Ergebnissen sollen durch biome-

chanische Analysen neue Erkenntnisse zum Schutz-

potenzial von MIPS gewonnen und daraus Empfeh-

lungen für die Konsumenten abgeleitet werden.

bfu-Grundlage Testobjekte 11

III. Testobjekte

Es wurden vier Fahrradhelmmodelle ausgewählt,

welche jeweils als Version mit und ohne MIPS auf

dem Markt sind. Dabei wurden sowohl verschie-

dene Hersteller wie auch unterschiedliche Helmty-

pen (z. B. Rennrad, Mountainbike oder Citybike) be-

rücksichtigt. Im weiteren Verlauf dieses Berichts

werden die Helme nur noch gemäss Codierung in

Tabelle 1 erwähnt.

Die Helme, welche einen Stern (*) in der Codierung

tragen, besitzen eine MIPS-Einlage. Die Modelle

Hub und Annex von Bell sind vergleichbare Helme

mit nur geringen designtechnischen Unterschieden.

Das Modell Chronicle von Giro ist zudem das Nach-

folgemodell des Helms Feature. Ein direkter Ver-

gleich der beiden Helmmodelle ist nicht sinnvoll,

weshalb hier die Bezeichnung D und E* gewählt

wurde.

Tabelle 1 Die getesteten Helme

Hersteller Modell MIPS Codierung

Rudy Project Rush Nein A

Rudy Project Rush Ja A*

Bell Hub Nein B

Bell Annex Ja B*

Giro Sutton Nein C

Giro Sutton Ja C*

Giro Feature Nein D

Giro Chronicle Ja E*

12 Testobjekte bfu-Grundlage

Rudy Project – Rush, aussen

Abbildung 1 – a

Die getesteten Modelle

Abbildung 1 – b Rudy Project – Rush, innen

Rudy Project – Rush (mit MIPS), aussen

Abbildung 2 – b Rudy Project – Rush (mit MIPS), innen

Bell – Hub, aussen

Abbildung 3 – b Bell – Hub, innen

Abbildung 3 – a

Abbildung 2 – a

bfu-Grundlage Testobjekte 13

Bell – Annex (mit MIPS), aussen

Abbildung 4 – b Bell – Annex (mit MIPS), innen

Giro – Sutton, aussen

Abbildung 5 – b Giro – Sutton, innen

Giro – Sutton (mit MIPS), aussen

Abbildung 6 – b Giro – Sutton (mit MIPS), innen

Abbildung 5 – a

Abbildung 4 – a

Abbildung 6 – a

14 Testobjekte bfu-Grundlage

Giro – Feature, aussen

Abbildung 7 – b Giro – Feature, innen

Giro – Chronicle (mit MIPS), aussen

Abbildung 8 – b Giro – Chronicle (mit MIPS), innen

Abbildung 7 – a

Abbildung 8 – a

bfu-Grundlage Versuchsanordnung 15

IV. Versuchsanordnung

Im Folgenden werden die beiden durchgeführten

Versuchsreihen beschrieben. Die beiden Aufbauten

waren jeweils so ausgelegt, dass die Prüfkörper mit

einer Geschwindigkeit von 6 m/s auf die Prüffläche

auftrafen. Als Grundlage hierfür wurde der Entwurf

der prEN 13087-11 [2] herangezogen. Alle verwen-

deten Helme waren neu und ohne Vorschäden. Je-

der Helm wurde dabei jeweils nur für eine Prüfung

verwendet

1. Fallversuche

Bei dieser Versuchsanordnung wurden die zu tes-

tenden Helme auf dem Kopf eines H3-Prüfdummys

befestigt. Dabei wurde darauf geachtet, dass die

vordere Helmunterkante zwischen 66 und 68 mm

über der Nasenunterseite liegt. Das Kinnband wurde

geschlossen und so weit angezogen, dass es nicht

fest am Kopf anliegt. Die Hinterkopfbefestigung

wurde leicht angezogen. Danach wurde der Kopf

mit dem Helm gemäss den Vorgaben des Entwurfs

der prEN 13087-11 auf einer Fallvorrichtung positi-

oniert. Nach der Beschleunigung im freien Fall trifft

der Helm auf eine 45°-Fläche auf. Mit jedem Helm-

modell wurden drei unterschiedliche Konstellatio-

nen getestet; es gab jeweils eine Rotation um die

x-, y- und z-Achse (Abbildung 15, S. 17).

1.1 Aufbau

Die verwendete Fallvorrichtung besteht aus einer

vertikalen Führung mit darauf fahrendem Schlitten,

welcher auf einer definierten Höhe positioniert wird

und nach der Auslösung im freien Fall beschleunigt

(Abbildung 9). Der Helm wird vor dem Hochziehen

jeweils auf zwei Auslegern positioniert und von

oben fixiert. Dabei werden sowohl die Position des

Helms als auch der Aufprallpunkt eingestellt. Als

Aufprallfläche wird eine um 45° zur Horizontalen

geneigte Stahlplatte von 200 × 180 × 20 mm ver-

wendet. Auf der Aufprallfläche wurde Schleifpapier

mit der Körnung 40 angebracht. Die Aufprallge-

schwindigkeit wird durch die Fallhöhe definiert.

Kurz vor dem Auftreffen auf der Aufprallfläche gibt

die Fallvorrichtung den Kopf frei. Dieser kann sich

nach dem Aufprall frei bewegen, während die Auf-

lage über die Aufprallfläche hinaus fährt. Nach dem

Abbildung 9 Fallvorrichtung mit Dummykopf und Helm

16 Versuchsanordnung bfu-Grundlage

Aufprall des Prüfkopfes wird dieser durch ein Seil

aufgefangen (Abbildung 10 und Abbildung 11).

1.2 Messausrüstung

Der H3-Dummykopf war mit einem triaxialen Be-

schleunigungssensor und einem triaxialen Drehra-

tensensor versehen, welche auf der Halsplatte des

Kopfes angebracht waren. Aus den Messdaten wur-

den sowohl die translatorische wie auch die rotato-

rische Beschleunigung und die Rotationsgeschwin-

digkeit bestimmt, welche beim Aufprall auf den

Kopf wirken (Abbildung 12).

1.3 Testumfang

Mit jedem der acht Helmmodelle wurde in alle drei

Richtungen je ein Fallversuch durchgeführt. Dies

ergibt ein Total von 24 Fallversuchen.

2. Schlittenversuche

In der zweiten Versuchsreihe wurden die Helme in

Verbindung mit einem kompletten Crashtest-

Dummy getestet. Das Ziel war es, die Belastungen

im Kopf analog der Fallversuche sowie die Belastun-

gen der Halswirbelsäule während eines Unfalls mög-

lichst realitätsnah abzubilden. Im Vergleich zu den

Fallversuchen wurden die Anprallversuche nur in ei-

ner Richtung durchgeführt, sodass im Hals resp. am

Kopf ein Moment um die y-Achse entstand (Abbil-

dung 15, S. 17). Dies entspricht einem Unfall, bei

welchem die Person mit dem Gesicht zum Boden

aufschlägt.

2.1 Aufbau

Der H3-50 %-Dummy wurde seitwärts liegend auf

den Beschleunigungsschlitten gelegt. Der Dummy

war dabei nicht mit dem Schlitten verbunden. Der

Helm wurde wie bei den Fallversuchen auf dem

Abbildung 12 Position der Messinstrumente im Dummykopf

Abbildung 10 Positionierter Helm über Aufprallfläche

Abbildung 11 Kontrolle der Helmposition (66–68 mm)

bfu-Grundlage Versuchsanordnung 17

Dummykopf befestigt. Bei der Ausrichtung wurde

der Hals parallel zum Untergrund und in Fahrtrich-

tung positioniert. Die Beine waren angewinkelt. Die

Anprallfläche wurde wie bei den Fallversuchen mit

Schleifpapier mit der Körnung 40 versehen (Abbil-

dung 13).

Da in der Vornorm prEN 13087-11 keine Prüfungen

mit kompletten Prüfpuppen vorgesehen sind, wurde

dieser Test nach den Vorschlägen der Working

Group 11 des Technical Committee 158 des Euro-

päischen Komitees für Normung (CEN) durchge-

führt. Der Winkel zwischen der Fahrtrichtung und

der Anprallebene betrug 30°. Die Anprallebene

bestand aus einer Schalltafel, welche rückwärtig mit

Metallwinkeln abgestützt wurde (Abbildung 14).

Um Schäden am Dummy zu vermeiden, wurde er

auf der Anprallseite mit einer Wolldecke geschützt.

2.2 Messausrüstung

Der H3-50 %-Dummy wurde im Kopf mit den iden-

tischen Sensoren wie bei den Fallversuchen ausge-

stattet, einem triaxialen Beschleunigungssensor und

einem triaxialen Drehratensensor. Zusätzlich war der

Dummy mit einem instrumentalisierten Hals ausge-

stattet, welcher es erlaubt, sowohl die Kräfte wie

auch die Momente, welche beim Anprall auftreten,

zu messen.

Abbildung 14 Prüfpuppe mit Helm in Anprallposition, Draufsicht

Abbildung 15 Koordinatensystem im Dummy

Abbildung 13 Prüfpuppe mit Helm in Anprallposition, Seitenansicht

18 Resultate bfu-Grundlage

V. Resultate

Bei den durchgeführten Testserien wurde aus den

erhaltenen Messwerten jeweils die maximal resul-

tierende Beschleunigung, das Head Injury Crite-

rion (HIC) und das Brain Injury Criterion (BrIC) be-

rechnet. Durch die maximal resultierende Be-

schleunigung und das HIC lassen sich die transla-

torischen Belastungen im Kopf und deren Verlet-

zungsrisiko bestimmen. Durch das BrIC werden

die Rotationsgeschwindigkeiten bewertet, wel-

che am Kopf auftreten (Tabelle 2).

Bei den Schlittenversuchen wurde aus den Mess-

werten, welche im Hals auftraten, zusätzlich noch

das Neck Injury Criterion (Nij) berechnet. Es bein-

haltet sowohl die Halskräfte in z-Richtung wie

auch die Momente um die y-Achse. Weiter wur-

den jeweils das maximal auftretende Moment um

die y- sowie die maximal auftretende Kompressi-

onskraft in Richtung z-Achse im Hals ausgewer-

tet.

Tabelle 2 Berechnungsgrundlagen

Kriterium / Formel Grenzwert Normen-Bezug amax 250g EN 1078

Mymax (Flexion Hals) 190 Nm FMVSS 208

FZmin (Kompression Hals) 4000 Nm FMVSS 208

𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻 = (𝑡𝑡2 − 𝑡𝑡1) �1

(𝑡𝑡2 − 𝑡𝑡1) � 𝑎𝑎(𝑡𝑡)𝑑𝑑𝑡𝑡

𝑡𝑡2

𝑡𝑡1

�

2.5 2400

1000

700

UN R22.05

UN R94 / UN R137

FMVSS 208

𝐵𝐵𝐵𝐵𝐻𝐻𝐻𝐻 = ��𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚(|𝜔𝜔𝑥𝑥|)

𝜔𝜔𝑥𝑥𝑥𝑥�2

+ �𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚��𝜔𝜔𝑦𝑦��

𝜔𝜔𝑦𝑦𝑥𝑥�2

+�𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚(|𝜔𝜔𝑧𝑧|)

𝜔𝜔𝑧𝑧𝑥𝑥�2

ωxC = 66.25 rad/s

ωyC = 56.45 rad/s ωzC = 42.87 rad/s

– Ist aktuell noch in keiner Norm defi-niert.

𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 =𝐹𝐹𝑧𝑧𝐹𝐹𝑧𝑧𝑥𝑥

+𝑀𝑀𝑦𝑦

𝑀𝑀𝑦𝑦𝑥𝑥

FzC = 6806 N / –6160 N (Zug/Druck) FzC = 310 N / –135 N (Flexion/Extension)

<1.0 FMVSS 208

bfu-Grundlage Resultate 19

1. Fallversuche

Tabelle 3 zeigt die erhaltenen Werte bei den Fall-

versuchen.

Die biomechanischen Grenzwerte wurden nur bei

zwei Messungen geringfügig überschritten (HIC

in Rot).


Tabelle 4 zeigt die erhaltenen Werte bei den

Schlittenversuchen.

Die im Kopf gemessenen linearen Beschleuni-

gungswerte (amax und damit der HIC) sind wesent-

lich kleiner als jene im Fallversuch. Dies kann auf

den geänderten Anprallwinkel und hauptsächlich

auf die wesentlich grössere beteiligte Masse zu-

rückgeführt werden. Die im Hals gemessenen

Halskräfte FZmin und Momente Mymax über-

schreiten zur Hälfte die biomechanischen Grenz-

werte (Mymax 190 Nm und FZmin 4000 N) (in Rot)

oder sind knapp darunter.

Tabelle 3 Resultate Fallversuche

Helm A A* B B* C C* D E* Grenzwert MIPS Nein Ja Nein Ja Nein Ja Nein Ja

x-AchseBrIC 0.49 0.46 0.52 0.45 0.58 0.49 0.49 0.43 – HIC 580 739 566 585 848 633 1072 400 1000 amax [g] 124 144 128 134 152 154 187 91 250

y-AchseBrIC 0.60 0.48 0.58 0.47 0.68 0.61 0.66 0.52 – HIC 275 340 396 567 174 214 265 197 1000 amax [g] 95 101 111 120 80 85 95 72 250

z-AchseBrIC 0.69 0.64 0.76 0.73 0.71 0.69 0.64 0.56 – HIC 834 1003 862 771 778 686 740 535 1000 amax [g] 144 159 140 139 137 129 138 114 250

Tabelle 4 Resultate Schlittenversuche

Helm A A* B B* C C* D E* Grenzwert MIPS Nein Ja Nein Ja Nein Ja Nein Ja

y-AchseBrIC 0.50 0.35 0.50 0.34 0.49 0.34 0.33 0.31 –

HIC 42 59 37 63 67 66 44 50 1000

amax [g] 31 36 31 39 43 48 33 34 250

Nij 1.6 1.1 1.4 1.1 1.1 0.9 1.0 0.8 <1.0

Mymax [Nm] 271 191 236 186 208 148 169 143 190

Fzmin [N] –4883 –4162 –4096 –4018 –3554 –3553 –3401 –2808 –4000

20 Auswertung bfu-Grundlage

VI. Auswertung

Bei der Auswertung der Daten werden die Resul-

tate der Fallversuche und jene der Schlittenversu-

che getrennt beurteilt. Durch die unterschiedli-

chen beteiligten Massen ist eine direkte Gegen-

überstellung der Messwerte nicht sinnvoll.

1. Fallversuche

Da die Menge der geprüften Helme nur als Gan-

zes aussagekräftig ist, werden die Ergebnisse

nachfolgend als Mittelwert der Helme mit/ohne

dem System MIPS dargestellt. Die Helme D und

E* zeigen zwar dieselben Tendenzen wie die rest-

lichen Paare, würden jedoch das Ergebnis etwas

verfälschen, da der Helm E* durch die verbesser-

ten Eigenschaften schon ohne MIPS deutlich ver-

besserte Dämpfungseigenschaften aufweist. Die

beiden Helme D und E* werden daher nicht

berücksichtigt.

1.1 Kopfbeschleunigungen und HIC

In der aktuellen Fassung der Norm für Fahrrad-

helme [1] ist als Kriterium für die Kopfbeschleuni-

gung lediglich ein maximaler Wert von 250 g an-

gegeben, welcher nicht überschritten werden

darf. Grenzwerte für das aussagekräftigere HIC

sind in der Norm nicht angegeben. Um die Ver-

letzungsrisiken besser abschätzen zu können,

wird hier neben der maximalen Beschleunigung

jedoch auch das HIC herangezogen.

Bei den Fallversuchen mit einer Drehung um die

x- und y-Achse ist keine relevante Veränderung

im HIC-Wert zu erkennen (Abbildung 16). Beim

Anprall um die y-Achse wurden generell die tiefs-

ten HIC-Werte gemessen. Mit MIPS ist um die y-

Achse eine Erhöhung der HIC-Werte um 33 %

festzustellen.

Bei der maximalen Kopfbeschleunigung ist der

Unterschied zwischen Helmen mit und Helmen

ohne MIPS sehr gering (Abbildung 17).

Abbildung 16 Vergleich HIC-Werte mit/ohne MIPS

665

282

825

652

374

820

0100200300400500600700800900

x-Achse y-Achse z-Achse

HIC Durchschnitt

ohne MIPS mit MIPS

Abbildung 17 Vergleich amax [g] Werte mit/ohne MIPS

135

95

140144

102

142

0

20

40

60

80

100

120

140

160


amax [g] Durchschnitt

ohne MIPS mit MIPS

bfu-Grundlage Auswertung 21

1.2 Drehraten

In der aktuell gültigen Norm wird die rotative Be-

lastung des Kopfes resp. des Gehirns nicht be-

rücksichtigt. Sie ist jedoch ein entscheidender

Faktor bei den auftretenden Verletzungen bei ei-

nem Unfall. Um die Wirkung von Fahrradhelmen

mit MIPS zu testen, ist die Auswertung des BrIC

ein entscheidender Faktor.

Das BrIC hat sich durch die Verwendung von MIPS

im Durchschnitt wie folgt reduziert: x-Achse:

–12 %, y-Achse: –16 %, z-Achse: –5 % (Abbil-

dung 18).


Bei den Schlittenversuchen zeigt sich ein ver-

gleichbares Bild wie bei den Fallversuchen. Jedoch

sind hier die Werte des HIC, BrIC und der maxi-

malen Kopfbeschleunigung sehr viel tiefer, dies

auf Grund des geringeren Anprallwinkels und vor

allem wegen der viel grösseren beteiligten Masse

des Dummykörpers. Interessant ist jedoch die

Betrachtung der Halskräfte FZmin und Momente

Mymax. Diese haben sich durch das MIPS deutlich

reduziert, wie Tabelle 5 veranschaulicht.

Tabelle 5 Vergleich Resultate Schlittenversuche

Ø A/B/C Ø A*/B*/C* Änderung in %

Nij 1.37 1.03 –24

Mymax [Nm] 238 175 –27

Fzmin [N] –4178 –3911 –6

Abbildung 18 Vergleich BrIC-Werte mit/ohne MIPS

0.53

0.62

0.72

0.470.52

0.69

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8


BrIC Durchschnitt

ohne MIPS mit MIPS

22 Biomechanische Beurteilung bfu-Grundlage

VII. Biomechanische Beurteilung

1. Fallversuche

Gemäss Entwurf prEN13087-11 wurden die Ver-

suche mit einem instrumentierten Dummykopf

(Hybrid III) durchgeführt. Bei jedem Versuch wur-

den die translatorischen und rotatorischen Be-

schleunigungen sowie die Rotationsgeschwindig-

keiten gemessen. Daraus wurden die Verlet-

zungskriterien HIC (Head Injury Criterion) und

BrIC (Brain Injury Criterion) berechnet.

Der Norm-Entwurf sieht verschiedene Konstellati-

onen vor, sodass jeweils eine Rotationsachse do-

miniert. Bei den Fallversuchen um die x- oder y-

Achse sind die Rotationsbelastungen um die an-

deren Achsen deutlich kleiner. Beim Anprall mit

Rotation um die z-Achse ist zu beachten, dass die

vorgesehene Konfiguration auch zu Rotationsan-

teilen um die x- und y-Achse führt. Die Messer-

gebnisse verdeutlichen dies.

1.1 Bewertung der durch den Auf-

prall erzeugten max. translatori-

schen Beschleunigung

Grundsätzlich kann man feststellen, dass die hier

gemessenen maximalen translatorischen Be-

schleunigungen die gleiche Grössenordnung ha-

ben wie Testresultate, die von anderen For-

schungsgruppen bereits veröffentlicht wurden.

So haben Stigson et al. unter Verwendung eines

sehr ähnlichen Versuchsaufbaus verschiedene

Fahrradhelme geprüft und vergleichbare Ergeb-

nisse erzielt [3]. In allen Versuchen lag die maxi-

male translatorische Kopfbeschleunigung deut-

lich unterhalb von 250 g. Wenngleich hier eine

schräge Anprallfläche verwendet wurde, legt dies

nahe, dass die Helme die Vorgaben der heute gül-

tigen Norm EN 1078 hinsichtlich der maximalen

Beschleunigung erfüllen. Bei der Anprallkonstel-

lation mit Rotation um die y-Achse wurden bei al-

len Helmen die kleinsten Peak-Beschleunigungen

gemessen. Dies kann durch das Helmdesign (Ge-

ometrie) erklärt werden.

Der Einfluss des Systems MIPS auf die maximale

translatorische Kopfbeschleunigung ist relativ ge-

ring und führt beim direkten Vergleich von Hel-

men mit/ohne MIPS nicht immer zu einheitlichen

Ergebnissen. Bei den Helmen A und A* bzw. B

und B* scheint die Beschleunigung bei Helmen

mit MIPS tendenziell leicht grösser zu sein, wobei

die Differenz jeweils unterschiedlich ausfällt. Bei

den Helmen C und C* ist dies nicht der Fall. Über

die Ursache für eine geringe Erhöhung der Be-

schleunigung kann nur spekuliert werden; allen-

falls könnte durch den Einbau von MIPS in den

sonst gleichen Helm eine leicht grössere Distanz

(zwischen innerer Oberfläche des Helms und

Kopf) entstehen, die dann zu einem Anstieg der

Beschleunigung führt. Da bei der vorliegenden

Testreihe jeweils nur ein Versuch durchgeführt

wurde, können kleine Abweichungen jedoch

auch im Rahmen der Reproduzierbarkeit liegen.

Die genaue Ursache für die beobachtete Tendenz

lässt sich hier nicht klären.

bfu-Grundlage Biomechanische Beurteilung 23

Basierend auf den gemessenen translatorischen

Beschleunigungen wurde das sogenannte Head

Injury Criterion (HIC) berechnet. Solche HIC-

Werte sind gemäss der heutigen Norm für Fahr-

radhelme nicht zu berechnen; folglich existieren

keine direkten Vergleichswerte oder gar Vorga-

ben. In anderen Anwendungen (z. B. zum Schutz

von Fahrzeuginsassen bei einem frontalen An-

prall) wird hingegen verlangt, dass das mit einem

Dummy gemessene HIC-Kriterium einen Wert

von 1000 nicht überschreiten darf (Norm: UN R94

/ UN R137). Die Konsumentenschutzorganisation

EuroNCAP setzt die Grenze für inakzeptable HIC-

Werte bei vergleichbaren Crashtests bei

HIC > 700 an. Die Norm für Motorradhelme

(UN R22.05) definiert die Grenze beim Prüfen von

Motorradhelmen hingegen bei HIC = 2400 (und

275 g maximaler Beschleunigung). Aus biome-

chanischer Sicht besteht ein Zusammenhang zwi-

schen Verletzungsrisiko und HIC-Werten; als

Richtwert kann aufgrund experimenteller Studien

angenommen werden, dass ein HIC-Wert von

1000 ungefähr einem 50 %igen Risiko, eine

Schädelfraktur zu erleiden, entspricht (Verletzung

der Schwere AIS2+).

Im vorliegenden Fall widerspiegeln die berechne-

ten HIC-Werte die auch bei der Peak-Beschleuni-

gung festgestellte Richtungsabhängigkeit. Ein-

zelne Werte liegen oberhalb von 700 bzw. 1000,

sodass aus biomechanischer Sicht bei einem

Kopfanprall, der den Versuchsbedingungen ent-

spricht, eine Kopfverletzung nicht ausgeschlossen

werden kann. Insbesondere der Versuch mit Helm

D fällt diesbezüglich negativ auf. In der Gesamt-

schau der Ergebnisse liegen die HIC-Werte hier je-

doch im erwarteten Bereich. Analog der maxima-

len Beschleunigung ist auch der Einfluss vom

MIPS auf die HIC-Werte nicht einheitlich.

1.2 Bewertung der durch den Anprall

erzeugten Rotation

Die Rotationsbelastung wurde in Form der rota-

torischen Beschleunigung sowie der durch den

Anprall an die schräge Platte verursachten Rotati-

onsgeschwindigkeit charakterisiert. Aus der Rota-

tionsgeschwindigkeit kann dann das Verletzungs-

kriterium BrIC (Brain Injury Criterion) berechnet

werden. Das BrIC berücksichtigt die Rotations-

komponenten aller Richtungen. Um die berech-

neten BrIC-Werte mit einem Verletzungsrisiko in

Bezug zu setzen, müssen die Werte anhand eines

Diagramms interpretiert werden. Es existiert also

kein definierter Grenzwert, der nicht überschrit-

ten werden soll. Da das Kriterium BrIC relativ neu

ist [4], wurden damit erst wenige Erfahrungen ge-

macht; es hat ferner noch keinen Eingang in eine

Norm gefunden. Es wurde jedoch von der US-

Strassenverkehrsbehörde NHTSA entwickelt und

wird von dieser im Hinblick auf eine Inklusion in

US-Standards unterstützt.

Wie deutlich zu sehen ist, resultiert das hier ver-

wendete Testverfahren wie gewünscht in einer

Rotation um die jeweilige Achse. Die Diagramme

der Rotationsbeschleunigungen zeigen dies ein-

deutig (siehe Anhang, S. 31). Ebenso deutlich ist

zu erkennen, dass das System MIPS diese Rotati-

onsbeschleunigung reduziert. Auch die BrIC-

Werte fallen bei Helmen mit MIPS in allen Konfi-

gurationen kleiner aus. MIPS reduziert die Rotati-

onskomponente messbar, wobei der Effekt bei

Rotation um die x- und y-Achse am grössten ist.

In der Konfiguration mit Rotation um die z-Achse

ist die geringste Auswirkung festzustellen. Dies

lässt sich einerseits mit der Positionierung des

Helms in diesem Anprallszenario sowie auch mit

der Helm-/Kopfform erklären, bei der das MIPS-


System weniger Bewegung zulässt als bei Dre-

hungen um die anderen Achsen.


Bei den hier durchgeführten Schlittenversuchen

wurde ein Crashtest-Dummy verwendet. Im Ver-

gleich zu den Fallversuchen unter Verwendung ei-

nes Dummykopfs erlaubt dieser Versuchsaufbau

einerseits die Messung zusätzlicher Grössen (wie

der Belastung des Halses), es ändert sich jedoch

auch die bei einem Anprall wirksame effektive

Masse. Die wirkende Masse des kompletten

Dummys ist ca. 17-mal grösser als jene des Dum-

mykopfs, welcher für die Fallversuche verwendet

wurde.

Letzteres wird durch die geringen translatori-

schen Kopfbeschleunigungen und HIC-Werte do-

kumentiert. Die Testkonfiguration mit liegendem

Dummy reduziert die beim Anprall wirkende Be-

schleunigung, während im Fallversuch der Kopf

viel stärker beschleunigt wird. Der Einfluss des

MIPS-Systems verhält sich analog dem oben be-

schriebenen, wenngleich hier die Messwerte bzw.

die berechneten HIC-Werte derart klein sind, dass

aus biomechanischer Sicht eine detaillierte Inter-

pretation wenig sinnvoll ist.

Die Rotationskomponenten wirken sich in diesem

Testaufbau wiederum auf die Auswertung des

BrIC aus, sie zeigen sich jedoch auch in dem an

der Halswirbelsäule gemessenen Moment

(My max). Beim hier gewählten Aufbau resultiert

der Anprall in einem positiven Hals-Moment,

d. h., es resultiert eine Flexion der Halswirbel-

säule. Sowohl BrIC wie auch My werden durch das

MIPS-System deutlich reduziert. Die erhaltenen

BrIC-Werte liegen in der gleichen Grössenord-

nung wie bei der Testreihe der Fallversuche. Beide

Kriterien zeigen an, dass Verletzungen durchaus

auftreten können. Experimentelle Studien geben

beispielsweise an, dass ab einem Flexionsmoment

von 190 Nm (Grenzwert vgl. Tabelle 4, S. 19) Ver-

letzungen des Schweregrads AIS2 auftreten kön-

nen [5]. Die Messwerte zeigen hier, dass durch die

Verwendung von MIPS das Moment reduziert

wurde, wodurch diese Grenze unterschritten

wurde.

Des Weiteren wurde die axiale Kompressionskraft

in der Halswirbelsäule gemessen. Die gemesse-

nen Werte reichen von rund 2,8 bis 4,9 kN.

Helme mit MIPS weisen eine leicht reduzierte

Kompressionskraft auf, wobei die Unterschiede je

nach Helmmodell sehr klein sind. Es lässt sich da-

her kein relevanter Einfluss von MIPS auf die

HWS-Kompressionskraft nachweisen – dies war

auch nicht zu erwarten. Berücksichtigt man nun

die Kombination aus Moment My und axialer

Kompressionskraft FZ, so lässt sich das Kriterium

Nij [6] berechnen. Dieses Kriterium wird zur Be-

wertung der Halsbelastung von Fahrzeuginsassen

bei Frontalkollisionen verwendet (Grenzwert 1,0);

es ist eines der wenigen HWS-Verletzungskrite-

rien. Da das Kriterium für Fahrzeuginsassen bei

Frontalkollisionen entwickelt wurde, standen ne-

ben dem Moment die auf die Halswirbelsäule wir-

kenden Zugkräfte im Vordergrund – und nicht die

hier gemessenen Kompressionskräfte. Die Aus-

wertung zeigt, dass der Einfluss des Moments

überwiegt und damit der Wert für Helme mit

MIPS reduziert wird.

bfu-Grundlage Biomechanische Beurteilung 25

3. Computersimulationen

Wie der vorliegende Bericht zeigt, konnte der Ef-

fekt des Systems MIPS anhand der durchgeführ-

ten Versuche aufgezeigt werden. Durch die Ver-

wendung eines Crashtest-Dummys bzw. eines

Dummykopfs konnten die im Aufprall wirkenden

Belastungen gemessen werden; diese Messungen

basieren auf entsprechenden (im Kopf) unterge-

brachten Sensoren. Die Sensoren nehmen die Be-

schleunigungen (bzw. die Rotationsgeschwindig-

keiten) an einem definierten Punkt auf. Dies er-

laubt gewisse Rückschlüsse auf die biomechani-

sche Belastung, beschränkt die Möglichkeiten der

Interpretation jedoch auf diese Messungen. Aus-

sagen zu Parametern wie der Spannungsvertei-

lung bzw. Dehnungen im Gehirngewebe lassen

sich aufgrund dieser Messungen nicht machen,

obschon solche Scherspannungen bzw. Dehnun-

gen («strain») einen Bezug zu Gehirnverletzun-

gen haben. Mithilfe von Computersimulationen

lassen sich diese Parameter hingegen analysieren.

Dazu können die aus den Versuchen mit einem

Dummykopf gewonnenen Messwerte als Rand-

bedingung für ein Computermodell des Kop-

fes/Gehirns verwendet werden. Anschliessend

berechnet das Computermodell, welche Span-

nungen und Dehnungen unter diesen Umständen

im Gehirngewebe zu erwarten sind. Somit kann

die Höhe der Spannungen und Dehnungen sowie

der Ort im Gehirn, an dem diese auftreten, be-

trachtet werden. Hierdurch lassen sich zusätzliche

Informationen gewinnen, die mit den Dummy-

kopf-Versuchen nicht erzielt werden können.

Ergänzend zu den hier beschriebenen Aufprall-

versuchen wurden solche Computersimulationen

durchgeführt [7]; dabei wurde die Finite-Ele-

mente-Methode angewandt. Alle Fallversuche

wurden mit einem bestehenden Computermodell

von Kopf und Gehirn [8] simuliert, d. h., jeder Fall-

versuch wurde durch eine entsprechende Com-

putersimulation ergänzt. Dadurch konnten zu-

sätzlich zu den gemessenen Parametern auch die

durch das Modell berechneten Grössen analysiert

werden, um den Einfluss von MIPS zu bewerten.

Der positive Effekt von MIPS konnte bestätigt

werden. Es zeigte sich, dass die berechneten Deh-

nungen einen ähnlichen Bezug zum Verletzungs-

risiko aufweisen wie die im Versuch bestimmten

maximalen Rotationsbeschleunigungen und das

Verletzungskriterium BrIC.

4. Fazit

Grundsätzlich lässt sich festhalten, dass ein Vor-

gehen gemäss prEN 13087-11 ein praktikabler

Ansatz ist, um Helme zukünftig in einer Weise zu

testen, die auch eine Rotation berücksichtigt. Die

hier durchgeführten Versuche bestätigen ent-

sprechende Ergebnisse früherer Studien.

Das System MIPS hatte bei den hier durchgeführ-

ten Versuchen einen messbaren Einfluss auf die

Belastung. Die Rotationskomponenten werden

durch MIPS klar reduziert; dies bezieht sich so-

wohl auf die Belastung des Kopfes bzw. des Ge-

hirns (angegeben durch das Kriterium BrIC) als

auch auf die Belastung der Halswirbelsäule (ange-

zeigt durch die auf die HWS wirkenden Kräfte

und Momente bzw. das Kriterium Nij). Ein nach-

teiliger Effekt, der sich eindeutig auf die Ausstat-

tung eines Helms mit MIPS zurückführen lässt,

konnte nicht nachgewiesen werden. Einschrän-

kend ist jedoch anzumerken, dass jeder Helm je-

weils nur einmal pro Richtung geprüft wurde.


Wie diese Untersuchung gezeigt hat, ist das Ein-

setzen eines MIPS in einen Fahrradhelm begrüs-

senswert, da dadurch bei Rotationsbeschleuni-

gungen die Belastung auf das Hirn gemindert

werden kann. Es ist zudem nur mit geringen

Mehrkosten verbunden. Es erübrigt sich dadurch

jedoch nicht, die angebotenen Helme auch unter-

einander zu vergleichen. Denn wie sich ebenfalls

gezeigt hat, sind die Unterschiede zwischen den

einzelnen Helmmodellen teilweise deutlich grös-

ser als die Verbesserung durch MIPS. Dies zeigt

sich besonders beim Vergleich der Modelle D und

E*. Das Nachfolgemodell mit MIPS ist hier nicht

nur hinsichtlich der Rotationsbelastungen besser,

sondern auch hinsichtlich der übrigen gemesse-

nen Werte.

bfu-Grundlage Fahrradhelme müssen besser schützen 27

VIII. Fahrradhelme müssen besser schützen

1. Bedeutung des Fahrradhelms als

Präventionsmassnahme

Prävention von Unfällen der schwachen Verkehrs-

teilnehmer gehört zu den Schwerpunktaufgaben

der bfu. Prävention zielt darauf ab, sowohl die

Verhältnisse als auch das Verhalten aller Ver-

kehrsteilnehmer zu beeinflussen, damit das Risiko

für schwere Verletzungen oder gar Todesfälle

weiter sinkt. Zum Bündel von wirksamen Präven-

tionsmöglichkeiten gehört auch das Tragen eines

Fahrradhelmes [9]. Die Schutzwirkung des

Fahrradhelmes ist bekannt [10]. Sie liegt für

Kopfverletzungen bei einer Wirksamkeit von

50 %, für schwere Kopfverletzungen gar bei 60–

70 % [9]. Nur etwa 50 % der Fahrradfahrenden

tragen heute einen Helm, einige von ihnen tragen

ihn zudem nicht einmal korrekt [11]. Weitere An-

strengungen zur Steigerung der Traghäufigkeit

und zum Verbessern der Qualität des Tragens

sind erforderlich.

2. Beurteilung der biomechanischen

Wirksamkeit des Fahrradhelms

Im Rahmen des vorliegenden Projektes steht aber

das Produkt an und für sich zur Diskussion. Ein

Helm hat eine gewisse biomechanische Schutz-

wirkung, um bei einer Kollision oder einem Sturz

auf die Strasse den Aufprall zu dämpfen. Die

heute in der Schweiz auf dem Markt verfügbaren

Helme erfüllen weitgehend alle die Mindestanfor-

derungen an Fahrradhelme, wie sie in einer inter-

nationalen Norm definiert sind [1]. Diese Norm

macht aber nur Vorgaben an die Dämpfungsei-

genschaften von Helmen bei linearem Aufprall. In

den letzten Jahren haben verschiedene For-

schungsgruppen in wissenschaftlichen Arbeiten

darlegen können, dass die heutige Norm keine

hinreichende Vorgabe für wirksame Helme

darstellt [12]. Wichtige Eigenschaften, die die

Schutzwirkung von Helmen verbessern könnten,

werden in der aktuellen Version der Norm nicht

eingefordert. Mittlerweile ist klar, dass nicht nur

die Dämpfung beim Einwirken einer linearen

Kraft wichtig ist, sondern nicht weniger be-

deutend auch das Reduzieren der Einwir-

kung von Rotationsbeschleunigungen. Wird

der Kopf durch tangential zur Kopfoberfläche

wirkende Kräfte in eine Drehbewegung versetzt,

so kommt die relativ weiche Masse des Hirns der

abrupten Bewegungsänderung (Drehbewegung)

des Schädels nur verzögert nach. Das Hirn voll-

führt wegen der Trägheit seiner Masse eine Rela-

tivbewegung zum Schädel und prallt zeitlich ver-

setzt zum äusseren Aufprallereignis an die Schä-

delinnenseite. Aber auch ohne Kontusion der

Hirnmasse können sich alleine durch die Relativ-

bewegung von Hirnbereichen Schädigungen an

den Nervenzellen oder Nervenverbindungen er-

geben. Die Drehbeschleunigung des Hirns führt

zu einer starken Zugwirkung auf die Verbindun-

gen der Hirnzellen, was zu schwerer – zum Teil

bleibender – Schädigung der Hirnmasse führen

kann. Es gibt Hinweise, dass Drehbeschleunigun-

gen des Kopfs oft eine grössere Verletzungswir-

kung haben als radiale Kräfte in Richtung Schwer-

punkt des Kopfes. Diesem Umstand wird in der

heutigen Norm aber nicht Rechnung getragen.

28 Fahrradhelme müssen besser schützen bfu-Grundlage

3. Ein Helm soll bei einem Aufprall

rutschen

Voraus und vorab gilt aber grundsätzlich: Der

Helm soll auf der Aufprallfläche rutschen. Je

besser er rutsch, desto besser.

Der optimale Fahrradhelm für den Moment, in

dem man auf den Bürgersteig trifft, hat eine

runde Form und eine harte, oder zumindest

glatte Kunststoffschale. Bei Helmen mit bei-

spielsweise einem prominenten Heckspoiler be-

steht das Risiko, dass dieser beim Bodenkontakt

in den Bürgersteig eindringt. Dies kann dazu füh-

ren, dass die Rückseite des verlängerten Helmes

den Helm beim Aufprall zur Seite schiebt.

Wird der Helm weggeschoben, ist der Kopf unge-

schützt. Glücklicherweise geht der aktuelle Trend

zu «kompakten» Helmen, und die aerodynami-

sche Form sieht jetzt veraltet aus.

Lüftungsschlitze sind notwendig, es sollte aber

sichergestellt werden, dass sie glatt in die Helm-

schale integriert sind. Zudem soll bei Helmen auf

unnötige Modekanten an der Aussenseite ver-

zichtet werden. Ebenso auf Befestigungsele-

mente für Visiere oder kleine Tierohren und –

nasen sowie auf jede andere Funktion, die dazu

führen könnte, dass sich die Helmschale verfängt.

Dieser Aspekt kann ein potenzieller Helmkäufer

einfach beurteilen, solange man bedenkt, dass

man möchte, dass sein Kopf beim Aufprall

rutscht. Es sollte offensichtlich sein, dass kein Zu-

behör oder keine Abdeckung an der Aussenseite

eines Helmes angebracht werden soll, die seinen

Gleitwiderstand erhöht. Dazu gehören auch Lam-

pen und Kameras. Viele derjenigen, die man

sieht, haben Halterungen, die viel zu stark sind,

1 https://www.youtube.com/watch?v=c1mYQLPqQqM

um sich leicht zu lösen, wenn der Helm rutschen

muss.

4. Der Helm soll Rotationsbeschleu-

nigungen reduzieren

Mehrere Konzepte scheinen geeignet zu sein, um

die Schutzwirkung der Helme heutiger Bauart mit

zum Teil geringfügiger Modifikation zu steigern.

Der in der vorliegenden Studie untersuchte An-

satz von MIPS© mit einer zusätzlichen Gleitschale

in der Helminnenseite ist so eine Option, die ge-

mäss unserer Experimente Rotationsbeschleuni-

gungen reduzieren kann. Die Wirkung anderer

ausgewählter Ansätze werden in biomechani-

schen Studien belegt [12], wobei einige Ideen erst

als Prototypen vorliegen.

Auf dem Markt sind Helme, die mit unterschied-

lichen Konstruktionsweisen versuchen, die Ro-

tationsbeschleunigungen zu reduzieren. Dazu ge-

hören unter anderem:

− Abdeckung der Helmaussenschale, die wie

ein Gleitschicht funktionieren,

− das von Motorradhelmen bekannte Konzept

«SuperSkin1» mit externen elastischen ge-

schmierten Membran,

− der Ansatz von «6D2» für Motorradhelme mit

zwei EPS-Schichten,

− Helme mit Wabenstruktur oder

− das Airbag-Modell von Hövding

In Entwicklung sind materialtechnische Lösun-

gen, bei denen die Reduktion der Rotationsbe-

schleunigung über die Veränderung der Struktur

des EPS-Innenfutters gewährleistet werden soll

[13].

2 https://www.6dhelmets.com/

https://www.youtube.com/watch?v=c1mYQLPqQqM

https://www.6dhelmets.com/

bfu-Grundlage Fahrradhelme müssen besser schützen 29

5. Fazit

Das ursprüngliche Ziel der Helmnormen war es,

lebensbedrohliche Verletzungen zu vermeiden.

Mit dem Wissen von heute sollte ein Helm aber

vorzugsweise auch Hirnverletzungen mit Lang-

zeitfolgen verhindern. Helme sollten so konstru-

iert sein, dass sie die translatorische Beschleuni-

gung und die Rotationsenergie reduzieren. Ein

herkömmlicher Helm, der nur die Anforderungen

aus der aktuellen Norm erfüllt, ist nur bedingt da-

für geeignet, im Falle eines Kopfaufpralls eine Ge-

hirnerschütterung zu verhindern. Helme müssen

die durch Drehbeschleunigung übertragene Ener-

gie besser absorbieren. Künftig sollten daher die

normativen Fahrradhelmanforderungen auch be-

züglich Rotationskräfte eine gute Qualität ge-

währleisten. Zwischenzeitlich spielen Verbrau-

chertests eine wichtige Rolle bei der Information

und Orientierung der Verbraucher bei der Wahl

ihrer Helme. Dies aber nur, wenn diese Tests über

die heutigen Normenanforderungen hinausge-

hen und die Dämpfung der Rotationsenergien

auch in die Gesamtbewertung eines Helms einbe-

ziehen, wie dies zum Bespiel im holländischen

«Technical Agreement NTA 877» festgelegt

wurde [14].

Die aufgeführten Beispiele zeigen deutlich, dass

es mehrere Möglichkeiten gibt, einen Helm zur

Aufnahme von Rotationskräften zu konstruieren.

Die bfu setzt sich dafür ein, dass beim Fahrrad-

fahren immer ein Helm getragen wird. Diese Be-

strebung will die bfu flankieren mit einem Beitrag

zur Weiterentwicklung der Schutzwirkung des

Helms. Insbesondere sollen auch die Entwicklun-

gen unterstützt werden, dass Helme wirksam vor

Rotationsbeschleunigungen schützen.

30 Quellen bfu-Grundlage

Quellen

[1] Europäisches Komitee für Normung CEN. EN 1078:2012 + A1:2012 Helme für Radfahrer und für

Benutzer von Skateboards und Rollschuhen; 1997.

[2] Europäisches Komitee für Normung CEN. prEN 13087-11 Entwurf für eine neue Norm zur Prüfung

von Fahrradhelmen; 2018.

[3] Stigson H, Rizzi M, Ydenius A, Engström E, Kullgren A. Consumer Testing of Bicycle Helmets; 2017;

IRC-17-30.

[4] Takhounts EG, Craig MJ, Moorhouse K et al. Development of Brain Injury Criteria (BrIC). In: Stapp

Car Crash Journal. Vol. 57: 243-266. DOI:10.4271/2013-22-0010.

[5] Schmitt K-U, Niederer PF, Cronin Duane. et al. Trauma biomechanics: An introduction to injury bio-

mechanics. 4. ed. Heidelberg: Springer; 2014.

[6] Kleinberger M, Sun E, Eppinger R et al. Development of improved injury criteria for the assessment

of advanced automotive restraint systems. NHTSA Docket. 1998; 4405: 9.

[7] Gross J. Bestimmung der biomechanischen Belastungen des Gehirns zur Analyse des Schutzpoten-

tials innovativer Fahrradhelme [Bachelor-Arbeit], Koblenz; 2018.

[8] Kleiven S. Evaluation of head injury criteria using a finite element model validated against experi-

ments on localized brain motion, intracerebral acceleration, and intracranial pressure. International

Journal of Crashworthiness. 2006; 11(1): 65-79.

[9] Walter E, Achermann Stürmer Y, Scaramuzza G et al. Fahrradverkehr. Bern: bfu – Beratungsstelle

für Unfallverhütung; 2012: bfu-Sicherheitsdossier Nr. 08.

[10] Walter E, Achermann Stürmer Y, Niemann S. Kurzanalyse Fahrradhelm. Bern: bfu – Beratungsstelle

für Unfallverhütung; 2015: bfu-Faktenblatt 14.

[11] bfu – Beratungsstelle für Unfallverhütung. bfu-Erhebung 2018 Helmtragquoten der Radfahrenden

im Strassenverkehr. Bern: bfu – Beratungsstelle für Unfallverhütung; 2018.

[12] Klug C, Feist F, Tomasch E. CLEVERER HELM - Optimaler Schutz vor Kopfverletzungen durch

verbesserte Testmethoden von Kinder-Fahrradhelmen. Wien: BMVIT – Bundesministerium für

Verkehr, Innovation und Technologie; 2015: Forschungsarbeiten des österreicheischen

Verkehrssicherheitsfonds 044.

[13] Mosleh Y, Cajka M, Depreitere B et al. Designing safer composite helmets to reduce rotational ac-

celerations during oblique impacts. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part H,

Journal of engineering in medicine. 2018; 232(5): 479-491. DOI:10.1177/0954411918762622.

[14] Nederlands Normalisatie-Instituut. NTA 8776 Helmets for S-EPAC riders; 2016. ICS 03.120.10;

11.020.

bfu-Grundlage Anhang 31

Anhang

Messkurven Fallversuche A-2

Messkurven Schlittenversuche A-50

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ct

Ru

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Rudy P

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cit

y

-7-6-5-4-3-2-101

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20

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Head

An

gu

lar

Velo

cit

y

-7-6-5-4-3-2-1012

-10

-50

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15

20

αx / krad/s2

t / m

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Head

An

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Accele

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αy / krad/s2

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s

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gu

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Accele

rati

on

05_R

udyP

roje

ct_

Rush_X

.xls

x

pSi-17-0513-01_MIPS_für_Fahrradhelme.docx Seite A-2 von 65

Head Injury Criteria

Test: Rudy Project Rush, ohne Mips, X-Achse pSi-17-0513

Date of test: 02.11.2017

CHART LINES

Time Value

1 0 0

2 0.8000 0

3 0.8000 103.3

4 6.2000 103.3

5 6.2000 0

HIC

HICMAX: 580

tSTART: 0.8 ms

tEND: 6.2 ms

Δt: 5.35 ms

Head Acceleration (ares)

ares MAX: 124 g

tares MAX: 3.2 ms

ares AV: 103 g

Dynamic Test Center AG

0

20

40

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80

100

120

140

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s

/ g

t / ms

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0

20

40

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80

100

120

140

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/ g

t / ms

Resultant Head Acceleration, HIC Full Time Range


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dy P

roje

ct

Ru

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, o

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e M

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se

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ips, Y

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pS

i-17-0

513

Te

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C 1

000)

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C 6

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CF

C 6

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lta

te

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rati

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95

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x275

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lar

Velo

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y

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C m

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0

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20

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81

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t / m

s

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Accele

rati

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t / m

s

Head

Accele

rati

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20

40

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100

02

46

810

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t /

ms

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Accele

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t / m

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Accele

rati

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t / m

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y

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510

15

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ωy / rad/s

t / m

s

Head

An

gu

lar

Velo

cit

y

-10123456

-10

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ωz / rad/s

t / m

s

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An

gu

lar

Velo

cit

y

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t / m

s

Head

An

gu

lar

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Head

An

gu

lar

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t / m

s

Head

An

gu

lar

Accele

rati

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14_R

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Rush_Y

.xls

x



Test: Rudy Project Rush, ohne Mips, Y-Achse pSi-17-0513


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/ g

t / ms



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dy P

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ct

Ru

sh

, o

hn

e M

ips, Z

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se

Te

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Rudy P

roje

ct R

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ips, Z

-Achse

pS

i-17-0

513

Te

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03.1

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Fil

ter:

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CF

C 6

0)

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CF

C 6

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te

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y

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ms

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rati

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Velo

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y

-25

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-10-505

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An

gu

lar

Velo

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y

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-10

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t / m

s

Head

An

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rati

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lar

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rati

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20_R

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Rush_Z

.xls

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Test: Rudy Project Rush, ohne Mips, Z-Achse pSi-17-0513


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/ g

t / ms



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Ru

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Te

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Rudy P

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it M

ips, X

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pS

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513

Te

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Fil

ter:

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CF

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0)

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CF

C 6

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lta

te

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y

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ms

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Velo

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y

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07_R

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Rush_M

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.xls

x



Test: Rudy Project Rush, mit Mips, X-Achse pSi-17-0513


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/ g

t / ms



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dy P

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ct

Ru

sh

, m

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Te

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ips, Y

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pS

i-17-0

513

Te

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atu

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02.1

1.2

017

Fil

ter:

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C 1

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CF

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0)

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CF

C 6

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te

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t / m

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An

gu

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Velo

cit

y

-505

10

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t / m

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Head

An

gu

lar

Velo

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y

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t / m

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An

gu

lar

Velo

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y

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-10

-50

510

15

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αx / krad/s2

t / m

s

Head

An

gu

lar

Accele

rati

on

-2-1012345

-10

-50

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s

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An

gu

lar

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rati

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-1012

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An

gu

lar

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rati

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15_R

udyP

roje

ct_

Rush_M

ips_Y

.xls

x



Test: Rudy Project Rush, mit Mips, Y-Achse pSi-17-0513


CHART LINES

Time Value

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/ g

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dy P

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ct

Ru

sh

, m

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se

Te

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Rudy P

roje

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it M

ips, Z

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pS

i-17-0

513

Te

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21.1

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Fil

ter:

1650 (

CF

C 1

000)

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CF

C 6

0)

100 (

CF

C 6

0)

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lta

te

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y

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-100

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20

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t / m

s

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20

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s

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t /

ms

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t / m

s

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An

gu

lar

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y

-20

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-50

510

15

20

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t / m

s

Head

An

gu

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Velo

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y

-25

-20

-15

-10-505

-10

-50

510

15

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ωz / rad/s

t / m

s

Head

An

gu

lar

Velo

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y

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t / m

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An

gu

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s

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An

gu

lar

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rati

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-5-4-3-2-101

-10

-50

510

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s

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An

gu

lar

Accele

rati

on

27_R

udyP

roje

ct_

Rush_M

ips_Z

.xls

x



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/ g

t / ms


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140

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/ g

t / ms



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ub

, o

hn

e M

ips, X

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se

Te

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Bell H

ub, ohne M

ips, X

-Achse

pS

i-17-0

513

Te

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atu

m:

01.1

1.2

017

Fil

ter:

1650 (

CF

C 1

000)

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CF

C 6

0)

100 (

CF

C 6

0)

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su

lta

te

Head

Accele

rati

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x566

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Velo

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y

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2

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t / m

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rati

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ms

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rati

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-120

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20

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810

12

14

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rati

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lar

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y

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gu

lar

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cit

y

-10-505

10

-10

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s

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gu

lar

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cit

y

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rati

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CF

C 6

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gu

lar

Velo

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y

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gu

lar

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y

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-10

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510

15

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t / m

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gu

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Velo

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y

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gu

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C 6

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te

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20

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t / m

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rati

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y

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ell_H

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te

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Te

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CF

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lta

te

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y

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-100

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40

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t /

ms

Head

Accele

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-70

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gu

lar

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y

-505

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510

15

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ωy / rad/s

t / m

s

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An

gu

lar

Velo

cit

y

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Velo

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-10

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s

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An

gu

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rati

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-50

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An

gu

lar

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rati

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-10

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510

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αz / krad/s2

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An

gu

lar

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rati

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ell_A

nnex_M

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.xls

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it M

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Bell A

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CF

C 6

0)

100 (

CF

C 6

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lta

te

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rati

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lar

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y

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3

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t / m

s

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rati

on

-200

20

40

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t / m

s

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rati

on

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20

40

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t /

ms

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-100

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az / g

t / m

s

Head

Accele

rati

on

D

ynam

ic T

est

Cen

ter

AG

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10

15

-10

-50

510

15

20

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t / m

s

Head

An

gu

lar

Velo

cit

y

-20

-15

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-10

-50

510

15

20

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t / m

s

Head

An

gu

lar

Velo

cit

y

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-15

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-50

510

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t / m

s

Head

An

gu

lar

Velo

cit

y

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-10

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510

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t / m

s

Head

An

gu

lar

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rati

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t / m

s

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An

gu

lar

Accele

rati

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s

Head

An

gu

lar

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rati

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513

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s

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An

gu

lar

Velo

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t / m

s

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An

gu

lar

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rati

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t / m

s

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An

gu

lar

Accele

rati

on

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-10

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510

15

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αz / krad/s2

t / m

s

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An

gu

lar

Accele

rati

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23_G

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utton_X

.xls

x



Test: Giro Sutton, ohne Mips, X-Achse pSi-17-0513


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rati

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12

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gu

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Velo

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y

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gu

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s

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An

gu

lar

Accele

rati

on

-101

-10

-50

510

15

20

αz / krad/s2

t / m

s

Head

An

gu

lar

Accele

rati

on

09_G

iro_S

utton_Y

.xls

x



Test: Giro Sutton, ohne Mips, Y-Achse pSi-17-0513


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/ g

t / ms



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on

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CF

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CF

C 6

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te

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t / m

s

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12

14

16

18

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s

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Accele

rati

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ynam

ic T

est

Cen

ter

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10

15

-10

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y

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s

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y

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-15

-10-505

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15

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gu

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Velo

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y

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lar

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rati

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utton_Z

.xls

x



Test: Giro Sutton, ohne Mips, Z-Achse pSi-17-0513


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Te

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ips_X

.xls

x



Test: Giro Sutton, mit Mips, X-Achse pSi-17-0513


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/ g

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Gir

o S

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CF

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lta

te

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gu

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510

15

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t / m

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An

gu

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gu

lar

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rati

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-10

-50

510

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, m

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Test: Giro Sutton, mit Mips, Z-Achse pSi-17-0513


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o C

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nic

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it M

ips, X

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CF

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o C

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513

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21.1

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bfu – Beratungsstelle für Unfallverhütung, Postfach, CH-3001 BernTel. +41 31 390 22 22, info @ bfu.ch, www.bfu.ch

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bfu–Grundlage Tests mit Fahrradhelmen mit und ohne MIPS · 2.1 Aufbau 16 2.2 Messausrüstung 17...

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