Real-world investigations of motorcyclists crashes have shown that serious head injuries such as fractures at the base of the skull and intracranial injuries, despite all the advances made in helmet design and manufacturing, are still common among helmeted motorcyclists. Interestingly, these type of injuries seem to be correlated with the existing deficiencies and discrepancies among current motorcycle helmet testing standards. Therefore, the main objective of this thesis is to investigate how current motorcycle helmet testing standards can be improved for reducing basilar skull fracture and intracranial injuries among helmeted motorcyclists.

Although it is well-known that intracranial injuries are mainly caused by rotational motion of the head, current helmet testing standards are more focussed on translational motion than rotational motion. Headforms currently used in helmet testing standards were not initially designed for rotational motion assessment. Mass and inertia properties of EN960 headforms were compared with a database of human head physical properties which was created using a review of a selection of human cadaveric studies. Most headform values lied inside the 95% prediction interval for most human head physical properties but some differences were observed with respect to the calculated regression models. Therefore, a new set of headforms with more similar mass and inertia properties to the one calculated with the regression models would be beneficial for improving helmet testing standards.

All motorcycle helmet testing standards include normal impact tests, in which the impact velocity vector is normal to the impact surface, to assess the impact protection provided by the helmet. However, normal impact methods do not measure or do not allow the rotation of the headform. Twenty full-face motorcycle helmet models and the unhelmeted headform were exposed to free fall normal impact tests in order to study the suitability of the normal impact tests for evaluating intracranial injury risk. It was shown that the angular motion of the helmeted headform during free fall normal impact tests decreases as the linear acceleration decreases but it also depends on the helmet geometrical design. This result suggests that the angular motion of the headform should be assessed in free fall normal impact tests in combination with the assessment in oblique impacts in order to evaluate the helmet geometrical design for preventing intracranial injuries in a wide range of possible impact scenarios.

Despite the fact that some helmet testing standards include oblique impact tests to assess the rotational motion of the headform, they require different friction at the interface between the helmet and the headform, which has been shown to be a critical concern on the angular response of the helmeted headform in oblique impacts. Eighteen samples of the same helmet model were tested at the same magnitude of the normal component of the impact velocity but at three different magnitudes of the tangential component of the impact velocity using two different frictions at the headform/helmet interface. It was concluded that the coefficient of friction between the headform and the interior surface of the helmet must be high enough to guarantee the joint motion of the helmeted headform specially if the tangential velocity included in helmet testing standards is lower than those found in real world situations.

Upper neck axial load was proposed as injury criterion of basilar skull fractures and real-world motorcycle crashes have shown that they are highly related to chin bar impacts. However, current chin bar test methods included in helmet testing standards do not include the neck to measure the upper neck axial force. A combined methodology using the output kinematics measured with an isolated headform during a physical test as input to a fullbody finite element model was used to study if it was possible to predict the neck tensile load that the full-body Hybrid III model would experience in a similar impact to that of the ECE 22.06 chin bar test using only kinematic based metrics from the ECE 22.06 physical test. The results showed that simple chin bar impact test using isolated EN960 headforms which are included in some helmet testing standards could consider the risk of basilar skull fracture by a combination of the peak of the linear acceleration in the Z-axis and the resultant linear velocity at the end of the impact.

The penetration test is one of the most controversial tests among helmet testing standards and currently it is not required by some testing programs, while others continue demanding this test. Based on the penetration test results of twenty helmet models, four helmets were classified as hard shell helmets while six of them were classified as soft shell helmets. Only these ten helmet models were drop tested at two different velocities to study the effect of including a penetration test in the overall impact performance of helmets. It was concluded that penetration test would positively influence helmet design on providing protection against head injuries induced primarily by linear kinematics while it could negatively influence helmet design on providing protection against head injuries primarily induced by rotational kinematics.

Investigaciones sobre accidentes reales de motocicletas han demostrado que lesiones graves en la cabeza, como las fracturas en la base del cráneo y las lesiones intracraneales, son todavía comunes entre los motociclistas a pesar de todos los avances en el diseño y fabricación de cascos. Curiosamente, este tipo de lesiones parecen estar correlacionadas con las deficiencias y discrepancias existentes entre las actuales normas de ensayo de cascos de motocicleta. Por lo tanto, el objetivo principal de esta tesis es investigar cómo se pueden mejorar las actuales normas de ensayo de cascos de motocicleta para reducir las fracturas en la base del cráneo y las lesiones intracraneales entre los motociclistas.

Aunque es bien conocido que las lesiones intracraneales son causadas principalmente por un movimiento rotacional de la cabeza, las actuales normas de ensayo de cascos se centran más en el movimiento traslacional que en el movimiento rotacional de la cabeza. Las cabezas de ensayo utilizadas actualmente en las normativas de ensayo de cascos no fueron inicialmente diseñadas para la evaluación del movimiento rotacional. Se compararon las propiedades de masa e inercia de las cabezas de ensayo EN960 con una base de datos de propiedades físicas de la cabeza humana creada a partir de una revisión de una selección de estudios realizados con cadáveres humanos. La mayoría de los valores de las cabezas de ensayo estaban dentro del intervalo de predicción del 95% para la mayoría de las propiedades físicas de la cabeza humana, pero se observaron algunas diferencias con respecto a los modelos de regresión calculados. Por lo tanto, un nuevo conjunto de cabezas de ensayo con propiedades de masa e inercia más similares a las calculadas con los modelos de regresión sería beneficioso para mejorar las actuales normas de ensayo de cascos.

Todas las normas de ensayo de cascos de motocicleta incluyen pruebas de impacto normal, en las que el vector de velocidad de impacto es normal a la superficie de impacto, para evaluar la protección proporcionada por el casco. Sin embargo, los métodos de impacto normal no miden o no permiten la rotación de la cabeza de ensayo. Se expusieron veinte modelos de cascos integrales y la cabeza de ensayo sin casco a pruebas de impacto normal para estudiar la idoneidad de las pruebas de impacto normal para evaluar el riesgo de lesiones intracraneales. Se demostró que el movimiento angular de la cabeza de ensayo equipada con casco disminuye a medida que la aceleración lineal disminuye durante las pruebas de impacto normal, pero el movimiento angular en este tipo de impactos también depende del diseño geométrico del casco. Este resultado sugiere que el movimiento angular de la cabeza de ensayo debe evaluarse en pruebas de impacto normal en combinación con la evaluación en impactos oblicuos, para evaluar el diseño geométrico del casco en una amplia gama de posibles escenarios de impacto en los que se podrían generar lesiones intracraneales.

A pesar de que algunas normas de ensayo de cascos incluyen pruebas de impacto oblicuo para evaluar el movimiento de rotación de la cabeza, requieren diferentes coeficientes de fricción entre el interior del casco y la cabeza de ensayo, lo que se ha demostrado que es un factor crítico para la respuesta angular de la cabeza de ensayo en impactos oblicuos. Dieciocho muestras del mismo modelo de casco fueron probadas con la misma magnitud de la componente normal de la velocidad de impacto, pero con tres magnitudes diferentes de la componente tangencial de la velocidad de impacto y usando dos coeficientes de fricción diferentes entre el interior del casco y la cabeza de ensayo. Se concluyó que el coeficiente de fricción entre la cabeza de ensayo y la superficie interior del casco debe ser lo suficientemente alto como para garantizar el movimiento conjunto de la cabeza de ensayo y el casco, especialmente si la velocidad tangencial incluida en las normas de ensayo de cascos es menor que las encontradas en situaciones reales.

La carga axial en la zona superior del cuello fue propuesta como criterio de lesión para las fracturas de la base del cráneo y los accidentes reales de motocicleta han demostrado que las fracturas de la base del cráneo están altamente relacionadas con los impactos en la zona de la mentonera. Sin embargo, los métodos actuales de ensayo de la mentonera incluidos en las normas de prueba de cascos, no incluyen el cuello para medir la fuerza axial del cuello. Se utilizó una metodología combinada que utiliza la cinemática medida con una cabeza de ensayo aislada durante un ensayo físico como entrada para un modelo de elementos finitos de cuerpo completo para estudiar si es posible predecir la carga de tracción del cuello que el modelo del Hibrido III de cuerpo completo experimentaría en un impacto similar al de la prueba de la mentonera de la norma ECE 22.06 utilizando solo métricas basadas en la cinemática del ensayo de la mentonera descrito en la norma. Los resultados mostraron que una simple prueba de impacto en la mentonera utilizando las cabezas de ensayo EN960, como la que se incluye en algunas normas de ensayo de cascos, podría considerar el riesgo de fractura de la base del cráneo mediante una combinación del pico de aceleración lineal en el eje Z y la velocidad lineal resultante al final del impacto.

El ensayo de penetración es uno de los ensayos más controvertidos entre las normas de ensayo de cascos y actualmente no es requerido por algunos programas de ensayo, mientras que otros continúan exigiendo esta prueba. Basado en los resultados del ensayo de penetración de veinte modelos de casco, cuatro cascos fueron clasificados como cascos de calota dura, mientras que seis de ellos fueron clasificados como cascos de calota blanda. Solo estos diez modelos de cascos fueron sometidos a pruebas de impacto a dos velocidades diferentes para estudiar el efecto de incluir el ensayo de penetración en el comportamiento global de los cascos frente a impactos. Se concluyó que la prueba de penetración podría influir positivamente en el diseño del casco al proporcionar protección contra lesiones en la cabeza inducidas principalmente por la cinemática lineal, mientras que podría influir negativamente en el diseño del casco al proporcionar protección contra lesiones en la cabeza inducidas principalmente por la cinemática de rotación.