兒童約束系統(tǒng)正碰臺(tái)車試驗(yàn)對(duì)比研究

肖開(kāi)艷 曹兆友 瞿喆文

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

1 前言

根據(jù)美國(guó)國(guó)家公路道路交通安全管理局（NHTSA）2006年的調(diào)查顯示，正確使用兒童約束系統(tǒng)（Child Restraint System，CRS）能夠有效減少交通事故中兒童傷亡。隨著兒童乘車安全日益受到關(guān)注[1]，各種車用兒童座椅充斥市場(chǎng)，但其安全性能卻各不相同，使得兒童乘車安全存在巨大隱患。針對(duì)上述情況，2011年12月30日，我國(guó)發(fā)布了首個(gè)有關(guān)兒童乘車安全的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB27887—2011《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》，并于2012年7月1日正式實(shí)施。本文根據(jù)我國(guó)強(qiáng)制國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，選用3款不同品牌、不同安裝方式的兒童座椅進(jìn)行正碰臺(tái)車試驗(yàn)，對(duì)兒童座椅的性能進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，為兒童座椅的選擇和使用提供試驗(yàn)依據(jù)。

2 兒童約束系統(tǒng)簡(jiǎn)介

兒童約束系統(tǒng)（CRS）定義為帶有保護(hù)帶扣的織帶或相應(yīng)柔軟的部件、調(diào)整裝置及輔助裝置等，且能穩(wěn)固地放置在機(jī)動(dòng)車上，其設(shè)計(jì)是通過(guò)限制兒童身體的移動(dòng)來(lái)減少在車輛碰撞事故或突然減速情況下對(duì)兒童的傷害，以確保兒童的乘車安全。

2.1 兒童約束系統(tǒng)分組

目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種不同的汽車兒童約束系統(tǒng)來(lái)保護(hù)不同年齡和不同身高體重的兒童乘員，主要有嬰兒型、嬰幼兒型、兒童增高坐墊和全能型兒童座椅。GB27887—2011《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》中將兒童約束系統(tǒng)按兒童體重不同分為0組、0+組、I組、II組和III組等5個(gè)“質(zhì)量組”；按兒童約束系統(tǒng)在車輛上的放置位置不同分為通用類、受限制類、半通用類和特殊車輛類；按兒童約束方式分為整體式和非整體式2類。

2.2 兒童約束系統(tǒng)的安裝及使用

兒童約束系統(tǒng)的安裝方式主要有用成人安全帶固定、歐洲的 ISOFIX（International Standards Organization FIX）系統(tǒng)和美國(guó)的 LATCH（Lower Anchors and Tethers For Child）系統(tǒng)等3種。3種約束系統(tǒng)的主要區(qū)別為：由成人安全帶將兒童座椅固定在汽車后排座椅上的方法較復(fù)雜，且誤用情況多；ISOFIX是一種剛性固定裝置，包括座椅下部2個(gè)剛性固定裝置和座椅上部1個(gè)剛性上拉帶固定點(diǎn)，兒童約束系統(tǒng)通過(guò)ISOFIX與車身剛性連接；LATCH系統(tǒng)是通過(guò)鎖扣及織帶與兒童約束系統(tǒng)柔性連接。除此之外，目前還有一種集成于汽車座椅上的增高坐墊[2]。

2.3 兒童約束系統(tǒng)的誤用

兒童約束系統(tǒng)誤用情況主要是指選擇不當(dāng)和安裝使用不當(dāng)。對(duì)于兒童約束系統(tǒng)選擇不當(dāng)這類誤用情況常見(jiàn)于成長(zhǎng)中的兒童。Isaksson－Hellman等人[3]研究表明，如果沒(méi)有按照兒童的年齡和身高選擇適合的兒童約束系統(tǒng)，將不能發(fā)揮其對(duì)于兒童的最大保護(hù)性能。選擇和使用部件已老化的兒童約束系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生很大的危害。

兒童約束系統(tǒng)的安裝和使用不當(dāng)主要包括以下幾種情況：

a. 安裝位置錯(cuò)誤。兒童約束系統(tǒng)如果安裝在汽車安全氣囊的覆蓋區(qū)域內(nèi)，在車輛發(fā)生碰撞時(shí)，點(diǎn)爆的氣囊將會(huì)對(duì)兒童產(chǎn)生嚴(yán)重的傷害。應(yīng)盡量將兒童約束系統(tǒng)安裝在汽車后座上，如果不得不安裝在前排座椅上，應(yīng)關(guān)閉副駕駛座的安全氣囊，并將副駕駛座椅盡量向后移動(dòng)。

b. 安裝角度錯(cuò)誤。若座椅角度不正確，將導(dǎo)致碰撞過(guò)程中兒童的頭部、頸部和背部不能得到有效的支撐保護(hù)，從而使頭部和頸部損傷風(fēng)險(xiǎn)增加。從安全和舒適的角度考慮，一般要求嬰幼兒使用的兒童約束系統(tǒng)與水平線之間夾角不超過(guò)45°，隨兒童年齡的增加角度逐漸減小，一般為 30°～45°[4]。

c.兒童約束系統(tǒng)在車輛上固定不穩(wěn)。如果固定裝置的零部件松弛或使用不當(dāng)都會(huì)使兒童約束系統(tǒng)不能牢固地固定在車輛上，在發(fā)生事故時(shí)兒童約束系統(tǒng)會(huì)發(fā)生大幅度移動(dòng)，從而增加兒童身體的移動(dòng)量，使得兒童身體與車輛內(nèi)部部件發(fā)生二次碰撞，造成嚴(yán)重傷害。

d. 兒童約束系統(tǒng)上安全帶的選擇和使用錯(cuò)誤。若兒童約束系統(tǒng)上的安全帶被錯(cuò)誤使用，就不能為兒童軀干提供適當(dāng)?shù)募s束，從而增加兒童受傷的風(fēng)險(xiǎn)。為滿足不同身高兒童的使用要求，兒童座椅一般都設(shè)有2～3對(duì)約束帶肩帶調(diào)節(jié)孔，應(yīng)該使用與兒童肩部同高或最接近肩高的較低肩帶調(diào)節(jié)孔。

3 兒童座椅相關(guān)法規(guī)介紹

目前，國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家均規(guī)定了兒童保護(hù)裝置測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)，如歐洲ECE R44/03、ECE R44/04，美國(guó)法規(guī)FMVSS213、FMVSS225，此外加拿大、澳大利亞、日本、德國(guó)、英國(guó)等40多個(gè)國(guó)家也已經(jīng)通過(guò)了相關(guān)法規(guī)。我國(guó)發(fā)布的GB27887—2011《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》強(qiáng)制國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)相關(guān)的術(shù)語(yǔ)和定義、在車輛上的安裝及固定要求、約束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及對(duì)約束系統(tǒng)總成及其組成部件的性能要求和試驗(yàn)方法等進(jìn)行了規(guī)定。

4 兒童約束系統(tǒng)臺(tái)車試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)裝置

按照GB27887—2011《機(jī)動(dòng)車兒童乘員約束系統(tǒng)》要求進(jìn)行兒童約束系統(tǒng)臺(tái)車試驗(yàn)。

4.1.1 車用兒童座椅

選用較常見(jiàn)的適用于體重為15kg的3歲兒童的3款不同品牌、不同安裝方式的前向式兒童座椅進(jìn)行正面碰撞臺(tái)車對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。同時(shí)針對(duì)使用兒童約束系統(tǒng)時(shí)兒童安全帶選用錯(cuò)誤的情況，將兒童座椅CRS 3的兒童安全帶肩帶調(diào)整到不同高度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，見(jiàn)圖1。其中試驗(yàn)3的肩帶與兒童假人肩部同高，試驗(yàn)4的肩帶被誤用，高于兒童假人肩部。

表1 試驗(yàn)方案

4.1.2 試驗(yàn)假人

試驗(yàn)使用TNO P3假人，其質(zhì)量為15±0.3 kg，已參照ECE R44法規(guī)中的假人標(biāo)定流程進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)時(shí)在假人胸部和頭部分別安裝三向加速度傳感器，試驗(yàn)前將假人調(diào)整為頭部直立、兩腿平行的姿態(tài),用紙膠帶將假人的手固定至大腿外側(cè)。為監(jiān)測(cè)假人是否與前排座椅接觸碰撞，在試驗(yàn)前對(duì)假人的頭部和腿部涂色，見(jiàn)圖2。

4.1.3 臺(tái)車裝置

采用加速式臺(tái)車進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)用座椅為別克汽車座椅，其中后排座椅骨架上有ISOFIX固定點(diǎn)，前、后排座椅安裝的相對(duì)位置均根據(jù)別克新君越車型設(shè)置。同時(shí)，參照該汽車狀態(tài)，根據(jù)汽車后排座椅安全帶安裝點(diǎn)與后排座椅設(shè)計(jì)參考點(diǎn)R的相對(duì)坐標(biāo)設(shè)計(jì)制作固定支架，用以在臺(tái)車上固定汽車安全帶，見(jiàn)圖3。根據(jù)GB27887—2011《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》要求對(duì)座椅的滑軌、靠背和頭枕位置進(jìn)行調(diào)整，將前排汽車座椅調(diào)整到中間位置，高度調(diào)到最低，頭枕調(diào)整到最高位置;用于安裝兒童座椅的后排座椅調(diào)整到最后位置，并將高度調(diào)整到最低位置，頭枕調(diào)到最低位置，見(jiàn)圖4。為避免汽車座椅變形對(duì)兒童座椅的性能產(chǎn)生影響，每次試驗(yàn)后均更換后排汽車座椅。臺(tái)車試驗(yàn)加速度波形采用GB27887—2011《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》中規(guī)定的波形，碰撞速度為 50～52 km/h，見(jiàn)圖 5。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4次試驗(yàn)過(guò)程如圖6所示。

由圖6可看出，試驗(yàn)1中，兒童座椅安裝穩(wěn)固，對(duì)兒童約束較好；試驗(yàn)2中，靠背由top tether（上拉帶）固定，兒童座椅坐墊固定較好，但由于受到拉帶自身延展率及汽車座椅頭枕和靠背泡沫被壓縮的影響，兒童座椅靠背在試驗(yàn)過(guò)程中并未被固定好，而是發(fā)生了較大程度的翻轉(zhuǎn)；在試驗(yàn)3和試驗(yàn)4中，由于汽車安全帶不能很好地固定兒童座椅，致使兒童座椅整體均發(fā)生一定程度的翻轉(zhuǎn)。根據(jù)試驗(yàn)后前排座椅靠背上沾染的顏料可知，試驗(yàn)2～試驗(yàn)4中兒童頭部均與前排座椅靠背接觸。

兒童頭部加速度曲線、胸部合成加速度曲線和胸部Z向加速度曲線分別見(jiàn)圖7、圖8和圖9。

由圖6～圖9可看出，在試驗(yàn)1中，兒童假人被很好地約束，頭部加速度是由慣性造成；試驗(yàn)2中，由于兒童座椅靠背發(fā)生翻轉(zhuǎn)，兒童軀干未能被約束好并隨之向前傾倒，從而導(dǎo)致兒童假人頭部與前排座椅發(fā)生二次碰撞，導(dǎo)致在90～100 ms時(shí)兒童假人頭部加速度迅速增大，峰值為165 g；在試驗(yàn)3中，兒童假人頭部加速度曲線在100 ms之前并未有明顯突變，由此可知，兒童頭部與前排座椅靠背并未發(fā)生強(qiáng)烈碰撞，而前排座椅靠背上的顏料是兒童頭部與座椅靠背輕微刮擦造成。通過(guò)試驗(yàn)錄像可知，在107～116 ms內(nèi)兒童頭部與其腿部發(fā)生碰撞，致使頭部加速度曲線在113 ms時(shí)出現(xiàn)第2個(gè)峰值。

對(duì)比試驗(yàn)3和試驗(yàn)4可知，由于試驗(yàn)4中兒童安全帶的肩帶高于兒童肩部，對(duì)兒童的上軀干約束不足，頭部加速度大于試驗(yàn)3，并在約103 ms時(shí)與前排座椅靠背發(fā)生碰撞，導(dǎo)致頭部加速度突然增大到99 g；且其胸部加速度在87 ms時(shí)突然增大到65 g。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所列，其中假人頭部向前的位移量是利用TEMA軟件通過(guò)高速攝像測(cè)得的。表2中 ，Chest－3ms 為 胸 部 3 ms 合 成 加 速 度 ；Chest－3ms_Z為胸部沿腹部朝向頭部的3 ms垂直加速度；Head_X為假人頭部向前位移量；HIC15為兒童損傷參考值（IARV），而非法規(guī)強(qiáng)制要求。

HIC15計(jì)算式為：

式中，t1和t2是碰撞加速度曲線中任意2個(gè)時(shí)間點(diǎn)，t2－t1≤15 ms；a 為頭部合成加速度。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

在臺(tái)車試驗(yàn)后，目測(cè)4次試驗(yàn)中的兒童約束系統(tǒng)均無(wú)任何失效及損壞，且無(wú)任何約束裝置的部件侵入到兒童假人腹部的粘土上。由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)使用方法正確時(shí)，3種兒童座椅都滿足GBZ7887—2011《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》的要求，但是在相同的碰撞強(qiáng)度下，試驗(yàn)1所使用的帶ISOFIX和兒童座椅支撐的兒童座椅CRS1能較好地與汽車座椅保持安裝連接狀態(tài)，為兒童乘員提供了最好的約束；試驗(yàn)2中兒童座椅CRS2與汽車座椅的連接不穩(wěn)，兒童頭部與前排座椅發(fā)生二次碰撞，導(dǎo)致HIC15超過(guò)兒童損傷參考值（IARV）,致使兒童受傷幾率大大增加；試驗(yàn)3中的兒童座椅CRS3也能較好地保護(hù)兒童乘員；試驗(yàn)4中，兒童頭部HIC15超過(guò)損傷參考值。對(duì)比可知，誤用兒童安全帶肩帶會(huì)導(dǎo)致兒童座椅保護(hù)性能降低。

5 結(jié)束語(yǔ)

正確合理地選用兒童安全座椅能夠在碰撞過(guò)程中有效的保護(hù)兒童乘員。本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，由ISOFIX和兒童座椅支撐安裝固定的兒童座椅能為兒童提供最好的約束，且在使用過(guò)程中應(yīng)選擇與兒童肩部同高或略低于兒童肩部的兒童安全帶肩帶調(diào)節(jié)孔。

1 Lawrence E D,Kathy H L,Alan W B.Misuse of Child Restraints:Results of A Workshop to Review Field Data Results.Washington,DC:NHTSA Research Note,March 2005.

2 李幸福，張君媛，陸善彬，等.一種整車集成式兒童增高座墊的設(shè)計(jì).汽車技術(shù),2012（6）:16～19.

3 Isaksson－Hellman I,Jakobsson L,Gustafsson C,et al.Trends and effects of child restraint systems based on Volvos’Swedish accident database.Society of Automotive Engineers International.Warrendale,PA,USA,1997:43～54.4 Kathleen Weber.Crash protection for child passengers.University of Michigan Transportation Research Institute Research Review.2000,31（3）:1～27.