智能集成式兒童安全座椅的臺車正面碰撞試驗研究*

張瑞鋒,曹立波,陳 亞

(湖南大學(xué)，汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

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2015050

智能集成式兒童安全座椅的臺車正面碰撞試驗研究*

張瑞鋒,曹立波,陳 亞

(湖南大學(xué)，汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

為研究智能集成式兒童安全座椅對兒童乘員的保護效果，采用Q6 ATD 6歲兒童假人開展了正確使用四點式安全帶和三點式安全帶，以及誤用四點式安全帶3種情形下的正面碰撞臺車試驗，通過法規(guī)中要求的各項兒童假人的損傷指標來評定兒童假人損傷情況。結(jié)果表明，正確佩戴四點式安全帶和三點式安全帶時座椅的保護效果滿足法規(guī)要求，佩戴三點式安全帶的保護性能優(yōu)于松弛狀態(tài)下四點式安全帶。最后根據(jù)試驗情況提出了提高四點式安全帶約束效果的改進措施。

正面碰撞；兒童假人；損傷指標；兒童安全座椅；安全帶

前言

智能集成式兒童安全座椅是為在汽車碰撞中有效避免或減少兒童傷害而設(shè)計的一種新型兒童約束系統(tǒng)。文獻[1]中首先提出了一款新型集成式汽車兒童安全座椅，適用于3～10歲、身高為996～1 433mm的兒童，其增高坐墊的高度可根據(jù)兒童身高在一定范圍內(nèi)無級調(diào)整。智能集成式兒童安全座椅上配備的安全帶多數(shù)是以成人為基準設(shè)計開發(fā)的成人三點式安全帶。文獻[2]中為此專門開發(fā)了一款具有環(huán)形腰帶的四點式兒童安全帶來配合智能集成式兒童安全座椅使用。由于兒童的特殊性，在研究智能集成式兒童安全座椅對兒童損傷的保護效果中，通過計算機仿真進行研究較多，試驗研究較少。同時，兒童約束系統(tǒng)在使用中存在誤用現(xiàn)象，因誤用而造成的兒童損傷是難以在計算機上準確仿真的。為此，本文中采用Q6假人進行臺車正面碰撞試驗，以對比真實碰撞中兒童在使用智能集成式安全座椅而佩戴不同形式安全帶以及正確和錯誤使用安全帶時兒童的損傷情況。

1 試驗方法

1.1 試驗設(shè)計

統(tǒng)計數(shù)據(jù)[3]表明，我國交通事故中正面碰撞事故造成的死亡人數(shù)是各類事故形態(tài)中死亡人數(shù)最多的，因此本文中開展了3組臺車正面碰撞試驗，對比了佩戴四點式安全帶但安全帶松弛、正確佩戴四點式安全帶和正確佩戴三點式安全帶3種約束形式下智能集成式兒童安全座椅的保護性能。3組試驗的試驗條件見表1。

表1 試驗組別基本情況

1.2 法規(guī)要求

表2為ECE R44、FMVSS 213、JNCAP和GB 27887—2011正面碰撞兒童乘員損傷指標的法規(guī)要求[4]。

表2 正面碰撞兒童損傷指標法規(guī)要求

1.3 試驗臺車和兒童假人

碰撞試驗使用通過碰撞法規(guī)標準驗證的臺車，智能集成式兒童安全座椅與臺車剛性連接。3組試驗臺車(包括座椅和假人等)的總質(zhì)量分別為608、609和615kg。3組臺車試驗狀態(tài)如圖1所示。碰撞加速度波形通過焊接在臺車前部的組合吸能筒控制產(chǎn)生，組合吸能筒壁厚、長度、直徑等參數(shù)已通過前期的仿真得到，臺車吸能筒如圖1所示。

2 試驗結(jié)果比較分析

2.1 臺車試驗加速度信號分析

3組臺車試驗的碰撞初速度分別為47.98、49.25和48.03km/h。3組臺車試驗加速度曲線如圖2所示，加速度曲線位于法規(guī)上限和下限要求的折線限定區(qū)間內(nèi)，各組加速度曲線波形走勢基本一致，試驗速度和加速度波形均基本滿足法規(guī)要求。

2.2 兒童假人動態(tài)響應(yīng)

a組試驗中，兒童假人出現(xiàn)下潛的趨勢，主要原因首先是智能集成式兒童安全座椅與汽車后排座椅前部的連接處的鉚釘受到巨大剪切力而失效，兒童安全座椅前傾下沉帶動兒童假人下潛；其次是因為松弛的四點式安全帶，在碰撞過程中不能及時地對兒童假人起到有效的約束作用；兒童假人臀部中心位置離座椅前沿很近，兒童假人安放時坐姿不對，也是造成假人下潛的一個原因。

b組試驗中，座椅的安裝固定沒有失效，對假人起到了應(yīng)有的約束作用。通過高速攝像可以看到，當(dāng)腰帶約束起作用后，兒童假人的上軀干才有向前運動的過程，但由于兒童座椅安裝時使坐墊平面沿水平面向上傾斜，同時由于環(huán)形腰帶的約束作用，假人沒有明顯的下潛。但由于安全帶帶扣被向外拉出，腰帶出現(xiàn)一定松弛，影響了安全帶對兒童假人的約束作用。兒童假人在回彈的過程中被斜向上拋起，其背部首先與座椅靠背接觸，吸收了大量的動能，頸部沒有向后拉伸，避免了頸部出現(xiàn)拉伸-彎曲損傷。

c組試驗中，座椅的安裝固定沒有失效。碰撞過程中三點式安全帶的腰帶阻止了兒童假人的下潛，肩帶限制了兒童假人軀干的向前運動，而頭部相對自由繼續(xù)向前向下運動，頸部向前彎曲，頭部-頸部-上軀干變形呈現(xiàn)C形?？梢娙c式安全帶能很好地把兒童假人約束在座椅上。在高速攝像中看到，當(dāng)兒童假人與安全帶作用結(jié)束時，也出現(xiàn)了回彈上拋的現(xiàn)象，但c組試驗中安全帶帶扣的固定優(yōu)于b組，兒童假人上拋時受到腰帶更好的約束，上拋距離比b組試驗中要小。

2.3 假人傷害指標

表3為試驗結(jié)果的假人損傷指標。

表3 假人損傷指標

2.3.1 頭部傷害指標

圖3為試驗結(jié)果的頭部X向加速度曲線。由圖可見：試驗a頭部X向加速度曲線的峰值出現(xiàn)時刻比試驗b提前了0.004s，其加速度峰值比試驗b高12.31%；試驗c加速度峰值出現(xiàn)時刻最早，相比試驗a提前了0.024s，相比試驗b提前了0.028s，加速度峰值比試驗a減小了52%，比試驗b減少了46.1%。因為四點式安全帶與兒童假人肩部存在間隙，而三點式安全帶可以較好地貼合兒童假人肩部。試驗a和試驗b中頭部X向加速度峰值時刻明顯晚于試驗c，且在碰撞后的0.060～0.075s之間出現(xiàn)了第一個峰值，原因是座椅安全帶帶扣處存在自由行程，試驗a、b中座椅安全帶沒有及時對兒童假人起到保護作用，使峰值時刻延遲，峰值增高。

圖4為頭部Y向加速度曲線。由圖可見，a、b、c 3組試驗頭部Y向加速度峰值分別為19.07、4.24和25.73g，峰值出現(xiàn)的時刻分別為0.099、0.103和0.126s。Y向加速度即假人左右方向的加速度，主要因臺車與碰撞壁相撞時旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生。試驗a和c產(chǎn)生了較大的頭部Y向加速度，增大了頭部合成加速度。本文中的臺車試驗產(chǎn)生Y向加速度接近實車碰撞情況，能較準確地模擬真實車輛碰撞。

圖5為頭部Z向加速度曲線。由圖可見，試驗b和c的Z向加速度曲線出現(xiàn)兩個峰值，第一個峰值是由于腰帶與兒童假人胯部作用產(chǎn)生的，第二個峰值是肩帶與肩部和胸部作用出現(xiàn)的，第二個峰值均比第一個峰值大。試驗a加速度峰值小于試驗b和c，肩帶沒有對兒童假人起到很好的約束作用，加速度值在0.065～0.090s時間段內(nèi)持續(xù)大于40g，在該時間段加速度的作用下，兒童假人出現(xiàn)下潛現(xiàn)象。

圖6為頭部合成加速度曲線。由圖可見，a、b、c 3組試驗頭部合成加速度峰值分別為84.6g、74.11g和61.79g，峰值出現(xiàn)的時刻分別為0.098、0.102和0.103s。對比試驗a和b可知，兒童假人在使用兒童安全座椅的情況下，如果不正確佩戴安全帶，其頭部不能得到有效保護。a組試驗頭部合成加速度峰值超過了日本法規(guī)規(guī)定值，而b組試驗滿足日本法規(guī)要求。試驗c中兒童假人在三點式安全帶的約束下，頭部合成加速度峰值最小，保護性能最佳。

采用ECE R44的測量參考點測量結(jié)果，試驗a、b和c的頭部前向位移分別為501、440和448mm，3組試驗均滿足要求。a、b、c 3組試驗的頭部HIC15值分別為594.05、477.01、309.51；HIC36值分別為873.78、545.76、530.02。試驗a頭部HIC15值大于570，不符合法規(guī)要求，試驗b和c在法規(guī)要求內(nèi)，表明正確使用安全帶時，兒童頭部的HIC值能滿足法規(guī)要求。

2.3.2 胸部傷害指標

圖7為胸部X向加速度曲線。由圖可見，a、b、c 3組試驗的胸部X向加速度曲線都在0.05s左右開始上升，但安全帶松動的試驗a曲線比試驗b、c上升得慢，峰值也較低，表明松動的安全帶不能及時地起到保護作用。

圖8為胸部Y向加速度曲線，主要也是因臺車碰撞過程中出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和跳動而產(chǎn)生的。試驗a中的Y向加速度峰值是兒童座椅前部固定失效導(dǎo)致的。

在井下工作面區(qū)域探測中，各個探測測點方向上波場變換信號間的相關(guān)程度可通過相關(guān)系數(shù)來衡量，相關(guān)系數(shù)與相關(guān)性評價見表1，相關(guān)系數(shù)介于1至-1，其絕對值越大，相關(guān)性越強，反之則相關(guān)性越弱。

圖9為胸部Z向加速度曲線。由圖可見，試驗a和b都出現(xiàn)了多個峰值，兒童假人下潛的原因是座椅靠背與安全帶多種因素的作用、兒童座椅前部與汽車座椅連接處斷裂失效和兒童安全座椅前傾下沉為主要原因。試驗c的曲線起伏比較平緩，但也有2～3個峰值，隨后假人回彈。在這個過程中，腰帶和肩帶配合作用得比較好。

圖10為胸部合成加速度曲線。由圖可見：試驗b的胸部合成加速度在0.063s時刻出現(xiàn)最大值48.85g，比ECE R44法規(guī)值略小；試驗a在0.065s時刻出現(xiàn)合成加速度最大值44.60g，試驗c在0.091s時刻出現(xiàn)合成加速度最大值40.50g，試驗a和c的胸部合成加速度均滿足法規(guī)的要求。試驗b胸部合成加速度曲線在0.045s時刻開始上升，再比較試驗b頭部合成加速度曲線，得知胸部峰值出現(xiàn)時刻要比頭部稍早。從試驗c曲線可以看出，胸部合成加速度兩次峰值出現(xiàn)的時刻相隔較近，大小差別不大，頭部的兩次峰值之差相比其他兩組試驗要小很多，說明試驗c安全帶對胸部約束良好，約束時間較長，碰撞過程中沒有對胸部造成二次沖擊，因而對頭部加速度峰值的降低做出很大貢獻。

2.3.3 安全帶力

圖11為腰帶力曲線。由圖可見：試驗a腰帶力最小，未能起到很好的保護作用，以至于頭部合成加速度峰值時刻延遲，峰值偏大；試驗b中腰帶力在0.081s時刻處就下降，作用的時間較短，主要靠肩帶約束兒童假人，前期腰帶沒有起到很好的約束作用，而在后期肩帶承受的力過多，從而導(dǎo)致頭部加速度峰值和前向位移較大。

圖12為肩帶力曲線。由圖可見，試驗a、b的肩帶力都偏小，兒童倚靠座椅靠背乘坐時，由于靠背的傾斜，在佩戴四點式安全帶腰帶時，肩部與肩帶有少量的距離形成少許空隙，影響了安全帶的約束作用。為避免出現(xiàn)空隙影響對假人保護，可以考慮調(diào)整座椅靠背傾角，設(shè)計特殊的導(dǎo)向滑環(huán)，在安全帶與假人肩部填充海綿狀物質(zhì)，碰撞前預(yù)緊安全帶等。試驗c的腰帶與假人的作用時間較長，肩帶與假人作用的時間較短，在二者的協(xié)同作用下，安全帶對假人起到了很好的約束作用。試驗c中肩帶力顯著大于試驗a和b，表明腰帶和肩帶在碰撞過程中及時起到了很好的約束作用，而且約束的時間長，因此胸部和頭部合成加速度峰值比其他兩組試驗得到的數(shù)值小，而試驗a和b肩帶與假人肩部存在一些間隙，碰撞過程中產(chǎn)生了二次沖擊，這二次沖擊直接導(dǎo)致試驗a和b的頭部和胸部合成加速度峰值上升。

2.3.4 假人傷害指標比較

文獻[5]中進行了幾組6歲Hybrid III假人試驗，結(jié)果如表4所示。

表4 試驗得到的假人損傷峰值

對比表4和表3可以看出，本文中a、b和c 3組試驗的頭部前向位移量分別為501、440和448mm，均比文獻[5]中試驗直接使用Std和ASC增高坐墊要小。試驗a、b和c的HIC36值分別為873.78、545.76、530.02，也都比文獻[5]中的各組試驗結(jié)果小。兒童安全座椅在降低頭部前向位移量和HIC36值方面均優(yōu)于Std和ASC增高坐墊。

試驗a、b和c的胸部合成加速度分別為44.60g、48.85g和40.50g，試驗b的合成加速度值比文獻[5]中使用Std增高坐墊、佩戴類四點式安全帶時大。只有在佩戴三點式安全帶時，使用智能集成式兒童安全座椅的胸部合成加速度值才均小于文獻[5]中試驗的對應(yīng)值。

3 試驗結(jié)果討論

3.1 關(guān)鍵問題

碰撞過程中兒童頭部活動到最大的位移時，會有一個回彈過程。為更好地保護兒童頭部和頸部，須在后排中間座椅安裝頭枕。

兒童倚靠智能集成式兒童安全座椅靠背乘坐并佩戴四點式安全帶時，肩帶與兒童假人肩部存在間隙，影響了安全帶的約束性能。上肩帶與兒童肩部的間隙對兒童的保護性能有很大影響。由于三點式安全帶能更好地貼合兒童假人肩部，試驗結(jié)果表明，使用兒童安全座椅時佩戴三點式安全帶對兒童假人的保護性能優(yōu)于松弛狀態(tài)下的四點式安全帶。如要采用四點式安全帶，則須采取措施使安全帶在佩戴過程中或在碰撞過程中肩帶與兒童肩部的間隙最小。可以考慮調(diào)整座椅靠背、設(shè)計特殊的導(dǎo)向滑環(huán)、在安全帶與假人肩部填充海綿狀物質(zhì)、碰撞前預(yù)緊安全帶等措施。例如佩戴海綿護墊，不僅可以減少間隙而且能避免在碰撞過程中安全帶割傷兒童頸部，使用預(yù)緊式安全帶可以在碰撞前對兒童肩部進行預(yù)緊。

胸部合成加速度峰值在試驗碰撞中先于頭部合成加速度峰值出現(xiàn)。安全帶誤用是另一個問題，座椅上帶扣的松緊程度也會對兒童假人的損傷造成重大影響。腰帶應(yīng)與肩帶共同配合作用，腰帶在碰撞中對假人首先起到約束作用，作用時間長，承受載荷較大。肩帶對假人的約束力可以降低胸部合成加速度和頭部合成加速度峰值的大小。

碰撞后，腰帶首先對兒童假人作用，這是對兒童假人起保護作用的第一個環(huán)節(jié)，而在后面階段腰帶可抑制兒童假人回彈時的上拋。

試驗驗證了具有環(huán)形腰帶的四點式兒童安全帶對防止兒童“下潛”的保護作用明顯。座椅的失效導(dǎo)致其前傾下沉，而使兒童假人出現(xiàn)下潛的趨勢。下潛會造成兩種嚴重后果，一是兒童會被四點式安全帶勒住脖子，對其頸部造成割傷性損傷，同時對兒童喉嚨造成擠壓性損傷，嚴重時甚至?xí)斐芍舷⑺劳觯欢羌偃藢Π踩珟в袥_擊作用，會導(dǎo)致兒童損傷增大，且兒童假人身體回彈時，其頭部會沿斜后方撞擊座椅，若后排座椅中間沒有安裝保護頭枕，會對兒童的頸部造成拉伸-彎曲損傷[6]，第一或第二頸椎骨容易發(fā)生骨折，對頭部會造成顱腦撞擊損傷。通過a組試驗得知，四點式安全帶的環(huán)形腰帶能夠阻止兒童假人進一步“下潛”，如果沒有環(huán)形腰帶，假人會沿著座椅滑出去；但四點式安全帶的Y形肩帶在兒童下潛時會對其頸部造成致命損傷。

3.2 限制條件

由于試驗條件的局限性，文中僅研究同一種汽車智能集成式兒童安全座椅安裝在相同的汽車后排座椅上的情況，采用兩種不同的安全帶約束進行6歲兒童假人的正面臺車碰撞試驗。

文獻[7]中的研究指出，兒童在使用兒童安全座椅時往往坐得更懶散，而不是試驗中假人坐姿那么標準。安全帶腰帶在初始約束時很可能約束在兒童的腹部，這會增加兒童下潛和腹部的穿透，試驗a也證實了這個觀點。

頭部和胸部的加速度曲線及頭部的前向位移可能還存在其他影響因素，如本文中的四點式安全帶是自行設(shè)計加工生產(chǎn)的，由于工藝水平的原因和帶扣的自由行程，導(dǎo)致試驗結(jié)果差于三點式安全帶的約束。另外，兒童乘員在安全座椅上的坐姿也是碰撞過程中影響智能集成式兒童安全座椅保護性能的重要因素。

4 結(jié)論

通過試驗和比較文獻數(shù)據(jù)，研究結(jié)果表明，兒童乘員在智能集成式兒童安全座椅上正確佩戴具有環(huán)形腰帶的四點式安全帶和三點式安全帶的保護性能滿足法規(guī)要求，且比直接在后排座椅或在增高坐墊上佩戴安全帶的保護效果要好。

使用具有環(huán)形腰帶的四點式安全帶中的腰帶采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，能約束兒童乘員“下潛”，在正確使用具有環(huán)形腰帶的四點式安全帶情況下，肩帶與兒童假人肩部仍有一些空隙，在本試驗研究中的兒童假人佩戴具有環(huán)形腰帶的四點式安全帶時呈現(xiàn)松馳狀態(tài)，其保護效果不如直接使用三點式安全帶，頭部響應(yīng)不滿足法規(guī)要求?？梢酝ㄟ^增加保護頭枕、設(shè)計特殊的導(dǎo)向滑環(huán)、使用中調(diào)整座椅靠背、減少座椅帶扣行程、在安全帶與假人肩部填充海綿狀物質(zhì)、碰撞前預(yù)緊安全帶等配合提高具有環(huán)形腰帶的四點式安全帶的約束效果。

[1] 任錫娟,曹立波,歐陽志高.集成式汽車兒童安全座椅的設(shè)計與仿真[J].汽車工程,2009,31(12):1133-1135.

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A Study on Frontal Crash Sled Test for Intelligent Integrated Child Safety Seat

Zhang Ruifeng, Cao Libo & Chen Ya

HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082

To study the protective effect of intelligent integrated child safety seat for children occupants, frontal crash sled tests are conducted using Q6 ATD dummy with intelligent safety seat plus three schemes of safety belt use: correct use of four-point safety belt and three-point safety belt, and misuse of four-point safety belt. The injury situation of child dummy is assessed by various injury criteria defined in regulations. The results show that the protective effects of the correct use of four-point safety belt and three-point safety belt meet the requirements of regulations, and the protection performance of three-point safety belt is superior to that of four-point safety belt with inadequate tension. Finally improving measures are put forward for enhancing the restraint effects of four-point safety belt based on test situations.

frontal crash; child dummy; injury criteria; child safety seat; safety belt

*國家863計劃項目(2012AA111802)和2013年湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(CX2013B151)資助。

原稿收到日期為2013年7月3日，修改稿收到日期為2013年9月27日。