ECE R129(階段1)標(biāo)準(zhǔn)分析及其對(duì)兒童約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

崔東輝，張氫

（1.寧波環(huán)球娃娃嬰童用品有限公司，浙江 寧波 315100；2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200092）

ECE R129(階段1)標(biāo)準(zhǔn)分析及其對(duì)兒童約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

崔東輝1，張氫2

（1.寧波環(huán)球娃娃嬰童用品有限公司，浙江 寧波 315100；2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200092）

文章根據(jù)聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(UNECE)針對(duì)汽車(chē)兒童約束系統(tǒng)制定的ECE R129最新標(biāo)準(zhǔn)，分析了該兒童約束系統(tǒng)的定義，包括質(zhì)量劃分，安裝方式，尺寸定義，測(cè)試假人，測(cè)試方式等方面。通過(guò)研究ECE R129標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)際研發(fā)的產(chǎn)品為例，著重討論了標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的新的要求以及其對(duì)兒童約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響；研究表明，其中新的質(zhì)量劃分方式，安裝方式以及新啟用Q系列假人對(duì)兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)影響有限，而新增的尺寸要求以及側(cè)碰要求對(duì)兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)影響較大，尤其是新增的支撐腿的尺寸要求以及側(cè)面碰撞傷害指標(biāo)的要求對(duì)兒童約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，頭部吸能等方面的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

ECE R129；兒童約束系統(tǒng)；設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-80-07

1、背景

兒童安全座椅起源于歐美，率先在歐美地區(qū)發(fā)展并普及。從1968年英國(guó)制定了世界上第一個(gè)關(guān)于兒童乘員保護(hù)的法規(guī)BS 3254開(kāi)始，至今已經(jīng)有40多年，有效降低了兒童乘員在交通事故中的死亡率及受?chē)?yán)重傷害的幾率，特別是在防止兒童乘員在交通事故中發(fā)生頭部撞擊和胸部重要器官受到壓迫損傷方面的幾率明顯降低。

然而通過(guò)各類(lèi)交通事故兒童乘員損傷的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)車(chē)輛發(fā)生正面碰撞工況時(shí)發(fā)生的兒童乘員的頸椎、頭部非接觸損傷、四肢損傷、腹部侵害以及在側(cè)碰碰撞工況下兒童假人頭部接觸和非接觸損傷成為主要的傷害。另一方面隨著生物技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，使得ECE R44法規(guī)在技術(shù)和測(cè)量手段上有了一定的提升和改善空間。

因此在2013年7月9日，聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(UNECE)正式發(fā)布了針對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)用兒童約束系統(tǒng)的新法規(guī)，第129號(hào)法規(guī)(ECE R129)第一階段，主要針對(duì)增強(qiáng)型兒童約束系統(tǒng)(ECRS)，俗稱I-SIZE。ECE R129標(biāo)準(zhǔn)的頒布和實(shí)施勢(shì)必對(duì)兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)產(chǎn)生重大影響，本文將 著重介紹ECE R129第一階段標(biāo)框架求下的I-SIZE兒童約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)要求。

2、ECE R129標(biāo)準(zhǔn)

ECE R129標(biāo)準(zhǔn)全名為《關(guān)于批準(zhǔn)機(jī)動(dòng)車(chē)上使用的增強(qiáng)型兒童約束系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)定》，總共分為三個(gè)階段：第一階段針對(duì)整體式并僅采用ISOFIX接口及抗翻轉(zhuǎn)裝置固定的兒童約束系統(tǒng)；第二階段針對(duì)非整體式，采用車(chē)用安全帶結(jié)合ISOFIX接口固定的兒童約束系統(tǒng)；第三階段針對(duì)所有僅采用三點(diǎn)式車(chē)用安全帶固定的兒童約束系統(tǒng)；三個(gè)階段的劃分及大致時(shí)間表見(jiàn)圖表1。

表1 ECE R129 三階段實(shí)施時(shí)間表

ECE R129的三個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)三類(lèi)不同的兒童約束系統(tǒng)，不再允許任何單一型號(hào)的一款兒童約束系統(tǒng)集成其中的兩種或者三種類(lèi)型。

本文主要研究已經(jīng)實(shí)施的ECE R129第一階段標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)還未正式實(shí)施的第二階段和第三階段的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容不做討論。

ECE R129第一階段的標(biāo)準(zhǔn)是在ECE R44基礎(chǔ)上，將原先定義的ISOFIX類(lèi)兒童約束系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充升級(jí)所形成的一套新的標(biāo)準(zhǔn)，其主要在組別定義，尺寸類(lèi)型，設(shè)計(jì)要求，測(cè)試方式等方面做了新的規(guī)定。ECE R129第一階段標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的兒童約束系統(tǒng)全稱為整體式通用型兒童約束系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱I-SIZE兒童約束系統(tǒng)。下面針對(duì)新增或者影響較大的改變內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)述。

1）規(guī)定了I-SIZE兒童約束系統(tǒng)與車(chē)輛的安裝固定方式只能是ISOFIX接口加抗翻轉(zhuǎn)裝置(上拉帶或者支撐腿)，并且該類(lèi)兒童約束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式為整體式；

2）重新定義的人兒童約束系統(tǒng)質(zhì)量組的劃分，采用兒童身高結(jié)合最大允許使用體重的定義方式替代單一的質(zhì)量組的定義方式；

3）新增了乘坐兒童在15個(gè)月前必須背向車(chē)輛行駛方向乘坐的要求；

4）整合了ISOFIX外形尺寸類(lèi)別，僅保留了正向座椅的ISO/F2X類(lèi)別和反向座椅的ISO/R2類(lèi)別，進(jìn)一步統(tǒng)一了產(chǎn)品的尺寸設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；

5）增加座椅內(nèi)尺寸測(cè)量要求，坐高，坐寬，肩寬和肩高尺寸均需滿足設(shè)計(jì)所對(duì)應(yīng)兒童身高95%人群的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，即增加了乘坐兒童的匹配性要求；

6）增加支撐腿高度方向調(diào)節(jié)范圍和深度方向調(diào)節(jié)范圍要求，為I-SIZE歸入通用性提供技術(shù)支持，解決ISOFIX兒童約束系統(tǒng)與車(chē)輛的適配性問(wèn)題；

7）引入側(cè)面碰撞臺(tái)車(chē)模擬測(cè)試要求，增強(qiáng)了兒童約束系統(tǒng)側(cè)面碰撞的保護(hù)性能；

8）增加頭部傷害值指標(biāo)要求，測(cè)量頭部傷害指數(shù)（15ms）和頭部合成加速度值（3ms）。同時(shí)監(jiān)控頸部傷害指標(biāo)；

9）啟用生物仿真度更高的Q系列假人。

新標(biāo)準(zhǔn)在產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)，說(shuō)明書(shū)，包裝、認(rèn)證方式、生產(chǎn)一致性控制、證書(shū)的批準(zhǔn)與撤銷(xiāo)、E-MARK認(rèn)證標(biāo)識(shí)的規(guī)范，動(dòng)態(tài)測(cè)試正碰和反碰測(cè)試項(xiàng)目、靜態(tài)測(cè)試項(xiàng)目等方面的要求與ECE R44并無(wú)太大差別。

3、ECE R129標(biāo)準(zhǔn)新增要求對(duì)兒童約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的影響

3.1 安裝方式與兒童約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

申請(qǐng)ECE R129第一階段標(biāo)準(zhǔn)所適用的兒童約束系統(tǒng)的安裝方式必須采用ISOFIX接口加抗翻轉(zhuǎn)裝置的方式，另外此類(lèi)兒童約束系統(tǒng)必須是整體式，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求如下：

1）兒童約束系統(tǒng)安裝方式的設(shè)計(jì)上只需要考慮ISOFIX接口加翻轉(zhuǎn)裝置的形式，抗翻轉(zhuǎn)裝置可以是支撐腿或者上拉帶，不需要考慮兒童約束系統(tǒng)的安全帶穿帶路徑，穿帶限位裝置以及相應(yīng)的鎖緊裝置的設(shè)計(jì)。也就是說(shuō)此類(lèi)兒童約束系統(tǒng)上不再允許出現(xiàn)任何跟車(chē)用安全帶安裝相關(guān)的部件、結(jié)構(gòu)或標(biāo)識(shí)；

2）此類(lèi)兒童約束系統(tǒng)必須是整體式，兒童約束系統(tǒng)對(duì)乘坐兒童的約束只能采用兒童約束系統(tǒng)自身的部件，不允許借助車(chē)輛的任何部件對(duì)兒童進(jìn)行約束。一般的我們認(rèn)為此類(lèi)兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上只能考慮自身安全帶系統(tǒng)或者整體式前置護(hù)體結(jié)構(gòu)。通常的當(dāng)前可認(rèn)證的2，3組帶ISOFIX接口兒童約束系統(tǒng)以及常規(guī)的借助三點(diǎn)式車(chē)用安全帶固定的前置護(hù)體類(lèi)兒童約束系統(tǒng)將不被標(biāo)準(zhǔn)ECE R129第一階段所接受。

表2 表述了符合ECE R129的兒童約束系統(tǒng)圖例以及常見(jiàn)的不符合標(biāo)準(zhǔn)的座椅結(jié)構(gòu)及圖例。

表2 I-SIZE兒童約束系統(tǒng)圖例說(shuō)明

3.2 質(zhì)量組劃分

I-SIZE兒童約束系統(tǒng)不再采用單一的質(zhì)量組劃分兒童約束系統(tǒng)的組別，而是采用兒童身高結(jié)合體重的方式來(lái)定義I-SIZE兒童約束系統(tǒng)的適用兒童范圍；

對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量組的重新定義主要影響兒童約束系統(tǒng)的內(nèi)部尺寸的設(shè)計(jì)和頭枕機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)范圍的設(shè)計(jì)。

I-SIZE兒童約束系統(tǒng)適用兒童的范圍主要根據(jù)兒童身高確定，同時(shí)規(guī)定兒童約束系統(tǒng)加上乘坐兒童的體重不得超過(guò)33kg。因此在I-SIZE兒童約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首先需要確定適用兒童的身高，根據(jù)試用兒童身高對(duì)應(yīng)的95%的兒童的體重確定兒童約束系統(tǒng)的最大設(shè)計(jì)重量，兒童約束系統(tǒng)的內(nèi)部 尺寸也需要依據(jù)最大適用兒童的坐高、坐寬、肩寬以及肩高范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體的設(shè)計(jì)尺寸依據(jù)見(jiàn)章節(jié)3.4描述；另外由于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定乘坐兒童在15月之前必須采用背向前的乘坐方式，因而嬰兒提籃或者可換向式兒童約束系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)計(jì)尺寸必須滿足身高87cm的兒童(15個(gè)月兒童對(duì)應(yīng)的95%身高)的所有尺寸要求，否則該嬰兒提籃或者兒童約束系統(tǒng)將不被接受。

I-SIZE兒童約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)身高范圍的確定同時(shí)還需要考慮動(dòng)態(tài)測(cè)試對(duì)應(yīng)的假人大小，ECE R129定義了Q0、Q1、Q1.5、Q3、Q6、Q10共六個(gè)人偶，根據(jù)不同的兒童約束系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的適用身高對(duì)應(yīng)的測(cè)試人偶大小對(duì)應(yīng)表見(jiàn)表3.2。如果設(shè)計(jì)身高尺寸超出對(duì)應(yīng)人偶的身高尺寸則選用較大一級(jí)假人進(jìn)行碰撞測(cè)試，一般的根據(jù)I-SIZE兒童約束系統(tǒng)的定義及安裝要求前向使用的兒童約束系統(tǒng)多將兒童身高設(shè)計(jì)至105cm。

表3 兒童身高與測(cè)試假人身高對(duì)應(yīng)表

3.3 外部尺寸要求

為了解決I-SIZE兒童約束系統(tǒng)與車(chē)輛匹配性問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格定義了I-SIZE兒童約束系統(tǒng)總成的最大輪廓尺寸，其主要通過(guò)外部總成尺寸檢查治具VSF(Vehicle Seat Fixture)來(lái)定義：

1）反向安裝兒童約束系統(tǒng)總成尺寸類(lèi)別定義為ISOFIX SIZE CLASS D，必須滿足總成尺寸檢查治具ISO/R2 匹配要求（圖1）；

2）正向安裝兒童約束系統(tǒng)總成尺寸類(lèi)別定義為ISOFIX SIZE CLASS B1，必須滿足總成尺寸檢查治具ISO/F2X 匹配要求（圖2）；

實(shí)施到具體的兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以在設(shè)計(jì)之初生成虛擬尺寸檢查治具數(shù)據(jù)模型，在虛擬尺寸檢查治具框架內(nèi)完成產(chǎn)品的外輪廓設(shè)計(jì)和造型，考慮到設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)上不進(jìn)行體現(xiàn)的紡織覆蓋物以及實(shí)際產(chǎn)品不可控的收縮變形，因此在設(shè)計(jì)時(shí)建議做大外輪廓尺寸與檢查治具尺寸之間保留一定的設(shè)計(jì)余量。圖1-圖5為虛擬尺寸檢查治具框架外輪廓設(shè)計(jì)示例以及實(shí)際兒童約束系統(tǒng)外部尺寸檢查實(shí)例。

圖1 總成檢查治具VSF（ISO/R2）

圖2 總成檢查治具VSF（ISO/F2X）

圖3 虛擬尺寸檢查治具框架外輪廓設(shè)計(jì)示例

圖4 兒童約束系統(tǒng)外部 尺寸檢查實(shí)例

3.4 內(nèi)部尺寸要求

ECE R129標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定兒童約束系統(tǒng)的座高，肩寬，臀寬尺寸和肩高調(diào)節(jié)尺寸必須滿足對(duì)應(yīng)身高兒童的相應(yīng)尺寸數(shù)據(jù)，該尺寸數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)最大身高兒童和最小身高兒童的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的95%尺寸和5%尺寸。

根據(jù)上述要求，兒童約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)上需要關(guān)注的內(nèi)部尺寸分別為本體乘坐空間對(duì)應(yīng)的臀寬尺寸、肩寬尺寸，坐高尺寸、肩寬尺寸和肩高調(diào)節(jié)范圍，其中臀寬尺寸、肩寬尺寸需大于最大適用身高兒童對(duì)應(yīng)的95%人群的相應(yīng)尺寸，考慮到乘坐舒適性以及兒童約束系統(tǒng)面套和乘坐兒童衣服厚度，改尺寸應(yīng)至少大于理論要求尺寸20mm以上，坐高尺寸一般是指可調(diào)節(jié)頭枕調(diào)節(jié)至最高位置的尺寸，改尺寸應(yīng)大于最大適用身高兒童對(duì)應(yīng)的95%人群的相應(yīng)尺寸，肩高調(diào)節(jié)尺寸是指頭靠多肩帶位置相對(duì)本體底部的高度尺寸，理論上該尺寸當(dāng)頭枕調(diào)節(jié)至最低位置時(shí)不應(yīng)大于最小適用身高兒童對(duì)應(yīng)的5%人群的肩高尺寸，實(shí)際上兒童約束系統(tǒng)處于嬰兒使用模式時(shí)，底部往往會(huì)加墊較厚的內(nèi)襯緩沖墊，此時(shí)該肩高調(diào)節(jié)的最小尺寸可以是最小適用身高兒童對(duì)應(yīng)的5%人群的肩高尺寸加上內(nèi)襯緩沖墊的厚度尺寸，內(nèi)襯緩沖墊的厚度尺寸可以自行設(shè)定。

以下依據(jù)通?？梢越邮艿目赊D(zhuǎn)向使用的I-SIZE兒童約束系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的最小適用身高和最大適用身高分別取45cm和105cm進(jìn)行具體設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)尺寸實(shí)例說(shuō)明圖5兒童相應(yīng)部位尺寸示意圖，表4為45cm身高兒童和105cm身高兒童5%和95%人群的尺寸統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖5 內(nèi)部尺寸測(cè)量部位示意圖

表4 兒童身高統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)上述要求，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需要依據(jù)上表紅色加粗顯示的尺寸進(jìn)行兒童約束系統(tǒng)本體乘坐空間的相應(yīng)尺寸設(shè)計(jì)，兒童約束系統(tǒng)內(nèi)部尺寸設(shè)計(jì)及測(cè)量檢查表見(jiàn)表5。尺寸測(cè)量設(shè)備見(jiàn)圖6：

圖6 內(nèi)部尺寸測(cè)量裝置

表5 內(nèi)部尺寸設(shè)計(jì)及測(cè)量檢查表

3.5 支撐腿尺寸要求

在標(biāo)準(zhǔn)ECE R44中安裝方式為ISOFIX加支撐腿類(lèi)型的兒童約束系統(tǒng)只能被定義為半通用型，主要是由于支撐腿的尺寸與車(chē)輛之間無(wú)法完全匹配。而在標(biāo)準(zhǔn)ECE R129中，ISOFIX加支撐腿類(lèi)型的兒童約束系統(tǒng)被定義為通用型，為此標(biāo)準(zhǔn)ECE R129對(duì)支撐腿的尺寸做出了全新的定義以提高同車(chē)輛的匹配性。圖7為支撐腿尺寸要求示意圖，具體尺寸要求如下：

支撐腿寬度方向尺寸不得超過(guò)200mm；長(zhǎng)度方向距離ISOFIX錨點(diǎn)距離調(diào)節(jié)尺寸范圍為 585mm-695mm；深度方向尺寸要求：支撐腿最上端距離兒童約束系統(tǒng)底平面不得超過(guò)80mm，支撐下端必須高度方向可調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)范圍為支撐腿腳部底平面與兒童約束系統(tǒng)底平面之間的距離至少為275mm-525mm。

圖7 支撐腿尺寸要求示意圖

ECE R129標(biāo)準(zhǔn)對(duì)支撐腿尺寸要求的變動(dòng)對(duì)兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)無(wú)論在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)上還是在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上增加了較大難度：

1）支撐腿長(zhǎng)度方向距離ISOFIX錨點(diǎn)距離調(diào)節(jié)尺寸范圍要求為585mm-695mm，當(dāng)兒童約束系統(tǒng)處于使用狀態(tài)時(shí)，支撐腿外側(cè)距離ISOIFX錨點(diǎn)的距離最大為695mm。根據(jù)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)計(jì)的ISOFIX兒童約束系統(tǒng)該尺寸一般都不超過(guò)600mm。當(dāng)兒童約束系統(tǒng)處于正碰工況時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力圖(圖8)可以明顯發(fā)現(xiàn)，支撐腿長(zhǎng)度方向尺寸加大后對(duì)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)剛度要求更高，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮支撐腿與ISOFIX鋼架組成的ISOFIX系統(tǒng)剛度能否滿足動(dòng)態(tài)碰撞載荷的要求。目前校驗(yàn)兒童約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最有效的方式為模擬碰撞試驗(yàn)，模擬碰撞試驗(yàn)的驗(yàn)證方式雖然最為直接，驗(yàn)證效果最好，但是改方式同樣存在驗(yàn)證周期長(zhǎng)，驗(yàn)證費(fèi)用高，一旦驗(yàn)證效果不佳，修改成本高，修改困難甚至造成前期的模具投入報(bào)廢等缺陷。因此引入計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)進(jìn)行前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度驗(yàn)證可以取得較好效果，圖7的實(shí)例結(jié)構(gòu)可以分析校驗(yàn)其在Q3假人正面碰撞工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，采用動(dòng)態(tài)載荷的靜態(tài)等效方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜態(tài)強(qiáng)度分析，靜態(tài)載荷加載強(qiáng)度可以依據(jù)Q3假人所能承受的額最大載荷55g或模擬碰撞臺(tái)車(chē)最大加載加速度28g進(jìn)行計(jì)算所得，具體的加載分析不在本文討論。

圖8 ISOFIX 鋼架系統(tǒng)受載分析圖

2）支撐腿下段調(diào)節(jié)尺寸要求為70mm-525mm。將當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)下常規(guī)的支撐腿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的示意圖如圖9，可以明顯得出，此類(lèi)結(jié)構(gòu)支撐腿上段和支撐腿下段之間的配合尺寸過(guò)小，無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)的承載要求，因此ECE R129標(biāo)準(zhǔn)下的支撐腿結(jié)構(gòu)需要尋求新的解決方案，一般的可以考慮以下兩種解決方案，如圖10所示。

圖9 支撐腿調(diào)節(jié)尺寸示意圖

圖10 支撐腿結(jié)構(gòu)解決方案

解決方案1通過(guò)將支撐腿的2段式設(shè)計(jì)改為3段式設(shè)計(jì)，在達(dá)成支撐腿下段調(diào)節(jié)范圍要求的同時(shí)，保證了各段之間的配合強(qiáng)度。該解決方案的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)剛性較好，調(diào)節(jié)范圍可以設(shè)計(jì)的更大；其缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，成本較高。

解決方案2是通過(guò)盡可能的利用底座底平面以上支撐腿設(shè)計(jì)限制尺寸所允許的85mm高度的空間。理論上可以將支撐腿伸長(zhǎng)后上下段之間的配合長(zhǎng)度由原來(lái)的20mm增加至105mm，從而滿足支撐腿結(jié)構(gòu)承載的要求。為了盡可能多的利用底座底平面以上部分的空間，支撐腿結(jié)構(gòu)往往需要設(shè)計(jì)成外管套內(nèi)管的結(jié)構(gòu)，即支撐腿上段固定段采用截面面積較大的套管，下段可調(diào)節(jié)段采用截面較小的套管。由于支撐腿上段需要與兒童約束系統(tǒng)的底座或者ISOFIX鋼架需要采用連接機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，因而如果采用截面較小的套管作為支撐腿上段的固定管，則需要去除連接機(jī)構(gòu)的尺寸，因而無(wú)法很好的利用底座平面以上85mm的空間尺寸。

另外針對(duì)使用支撐腿作為抗翻轉(zhuǎn)裝置的兒童約束系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)正面碰撞時(shí)支撐腿的使用做出了規(guī)定。ECE R129標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，除非兒童約束系統(tǒng)上所適用的支撐腿為固定不可調(diào)節(jié)并且不可拆卸的，否則本標(biāo)準(zhǔn)所定義的所有兒童約束系統(tǒng)都應(yīng)該進(jìn)行誤使用測(cè)試，即僅使用兩個(gè)ISOFIX下固定點(diǎn)與測(cè)試設(shè)備進(jìn)行連接的狀態(tài)下進(jìn)行正面碰撞測(cè)試。在改測(cè)試條件下，如果兒童約束系統(tǒng)的支撐腿為可拆卸的，那么該測(cè)試進(jìn)行前應(yīng)該將支撐腿整體拆除；如果支撐腿部件不可拆卸，但可折疊收納，且折疊后支撐腿的任何部件都可藏于底座內(nèi)部，不高出底座底平面，則該測(cè)試進(jìn)行前應(yīng)先將支撐腿調(diào)節(jié)至收納位置；其它情況則將支撐腿調(diào)節(jié)至距離測(cè)試臺(tái)面最遠(yuǎn)位置。

3.6 側(cè)面碰撞要求

當(dāng)前ECE R44標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)側(cè)面碰撞做成規(guī)定，因而在兒童約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)上并不會(huì)過(guò)多的考慮側(cè)面碰撞的保護(hù)性能。由于考慮道路交通事故統(tǒng)計(jì)中側(cè)面碰撞工況所占比例較高，因而ECE R129標(biāo)準(zhǔn)在動(dòng)態(tài)碰撞試驗(yàn)中引入側(cè)面碰撞測(cè)試的要求。

側(cè)面碰撞通過(guò)固定門(mén)板模擬汽車(chē)車(chē)門(mén)，在碰撞過(guò)程中從90度方向?qū)⒐潭ㄩT(mén)板直接侵入撞擊兒童座椅的側(cè)面。典型的側(cè)面碰撞測(cè)試臺(tái)見(jiàn)圖11，該撞擊方式模擬將兒童安全座椅放置在靠近碰撞側(cè)車(chē)門(mén)時(shí)發(fā)生的碰撞事故。側(cè)面碰撞臺(tái)車(chē)設(shè)備與兒童約束系統(tǒng)ISOFIX接口配合的錨固鋼軸被加長(zhǎng)，在兒童約束系統(tǒng)受到撞擊時(shí)，可以整體延著碰撞方向滑動(dòng)。側(cè)面碰撞的侵入速度范圍要求如圖12，時(shí)間和速度控制上下軌閾值見(jiàn)表6。

圖11 側(cè)面碰撞測(cè)試設(shè)備

圖12 側(cè)碰侵入速度控制圖

表6 時(shí)間和速度控制上下軌閾值

考慮側(cè)面撞擊時(shí)，ISOFIX連接處可自由滑動(dòng)，同時(shí)側(cè)面撞擊的侵入速度最大為7.25m/s約26km/h，因此和正面碰撞相比較，側(cè)面碰撞對(duì)兒童約束系統(tǒng)和ISOFIX鋼架系統(tǒng)的強(qiáng)度要求不如正面碰撞苛刻，通過(guò)多款I(lǐng)-SIZE兒童約束系統(tǒng)產(chǎn)品的實(shí)際測(cè)試也得到了驗(yàn)證。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明：側(cè)面碰撞試驗(yàn)對(duì)兒童損傷最嚴(yán)重的為頭部區(qū)域的傷害，而且越小兒童，傷害值越高，以下以I-SIZE兒童約束系統(tǒng)在側(cè)面碰撞實(shí)驗(yàn)中試驗(yàn)結(jié)果為例說(shuō)明側(cè)面碰撞試驗(yàn)對(duì)兒童安全座椅設(shè)計(jì)的影響；圖13所示為其中一款I(lǐng)-SIZE兒童約束系統(tǒng)在側(cè)面碰撞實(shí)驗(yàn)中Q0兒童假人的測(cè)試數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果表明改款兒童約束系統(tǒng)在受到側(cè)面撞擊過(guò)程中兒童約束系統(tǒng)對(duì)乘坐兒童假人的頭部保護(hù)性能不佳，頭部傷害指數(shù)接近限制要求，頭部加速3ms合成值超出限值要求。我們?cè)賮?lái)觀察改款兒童約束系統(tǒng)撞擊前兒童正常乘坐姿態(tài)時(shí)Q0兒童假人頭部狀態(tài)(圖14)以及撞擊過(guò)程中兒童頭部最大加速度值發(fā)生時(shí)刻Q0兒童假人頭部狀態(tài)(圖15)可以發(fā)現(xiàn)，Q0兒童假人頭部加速度值最大發(fā)生時(shí)刻為兒童約束系統(tǒng)保護(hù)測(cè)試受到側(cè)面臺(tái)車(chē)撞擊后快速擊打至兒童假人頭部的時(shí)刻。通過(guò)進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)撞擊前兒童約束系統(tǒng)對(duì)Q0假人頭部的包裹區(qū)域兩側(cè)間隙過(guò)大，造成測(cè)試臺(tái)車(chē)侵入瞬間造成的撞擊力直接作用在兒童約束系統(tǒng)側(cè)面并快速擊打至兒童假人頭部。因此我們?cè)趦和s束系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮采用以下方案改善側(cè)面撞擊性能。

圖13 側(cè)碰試驗(yàn)Q0假人傷害

圖14 撞擊前Q0兒童假人頭部狀態(tài)

圖15 Q0兒童假人頭部受到擊打狀態(tài)

I-SIZE兒童約束系統(tǒng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)一般可以考慮采用以下幾種解決方案：

1）兒童假人頭部接觸區(qū)域采用吸能性能較好的材料，如PU、EPP、EPS、高密度慢回彈海綿等；

2）增加兒童假人頭部的包裹性，減小兒童約束系統(tǒng)頭部接觸區(qū)域側(cè)面與兒童假人頭部之間的間隙，防止兒童假人頭部甩出包裹區(qū)域與汽車(chē)內(nèi)飾發(fā)生接觸以及減小兒童約束系統(tǒng)側(cè)面內(nèi)側(cè)對(duì)兒童假人頭部的沖擊載荷；

3）兒童約束系統(tǒng)與測(cè)試臺(tái)車(chē)侵入門(mén)板接觸區(qū)域設(shè)置吸能裝置，吸收部分侵入門(mén)板帶來(lái)的沖擊力。

上述兒童約束系統(tǒng)側(cè)面碰撞Q0假人頭部傷害值過(guò)大問(wèn)題通過(guò)增加兒童約束系統(tǒng)兩側(cè)對(duì)兒童假人頭部的包裹性，并且將頭部側(cè)翼材料更換為吸能性能較好的PU材料后解決，更改后的Q0假人頭部狀態(tài)見(jiàn)圖16。改進(jìn)后的側(cè)面碰撞頭部傷害指數(shù)測(cè)值明顯得到改善，具體見(jiàn)圖17：

圖16 改進(jìn)后Q0兒童假人頭部狀態(tài)

圖17 改進(jìn)后Q0兒童假人側(cè)碰頭部傷害值

3.7 傷害指數(shù)

ECE R129標(biāo)準(zhǔn)取消了胸部加速度Z向3ms合成值得要求，而增加了監(jiān)控頸部傷害指標(biāo)頸部張力和頸部扭矩。主要是因?yàn)橹凹夹g(shù)手段無(wú)法直接測(cè)量?jī)和偃祟i部傷害值，因而采用胸部Z向加速度值來(lái)替代胸部傷害。隨著新一代Q系列假人的問(wèn)世，對(duì)假人頸部傷害值的測(cè)量不再成為技術(shù)難題，同時(shí)研究也表明胸部Z向加速度并不能有效反應(yīng)頸部傷害值。雖然對(duì)頸部傷害的測(cè)量技術(shù)手段得以解決，然而對(duì)頸部傷害限制的定義由于缺乏經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)和理論依據(jù)，因而ECE R129標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的前3年對(duì)頸部傷害值只作為監(jiān)控指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)正式實(shí)施3年后納入測(cè)試指標(biāo)值。

除了頸部傷害指數(shù)，還增加了頭部傷害指標(biāo)，分別取頭部3ms合成加速度、頭部傷害指數(shù)HPC15作為頭部傷害指標(biāo)。

通過(guò)測(cè)試研究表明，頸部傷害指標(biāo)在正面碰撞和反向反碰的測(cè)試條件下傷害值較大；頭部傷害指標(biāo)在正碰和側(cè)碰條件下傷害值較大。

從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，有效降低頭部傷害值和頸部傷害值的方法一般有增加限力裝置、緩沖部件或者預(yù)緊裝置等方法。典型的限力裝置有齒片式金屬卡槽限力器，崩塌式安全帶系統(tǒng)等，圖18為一種典型的齒片式金屬卡槽限力器。緩沖裝置一般通過(guò)在兒童乘坐空間增加緩沖坐墊，支撐腿系統(tǒng)增加吸能裝置等方式在碰撞過(guò)程中吸收一部分的沖擊動(dòng)能，以減小乘坐兒童所受沖擊動(dòng)能。另外還可以通過(guò)在自身harness系統(tǒng)上增加預(yù)加載裝置的方式消除兒童假人同harness系統(tǒng)之間的間隙，從而消除碰撞過(guò)程中因自身安全帶系統(tǒng)未完全束縛兒童引起的瞬間沖擊載荷。

圖18 齒片式金屬卡槽限力器

3.8 Q系列假人

P系列假人是上世紀(jì)79年代末80年代初主要由TNO公司研制，覆蓋0歲到12歲兒童的假人模型，一直沿用至今。目前的ECE R44標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)的GB27887標(biāo)準(zhǔn)仍然采用P系列假人進(jìn)行碰撞測(cè)試，在長(zhǎng)達(dá)30年的使用過(guò)程中P系列假人也暴露出了生物仿真度不高，測(cè)量通道不足，使用耐久性不夠，拆裝維修不便等缺陷。因而Q系列假人應(yīng)運(yùn)而生。

Q系列假人相比P系列假人主要具備了以下優(yōu)點(diǎn)：

1）Q系類(lèi)假人具有更高的仿真度，設(shè)計(jì)尺寸數(shù)據(jù)基于CANDAT數(shù)據(jù)庫(kù)所提供的近年兒童尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；

2）Q系列假人可以裝備更多的如加速度計(jì)，角加速度計(jì)，測(cè)力傳感器，位移傳感器等各種測(cè)量?jī)x器，有助于獲得更多更精確的數(shù)據(jù)；

3）Q系類(lèi)假人的設(shè)計(jì)使拆裝更加方便，可重復(fù)性更好；

4）設(shè)計(jì)上能更好的固定和保護(hù)測(cè)量設(shè)備和線纜，并且將傳感器本身的影響降至最低。

Q系列假人所能測(cè)定的各項(xiàng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7：

表7 Q系列假人檢測(cè)數(shù)據(jù)表

Q系列假人在假人尺寸，質(zhì)量上與P系列假人差異并不大，因而對(duì)兒童約束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)影響不大 。

4、結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)的兒童約束系統(tǒng)發(fā)展較晚，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)目前任然沿用的是ECE R44標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，并未引入ECE R129的要求。本文初步分析了ECE R129標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)ECE R44以及我國(guó)當(dāng)前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB27887所提出的一些新的要求以及其對(duì)兒童約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的影響，希望對(duì)我國(guó)兒童約束系統(tǒng)生產(chǎn)廠家在新一代I-SIZE兒童約束系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程有所幫助。

本文研究表明當(dāng)前實(shí)施的歐洲最新標(biāo)準(zhǔn)ECE R129第一階段在多個(gè)方面做出了全新規(guī)定，其目的是加強(qiáng)兒童約束系統(tǒng)對(duì)兒童乘員的乘車(chē)保護(hù)性能，其中較為重要的加強(qiáng)項(xiàng)目如只接受ISOFIX加抗翻轉(zhuǎn)裝置對(duì)兒童約束系統(tǒng)進(jìn)行安裝、15個(gè)月以下兒童乘車(chē)必須乘坐被向前的兒童約束系統(tǒng)、新啟用的Q系列假人并且更加全面的監(jiān)控傷害指標(biāo)以及增加側(cè)面碰撞試驗(yàn)工況等

另外，本文研究還表明ECE R129第一階段標(biāo)準(zhǔn)新增規(guī)定一定程度上對(duì)兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，特別是對(duì)支撐腿在X方向上位置尺寸的規(guī)定對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出更高要求；支撐腿自身高度的大范圍調(diào)節(jié)要求使支撐腿的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，之前較為常用的支撐腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案將不再適用；而側(cè)面碰撞測(cè)試工況的引入對(duì)兒童約束系統(tǒng)側(cè)裝保護(hù)性能提出了更高的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。因此，依據(jù)ECE R129第一階段標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的兒童約束系統(tǒng)具有以下特征：

1）安裝方式簡(jiǎn)便單一，錯(cuò)誤安裝率低；

2）車(chē)輛適配性高，支撐腿調(diào)節(jié)范圍大；

3）整體式harness系統(tǒng)或者整體式前置護(hù)體，具備頭枕及肩帶隨動(dòng)調(diào)節(jié)功能；

4）如果是嬰兒提籃，則內(nèi)部乘坐空間大，能容納15月以下兒童乘坐；

5）兒童約束系統(tǒng)頭部側(cè)翼包裹性好，兩側(cè)緩沖材料吸能性能好；

6）一般為可換向使用，適用于105cm以下兒童乘坐。

[1] Regulation No.129 《Uniform provisions concerning the approval of enhanced Child Restraint Systems used on board of motor vehicles (ECRS) 》[S]. 9 Jul 2013-07-09.

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[4] Regulation No.16《UNIFORM PROVISIONS CONCERNING THE APPROVAL OF: I SAFETY-BELTS, RESTRAINT SYSTEMS, CHILD RESTRAINT SYSTEMS AND ISOFIXCHILD REST -RAINT SYSTEMS FOR OCCUPANTS OF POWER-DRIVEN VEHICLES .

[5] 楊斌, 趙淑華. 歐洲最新兒童安全座椅標(biāo)準(zhǔn)ECE R 129解讀[J].標(biāo)準(zhǔn)科學(xué) 2014年09期.

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Study on ECE R129 (phase 1) and it’s influence for CRS design

Cui Donghui1, Zhang Qing2
（1. Ningbo Global KidsBaby Product Co., Ltd, Zhejiang Ningbo 315100; 2. School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092）

This paper discusses the definition of CRS, as well as its weight grouping, installation, dimension, dummy and testing according to new regulation of ECE R129 made by UNECE(United Nations Economic Commission for Europe). Along with our new CRS product design, this paper pays more attention on new requirement and influence of design of New I-SIZE CRS.

CRS; Design; ECE R129

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-80-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.028

崔東輝，工程碩士，中級(jí)職稱，就職于寧波環(huán)球娃娃嬰童用品有限公司。研究方向：汽車(chē)兒童安全座椅的研發(fā)。

張氫，教授，博士生導(dǎo)師，就職于上海同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院。研究領(lǐng)域：產(chǎn)品快速與智能優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械控制與信息處理的理論和方法及其關(guān)鍵技術(shù)，以及工程結(jié)構(gòu)與設(shè)備研究開(kāi)發(fā)。在機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與動(dòng)力修改、大型機(jī)械抗震、機(jī)械產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)與數(shù)字樣機(jī)及仿真、智能優(yōu)化設(shè)計(jì)、大型建筑的機(jī)械結(jié)構(gòu)、大型施工工程裝備及新工藝等方面取得了一定成果。