兒童座椅安全帶固定點(diǎn)對(duì)兒童損傷的影響*

胡勇 廖穎慧

（1.中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心武漢分中心；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心漢陽專用汽車研究所）

近年來，兒童乘員的安全成為碰撞安全領(lǐng)域的重要課題之一。美國(guó)和歐盟已經(jīng)將可適應(yīng)乘員約束系統(tǒng)作為乘員碰撞安全防護(hù)的主要發(fā)展方向。國(guó)內(nèi)，文獻(xiàn)[1]也提出了一種新型自適應(yīng)汽車兒童安全座椅，能對(duì)3～10歲的兒童乘員提供有效的保護(hù)，但由于兒童與成人在身材上的巨大差異，盡管可通過調(diào)節(jié)集成式兒童座椅的高度改善座椅安全帶在兒童身上的定位，但座椅安全帶上下固定點(diǎn)之間的距離與兒童乘員身材相比過大，在發(fā)生碰撞事故時(shí)，兒童身體容易翻過肩帶向前傾，從而失去應(yīng)有的保護(hù)作用。為此，文章提出將座椅安全帶下固定點(diǎn)和鎖扣的固定位置從汽車座椅移到自適應(yīng)兒童座椅上，通過減小安全帶上下固定點(diǎn)的距離、增大安全帶與兒童乘員軀干之間的夾角來加強(qiáng)對(duì)兒童乘員的有效約束，從而減輕對(duì)兒童乘員的傷害。

1 仿真分析模型的建立及驗(yàn)證

為分析安全帶固定點(diǎn)位置的改變對(duì)兒童乘員保護(hù)的影響，采用多剛體軟件建立了集成于汽車后排座椅的兒童座椅正面碰撞仿真模型，主要包括汽車后排座椅、自適應(yīng)兒童座椅、后排中間位置三點(diǎn)式成人安全帶及兒童假人模型。后排中間三點(diǎn)式成人安全帶模型采用多剛體與有限元相結(jié)合的混合型安全帶模型；兒童假人模型選取HybridⅢ6歲多剛體兒童假人進(jìn)行研究，座椅實(shí)物及仿真模型，如圖1所示。

圖1 兒童安全座椅實(shí)物及仿真模型

該仿真模型是以經(jīng)過驗(yàn)證的模型[2-3]修改而來，與驗(yàn)證模型的主要差別在于使用了生物逼真度更高的HybridⅢ6歲多剛體兒童假人模型以及汽車座椅的外觀形式，其余所有參數(shù)一致，因此，可認(rèn)為該模型同樣是有效的。

2 安全帶固定點(diǎn)改變前后的兒童乘員約束效果分析

利用建立的自適應(yīng)兒童座椅正面碰撞仿真模型，基于該自適應(yīng)兒童座椅高度可調(diào)，分高中低3個(gè)位置將安全帶下固定點(diǎn)和鎖扣從汽車座椅移到兒童座椅后，對(duì)6歲兒童乘員約束效果進(jìn)行了對(duì)比分析，兒童乘員運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，如圖2～圖7所示。

圖2 安全帶固定點(diǎn)改變前約束效果對(duì)比圖（較高位置）

圖3 安全帶固定點(diǎn)改變后約束效果對(duì)比圖（較高位置）

圖4 安全帶固定點(diǎn)改變前約束效果對(duì)比圖（中間位置）

圖5 安全帶固定點(diǎn)改變后約束效果對(duì)比圖（中間位置）

圖6 安全帶固定點(diǎn)改變前約束效果對(duì)比圖（較低位置）

圖7 安全帶固定點(diǎn)改變后約束效果對(duì)比圖（較低位置）

從圖2～圖7可以看出：安全帶下固定點(diǎn)和鎖扣固定于汽車座椅上時(shí)，當(dāng)兒童座椅處于較高位置時(shí)，安全帶在30 ms左右就出現(xiàn)了滑落，當(dāng)兒童座椅處于較中間位置時(shí)，安全帶在60 ms左右出現(xiàn)滑落，當(dāng)兒童座椅處于較低位置時(shí)，安全帶沒有滑落，但兒童乘員身體前傾過于嚴(yán)重；而當(dāng)安全帶下固定點(diǎn)和鎖扣移到兒童座椅上時(shí)，不管兒童座椅處于何種高度，都沒有出現(xiàn)安全帶從兒童乘員肩上滑落的現(xiàn)象，其對(duì)兒童乘員的約束效果得到明顯的改善。

分析其原因是因?yàn)楫?dāng)安全帶下固定點(diǎn)和鎖扣位置移到兒童座椅上后，安全帶上固定點(diǎn)和下固定點(diǎn)之間的距離更短，其約束空間變得更小從而更適合兒童的約束，同時(shí)安全帶上固定點(diǎn)不變使得安全帶與兒童乘員軀干的夾角更大，從而讓兒童軀干位于肩帶以上的部分更少，使得碰撞事故發(fā)生時(shí)兒童身體不容易翻過肩帶往前傾，如圖8所示。

圖8 安全帶下固定點(diǎn)改變前后肩帶在兒童乘員身上的約束效果圖

3 安全帶固定點(diǎn)改變前后的兒童乘員損傷對(duì)比分析

現(xiàn)對(duì)兒童座椅保護(hù)6歲兒童高度處于合適位置時(shí)，安全帶下固定點(diǎn)和鎖扣位置改變前后對(duì)兒童乘員的損傷情況進(jìn)行對(duì)比分析。圖9示出兒童乘員頭部、頸部、胸部及腹部的損傷對(duì)比圖。

圖9 安全帶固定點(diǎn)改變前后兒童乘員損傷對(duì)比圖

從圖9可知，改進(jìn)前后頭部合成加速度峰值從72 g降到48 g，降低幅度為33.33%；頸部傷害值峰值從0.94降到0.75，降低幅度為20.2%；胸部合成加速度從36 g降到33 g，降低幅度為8.33%；腹部力均值有明顯下降，峰值由1 000 N增大到1 470 N，增加幅度為47%，但峰值持續(xù)時(shí)間較短。安全帶下固定點(diǎn)和鎖扣位置從汽車座椅移到兒童座椅上后，不但增加了對(duì)兒童乘員的約束作用，同時(shí)也由于約束作用的增強(qiáng)使得兒童乘員得到更好的保護(hù)。兒童乘員腹部力增幅較大，這主要是因?yàn)楫?dāng)安全帶下固定點(diǎn)和鎖扣位置改變后，兒童乘員大腿與腰帶之間的夾角變小，當(dāng)發(fā)生碰撞事故時(shí)，腰帶更容易侵入兒童的腹部，如圖10所示。

圖10 安全帶下固定點(diǎn)改變前后腰帶在兒童乘員身上的約束效果圖

4 結(jié)論

基于自適應(yīng)兒童座椅的結(jié)構(gòu)，通過將安全帶下固定點(diǎn)和鎖扣從汽車座椅移到兒童座椅上，在自適應(yīng)兒童座椅高度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的上中下3個(gè)位置，均可以對(duì)兒童乘員起到很好的保護(hù)作用；當(dāng)自適應(yīng)兒童座椅處于合理高度時(shí)，將安全帶下固定點(diǎn)和鎖扣從汽車座椅移動(dòng)到兒童座椅上，使得兒童乘員得到了更好的保護(hù)。該研究結(jié)果對(duì)國(guó)內(nèi)兒童乘車安全的相關(guān)研究工作和碰撞損傷防護(hù)技術(shù)的發(fā)展具有一定的參考價(jià)值。