智能兒童安全座椅的結(jié)構(gòu)與安全性研究＊

曹立波 吳夢華 吳俊,2 陳治宇

（1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082；2.湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，長沙 410006；3.福建麥凱嬰童用品有限公司，詔安 363005）

智能兒童安全座椅的結(jié)構(gòu)與安全性研究＊

曹立波1吳夢華1吳俊1,2陳治宇3

（1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082；2.湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，長沙 410006；3.福建麥凱嬰童用品有限公司，詔安 363005）

為了降低兒童安全座椅誤用率，通過集成控制系統(tǒng)、電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和手機(jī)APP，對(duì)一款傳統(tǒng)兒童安全座椅進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，使其可根據(jù)兒童身高智能調(diào)節(jié)，有效避免誤用問題。建立了智能兒童安全座椅仿真模型，仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后兒童安全座椅對(duì)兒童假人保護(hù)效果優(yōu)于改進(jìn)前的兒童安全座椅，且滿足法規(guī)要求。

1 前言

據(jù)交通管理部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2015年，中國交通事故中12歲以下兒童的死亡人數(shù)和受傷人數(shù)分別為2190人和8817人[1]。在交通事故中，汽車兒童安全座椅對(duì)于提高兒童乘員安全性有顯著效果，在正確使用的條件下，汽車兒童安全座椅能降低兒童乘員71%的致命損傷和67%的嚴(yán)重?fù)p傷[[2，3]。然而，兒童安全座椅只有在正確使用的條件下才能充分發(fā)揮其安全保護(hù)作用，其誤使用會(huì)嚴(yán)重影響碰撞事故中安全座椅對(duì)兒童乘員的保護(hù)效果[4]，調(diào)查表明，美國的誤用率為72.6%，澳大利亞誤用率為79%，德國的誤用率為66.67%，韓國的誤用率為55.6%[5-8]。在北京、上海、成都、天津等幾個(gè)私家車保有量較大的城市中，汽車兒童座椅的正確使用率不超過2%[[33]]。

目前，關(guān)于可以降低誤使用率的智能兒童安全座椅研究極少，僅有湖南大學(xué)張瑞鋒等人研發(fā)了智能集成式兒童安全座椅，該座椅盡管可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)并智能匹配兒童乘員的身體尺寸，但是該座椅必須和成人座椅集成安裝[9-11]。

針對(duì)上述問題，本文將一款適用于0～6歲兒童使用的常規(guī)傳統(tǒng)兒童安全座椅進(jìn)行智能化改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過集成內(nèi)置控制系統(tǒng)、電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和手機(jī)App，使其可根據(jù)兒童身高智能調(diào)節(jié)座椅靠背角、安全帶限位孔高度與頭枕高度。采用仿真方法對(duì)改進(jìn)前、后的智能兒童安全座椅的安全性進(jìn)行了研究。

2 兒童安全座椅的智能化改進(jìn)設(shè)計(jì)

選擇現(xiàn)有的某款傳統(tǒng)兒童安全座椅進(jìn)行智能化改進(jìn)設(shè)計(jì)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，加入兩組電控調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其中一組用來調(diào)節(jié)兒童安全座椅的靠背角，另一組用來調(diào)節(jié)頭枕高度與肩帶限位孔高度。在智能控制方面，本文加入了內(nèi)置控制系統(tǒng)和手機(jī)App，控制系統(tǒng)中含有藍(lán)牙模塊，通過接收手機(jī)App的數(shù)據(jù)來智能控制電控調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。改進(jìn)后的智能兒童安全座椅主要由座椅機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)與手機(jī)App 3部分組成。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1.1 改進(jìn)前安全座椅結(jié)構(gòu)及誤使用問題

改進(jìn)前座椅的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，該傳統(tǒng)安全座椅的基本組成是座椅基座、座椅靠背、頭枕和兒童五點(diǎn)式安全帶等，在使用過程中，該座椅純粹依靠手動(dòng)調(diào)節(jié)，容易出現(xiàn)肩帶限位孔高度和頭枕高度與兒童身體尺寸不匹配、靠背角大小與兒童身體尺寸不匹配的誤操作。

圖1 座椅幾何結(jié)構(gòu)

研究表明，不同年齡、身高的兒童需在不同的靠背角下、頭枕與肩帶限位孔高度下，才能取得最佳保護(hù)[12]。

2.1.2 改進(jìn)后安全座椅結(jié)構(gòu)

在改進(jìn)前安全座椅的結(jié)構(gòu)上，加入兩組電控調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)電控調(diào)節(jié)代替手工調(diào)節(jié)。

a.靠背角電控調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

靠背角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝在基座內(nèi)部，如圖2所示，沒有改變座椅底部形狀，不影響成人安全帶對(duì)安全座椅的固定。該機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、齒輪、水平傳動(dòng)螺桿、滑塊和傳動(dòng)桿組成，如圖3所示。其中，從動(dòng)輪與水平傳動(dòng)螺桿固定連接，水平傳動(dòng)螺桿與滑塊螺紋連接，滑塊和座椅靠背通過兩根傳動(dòng)桿連接。

圖2 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝位置

圖3 靠背角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)收到控制系統(tǒng)的動(dòng)作指令后，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)各齒輪與水平傳動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滑塊沿著水平傳動(dòng)螺桿移動(dòng)，最終通過連接桿帶動(dòng)座椅靠背進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)座椅靠背角的智能調(diào)節(jié)。

b.頭枕高度和肩帶限位孔高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

頭枕高度與肩帶限位孔高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝在靠背后，如圖4所示，機(jī)構(gòu)被靠背蓋零件覆蓋，不影響安全座椅的外觀結(jié)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、齒輪、豎直傳動(dòng)螺桿組成，如圖5所示。其中，從動(dòng)輪與豎直傳動(dòng)螺桿固定連接，肩帶限位零件、頭枕與豎直傳動(dòng)螺桿螺紋連接。

圖4 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝位置

圖5 頭枕肩帶調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)收到控制系統(tǒng)的動(dòng)作指令后，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，各齒輪與豎直傳動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，豎直傳動(dòng)螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)頭枕、安全帶限位零件沿著豎直傳動(dòng)螺桿上升或下降，從而實(shí)現(xiàn)頭枕和安全帶高度的上下調(diào)節(jié)。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與手機(jī)App

智能兒童安全座椅的控制系統(tǒng)主要由硬件、軟件算法兩部分構(gòu)成，其中軟件算法針對(duì)兒童乘員不同身高作為輸入進(jìn)行設(shè)計(jì)。在手機(jī)App中輸入的兒童身高數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙通信方式發(fā)送給座椅控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，控制座椅電控調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使座椅自動(dòng)調(diào)節(jié)肩帶限位孔高度、頭枕高度以及靠背角大小。

該智能兒童安全座椅控制系統(tǒng)的控制流程如圖6所示，當(dāng)家長需要調(diào)節(jié)兒童安全座椅靠背角大小、兒童肩帶限位孔及頭枕高度時(shí)，只需通過手機(jī)App藍(lán)牙連接到座椅控制系統(tǒng)，輸入并發(fā)送兒童乘員的身高數(shù)據(jù)，智能兒童安全座椅就會(huì)根據(jù)兒童身高數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)座椅到與兒童身體尺寸匹配的狀態(tài)（即兒童安全座椅靠背角、兒童肩帶限位孔及頭枕高度自動(dòng)調(diào)節(jié)到合適狀態(tài)），極大地降低兒童安全座椅使用的復(fù)雜性，從而減少安全座椅的誤用率。

圖6 智能調(diào)節(jié)及控制系統(tǒng)示意圖

手機(jī)App功能包括藍(lán)牙連接、發(fā)送身高數(shù)據(jù)、發(fā)送控制指令、接收反饋信息、清除無效信息、復(fù)位等。

當(dāng)不使用座椅時(shí)，可以發(fā)送復(fù)位指令，座椅會(huì)一鍵自動(dòng)復(fù)位。此外，用戶還可以設(shè)定記憶功能，記錄常用的兒童乘員身高數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)座椅的一鍵調(diào)整。

3 兒童安全座椅改進(jìn)前、后安全性對(duì)比

采用仿真方法對(duì)改進(jìn)前、后智能兒童安全座椅的安全性進(jìn)行了研究。

3.1 改進(jìn)前安全座椅仿真模型的建立與驗(yàn)證

首先對(duì)改進(jìn)前安全座椅進(jìn)行了臺(tái)車試驗(yàn)，然后建立了改進(jìn)前安全座椅仿真模型，并依據(jù)臺(tái)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。基于驗(yàn)證后的改進(jìn)前安全座椅模型，建立了改進(jìn)后的安全座椅仿真模型，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)改進(jìn)前、后座椅安全性做了對(duì)比研究。

3.1.1 臺(tái)車試驗(yàn)

依據(jù)法規(guī)GB 27887-2011《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》對(duì)改進(jìn)前兒童安全座椅進(jìn)行正面碰撞試驗(yàn)，兒童安全座椅通過成人安全帶固定在臺(tái)車座椅上，Q6兒童假人采用五點(diǎn)式安全帶約束在兒童座椅內(nèi)。臺(tái)車碰撞速度為49.6 km/h，臺(tái)車加速度波形如圖7所示。

圖7 臺(tái)車試驗(yàn)加速度波形

3.1.2 改進(jìn)前兒童安全座椅模型的建立

本文需要分析兒童安全座椅的變形情況，對(duì)兒童乘員只需要了解其損傷與運(yùn)動(dòng)情況，因此采用有限元-多剛體耦合建模的方法。

兒童安全座椅正面碰撞模型主要包括兒童座椅有限元模型、臺(tái)車試驗(yàn)座椅有限元模型和多剛體Q6假人模型。采用LS-DYNA建立兒童安全座椅有限元模型，對(duì)于兒童假人模型直接使用MADYMO自帶的多剛體兒童假人模型。兒童座椅的有限元模型共有80 154個(gè)單元，其連接方式包含焊接連接、鉸鏈連接和剛性連接等。兒童假人被兒童安全座椅、安全帶和帶扣約束在座椅中，如圖8、圖9所示。

圖8 傳統(tǒng)兒童安全座椅的正面碰撞仿真模型

圖9 假人的約束狀態(tài)

3.1.3 改進(jìn)前兒童安全座椅模型的驗(yàn)證

建立好兒童安全座椅仿真模型后，結(jié)合前文所述的臺(tái)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)所建立的仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)GB 27887-2011對(duì)兒童乘員損傷的要求，從胸部垂直加速度與胸部合成加速度兩個(gè)指標(biāo)分析仿真結(jié)果相對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.1.3.1 曲線擬合相關(guān)程度的定量評(píng)估

仿真結(jié)果與碰撞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖10、圖11所示，采用MADYMO 7.4.1的OBJECTIVE RATING對(duì)曲線的擬合程度進(jìn)行定量分析，綜合分析試驗(yàn)曲線和仿真曲線最大峰值（GPV）、最大峰值時(shí)刻（GPT）、曲線重疊區(qū)域（DUC）以及加權(quán)綜合評(píng)分（WIS）4個(gè)方面的擬合程度，總評(píng)分大于85%時(shí)，認(rèn)為模型可靠，曲線擬合分析結(jié)果如表1所示，總評(píng)分為87.86%。

圖10 假人胸部垂直加速度

圖11 假人胸部合成加速度

表1 仿真曲線與試驗(yàn)曲線的擬合程度

3.1.3.2 損傷值的誤差分析

將仿真結(jié)果與臺(tái)車碰撞試驗(yàn)中測得的兒童假人胸部損傷值峰值及峰值時(shí)刻進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示。由表2可知，仿真模型的胸部合成加速度峰值（Chest_Res_P）及峰值時(shí)刻（Chest_Res_T）、胸部垂向加速度峰值（Chest_Z_P）及峰值時(shí)刻（Chest_Z_T）與臺(tái)車試驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)誤差在10%以內(nèi)。

表2 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比

綜合以上兩方面的定量評(píng)價(jià)，仿真結(jié)果曲線與試驗(yàn)結(jié)果曲線相關(guān)程度超過85%，且兒童假人的損傷值誤差在10%以內(nèi)，故改進(jìn)前的安全座椅仿真模型準(zhǔn)確，該模型可用于后續(xù)仿真研究。

3.2 智能兒童安全座椅模型建立

基于驗(yàn)證后的改進(jìn)前兒童安全座椅模型，加入兩組調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，建立的智能兒童安全座椅模型。

3.3 改進(jìn)前、后安全座椅的安全性能對(duì)比分析

法規(guī)GB 27887-2011對(duì)兒童乘員的損傷要求為胸部合成加速度超過55g的累計(jì)時(shí)間不應(yīng)超過3 ms；胸部垂直加速度超過30g的累計(jì)時(shí)間不應(yīng)超過3 ms。本文依據(jù)法規(guī)對(duì)兒童乘員損傷要求進(jìn)行評(píng)價(jià)。

安全座椅改進(jìn)前、后假人胸部垂直加速度如圖12所示，座椅改進(jìn)前假人垂直加速度峰值18.16g，改進(jìn)后兒童假人垂直加速度峰值為32.20g，相對(duì)改進(jìn)前有所上升，但是改進(jìn)后垂直加速度超過30g的時(shí)刻為76.75～78.45 ms，累計(jì) 1.7 ms，沒有超過 3 ms，滿足法規(guī)要求。

圖12 假人胸部垂向加速度

安全座椅改進(jìn)前、后假人胸部合成加速度如圖13所示，座椅改進(jìn)前兒童假人合成加速度峰值為62.42g，合成加速度超過55g的時(shí)刻為72.08～77.88 ms，累計(jì)5.84 ms，而法規(guī)要求胸部合成加速度超過55g的累積時(shí)間不超過3 ms，因此改進(jìn)前座椅安全性不滿足法規(guī)要求。改進(jìn)后兒童假人合成加速度峰值為54.93g，相對(duì)改進(jìn)前有所下降，超過55g的累計(jì)時(shí)間為0，滿足法規(guī)要求。

綜合可知，改進(jìn)后兒童安全座椅對(duì)兒童假人保護(hù)效果優(yōu)于改進(jìn)前的兒童安全座椅，這主要是由于改進(jìn)后加入的靠背角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)中傳動(dòng)桿的存在，使得安全座椅靠背與基座的連接更加穩(wěn)定，在提高抗沖擊性的同時(shí)也提高了座椅安全性，且改進(jìn)后的座椅安全性滿足法規(guī)要求。

圖13 假人胸部合成加速度

4 結(jié)束語

本文針對(duì)汽車兒童安全座椅誤用率高這一基本現(xiàn)狀，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一款智能兒童安全座椅：

a.在傳統(tǒng)安全座椅基礎(chǔ)上集成了控制系統(tǒng)、電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和手機(jī)App，使其可智能匹配兒童乘員的身體尺寸，有效避免了誤使用帶來的安全問題。

b.建立并驗(yàn)證了改進(jìn)前的兒童安全座椅正面碰撞仿真模型，并基于此建立了改進(jìn)后的兒童安全座椅的仿真模型，對(duì)兒童安全座椅改進(jìn)前、后的安全性做了對(duì)比分析，結(jié)果表明，改進(jìn)后得到的智能兒童安全座椅對(duì)兒童乘員的保護(hù)效果優(yōu)于改進(jìn)前，且其安全性滿足法規(guī)的要求，對(duì)兒童乘員有良好的保護(hù)效果。

1 公安部交通管理局.中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)（2015年度）[M].無錫:公安部交通管理科學(xué)研究所,2016.

2 曹立波,任錫娟,陳緩.汽車兒童安全座椅的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢探討[J].汽車零部件,2010(3):53-57.

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14 趙凈.基于有限元-多剛體耦合的兒童安全座椅結(jié)構(gòu)改進(jìn)[D].湖南大學(xué),2015.

Structural and Safety Research of Intelligent Child Safety Seat

Cao Libo1,Wu Menghua1,Wu Jun1,2,Chen Zhiyu3
（1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle body,Hunan University,Changsha 410082;2.Hunan Normal University,Changsha 410006;3.Mackay Baby Products Co.,Ltd.Fujian,Zhao'an of Fujian Province,363005）

In order to lower misuse rate of child safety seat,an intelligent child safety seat based on a conventional child safety seat was designed through integrating control system,electric regulating mechanism and mobile phone App,this safety seat can intelligently adjust itself according to the child occupants'height,which can effectively avoid misuse problems.Meanwhile,a simulation model of the intelligent seat was created,the simulation results show that the intelligent seat is better than conventional safety seat in child dummy protection,and it also meets the requirements of laws and regulations for child occupants.

Child safety seat,Misuse,Rate Intelligent adjustment,Finite element-multi rigid body coupling simulation

兒童安全座椅 誤用率 智能調(diào)節(jié) 有限元-多剛體耦合仿真

U461.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-3703（2017）12-0054-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.51505137）。

吳?。?984—），男，博士，助理研究員，研究方向?yàn)槠嚢踩⒊藛T約束系統(tǒng)，wujun701@163.com。

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2017年8月1日。