基于正面碰撞試驗(yàn)的2種后向安裝Q3兒童假人損傷研究

劉 磊，何 成，朱 鑫

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

根據(jù)世界衛(wèi)生組織《全球道路安全現(xiàn)狀報(bào)告2018》的數(shù)據(jù)顯示，交通傷害是5歲至29歲人群的首要死亡原因.從2010年到2019年，交通事故中兒童乘員的死傷人數(shù)逐年增多.公安部交通管理局《中華人民共和國(guó)道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)(2019年度)》數(shù)據(jù)顯示，僅2019年，就有2 593名15歲以下兒童因交通事故死亡，19 619名15歲以下兒童受傷，相當(dāng)于每天有7個(gè)兒童因?yàn)榻煌ㄊ鹿孰x開了這個(gè)世界，有50多個(gè)孩子和家庭承受著交通事故帶來的生理和心理創(chuàng)傷，在這其中，1～6歲兒童均占比超過30%[1].道路交通安全事故依然是危害兒童和青少年生命健康的最大“殺手”之一，中國(guó)的兒童道路交通安全問題依舊嚴(yán)峻[2-5].

《C-NCAP管理規(guī)則(2021年版)》于2022年1月1日起正式實(shí)施.對(duì)Q3兒童假人，增加了頭部、頸部和胸部的評(píng)價(jià).在我們的前期研究中，正面碰撞中Q3兒童假人的頭部、頸部和胸部傷害嚴(yán)重，因此有必要研究如何更好地保護(hù)車輛中的3歲兒童乘員.

1 2018版和2021版Q3兒童假人評(píng)價(jià)的差異性

《C-NCAP管理規(guī)則(2018年版)》不對(duì)Q3兒童假人進(jìn)行評(píng)價(jià)，但在試驗(yàn)總體評(píng)分中，對(duì)兒童假人約束系統(tǒng)固定裝置失效進(jìn)行罰分.

《C-NCAP管理規(guī)則(2021年版)》不只對(duì)Q3兒童假人進(jìn)行試驗(yàn)總體評(píng)分，還對(duì)Q3兒童假人頭部、頸部、胸部進(jìn)行評(píng)價(jià).

對(duì)Q3兒童假人頭部的評(píng)價(jià)，HIC15(Head Injury Criterion，頭部傷害指標(biāo))的高性能限值和低性能限值分別為500，700；累積3 ms合成加速度的高性能限值和低性能限值分別為60 g，80 g.兒童假人頭部在向前移動(dòng)過程中未發(fā)生二次碰撞，則只評(píng)價(jià)累積3 ms合成加速度.

對(duì)Q3兒童假人頸部的評(píng)價(jià)，F(xiàn)z(Z方向上的張力)的高性能限值和低性能限值分別為1 555 N，2 840 N.

對(duì)Q3兒童假人胸部的評(píng)價(jià)，累積3 ms合成加速度的高性能限值和低性能限值分別為41 g，55 g.

2 車輛對(duì)Q3兒童假人保護(hù)的現(xiàn)狀分析

17個(gè)50.5 km/h的正面碰撞試驗(yàn)的兒童座椅都采用ISOFIX和上拉帶的前向安裝，頭部在正向運(yùn)動(dòng)過程沒有發(fā)生二次碰撞，所以不考查HIC15.頭部3 ms累積合成加速度平均值為88.51 g，最大值為107.32 g，最小值為66.80 g.所有數(shù)據(jù)都超過高性能限值，表明Q3兒童假人有受傷的風(fēng)險(xiǎn).其中14次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)超過低性能限值，占比82.35%，表明Q3兒童假人有致死的風(fēng)險(xiǎn).頸部Fz的平均值為3.09 kN，最大值為4.28 kN，最小值為2.02 kN.所有數(shù)據(jù)都超過高性能限值，表明Q3兒童假人有受傷的風(fēng)險(xiǎn).其中，12次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)超過低性能限值，占比70.59%，表明Q3兒童假人有致死的風(fēng)險(xiǎn).胸部累積3 ms合成加速度平均值為52.21 g，最大值為63.63 g，最小值為38.10 g.15次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)都超過高性能限值，表明Q3兒童假人有受傷的風(fēng)險(xiǎn).其中，9次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)超過低性能限值，占比52.94%，表明Q3兒童假人有致死的風(fēng)險(xiǎn)[6].這些數(shù)據(jù)表明，目前的車輛，采用ISOFIX和上拉帶的前向安裝，車上的Q3兒童假人在50.5 km/h的正面碰撞試驗(yàn)工況下，所有兒童都有受傷的風(fēng)險(xiǎn)，有82.35%的致死風(fēng)險(xiǎn).究其原因，主要是采用ISOFIX和上拉帶的正向安裝，兒童座椅和車輛幾乎為剛性連接，而Q3兒童假人僅靠?jī)和踩蔚?點(diǎn)式安全帶進(jìn)行緩沖吸能，無法達(dá)到保護(hù)兒童乘員的目的.

3 3歲兒童乘員保護(hù)的改進(jìn)方案

采用ISOFIX和上拉帶正向安裝的兒童座椅，兒童座椅和車輛之間剛性連接.發(fā)生碰撞后，兒童假人在慣性下，在20～30 ms的時(shí)間里運(yùn)動(dòng)完間隙空間，隨即與5點(diǎn)式安全帶發(fā)生接觸，之后屬于硬接觸，所以胸部損傷大.胸部被5點(diǎn)式安全帶限制住，頭部繼續(xù)向前甩動(dòng)，頭部和頸部都沒有緩沖，所以損傷也大.為提升兒童乘員的保護(hù)效果，本研究采用車輛安全帶固定的CRS后向安裝和ISOFIX、支撐腿固定的CRS后向安裝的兒童座椅安裝方式.兒童假人搭載在50.5 km/h的正面碰撞試驗(yàn)中，乘坐在第二排座椅右側(cè).

3.1 車輛安全帶固定的CRS后向安裝

采用車輛安全帶固定的CRS后向安裝方式，如圖1，將Q3兒童假人放置在第二排右側(cè)座椅上，分別給予腰帶和肩帶部位50±5 N的拉力以消除安全帶與兒童座椅之間的間隙.對(duì)13個(gè)不同車型進(jìn)行13次試驗(yàn)，對(duì)頭部、頸部和胸部的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析.

圖1 車輛安全帶固定的Q3兒童假人后向安裝

HIC15如圖2，所有值都小于500，都沒有出現(xiàn)扣分，說明沒有受傷的風(fēng)險(xiǎn).頭部3 ms累積合成加速度如圖3，有2次試驗(yàn)的數(shù)值超過60 g，最大值為66.44 g，受傷的概率為15.4%，但扣分不多.

頸部Fz如圖4，所有值都小于1 555 N，最大值為1 420 N，頸部都沒有出現(xiàn)扣分，說明沒有受傷的風(fēng)險(xiǎn).

圖2 假人頭部HIC15

圖3 假人頭部3 ms累積合成加速度

圖4 假人頸部Fz

胸部3 ms累積合成加速度如圖5，有8次試驗(yàn)的數(shù)值超過41 g，受傷的概率為61.5%，最大值為52.38 g，接近低性能限值，具有很大的受傷風(fēng)險(xiǎn).超過41 g的平均值為45.76 g.

圖5 假人胸部3 ms累積合成加速度

采用車輛安全帶固定的CRS后向安裝方式后，頭部只有2次試驗(yàn)出現(xiàn)少量扣分，頸部沒有出現(xiàn)扣分，有61.5%的試驗(yàn)出現(xiàn)胸部扣分，且大部分只有少量扣分.是因?yàn)閮和闻c車輛間靠安全帶柔性連接，安全帶對(duì)碰撞有明顯的緩沖，延長(zhǎng)作用力的時(shí)間.且采用后向安裝，頭部甩動(dòng)較小，頭部和頸部的損傷明顯較小.由于安全帶的緩沖作用，相比ISOFIX前向安裝的兒童座椅，胸部的保護(hù)也得到加強(qiáng).

3.2 ISOFIX、支撐腿固定的CRS后向安裝

采用ISOFIX、支撐腿固定的CRS后向安裝方式，如圖6，將Q3兒童假人放置在第二排右側(cè)座椅上，對(duì)12個(gè)不同車型進(jìn)行12次試驗(yàn)，對(duì)頭部、頸部和胸部的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析.

圖6 ISOFIX、支撐腿固定的Q3兒童假人后向安裝

HIC15如圖7，有2次試驗(yàn)大于500，出現(xiàn)扣分.頭部3 ms累積合成加速度如圖8，有6次試驗(yàn)的數(shù)值超過60 g，最大值為76.16 g，接近低性能指標(biāo)，說明頭部損傷大.

頸部Fz如圖9，有1次試驗(yàn)大于1 555 N，最大值為1 590 N，說明頸部有一定受傷的風(fēng)險(xiǎn).

胸部3 ms累積合成加速度如圖10，有6次試驗(yàn)的數(shù)值超過41 g，超出低性能限值，且扣分較多，最大值為55.8 g，有致死的風(fēng)險(xiǎn)，超過41 g的平均值為48.38 g.

圖7 假人頭部HIC15

圖8 假人頭部3 ms累積合成加速度

圖9 假人頸部Fz

圖10 假人胸部3 ms累積合成加速度

采用ISOFIX、支撐腿固定的CRS后向安裝方式后，頭部有50%的試驗(yàn)出現(xiàn)扣分，損傷風(fēng)險(xiǎn)大，頸部也有1次出現(xiàn)少量扣分，有50%的試驗(yàn)出現(xiàn)胸部扣分，大部分扣分多.是因?yàn)椴捎肐SOFIX、支撐腿進(jìn)行固定，兒童座椅與車輛之間為剛性連接，兒童假人只靠?jī)和蔚目勘尘彌_吸能.相比ISOFIX前向安裝的兒童座椅的5點(diǎn)式安全帶緩沖吸能，頭部、頸部和胸部的損傷都得到很大的改善.

4 3種安裝方式數(shù)據(jù)對(duì)比

2種后向安裝方式的Q3兒童假人頭部、頸部和胸部的最大值、最小值和平均值與采用ISOFIX和上拉帶的前向安裝方式的對(duì)比數(shù)據(jù)如表1.對(duì)頭部和頸部的損傷而言，采用ISOFIX和上拉帶固定的前向安裝方式的最小值都超出扣分閾值，扣分次數(shù)比例100%，而采用車輛安全帶固定的后向安裝方式只有頭部出現(xiàn)少數(shù)扣分，采用ISOFIX、支撐腿固定的后向安裝的頭部扣分次數(shù)比例50%，頸部,只有少數(shù)扣分.對(duì)胸部而言，改進(jìn)后的方案的最大值、最小值明顯減小，損傷變小，采用車輛安全帶固定的后向安裝方式超出低性能值(41 g)的試驗(yàn)平均值略小于采用ISOFIX、支撐腿固定的后向安裝.通過上述分析，改進(jìn)后的方案中，采用車輛安全帶固定的后向安裝方式對(duì)Q3兒童假人的保護(hù)效果更好.

表1 2種后向安裝方式與采用ISOFIX和上拉帶固定的前向安裝方式的Q3兒童假人數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié) 論

采用ISOFIX和上拉帶的正向安裝車上的Q3兒童假人在50.5 km/h的正面碰撞試驗(yàn)工況下，所有兒童都有受傷的風(fēng)險(xiǎn)，有82.35%的致死風(fēng)險(xiǎn).而采用車輛安全帶固定的CRS后向安裝和ISOFIX、支撐腿固定的CRS后向安裝的兒童座椅安裝方式后，受傷的風(fēng)險(xiǎn)降低至60%，只有4%的致死風(fēng)險(xiǎn).

相比ISOFIX、支撐腿固定的CRS后向安裝、車輛安全帶固定的CRS后向安裝中的兒童假人的頸部沒有受傷風(fēng)險(xiǎn)，頭部受傷的風(fēng)險(xiǎn)明顯低，胸部受傷的程度略低，對(duì)Q3兒童假人的保護(hù)效果更好.