【摘要】為研究在不同正面碰撞加速度波形及安全帶是否預(yù)緊、限力的條件下,采用嬰兒提籃約束時(shí)Q1.5假人頭部、頸部、胸部的損傷情況,選取3款不同實(shí)車(chē)按照GB 11551—2014《汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》的規(guī)定開(kāi)展試驗(yàn)得到B柱加速度曲線,通過(guò)加速滑臺(tái)進(jìn)行模擬復(fù)現(xiàn),并參照《C-NCAP管理規(guī)則(2024年版)》正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)中Q3假人試驗(yàn)的評(píng)分指標(biāo),對(duì)車(chē)輛在Q1.5假人試驗(yàn)中的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分。結(jié)果表明:碰撞過(guò)程中安全帶預(yù)緊時(shí)肩帶產(chǎn)生斜向上的拉力會(huì)導(dǎo)致頭部受到較大沖擊;當(dāng)碰撞加速度一致時(shí),安全帶預(yù)緊對(duì)頭部、胸部合成加速度峰值及其累積3 ms合成加速度、HIC15、腰帶力峰值、頸部剪切力最小值、頸部彎矩最小值的影響大于限力,肩帶力峰值則為限力影響大于預(yù)緊;對(duì)假人損傷的影響程度由高到低依次為碰撞加速度波形、安全帶是否預(yù)緊、安全帶是否限力;假人胸部損傷最大,頸部損傷最小。
關(guān)鍵詞:嬰兒提籃 Q1.5假人 損傷分析 正面碰撞 乘員保護(hù)
中圖分類(lèi)號(hào):U467.1+4" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A" "DOI: 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240272
Research on the Q1.5 Dummy Injury Based on Frontal Collision
Wang Tinghuai, Li Yonggang, Li Jiangong, Cao Xiaofeng, Du Xuexian, Kuang Fang
(Xiangyang Da An Automobile Test Center Limited Corporation, Xiangyang 441004)
【Abstract】To study the head, neck, and chest injuries of Q1.5 dummy when restrained by an infant carrier under different frontal collision acceleration waveforms and whether the seat belt is pre-tightened and limited by force, three different real vehicles are selected to obtain B-pillar acceleration curves according to GB 11551—2014 “Passenger Protection in Frontal Collisions of Vehicles”. The acceleration curves are simulated and reproduced using an acceleration slide table, and the Q3 dummy’s scoring index in the frontal 100% overlapping rigid barrier collision test of the “C-NCAP Management Rules (2024 Edition)” is used as reference to score the Q1.5 dummy in test. The results indicate that during a collision, when the seat belt is pre-tightened, the diagonal upward tension generated by the shoulder strap can cause significant impact on the head; when the collision acceleration is consistent, the pre-tensioning of the seat belt has a greater impact on the peak combined acceleration of the head and chest, as well as the 3 ms peak, HIC15, the peak waist belt force, the neck Fx-min, and My-min, than the force limit. The limiting effect of the peak shoulder belt force is greater than the pre-tensioning; the factors that affect dummy injury, from high to low, are collision acceleration waveform, whether the seat belt is pre-tightened, and whether the seat belt is force limited; for all parts of the dummy’s body, the chest substains greatest damage and the neck substains the least damage.
Key words: Infant carrier, Q1.5 Dummy, Injury analysis, Frontal collision, Occupants protection
【引用格式】 王庭槐, 李永剛, 李建功, 等. 正面碰撞工況下Q1.5假人損傷研究[J]. 汽車(chē)工程師, 2025(3): 27-34.
WANG T H, LI Y G, LI J G, et al. Research on the Q1.5 Dummy Injury Based on Frontal Collision[J]. Automotive Engineer, 2025(3): 27-34.
1 前言
兒童安全座椅是降低兒童乘員在道路交通事故中傷亡的最重要且最有效措施。然而,我國(guó)兒童安全座椅的使用率不足10%[1-2]。目前,我國(guó)對(duì)于兒童乘員保護(hù)的主要評(píng)價(jià)規(guī)程為《C-NCAP管理規(guī)則(2024年版)》[3],規(guī)定在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)中第二排外側(cè)座椅放置Q3假人,在正面50%重疊移動(dòng)漸進(jìn)變形壁障(Moving Progressive Deformable Barrier,MPDB)碰撞試驗(yàn)中第二排最右側(cè)放置Q10假人,在側(cè)面柱碰撞試驗(yàn)中駕駛員后方放置Q3假人,通過(guò)以上3種工況考核車(chē)輛在發(fā)生碰撞時(shí)對(duì)兒童乘員的保護(hù)能力。
烏維均[4]等研究了在《C-NCAP管理規(guī)則(2021年版)》正面碰撞工況中五點(diǎn)式正向兒童約束系統(tǒng)(Children Restraint System,CRS)、前置護(hù)體式CRS和五點(diǎn)式后向CRS對(duì)Q3假人的保護(hù)性能,發(fā)現(xiàn)采用不同安裝方式的兒童座椅時(shí)Q3假人各部位的損傷存在差異。包永濤[5]分析了《C-NCAP管理規(guī)則(2021年版)》MPDB碰撞工況中安全帶不同布置位置和限力等級(jí)條件下Q10假人的傷害情況,得出安全帶限力的等級(jí)范圍。當(dāng)前,兒童乘員保護(hù)的研究多集中在基于中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程(China New Car Assessment Programme,C-NCAP)相關(guān)試驗(yàn)的Q3和Q10假人傷害分析,缺少對(duì)正面碰撞工況下小月齡兒童的損傷情況及嬰兒提籃乘員保護(hù)效果的研究,也缺少相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)方法。
本文采用滑臺(tái)模擬復(fù)現(xiàn)GB 11551—2014《汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》試驗(yàn)的碰撞加速度波形,通過(guò)對(duì)不同車(chē)輛碰撞時(shí)的加速度曲線,以及安全帶是否預(yù)緊、是否限力的情況進(jìn)行分析,研究在正面碰撞工況下采用提籃約束時(shí)Q1.5假人頭部、頸部、胸部的損傷情況,并參照《C-NCAP管理規(guī)則(2024年版)》正面碰撞工況中對(duì)Q3假人試驗(yàn)的評(píng)價(jià)原則,得到Q1.5假人試驗(yàn)的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù),為CRS設(shè)計(jì)提供參考。
2 試驗(yàn)方案
2.1 假人選取
試驗(yàn)采用滿(mǎn)足ECE R129《關(guān)于批準(zhǔn)在機(jī)動(dòng)車(chē)上使用的加強(qiáng)型兒童約束系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)定》[6]和GB 27887—2011《機(jī)動(dòng)車(chē)兒童乘員用約束系統(tǒng)》[7]要求的某款嬰兒提籃,該提籃的使用范圍為身高40~83 cm、體重小于13 kg。據(jù)此選取適合此兒童座椅最大使用范圍的Q1.5假人(身高80 cm、質(zhì)量11.10 kg)進(jìn)行試驗(yàn)。
2.2 試驗(yàn)方法
選取3款不同實(shí)車(chē)在GB 11551—2014試驗(yàn)中的碰撞加速度波形,碰撞速度為50 km/h,根據(jù)碰撞時(shí)B柱加速度峰值由低到高分別設(shè)為波形1、波形2、波形3,如圖1所示。
嬰兒提籃通過(guò)汽車(chē)安全帶反向安裝在某車(chē)型的第二排外側(cè)座椅,如圖2所示。采用加速滑臺(tái)模擬正面碰撞工況,研究在安全帶限力、預(yù)緊情況一致的條件下,3種不同碰撞加速度波形對(duì)Q1.5假人頭部、頸部、胸部的損傷影響;另外選取特征波形2,研究在同一波形條件下安全帶是否預(yù)緊、是否限力對(duì)Q1.5假人損傷的影響。共進(jìn)行6組試驗(yàn),試驗(yàn)分組情況如表1所示。
3 試驗(yàn)加速度波形對(duì)假人損傷的影響
3.1 安全帶力對(duì)比
采用相同類(lèi)型的安全帶,根據(jù)不同的試驗(yàn)加速度波形設(shè)置安全帶卷收器預(yù)緊時(shí)間,極差小于4 ms。同時(shí),由于安全帶的火藥裝配存在一定差異,故3種波形在預(yù)緊時(shí)肩帶力峰值的極差小于300 N,對(duì)試驗(yàn)的影響可以忽略。
不同試驗(yàn)加速度波形下安全帶力對(duì)比情況如圖3所示,肩帶力和腰帶力變化趨勢(shì)與加速度波形相同。肩帶力的峰值不僅取決于限力器,碰撞時(shí)車(chē)身的吸能性也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響,加速度峰值低,則肩帶力也會(huì)降低。肩帶力的持續(xù)時(shí)間與加速度波形持續(xù)時(shí)間基本一致,腰帶力持續(xù)時(shí)間較肩帶力長(zhǎng)50 ms左右。
提籃在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)情況如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn),正面碰撞試驗(yàn)中,由于嬰兒提籃較輕且高度較低,在反裝的情況下,不會(huì)同五點(diǎn)式CRS反向安裝一樣,向車(chē)頭方向產(chǎn)生大幅度傾倒[3],而是會(huì)在安全帶的約束下向車(chē)尾部翻轉(zhuǎn)。碰撞發(fā)生后,提籃向車(chē)頭運(yùn)動(dòng),第34 ms時(shí)卷收器預(yù)緊使肩帶產(chǎn)生朝車(chē)尾斜向上的拉力,而腰帶作用于提籃尾部,導(dǎo)致提籃出現(xiàn)一定程度的側(cè)向旋轉(zhuǎn)。隨著碰撞的加劇,肩帶力與腰帶力增大,提籃由朝向車(chē)頭運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為朝向車(chē)尾運(yùn)動(dòng),直至提籃尾部與座椅靠背接觸,座椅靠背為提籃后端提供支撐,使提籃朝向車(chē)尾部翻轉(zhuǎn),由于肩帶過(guò)長(zhǎng)且無(wú)法回縮,此時(shí)肩帶不受力,故肩帶力持續(xù)時(shí)間較短,而腰帶部分則一直受力,因此腰帶力持續(xù)時(shí)間較肩帶力長(zhǎng)。
3.2 頭部、胸部損傷對(duì)比
頭部與胸部的合成加速度峰值及累積3 ms合成加速度與試驗(yàn)加速度峰值呈正相關(guān),采用波形3時(shí)試驗(yàn)加速度峰值大,但持續(xù)時(shí)間短于采用波形2,故頭部傷害指數(shù)HIC15略小于采用波形2。頭部的3項(xiàng)損傷指標(biāo)中,HIC15的差異最大,采用波形2和波形3時(shí)的HIC15是采用波形1時(shí)的8倍左右。頭部、胸部損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。
結(jié)合圖3,由于提籃質(zhì)量輕,且僅通過(guò)車(chē)身上三點(diǎn)式安全帶固定,導(dǎo)致頭部合成加速度變化趨勢(shì)同肩帶力變化趨勢(shì)相似。不同加速度波形條件下頭部與胸部合成加速度如圖5所示,在安全帶預(yù)緊階段,頭部受到較大沖擊,因?yàn)轭A(yù)緊時(shí)卷收器發(fā)生回卷,使肩帶產(chǎn)生朝車(chē)尾部斜向上的拉力,此拉力通過(guò)嵌入在提籃背部中間卡槽的安全帶作用在假人的頭部,與預(yù)緊產(chǎn)生的肩帶拉力方向相同,此時(shí)頭部合成加速度出現(xiàn)超過(guò)45 g的尖峰,其峰值接近采用波形2與波形3時(shí)在碰撞過(guò)程中頭部合成加速度的最大值,也超過(guò)了采用波形1時(shí)的最大值。而作用于胸部的力為斜向上拉力的分力,故預(yù)緊時(shí)造成的胸部合成加速度峰值小于頭部合成加速度峰值。
3.3 頸部損傷對(duì)比
基于正面碰撞試驗(yàn)中假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),頸部損傷指標(biāo)僅考慮頸部的剪切力最小值Fx-min、伸張力最大值Fz-max及彎矩最小值My-min,三者與加速度峰值呈正相關(guān),如圖6所示。
試驗(yàn)初始階段,安全帶卷收器預(yù)緊產(chǎn)生的肩帶力通過(guò)提籃靠背斜向上作用于假人頭部,由于假人與提籃靠背間存在海綿,海綿在運(yùn)動(dòng)時(shí)受到壓縮,假人向下滑入提籃靠背,假人頭部相較于胸部呈現(xiàn)出向前(朝向車(chē)尾部)、向下的后仰運(yùn)動(dòng)。在第45 ms左右,隨著肩帶拉力逐漸減弱,假人頭部較胸部向前、向下的后仰運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)得到緩解。在第55 ms后,隨著碰撞能量的加劇,安全帶力增大,頭部相較于胸部重新出現(xiàn)向前(朝向車(chē)尾部)的后仰狀態(tài),隨著提籃海綿壓縮到極限,假人出現(xiàn)沿提籃靠背爬升的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),對(duì)照頸部伸張力曲線,F(xiàn)z先減小再增大。最后,提籃朝向車(chē)尾部翻轉(zhuǎn),肩帶力減小至0 kN,假人頸部受到提籃海綿壓縮后的回彈影響,假人頭部呈現(xiàn)出相較于頸部向前(朝向車(chē)尾部)、向上的彎曲運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。
4 安全帶預(yù)緊、限力對(duì)假人損傷的影響
不同的安全帶預(yù)緊、限力情況下采用提籃約束時(shí)Q1.5假人的損傷情況如圖7所示。若安全帶限力情況一致,無(wú)預(yù)緊時(shí)肩帶力和腰帶力的峰值較有預(yù)緊時(shí)大;若預(yù)緊情況一致,無(wú)限力時(shí)肩帶力和腰帶力峰值較有限力時(shí)大。交叉對(duì)比來(lái)看,對(duì)于肩帶力峰值,限力的影響大于預(yù)緊,對(duì)于腰帶力峰值,預(yù)緊的影響大于限力。在相同的沖擊能量條件下,預(yù)緊雖然可以在一定程度上減緩肩帶受到的沖擊,但是限力直接決定肩帶的受力,而通過(guò)安全帶預(yù)緊可以使提籃受到的碰撞沖擊減弱,改善腰帶力峰值。
對(duì)于頭部和胸部損傷,安全帶預(yù)緊的影響大于安全帶限力的影響。無(wú)論安全帶有無(wú)限力,預(yù)緊時(shí)的損傷指標(biāo)均優(yōu)于無(wú)預(yù)緊時(shí);預(yù)緊條件相同的情況下,安全帶限力時(shí)的損傷指標(biāo)優(yōu)于安全帶無(wú)限力時(shí)。配備預(yù)緊功能的安全帶可以減緩碰撞對(duì)提籃的沖擊,減小HIC15峰值。
對(duì)于頸部損傷,安全帶預(yù)緊、限力的影響如下:對(duì)Fx-min指標(biāo)的影響與頭、胸部相似,安全帶有預(yù)緊時(shí)優(yōu)于無(wú)預(yù)緊時(shí),安全帶有限力時(shí)優(yōu)于無(wú)限力時(shí),安全帶預(yù)緊的影響大于安全帶限力的影響;Fz-max在安全帶無(wú)預(yù)緊、有限力的情況下峰值最小。在安全帶預(yù)緊條件相同的情況下,因?yàn)闊o(wú)限力時(shí)的肩帶拉力大于有限力時(shí)的肩帶拉力,故無(wú)限力時(shí)的Fz-max大于有限力時(shí)的Fz-max。其次,由于預(yù)緊導(dǎo)致提籃受到?jīng)_擊的運(yùn)動(dòng)幅度減小,故在碰撞初始時(shí)相較于有預(yù)緊時(shí),無(wú)預(yù)緊時(shí)的頭部較胸部向下運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)更劇烈,隨著碰撞沖擊加劇,假人會(huì)沿著提籃靠背爬升,此時(shí)頭部較胸部向上運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)更強(qiáng)烈,在安全帶限力情況一致的條件下,無(wú)預(yù)緊時(shí)的Fz-max小于有預(yù)緊時(shí)的Fz-max,因此無(wú)預(yù)緊、有限力條件下的Fz-max小于有預(yù)緊、有限力條件下的Fz-max,如圖8所示。限力對(duì)My-min的影響不大,但My-min在安全帶無(wú)預(yù)緊的條件下是有預(yù)緊時(shí)的2倍左右。
5 正面碰撞工況評(píng)分
《C-NCAP管理規(guī)則(2024年版)》中對(duì)兒童乘員的保護(hù)評(píng)價(jià)分為3種工況,即在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)中評(píng)價(jià)Q3假人、在MPDB試驗(yàn)中評(píng)價(jià)Q10假人、在側(cè)面柱碰試驗(yàn)中評(píng)價(jià)Q3假人。前2種工況對(duì)假人頭部、頸部、胸部的評(píng)分指標(biāo)及其限值完全相同,如表3所示。其中,如頭部未與前排座椅及B柱發(fā)生二次碰撞,采用累積3 ms合成加速度評(píng)價(jià),如頭部與前排座椅及B柱發(fā)生二次碰撞,則采用累積3 ms合成加速度和HIC15評(píng)價(jià)。由于目前對(duì)正面碰撞事故中Q1.5假人的傷害情況缺少相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)限值,也缺乏相關(guān)低月齡兒童損傷情況的生理研究,故本文以正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)(CRS后向安裝)中對(duì)Q3假人試驗(yàn)的評(píng)分指標(biāo)及限值為基準(zhǔn),直觀展現(xiàn)提籃約束對(duì)Q1.5假人的保護(hù)情況,為后續(xù)相關(guān)準(zhǔn)則中引入Q1.5假人乘員保護(hù)評(píng)價(jià)提供參考。
5.1 評(píng)價(jià)規(guī)程
正面碰撞工況中,Q1.5假人的評(píng)價(jià)原則參考表3,處于低性能限值與高性能限值之間的測(cè)量值分別采用線性插值的方法獲得相應(yīng)分?jǐn)?shù),滿(mǎn)分為4分。
5.2 工況評(píng)分
按照表1共進(jìn)行6次第二排外側(cè)座椅搭載提籃的正面碰撞滑臺(tái)試驗(yàn),Q1.5假人乘員保護(hù)得分如表4所示。由于提籃在碰撞過(guò)程中朝車(chē)尾部向上翻轉(zhuǎn),所以頭部不會(huì)與前排座椅及B柱發(fā)生二次碰撞,故頭部損傷情況采用累積3 ms合成加速度評(píng)價(jià)。
由表4可知,在采用波形2的4次試驗(yàn)中:頭部損傷評(píng)價(jià)方面,若安全帶無(wú)預(yù)緊,不論是否限力,頭部累積3 ms合成加速度均超過(guò)高性能限值;頸部損傷評(píng)價(jià)方面,伸張力Fz均遠(yuǎn)小于其高性能限值,都為滿(mǎn)分,因?yàn)樘峄@對(duì)于Q1.5假人為五點(diǎn)式約束,約束力強(qiáng)且碰撞過(guò)程中提籃朝向車(chē)尾部翻轉(zhuǎn),頭部與胸部的運(yùn)動(dòng)差異小,故頸部伸張力較??;胸部損傷評(píng)價(jià)方面,由于Q1.5假人質(zhì)量輕,五點(diǎn)式安全帶約束力強(qiáng)且力集中在假人胸部,因此均不得分。
在安全帶預(yù)緊、限力一致的條件下,對(duì)比采用不同加速度波形時(shí)的得分可以看出,采用波形1時(shí)的碰撞加速度峰值最小,其各項(xiàng)指標(biāo)均小于高性能限值,得分為滿(mǎn)分4分。碰撞加速度峰值與各項(xiàng)測(cè)量值的大小呈正相關(guān)關(guān)系。
綜上,各因素中,對(duì)Q1.5假人試驗(yàn)得分的影響程度由高到低依次為車(chē)輛碰撞加速度、安全帶是否預(yù)緊、安全帶是否限力。
6 結(jié)束語(yǔ)
本文基于GB 11551—2014《汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》中規(guī)定的試驗(yàn)方法,選取碰撞加速度差異較大的3條實(shí)車(chē)碰撞加速度波形,采用提籃約束系統(tǒng),通過(guò)滑臺(tái)試驗(yàn)對(duì)比分析在不同碰撞加速度波形及安全帶是否預(yù)緊、限力的情況下,正面碰撞工況中Q1.5假人的損傷情況,并采用《C-NCAP管理規(guī)則(2024年版)》正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)(CRS后向安裝)中Q3假人的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Q1.5假人的損傷進(jìn)行量化評(píng)分,結(jié)論如下:
a. 提籃通過(guò)三點(diǎn)式安全帶反裝,假人頭部不會(huì)與前排座椅及B柱發(fā)生二次碰撞。
b.安全帶卷收器預(yù)緊時(shí),肩帶對(duì)提籃斜向上的拉力會(huì)對(duì)假人頭部產(chǎn)生較大的沖擊。設(shè)計(jì)適用于提籃的CRS時(shí),需要著重考慮安全帶的預(yù)緊力和預(yù)緊時(shí)間。
c.若碰撞加速度波形一致,安全帶限力對(duì)肩帶力峰值的影響大于安全帶預(yù)緊的影響;對(duì)于腰帶力峰值、頭部與胸部合成加速度峰值及其累積3 ms合成加速度、HIC15、頸部Fx-min及My-min,安全帶預(yù)緊的影響大于安全帶限力的影響,頸部Fz-max在安全帶無(wú)預(yù)緊、有限力的情況下最優(yōu)。
d.各因素中,對(duì)正面碰撞工況Q1.5假人損傷的影響程度由高到低依次為碰撞加速度、安全帶是否預(yù)緊、安全帶是否限力,故車(chē)型開(kāi)發(fā)時(shí),降低車(chē)輛碰撞時(shí)的加速度峰值、改善碰撞過(guò)程中的吸能性更應(yīng)受到關(guān)注。
e. Q1.5假人各損傷部位中,胸部損傷最嚴(yán)重,故設(shè)計(jì)提籃時(shí),應(yīng)著重考慮降低兒童胸部損傷。
本文對(duì)安全帶是否預(yù)緊及限力的分析僅基于特征加速度波形,后續(xù)可結(jié)合多種加速度波形進(jìn)行研究。此外,后續(xù)可考慮開(kāi)展多種碰撞工況下各類(lèi)兒童成員保護(hù)的生物力學(xué)研究。
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Ministry of Industry and Information Technology. Restraining Devices for Child Occupants of Power-Driven Vehicles: GB 27887—2011[S]. Beijing: Standards Press of China, 2012.
(責(zé)任編輯 斛 畔)
修改稿收到日期為2024年9月23日。