徐 哲，高冠宇，葉其林，李世成

(1. 中國汽車技術(shù)研究中心 天津300300；2. 江蘇安用座椅科技有限公司 江蘇鎮(zhèn)江212100)

0 引 言

在交通事故中，兒童作為弱勢(shì)群體，其傷亡的概率遠(yuǎn)大于成年人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年有超過 26萬名兒童在汽車碰撞事故中死亡，將近1,000萬名兒童在事故中受傷[1]。雖然隨著兒童約束系統(tǒng)的引入，兒童乘員的保護(hù)得到明顯的改善，但交通事故依然是導(dǎo)致0～14歲兒童死亡的第二大原因[2-3]。而我國每年有超過1.85萬名14歲以下兒童死于交通安全事故，死亡率是歐洲的2.5倍、美國的2.6倍[4]。因此兒童的乘車安全性越來越受到國家、社會(huì)和家庭的重視。

對(duì)于兒童約束系統(tǒng)法規(guī)，目前在國際上認(rèn)可度較高的主要是美國聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定的FMVSS 213和歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)制定的ECE R44，這兩個(gè)法規(guī)被很多國家采用。我國現(xiàn)行的2011年頒布的《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》基本內(nèi)容也與ECE R44一致。但是這些法規(guī)普遍關(guān)注兒童約束系統(tǒng)的正面和后面碰撞的安全性能，并沒有關(guān)注兒童約束系統(tǒng)的側(cè)面碰撞保護(hù)性能。但是研究報(bào)告指出，近年來，側(cè)面碰撞已成為造成兒童傷亡的主要原因之一，從易受傷程度來講，并不低于正面碰撞。在側(cè)面碰撞中，有1/3的兒童乘員受到AIS,3+級(jí)的損傷[5]，41%,的兒童乘員受到MAIS,2+級(jí)的損傷[6]。

因此在2013年7月9日，歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)在原有R44的基礎(chǔ)上推出了R129新法規(guī)，并將在未來幾年緩沖期后取代R44法規(guī)。ECE R129分3個(gè)階段推出，與 R44相比，其引入了“I-size”的概念，重新以身高定義了兒童約束系統(tǒng)組別的劃分，使用生物仿真度更高的 Q系列假人代替 P系列假人，更為重要的是在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中增加了側(cè)面碰撞評(píng)價(jià)要求，能更加全面的評(píng)估兒童約束系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但是由于試驗(yàn)條件所限，目前國內(nèi)針對(duì) R129側(cè)面碰撞兒童乘員損傷防護(hù)方面的研究還比較匱乏。

為此，本文依據(jù) ECE R129法規(guī)測(cè)試要求，針對(duì)某款兒童約束系統(tǒng)進(jìn)行側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)，分析在側(cè)面碰撞中不同假人、不同安裝方向下假人的損傷規(guī)律，探究側(cè)面碰撞中兒童約束系統(tǒng)保護(hù)效果的影響因素，也為其他兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)方法

利用加速式臺(tái)車進(jìn)行試驗(yàn)，將側(cè)面碰撞夾具安裝在臺(tái)車臺(tái)面上，如圖1、2所示。剛性座椅安裝在門臺(tái)車的滑軌上，門板與門臺(tái)車剛性連接，加速式臺(tái)車帶動(dòng)門臺(tái)車及門板朝剛性座椅運(yùn)動(dòng)，利用固定在剛性座椅上的蜂窩鋁控制剛性座椅與門板的相對(duì)速度，滿足圖3所示的門板對(duì)地面速度、門板與剛性座椅相對(duì)速度的要求。

試驗(yàn)選取某型號(hào)兒童約束系統(tǒng)，安裝方式為ISOFIX下固定點(diǎn)系統(tǒng)固定，抗反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為支撐腿，依據(jù)R129法規(guī)試驗(yàn)程序進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 側(cè)面碰撞試驗(yàn)設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic of side impact test equipment

圖2 側(cè)面碰撞試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Equipment used in the side impact test

圖3 側(cè)碰試驗(yàn)速度波形要求Fig.3 Speed waveform of the side impact test

1.2 試驗(yàn)假人與測(cè)試矩陣

目前，全球存在4種兒童假人用于兒童約束系統(tǒng)測(cè)試，即 P系列兒童假人、Q系列兒童假人、CRABI兒童假人和 HIII兒童假人，后兩者在美國和日本測(cè)試中被采用，前兩者主要應(yīng)用在歐洲和我國。R129法規(guī)將 Q假人作為 P假人的升級(jí)替代產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)完全不同，優(yōu)秀的生物仿真度和最新的人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)都體現(xiàn)在其身上。Q 系列假人包括：Q0、Q1、Q1.5、Q3、Q6、Q10，分別對(duì)應(yīng)新生兒、1 歲兒童、1.5歲兒童、3歲兒童、6歲兒童、10歲兒童。

該款兒童約束系統(tǒng)身高覆蓋范圍為 0～105,cm，其設(shè)計(jì)為身高為 105,cm以下可以使用后向安裝，83～105,cm使用前向安裝，因此依據(jù)R129法規(guī)中身高和適用假人的對(duì)照表(見表 1)可以列出側(cè)面碰撞動(dòng)態(tài)測(cè)試矩陣(見表2)，根據(jù)測(cè)試矩陣進(jìn)行5次動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，分別為 Q3假人前向和后向安裝，Q1.5假人前向和后向安裝，以及Q0假人后向安裝5種狀態(tài)。

表1 R129法規(guī)兒童身高和適用假人的對(duì)照表Tab.1 Children heights and applicable dummies according to R129 regulation

表2 側(cè)面碰撞動(dòng)態(tài)測(cè)試矩陣Tab.2 Matrix of the side impact test

1.3 側(cè)面碰撞損傷指標(biāo)

在 R129法規(guī)中，對(duì)于兒童約束系統(tǒng)的側(cè)面保護(hù)性能主要側(cè)重于對(duì)兒童頭部的保護(hù)，具體要求如下：頭部不得與門板接觸；頭部不得超過由位于門板頂端紅線確定的垂直平面；其他傷害指標(biāo)及其限值如表 3。

表3 側(cè)面碰撞傷害指標(biāo)及其限值Tab.3 Assessment criteria of the side impact injury

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)波形輸入對(duì)比

5次試驗(yàn)中門板相對(duì)于地面的速度以及門板與座椅的相對(duì)速度波形如圖4所示。5次試驗(yàn)的速度均落在通道上下限范圍之內(nèi)，滿足測(cè)試方法要求，試驗(yàn)輸入一致性很好，為假人傷害分析提供了可比性的前提條件。

圖4 側(cè)碰速度波形對(duì)比Fig.4 Speed waveform comparison of the side impact

2.2 假人傷害對(duì)比分析

碰撞過程運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由高速攝像獲取，圖5為其中一次試驗(yàn)中各關(guān)鍵時(shí)刻的假人姿態(tài)，分別為t＝0,ms時(shí)，側(cè)碰門板剛剛與蜂窩鋁接觸；t＝18,ms時(shí)，門板剛剛與兒童約束系統(tǒng)發(fā)生接觸；t＝50,ms時(shí)，假人頭部與碰撞側(cè)的頭枕發(fā)生碰撞，隨后假人頭部相對(duì)座椅向另一側(cè)移動(dòng)，直到t＝80,ms時(shí)，門板與兒童約束系統(tǒng)分離；假人隨兒童座椅一起向另一側(cè)繼續(xù)移動(dòng)，在t＝170,ms時(shí)，假人頭部與另一側(cè)的頭枕發(fā)生碰撞。從碰撞過程可以得知，頭枕對(duì)兒童頭部保護(hù)起到關(guān)鍵的作用。

5次動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果如表 4所示，R129法規(guī)中只對(duì)頭部傷害指標(biāo)和頭部 3,ms加速度有限值要求，頸部指標(biāo)是僅進(jìn)行監(jiān)控，胸部傷害指標(biāo)沒有納入。但是我們?cè)囼?yàn)中對(duì)這些損傷指標(biāo)全部進(jìn)行了采集，并且探究其規(guī)律。可以看出：側(cè)面碰撞試驗(yàn)對(duì)兒童損傷最為嚴(yán)重的區(qū)域是頭部，而且隨著假人年齡的減小，傷害值呈增高的趨勢(shì)。第5次測(cè)試Q0假人頭部傷害指標(biāo)和頭部3,ms加速度均超出了限值的要求。

圖5 碰撞過程中假人姿態(tài)Fig.5 Dummy movement during collision

胸部加速度也同樣呈現(xiàn)出以上趨勢(shì)，隨著假人年齡的減小，傷害值增高。在側(cè)面碰撞中，兒童胸部所承受的沖擊其實(shí)比正面碰撞要強(qiáng)烈，因?yàn)樽沃苯优c門板發(fā)生碰撞，這種情況下兒童座椅側(cè)面碰撞吸能效果差，且兒童安全帶保護(hù)效果不能充分發(fā)揮，胸部3,ms合成加速度達(dá)到了 55,g以上，均超出正面碰撞的限值要求。

從表4中還可以看出，相同假人在側(cè)面碰撞中正向和后向安裝，假人損傷情況呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。對(duì)于頭部和胸部來講，正向安裝的傷害值大于后向安裝，但是上頸部拉力和彎矩正好相反，正向安裝的傷害值小于后向安裝。雖然R129法規(guī)目前對(duì)于頸部損傷指標(biāo)還處于觀察狀態(tài)，但數(shù)據(jù)的前期積累和統(tǒng)計(jì)也是十分重要的。

表4 側(cè)面碰撞動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Dynamic test results of the side impact

3 側(cè)面碰撞兒童損傷影響因素分析

試驗(yàn)結(jié)果表明該款兒童約束系統(tǒng)在受到側(cè)面撞擊過程中對(duì)較小兒童的頭部保護(hù)性能不佳，Q0假人頭部傷害指標(biāo)和頭部加速3,ms合成值超出限值要求。因此從以下角度分析對(duì)兒童損傷的影響因素，并對(duì)兒童約束系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 頭枕形狀和材料的影響

由圖 5側(cè)面碰撞過程中假人姿態(tài)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)受到側(cè)面臺(tái)車撞擊后快速擊打至兒童假人頭部的時(shí)刻。通過進(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)間隙過大，且假人身體兩側(cè)與座椅之間的間隙也比較大，在碰撞過程中假人的上身和頭部沒有得到很好的約束和固定，導(dǎo)致門板侵入瞬間的撞擊力直接作用在兒童約束系統(tǒng)側(cè)面。由于存在間隙又快速擊打至假人頭部，因此增加假人頭部的包裹性，減小兒童約束系統(tǒng)頭枕與假人頭部之間的間隙，以及減小約束系統(tǒng)側(cè)面與假人上身的間隙，防止假人頭部甩出包裹區(qū)域與門板發(fā)生接觸。

試驗(yàn)獲得的頭部合成加速度曲線、胸部合成加速度曲線、上頸部拉力Fz以及上頸部彎矩Mx曲線對(duì)比如圖6～9所示。圖6是假人頭部合成加速度曲線，可以看到改進(jìn)前后頭部合成3,ms加速度的峰值由92.6,g降為73.0,g，降低了21.2%,，且73.0,g低于法規(guī)要求的75,g，而且峰值發(fā)生時(shí)刻十分接近。頭部傷害指標(biāo)HPC(15)改進(jìn)前后分別為620和456，降低了26.5%,，456也低于法規(guī)要求的600。因此，頭枕材料和形狀的改進(jìn)效果十分明顯，假人頭部損傷值降低明顯，通過了法規(guī)的要求。

圖6 頭部合成加速度曲線Fig.6 Head acceleration curve

圖7 胸部合成加速度曲線Fig.7 Chest acceleration curve

對(duì)于法規(guī)中的觀察項(xiàng)頸部力和頸部彎矩也進(jìn)行了采集，如圖8、9所示。從曲線上可以看出，改進(jìn)后上頸部張力Fz和上頸部彎矩Mx損傷值也有所降低，說明改善頭枕材料和形狀對(duì)頸部損傷防護(hù)也有一定的效果。

對(duì)于胸部合成加速度曲線，如圖7所示。改進(jìn)前后胸部合成3,ms加速度的峰值分別為100.5,g和103.8,g，改進(jìn)前后損傷值基本不變，但是頭部損傷值的降低導(dǎo)致了胸部損傷輕微的增加。還需要考慮其他的改進(jìn)方法，提高兒童約束系統(tǒng)整體的保護(hù)效果。

圖8 上頸部張力Fz曲線Fig.8 Fz curve of upper neck tension

圖9 上頸部彎矩Mx曲線Fig.9 Mx curve of upper neck moment

3.2 兒童約束系統(tǒng)與門板接觸區(qū)域材料剛度的影響

在側(cè)面碰撞中，頭枕對(duì)于兒童頭部的保護(hù)起到關(guān)鍵的作用，兒童約束系統(tǒng)與臺(tái)車門板接觸區(qū)域的吸能裝置，也能夠吸收部分侵入門板能量，從而整體上減小對(duì)于兒童假人的沖擊。

兒童座椅側(cè)翼接觸面積和剛度的大小，針對(duì)不同的兒童約束系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，同時(shí)也要配合頭枕剛度的設(shè)計(jì)，降低頭部和頸部損傷，而不增加胸部損傷值，從整體上有效緩沖座椅所受門板的沖擊，并且可以有效保護(hù)頭部不會(huì)超出側(cè)翼保護(hù)范圍而避免與門板發(fā)生碰撞。

4 結(jié) 論

本文依據(jù) ECE R129法規(guī)測(cè)試要求針對(duì)某款兒童約束系統(tǒng)進(jìn)行側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)，分析了在側(cè)面碰撞中不同假人，不同安裝方向下假人的損傷規(guī)律，探究側(cè)面碰撞中兒童約束系統(tǒng)保護(hù)效果的影響因素，得到以下結(jié)論：①隨著假人年齡的減小，頭部和胸部的傷害值呈增高的趨勢(shì)。在側(cè)面碰撞中，兒童胸部所承受的沖擊比正面碰撞要強(qiáng)烈，超出正面碰撞的限值要求。②相同的假人在側(cè)面碰撞中正向和后向安裝，假人損傷情況也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。對(duì)于頭部和胸部來講，正向安裝的傷害值大于后向安裝，但是上頸部拉力和彎矩正好相反。③側(cè)面碰撞中，頭枕形狀和材料剛度，以及兒童約束系統(tǒng)與門板接觸區(qū)域材料的剛度會(huì)對(duì)兒童約束系統(tǒng)保護(hù)效果產(chǎn)生影響。增加兒童假人頭部的包裹性，減小兒童約束系統(tǒng)接觸區(qū)域內(nèi)側(cè)與假人身體之間的間隙，適當(dāng)降低頭枕剛度，假人頭部接觸區(qū)域采用吸能性能較好的材料，并且對(duì)兒童座椅側(cè)翼接觸面積和剛度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，達(dá)到整體吸能的效果。④頭枕材料和形狀的改進(jìn)有效降低了Q0假人頭部傷害指標(biāo)，頭部合成 3,ms加速度降低了21.2%,，頭部傷害指標(biāo) HPC(15)降低了 26.5%,，滿足了法規(guī)要求的限值條件。對(duì)于上頸部張力Fz和上頸部彎矩Mx損傷值也有一定的改善效果，并且基本有效地控制了胸部損傷值，沒有使其惡化。本文的研究成果對(duì)于 R129兒童約束系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。

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