趙大鵬，唐志濤，周勇，李少鵬，占超

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CRS不同約束方式對P3乘員保護的研究

趙大鵬1，唐志濤1，周勇2，李少鵬1，占超1

（1.煙臺大學機電汽車工程學院，山東 煙臺 264000；2.清華大學汽車碰撞試驗室，北京 100084）

在第I質量組中，P3假人的約束方式為五點式約束即CRS自身安全帶約束；在第II質量組中，P3假人的約束方式是三點式約束即成人安全帶約束?；谝陨弦?guī)定，文章以強制性3C認證試驗結果為依據(jù)，在其他試驗條件都相近的情況下，通過兩種約束方式下的試驗數(shù)據(jù)的比對可知，三點式約束系統(tǒng)能夠更加有效地減小兒童乘員的頭部位移，五點式約束可以有效地減小兒童乘員的胸部加速度，結合兒童乘員損傷機理，在交通事故中應更加注重對兒童乘員頭部的保護，因此本文認為對于2~4歲左右的兒童乘員，應盡量使用成人安全帶約束。

兒童安全座椅；五點式約束；三點式約束；P3兒童假人；兒童乘員傷害

前言

兒童乘員安全問題越發(fā)受到世界各國的廣泛關注，中國在成為世界第一大汽車生產(chǎn)國和消費國的同時，也成為了世界上交通事故最多的國家[1]。近年來，隨著國家相關政策和家長們安全意識的不斷提高，兒童安全座椅的使用率也水漲船高。

相關調研指出，在不同的年齡分段中，2~4歲兒童的乘車需求最多，因此該年齡段也是兒童安全座椅的最大使用人群[1]。為加強對兒童安全座椅制造商與整個行業(yè)的監(jiān)管力度，從2015年9月1日起，國家質檢總局對兒童安全座椅產(chǎn)品實施強制性3C認證，在強制性檢測認證試驗中，根據(jù)GB27887-2011《機動車兒童乘員用約束系統(tǒng)》中規(guī)定的試驗方法，用P3系列假人模擬年齡在3歲左右，體重在15kg~18kg左右的兒童乘員。但是法規(guī)規(guī)定，P3假人在認證試驗中需要分別采用三點式約束和五點式約束兩種約束方式。這種試驗方法雖然能夠提高試驗結果的代表性和可參考性，但也讓很多家長們在選擇安全座椅時無法確定應該選擇三點式約束還是五點式約束的兒童安全座椅。本文主要是在兒童安全座椅3C認證試驗的結果之上，對比分析P3兒童假人分別在三點式約束和五點式約束之下的各傷害指標，探究哪一種約束方式能夠對3歲左右體重在15kg~18kg的兒童乘員起到更好的保護作用，也能夠為家長在選擇兒童安全座椅的時候提供一定的參考。

1 兒童乘員損傷機理及保護

1.1 損傷標準和等級

損傷標準（injury criteria）是評價事故載荷的嚴重性和損傷風險的重要工具。按照定義，損傷標準將物理參數(shù)（如加速度、力）和身體某一部位遭受某種形式傷害（如腦震蕩、骨折）的可能性聯(lián)系起來，一般是以數(shù)據(jù)結合經(jīng)驗論據(jù)得來的。因為可能造成人體損傷的真實人體試驗是不可能進行的，所以這些標準的形式和經(jīng)驗需要利用外推法和長時間的逐步推斷過程[2]。

損傷等級是為了研究交通損傷而建立的。依據(jù)醫(yī)學診斷，損傷等級將各種類型的損傷程度加以定義。最常見的損傷等級是1971年美國汽車醫(yī)學發(fā)展協(xié)會（AAAM）針對汽車安全性而制定的簡明損傷等級（abbreviated injury scale，AIS），如表1所示，汽車醫(yī)學發(fā)展協(xié)會定期對其進行修訂和更新。

表1 汽車安全性而制定的簡明損傷等級

1.2 兒童乘員損傷機理

根據(jù)NHTSA對大量受傷兒童統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，在兒童乘員各部位達到AIS2級損傷以上時，在交通事故中，頭部損傷是兒童致殘致死和醫(yī)療成本增加的首要原因，約占到身體各部位傷害的50%以上；其次是胸部傷害，約占身體各部位傷害的40%[1]。

一般來講，靜載荷和動載荷都可以引起頭部損傷。在交通事故中，靜載荷形式非常少見，動載荷是主要的載荷形式。造成頭部損傷的動載荷一般有接觸性和非接觸性兩種形式，不同的載荷形式會有不同的頭部響應。接觸通常是指頭部與汽車內飾件或前排座椅靠背的接觸，也包括與車內其他乘員的接觸。頭部直接與一個物體接觸可以導致顱骨變形，引起直接骨折或間接骨折。在非接觸情況下，頭部的加速度產(chǎn)生慣性力，非接觸性的慣性力或加速度導致的頭部損傷通常是軟組織損傷，如硬膜下血腫等。

胸部損傷的機理一般分為三種：壓縮、粘性負載和體內器官的慣性載荷，此外還有這3種基本情況的任意組合。損傷的結果可以分為骨骼損傷和軟組織損傷。其中，骨折等骨骼損傷與乘員的年齡密切相關，兒童乘員肋骨比成年人更加柔軟，在碰撞過程中發(fā)生骨折的現(xiàn)象很少。正確使用兒童約束系統(tǒng)的情況下，兒童胸部損傷并不常見[1]。

從以上的結論不難看出，相對于胸部損傷，對于2~4歲年齡段的兒童乘員來說，頭部受到傷害的風險相對更高。因此該年齡段的兒童在乘車時應更加注重對頭部的保護。

2 試驗方法

試驗參照GB27887-2011《機動車兒童乘員用約束系統(tǒng)》的前向正面碰撞試驗要求，使用減速臺車碰撞測試平臺，臺車速度為48~50km/h，臺車緩沖距離為600~700mm。

符合3C認證動態(tài)碰撞試驗標準的座椅在試驗中必須滿足以下要求[3]：

（1）碰撞之后，不打開帶扣，用肉眼檢查，不能有任何的失效或損壞。

（2）動態(tài)試驗中，兒童安全座椅的任何部件都不能斷裂，帶扣、鎖止裝置不能發(fā)生脫扣現(xiàn)象。

（3）兒童假人傷害指標滿足以下條件，如表2所示。

表2 兒童假人傷害指標及限值

圖1是某 3C認證檢測機構試驗場所的俯視圖，試驗用兒童假人和兒童安全座椅固定在臺車上，兒童假人身上裝有測試獲取胸部加速度和頭部位移的傳感器，臺車上面固定安裝有測試臺車加速度的加速度傳感器，具體的設備如圖1所示。

圖2是試驗過程中兒童假人不同的約束方式。其中（a）為五點式約束假人，（b）為三點式約束假人。

圖2 試驗現(xiàn)場

試驗結束以后運用DIAdem和Origin進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)GB27887-2011《機動車兒童乘員用約束系統(tǒng)》的前向正面碰撞試驗要求，抽取認證試驗中過程中的10組臺車加速度波形，如圖3所示。

圖3 臺車加速度波形

3 試驗結果

首先從3C認證試驗結果數(shù)據(jù)庫中抽取50組數(shù)據(jù)進行對比分析，在數(shù)據(jù)選擇的時候主要做到以下幾點要求來達到正交試驗方法的試驗效果。

（1）確保實驗過程中的試驗條件相同；

（2）試驗中CRS在汽車座椅上的固定方式相同；

（3）試驗數(shù)據(jù)盡量選取同一廠家同種型號的座椅；

（4）在同一廠家同種型號的座椅試驗數(shù)據(jù)達不到取樣次數(shù)的情況下，應選取試驗時間和座椅質量相近的兒童座椅。

表3和表4是兒童乘員按照不同的約束方式下的部分實驗數(shù)據(jù)。

表3 三點式約束下的部分實驗數(shù)據(jù)

表4 五點式約束下的部分實驗數(shù)據(jù)

在交通碰撞事故中，兒童乘員所受到的損傷一般來自于外力沖擊，與成人乘員相比，兒童乘員傷害指標相對簡單，大多使用加速度和位移來表征。頭部水平位移和胸部合成加速度是表征兒童乘員頭部和胸部損傷的關鍵指標。下面就將滿足選取要求的50組P3假人在五點式約束和三點式約束的情況下，頭部水平位移測試結果和胸部合成加速度的測試結果進行對比。對比結果如圖4和圖5所示。

圖4 頭部水平位移對比

圖5 胸部合成加速度對比

從頭部水平位移柱狀圖可以看出，當兒童乘員在使用三點式約束的時候，其頭部水平位移分布比較均勻，450mm~ 550mm這種較大的頭部水平位移出現(xiàn)次數(shù)較少；當兒童乘員在使用五點式約束的時候，其頭部水平位移主要集中在400mm~550mm之間；通過數(shù)據(jù)對比可以得出結論，兒童乘員在三點式約束的情況下頭部水平位移明顯小于五點式約束情況下兒童乘員的頭部水平位移。

從胸部合成加速度對比柱狀圖可以看出，在CRS固定方式和試驗方法基本相同的情況下，用五點式約束即CRS自身安全帶約束來約束兒童乘員，其胸部合成加速度主要集中在15g~45g，而用三點式約束即車身安全帶約束來約束兒童乘員，其胸部合成加速度主要集中在25g~55g之間。不難看出，五點式約束能夠更加有效地減小兒童乘員的胸部受傷風險。

4 結論

通過以上多組試驗測試數(shù)據(jù)的對比分析很容易得知：對于覆蓋第I和第II質量組的P3兒童假人，在CRS固定方式、試驗測試方法和兒童安全座椅質量基本相同的情況下，三點式約束方式能夠更加有效地減小兒童乘員在事故中的頭部水平位移，起到更好的對頭部的保護作用；五點式約束方式能夠明顯的減小兒童乘員在事故中的胸部合成加速度，起到更好的對于胸部更好的保護作用。前面兒童乘員受傷機理中指出，對于兒童乘員來說，應該更加注重對于其頭部的保護作用，因此對于2~4歲年齡段，體重在15kg~18kg左右的兒童乘員在乘車時，在情況允許的情況下應該盡量使用三點式約束。

[1] 張金換,許述財,楊欣,馬春生.汽車兒童乘員碰撞傷害與防護[M].清華大學出版社,2015:194-230.

[2] 曹立波,張瑞峰,劉曜.兒童乘員損傷機理及保護措施研究[M].湖南大學,2012.

[3] 魏哲,強毅.汽車兒童約束系統(tǒng)技術法規(guī)和標準研究[J].機械工業(yè)標準化與質量,2008(12):28-33.

Effect of CRS on children's protection of P3 children with different restraint modes

Zhao Dapeng1, Tang Zhitao1, Zhou Yong2, Li Shaopeng1, Zhan Chao1

（1.School of mechanical and electrical engineering, Yantai University, Shandong Yantai 264000; 2.Tsinghua University crash test room, Beijing 100084）

In the I quality group, the constraint mode of P3 dummy is five point constraint, that is, CRS self seat belt constraint. In the II quality group, the constraint mode of the P3 dummy is the three point constraint, the adult seat belt constraint. Based on the above regulations, based on the results of compulsory 3C certification test, the three point constraint system can reduce the head displacement of children more effectively, and the five point constraint can reduce the child's chest acceleration effectively. Combined with the mechanism of children's occupant damage, it is necessary to pay more attention to the protection of children's head in traffic accidents. Therefore, it is believed that the adult safety belt should be used as far as possible for the children at the age of 2~4.

Child safety seats; five point constraint; three point constraint; P3 dummy

B

1671-7988(2018)18-148-04

U467

B

1671-7988(2018)18-148-04

CLC NO.: U467

趙大鵬，就讀于煙臺大學機電汽車工程學院，今在清華大學汽車碰撞試驗室交流學習，碩士在讀，主要研究方向為汽車主被動安全。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.051