王純 鄒利軍 徐海燕 王建勛 畢思剛

（一汽奔騰轎車有限公司，長(zhǎng)春 130012）

主題詞：正面碰撞Q3假人 兒童座椅 車體減速度 乘員載荷準(zhǔn)則 中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程

1 前言

世界衛(wèi)生組織2018年的研究報(bào)告顯示，道路交通傷害是兒童死亡的主要原因，汽車兒童座椅的使用可以減少交通事故中約60%的兒童死亡。近年來(lái)，許多研究機(jī)構(gòu)開展了兒童乘員損傷及防護(hù)措施研究。如李春、劉磊等人進(jìn)行了多款車型的實(shí)車碰撞試驗(yàn)，并對(duì)Q3 兒童假人的傷害結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，未進(jìn)行優(yōu)化匹配的Q3 兒童座椅及實(shí)車碰撞減速度波形并不能有效降低兒童乘員的傷害，其緩沖吸能的保護(hù)效果有限。

《C-NCAP管理規(guī)則（2021年版）》中，Q3兒童假人的傷害由監(jiān)測(cè)項(xiàng)調(diào)整為評(píng)價(jià)項(xiàng)，并對(duì)評(píng)價(jià)得分的高、低限值進(jìn)行了設(shè)定。當(dāng)前，兒童座椅作為整車后裝產(chǎn)品，與整車的性能匹配還需要進(jìn)一步優(yōu)化。因此，本文參考2021 年版C-NCAP 管理規(guī)則，以實(shí)車碰撞試驗(yàn)為基礎(chǔ)，評(píng)估Q3 兒童假人的傷害特點(diǎn)，并進(jìn)一步分析車體碰撞減速度波形及兒童座椅選型對(duì)Q3 兒童假人損傷的影響，提出系統(tǒng)開發(fā)策略，以期為新產(chǎn)品車型的正面碰撞Q3兒童防護(hù)提供設(shè)計(jì)參考。

2 Q3兒童損傷評(píng)價(jià)方法

2021年版C-NCAP管理規(guī)則的正面100%重疊剛性壁障50 km/h 碰撞試驗(yàn)中，在第2排座椅的一側(cè)增加Q3兒童假人傷害評(píng)價(jià)。Q3兒童假人通過(guò)兒童座椅與整車連接，碰撞形式及其安裝方式如圖1 所示。Q3 兒童假人結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 Q3兒童評(píng)價(jià)測(cè)試形式

圖2 Q3兒童假人結(jié)構(gòu)示意

Q3 兒童假人傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)包括頭部傷害、頸部傷害和胸部傷害，分值占兒童保護(hù)部分得分的36.36%，占比較高。傷害評(píng)價(jià)具體內(nèi)容如表1所示，頭部傷害評(píng)價(jià)中，若未發(fā)生二次碰撞，則只需評(píng)價(jià)頭部的3 ms 加速度。

表1 C-NCAP Q3兒童假人傷害評(píng)價(jià)高、低限值

3 Q3系列兒童座椅的使用形式

受身高、坐姿及身體組織承載能力的限制，Q3兒童無(wú)法像成人一樣使用車載安全約束裝置（如成人安全帶）。因此，需要通過(guò)兒童座椅與整車建立固定約束連接，車輛發(fā)生碰撞時(shí)，通過(guò)兒童座椅上的安全帶提供有效保護(hù)。

在2021 年版C-NCAP 管理規(guī)則指定的Q3 兒童動(dòng)態(tài)測(cè)試評(píng)價(jià)用兒童座椅清單中，兒童座椅與整車固定連接形式有3 種：安全帶通用類、ISOFIX 通用類、ISOFIX半通用類。

相關(guān)研究表明，兒童座椅與整車連接形式不同導(dǎo)致兒童座椅的綜合保護(hù)效果也不相同，在同等正面碰撞縱向減速度輸入、相同兒童安全帶、座椅剛度及布置角度條件下，ISOFIX 通用類固定形式兒童座椅對(duì)Q3兒童的綜合保護(hù)效果優(yōu)于安全帶通用類兒童座椅，且不易帶來(lái)誤操作等潛在風(fēng)險(xiǎn)。

為了更有效地研究車體與兒童座椅保護(hù)性能的關(guān)聯(lián)性，得到最優(yōu)的匹配方案，并消除不同品牌兒童座椅的差異，本文選取2021 年版C-NCAP 管理規(guī)則指定的Q3兒童動(dòng)態(tài)測(cè)試評(píng)價(jià)用兒童約束系統(tǒng)清單中的一款高性能ISOFIX 通用類正向兒童座椅作為研究對(duì)象，其安裝形式如圖3所示。

圖3 ISOFIX通用類正向兒童座椅

4 車體減速度波形對(duì)Q3兒童假人傷害的影響

為確保整車基本安全性能，本文選取了2款不同性能的2018 年版五星車體進(jìn)行研究，分別為五星低性能車體N 和五星高性能車體T（正面100%重疊剛性壁障50 km/h 碰撞試驗(yàn)中得分率分別為84.5%和92.5%），以便區(qū)分不同車體減速度波形對(duì)兒童座椅安全性能的影響。為更準(zhǔn)確地評(píng)估車體減速度的影響，選取的2款車型的質(zhì)量、軸距及質(zhì)心位置等參數(shù)相似，并選取與兒童假人距離較近的右側(cè)B 柱下車體的縱向減速度進(jìn)行分析。

研究表明，降低胸部減速度可以直接降低假人各部位的傷害。正面碰撞試驗(yàn)中，相同乘員保護(hù)約束系統(tǒng)條件下，第2排假人胸部減速度和假人與車體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。建立整車運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，取車輛縱向?yàn)橄?，車輛前方為正、后方為負(fù)，通過(guò)分析碰撞試驗(yàn)中Q3兒童假人胸部減速度與車體向減速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系獲取不同車體減速度波形對(duì)假人胸部減速度的影響。

4.1 車體N的B柱減速度波形對(duì)兒童胸部傷害的影響

車體N前端耐撞強(qiáng)度較低，碰撞過(guò)程中B柱減速度波形可視為前低、后高的波形，在采用相同兒童座椅的條件下，試驗(yàn)所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 五星低性能車體B柱及兒童胸部x向減速度

由圖4 可知：車體N 的B 柱減速度波形分布不均，前部平臺(tái)平均減速度為15左右，后部平臺(tái)平均減速度為25左右；兒童胸部向減速度曲線前部平臺(tái)平均減速度為20左右，后部平臺(tái)平均減速度為30左右。

對(duì)車體N的B柱及兒童胸部向減速度進(jìn)行差值計(jì)算得出的相對(duì)減速度曲線如圖5所示，相對(duì)速度及位移曲線如圖6所示。

圖5 五星低性能車體的兒童胸部相對(duì)減速度

圖6 五星低性能車體的兒童胸部相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度及位移

綜合分析圖5、圖6 可知：兒童胸部相對(duì)車體減速度分布不均，前半程減速度幅值平均為15，后半程減速度幅值平均為30；兒童假人相對(duì)車體運(yùn)動(dòng)速度為6.4 m/s，高于通常要求的5.5 m/s，相對(duì)速度波形呈斜直角梯形分布。

依據(jù)2021年版C-NCAP 管理規(guī)則對(duì)兒童胸部傷害進(jìn)行評(píng)價(jià)，胸部合成減速度如圖7 所示，合成減速度最大幅值出現(xiàn)在第85～90 ms 間，與此區(qū)間向減速度趨勢(shì)一致，胸部合成減速度與胸部向減速度強(qiáng)相關(guān)。胸部3 ms 合成減速度峰值為52，出現(xiàn)在第86～90 ms間。采用插值法進(jìn)行計(jì)算，胸部保護(hù)得分為0.21分，得分率較低。圖7中胸部合成減速度同樣呈斜直角梯形，且后部平均幅值較大，說(shuō)明車體波形與約束系統(tǒng)匹配較差，車體及兒童約束系統(tǒng)未能恰當(dāng)吸收兒童正面碰撞能量，能量吸收集中于碰撞運(yùn)動(dòng)后半程，脈寬變小，幅值增大，不利于兒童約束系統(tǒng)匹配。

圖7 五星低性能車體的兒童胸部合成減速度

4.2 車體T的B柱減速度波形對(duì)兒童胸部傷害的影響

車體T前端耐撞強(qiáng)度較高，碰撞過(guò)程中B柱減速度波形可視為前后平緩的波形，在相同兒童座椅作用下，試驗(yàn)所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 五星高性能車體B柱及兒童胸部x向減速度

由圖8 可知：車體T 的B 柱減速度波形前后分布均勻，前部高平臺(tái)平均減速度為20左右，后部平臺(tái)平均減速度為25左右，幅值峰值為33；兒童胸部向減速度曲線前部平臺(tái)平均減速度為25左右，后部平臺(tái)平均減速度為30左右。

對(duì)車體T的B柱及兒童胸部向減速度進(jìn)行差值計(jì)算得出相對(duì)減速度曲線如圖9所示，相對(duì)速度及位移曲線如圖10所示。

圖9 五星高性能車體的兒童胸部相對(duì)減速度

圖10 五星高性能車體的兒童胸部相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度及位移

綜合分析圖9、圖10 可知：兒童胸部相對(duì)車體速度分布均勻，前、后半程平均減速度幅值接近；兒童假人相對(duì)車體運(yùn)動(dòng)速度為4.87 m/s，低于通常要求的5.5 m/s，減速波形呈均勻等腰梯形分布。

依據(jù)2021年版C-NCAP 管理規(guī)則對(duì)兒童胸部傷害進(jìn)行評(píng)價(jià)，胸部合成減速度如圖11 所示，胸部3 ms 合成減速度峰值為41，出現(xiàn)在第62～65 ms 間。采用差值法進(jìn)行計(jì)算，胸部保護(hù)得分為滿分1 分。兒童胸部合成減速度同樣呈等腰梯形均勻平緩變化，說(shuō)明車體波形與兒童座椅匹配較好，車體及兒童約束系統(tǒng)恰當(dāng)?shù)匚樟藘和媾鲎材芰浚瑸閮和踩峁┝肆己玫谋Ｗo(hù)效果。

圖11 五星高性能車體的兒童胸部合成減速度

可見(jiàn)，同為2018 年版C-NCAP 五星車體，但車體N兒童胸部減速度得分率較低，且胸部向減速度呈斜直角梯形變化，車體波形與約束系統(tǒng)匹配較差，碰撞前半程車體波形未能快速引導(dǎo)約束系統(tǒng)介入，導(dǎo)致車體及兒童約束系統(tǒng)不能恰當(dāng)?shù)匚諆和媾鲎材芰浚瑢?duì)兒童傷害的保護(hù)效果不佳。

5 兒童傷害保護(hù)應(yīng)對(duì)開發(fā)策略

5.1 理想車體B柱x向減速度的研究

對(duì)2 款車體B 柱向減速度波形進(jìn)行疊加對(duì)比，如圖12所示。

圖12 2款車體B柱x向減速度對(duì)比

與車體N相比，車體T的B柱減速度曲線前部及后部整體平均減速度差異較小，碰撞能量吸收均衡。車體N碰撞能量吸收集中于碰撞過(guò)程后部。

對(duì)2 款車體兒童胸部向減速度波形進(jìn)行疊加對(duì)比，如圖13所示。

圖13 2款車體的兒童胸部x向減速度對(duì)比

與車體N 相比，車體T 兒童座椅介入早，且曲線前部平均減速度大5，后部平均減速度車體T 遠(yuǎn)低于車體N達(dá)到10左右。車體T兒童胸部向減速度曲線前部及后部整體平均減速度差異較小，兒童胸部碰撞能量吸收均衡。車體N 兒童胸部碰撞能量吸收集中于運(yùn)動(dòng)后半程，脈寬小、幅值大，不利于碰撞能量吸收。

圖12、圖13 結(jié)果表明：車體T 前部耐撞性強(qiáng)，有利于兒童約束系統(tǒng)較早介入、能量均勻分布吸收；兒童座椅的保護(hù)效果對(duì)車體向減速度依賴程度較高。

為了更有效地評(píng)估正面碰撞車體與兒童座椅匹配的效果，引入2021 年版C-NCAP 管理規(guī)則中的乘員載荷準(zhǔn)則（Occupant Load Criterion，OLC）。設(shè)車體上人體自由向前移動(dòng)65 mm時(shí)對(duì)應(yīng)時(shí)刻為，車體速度為，人體開始受到約束，向前移動(dòng)235 mm時(shí)對(duì)應(yīng)時(shí)刻為，車體速度為，設(shè)與時(shí)刻間人體受約束的減速度恒定，該值即為：

式中，為車輛初始速度；()為車輛向減速度積分后獲得的速度。

為碰撞過(guò)程中人體從到時(shí)刻速度曲線的斜率。越小，車體與約束系統(tǒng)匹配越容易，其定義如圖14所示。

圖14 乘員載荷準(zhǔn)則OSI-unit定義

由圖14 和式（1）不難推導(dǎo)出，有效減小的優(yōu)化手段為將時(shí)刻提前、將時(shí)刻延后，并降低車體時(shí)刻的速度。進(jìn)一步分析可知：與碰撞過(guò)程中車體前部強(qiáng)度關(guān)系密切，車體前部越強(qiáng)，減速度越大，越提前；與碰撞變形結(jié)構(gòu)中后部強(qiáng)度關(guān)系密切，中后部越弱，越延后，時(shí)刻對(duì)應(yīng)車體速度越低。與本文所分析的2款車體中的車體T 變形模式吻合，即車體前部強(qiáng)度大，變形結(jié)構(gòu)中后部車體強(qiáng)度弱，有利于車體與兒童座椅匹配。為了進(jìn)一步說(shuō)明2 款車體的差異，將車體向減速度波形換算成進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示。

表2 2款車體OSI-unit計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表2 可以看出：車體T 較車體N 的提前2.4 ms，車體T兒童座椅約束系統(tǒng)介入早，保護(hù)效果提前；車體T的較車體N 低1，車體T 較車體N 變形結(jié)構(gòu)中后部強(qiáng)度弱，能量吸收充分，對(duì)兒童胸部保護(hù)更優(yōu)。

為了進(jìn)一步得到更準(zhǔn)確的理想車體向減速度波形，依據(jù)乘員載荷評(píng)價(jià)項(xiàng)，對(duì)7款不同車體波形進(jìn)了計(jì)算評(píng)估整理，如表3所示。

表3 不同車體OSI-unit計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表3 可知，結(jié)合前文2 款不同車體向減速度對(duì)Q3兒童假人傷害的影響分析，得出理想正面100%重疊剛性壁障碰撞車體向減速度波形開發(fā)目標(biāo)推薦值：前部平均減速度≥20，峰值減速度≥28，以便將提前；后部平均減速度≤27，以便將延后；≤35 ms；≥95 ms；≤1.8 m/s；乘員載荷準(zhǔn)則≤26.5，較低的有利于進(jìn)一步匹配兒童保護(hù)性能更優(yōu)的兒童座椅?；谀壳暗脑囼?yàn)結(jié)果，建議第2排兒童傷害整體目標(biāo)得分不低于2.5分。

5.2 不同車體正面碰撞兒童座椅選配

綜合考慮兒童座椅的安裝形式和兒童安全保護(hù)的技術(shù)特點(diǎn)，從碰撞車體變形模式、運(yùn)動(dòng)軌跡方向及操作方便性等方面進(jìn)行分析評(píng)估，建議選用與車體剛性連接的ISOFIX 通用或半通用類兒童座椅，不但可以有效降低來(lái)自正面的沖擊傷害，更可兼顧降低來(lái)自側(cè)面的沖擊傷害，并減少誤操作風(fēng)險(xiǎn)。

合理的兒童座椅約束系統(tǒng)選型可以通過(guò)降低胸部減速度的方式降低傷害。目前在售的兒童座椅多采用五點(diǎn)固定形式兒童安全帶將兒童可靠地約束在兒童座椅內(nèi)，結(jié)合相關(guān)研究結(jié)果，兒童胸部減速度主要來(lái)自兒童座椅對(duì)兒童胸部的約束，即兒童座椅2條肩部安全帶對(duì)胸部的約束力，兒童胸部約束力由安全帶本身的拉力和安全帶所成夾角共同作用，如圖15所示。在兒童座椅選型時(shí)，可以考慮選用低安全帶力織帶。經(jīng)過(guò)分析，現(xiàn)有兒童座椅結(jié)構(gòu)可以通過(guò)提高兒童座椅安全帶的延伸率實(shí)現(xiàn)低安全帶力，即在滿足GB 27887《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》要求的條件下，選用延伸率較大的兒童座椅安全帶。

圖15 兒童坐姿及安全帶夾角θ

在兒童安全帶力不變的情況下，五點(diǎn)式兒童座椅安全帶的下部3 個(gè)安裝點(diǎn)位置基本相同，對(duì)兒童髖部向約束基本一致，但上部2 個(gè)固定點(diǎn)由于座椅設(shè)計(jì)的不同存在一定差異，C-NCAP 管理規(guī)則的要求為將兒童約束系統(tǒng)的安全帶高度“調(diào)節(jié)到與假人肩部平齊或最近的使用位置”，但由于兒童座椅上固定點(diǎn)高度不同，安全帶所成夾角存在差異，越小，胸部約束力越大，在胸部運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，越不利于降低兒童胸部減速度，因此可以選擇兒童安全帶上安裝點(diǎn)較高的兒童座椅。

為進(jìn)一步驗(yàn)證兒童座椅相關(guān)參數(shù)對(duì)兒童胸部減速度的影響，將前文分析結(jié)果基于目標(biāo)車體N，建立第2排兒童乘員約束系統(tǒng)簡(jiǎn)化有限元耦合仿真模型，通過(guò)加載車體N的向減速度模擬Q3兒童在兒童座椅內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，兒童約束系統(tǒng)仿真模型及胸部減速度響應(yīng)對(duì)比如圖16和圖17所示。

圖16 兒童約束系統(tǒng)耦合仿真模型

圖17 兒童胸部減速度試驗(yàn)與仿真對(duì)比

利用上述仿真模型，分別計(jì)算提高兒童安全帶延伸率及提高兒童安全帶上固定點(diǎn)高度對(duì)兒童胸部加速度的影響，具體結(jié)果如表4所示。

表4 兒童座椅參數(shù)優(yōu)化效果

由仿真結(jié)果分析可知，增加兒童安全帶延伸率及提高安全帶上固定點(diǎn)高度對(duì)兒童胸部傷害保護(hù)均有改善。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)2款2018年版C-NCAP五星高、低性能車體的Q3 兒童傷害試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)于相同兒童座椅，Q3兒童傷害防護(hù)對(duì)車體向減速度依賴程度較高，前、后部吸能均勻的車體波形更有利于兒童座椅匹配；2018年版C-NCAP五星低性能車體兒童傷害得分率較低，仍然需要對(duì)車體性能進(jìn)行提升。基于乘員載荷準(zhǔn)則，分析了影響車體波形的設(shè)計(jì)因素，通過(guò)整理7款車體碰撞波形的特點(diǎn)，總結(jié)出概念設(shè)計(jì)階段理想波形的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)目標(biāo)：車體載荷準(zhǔn)則值≤26.5、人體自由向前移動(dòng)65 mm時(shí)對(duì)應(yīng)時(shí)刻≤35 ms、人體受到約束向前移動(dòng)235 mm時(shí)對(duì)應(yīng)時(shí)刻≥95 ms。

除車體設(shè)計(jì)要求外，提出了兒童座椅選型的相關(guān)建議：采用ISOFIX通用及半通用兒童座椅；提高兒童座椅安全帶延伸率；在確保兒童頸部及頭部安全舒適前提下，適當(dāng)提高兒童安全帶上固定點(diǎn)高度。