徐哲 高冠宇 劉燦燦 婁磊

關(guān)鍵詞：汽車安全；被動(dòng)安全；側(cè)面碰撞；兒童約束系統(tǒng)（CRS）；多點(diǎn)侵入；假人頭部損傷

交通事故統(tǒng)計(jì)表明，側(cè)面碰撞已成為繼正面碰撞之后造成兒童乘員傷亡的主要原因，占碰撞事故總數(shù)的30%以上[1-2]，且對(duì)兒童乘員的致死率也高達(dá)30%[3-4]。一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將兒童約束系統(tǒng)側(cè)面碰撞試驗(yàn)納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)中，但是目前中國(guó)對(duì)于兒童約束系統(tǒng)（childrestraintsystem，CRS）并沒有側(cè)面碰撞法規(guī)或者評(píng)價(jià)方法。

臺(tái)車試驗(yàn)是一種重要的測(cè)試手段，與實(shí)車試驗(yàn)相比，能縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。針對(duì)兒童座椅（即兒童約束系統(tǒng)，CRS）產(chǎn)品的測(cè)試，臺(tái)車試驗(yàn)尤為適合。側(cè)面碰撞中乘員的損傷大多因?yàn)榕c車內(nèi)的側(cè)面結(jié)構(gòu)發(fā)生直接碰撞導(dǎo)致，而乘員的傷害情況與車門在碰撞過程中的侵入速度有關(guān)[5]。由于車門結(jié)構(gòu)以及車門與車身連接關(guān)系的復(fù)雜性，使得車門內(nèi)飾板上不同位置的加速度和速度變化非常大[6]。只有模擬出車門不同部位的侵入情況，才能真實(shí)準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)實(shí)車碰撞工況。而目前一些關(guān)于CRS側(cè)面碰撞臺(tái)車測(cè)試方法，只能實(shí)現(xiàn)門板的平動(dòng)和單一自由度侵入。

CRS的側(cè)碰試驗(yàn)方法可以分為以下幾類：第1類是固定側(cè)門，車門與座椅相對(duì)固定，無法實(shí)現(xiàn)車門侵入，如澳洲標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS1754[7]；第2類是鉸鏈運(yùn)動(dòng)側(cè)門，可以實(shí)現(xiàn)車門整體侵入，但控制精度和一致性是難以解決的關(guān)鍵問題，如歐洲國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織提出的ISO29062[8]；第3類是平移側(cè)門，用吸能鋁塊實(shí)現(xiàn)座椅和門板間的侵入，該方法最早來自于美國(guó)NHTSA（國(guó)家公路交通安全管理局，NationalHighwayTrafficSafetyAdministration）與日本Takata對(duì)于CRS側(cè)碰的研究[9]；隨后，歐洲兒童約束系統(tǒng)法規(guī)ECER129[10]中提出了對(duì)CRS側(cè)碰性能的考核，規(guī)定了車門、以及車門與座椅的相對(duì)速度，實(shí)現(xiàn)車門單自由度侵入。

為了在臺(tái)車試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)實(shí)車碰撞中車門不同部位的侵入情況，本文提出面向CRS的多點(diǎn)侵入臺(tái)車側(cè)面碰撞測(cè)試方法并進(jìn)行驗(yàn)證；提取出不同車型車門的關(guān)鍵部位的特征波形，來研究CRS在不同安裝方式、不同安裝方向下，以及不同大小的兒童假人的頭部損傷規(guī)律。本文的研究可望為中國(guó)兒童約束系統(tǒng)側(cè)面碰撞法規(guī)的制訂或評(píng)價(jià)方法的制定，提供參考。

1面向CRS的多點(diǎn)侵入側(cè)面碰撞測(cè)試方法

1.1測(cè)試方法

1.1.1車門關(guān)鍵侵入?yún)^(qū)域劃分

在真實(shí)的側(cè)面碰撞工況下，車門的不同部位侵入的速度和加速度是有差異的。要實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同部位的侵入，首先要確定幾個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，即要確定不同的兒童約束系統(tǒng)和不同身高的兒童相對(duì)于車門的關(guān)鍵位置。H.Johannsen等人[11]通過分析歐洲的交通事故，得出側(cè)面碰撞中兒童需要保護(hù)的是兒童乘員頭、胸和腹部。因此，本文將車門劃分為頭部、胸部、骨盆（或腹部）3個(gè)關(guān)鍵區(qū)域。圖1為CRS正向和后向安裝時(shí)車門位置劃分的示意圖。

本文對(duì)多款國(guó)產(chǎn)車型后車門形狀尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并參考ECER129法規(guī)，獲得車門平均高度為Cr線[12]向上500mm。同時(shí)，對(duì)不同年齡的兒童在乘坐不同組別的CRS時(shí)，胸部、骨盆（或腹部）2個(gè)關(guān)鍵部位相對(duì)于Cr線的高度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

選取有代表性的Q0、Q1.5、Q3、Q10假人（分別代表年齡為新生兒、1.5歲、3歲、10歲的兒童）來模擬。CRS選取的是目前市面上常見的類型和結(jié)構(gòu)。根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，以胸部和骨盆區(qū)域相對(duì)Cr線高度的平均值作為車門劃分的依據(jù)，將車門劃分為上、中、下3個(gè)部分，分別對(duì)應(yīng)頭部侵入?yún)^(qū)域、胸部侵入?yún)^(qū)域、骨盆侵入?yún)^(qū)域。骨盆區(qū)域?yàn)镃r線向上235mm區(qū)間內(nèi)，胸部區(qū)域?yàn)镃r線向上235～435mm區(qū)間內(nèi)，頭部區(qū)域?yàn)?35～500mm區(qū)間內(nèi)，車門關(guān)鍵位置劃分如圖2所示。

1.1.2多點(diǎn)侵入的方式

在加速式滑車上增加一套側(cè)碰裝置，包括側(cè)碰臺(tái)車液壓加速器以及側(cè)碰活塞等。由主臺(tái)車液壓加速器控制主活塞，并通過側(cè)碰臺(tái)車液壓加速器控制3個(gè)側(cè)碰活塞，實(shí)現(xiàn)車門不同位置的侵入，如圖3所示。其主要原理是通過主活塞對(duì)滑車及上面的系統(tǒng)施加碰撞沖擊，由3個(gè)側(cè)碰活塞對(duì)假人及座椅實(shí)施侵入運(yùn)動(dòng)，兩者結(jié)合來復(fù)現(xiàn)實(shí)車側(cè)面碰撞中假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和損傷響應(yīng)。主活塞和側(cè)碰活塞的侵入缸的動(dòng)作都是液壓伺服控制的，活塞后端連接位移速度傳感器，采集的位移和速度數(shù)據(jù)反饋至控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制。

將3個(gè)活塞的位置根據(jù)圖2進(jìn)行調(diào)節(jié)，并在3個(gè)活塞上安裝不同重量的鋁板模擬車門骨架重量，為了方便安裝，每個(gè)區(qū)域之間留有10mm間隙，如圖4所示。

內(nèi)部門板使用與ECER129試驗(yàn)相同的材料，即厚度為35mm的CR4271型聚氯橡膠泡沫再覆蓋上厚度為20mm的C2500型聚氨酯材料，其中聚氯橡膠泡沫需要裁剪成3個(gè)區(qū)域門板的形狀，分別固定在每塊鋁板上。聚氨酯材料無需裁剪，整體覆蓋到聚氯橡膠泡沫上，并且每次試驗(yàn)需要進(jìn)行更換。

1.1.3多點(diǎn)侵入的輸入波形

目前，國(guó)外現(xiàn)行的側(cè)碰測(cè)試方法中都是門板的單一簡(jiǎn)化波形的輸入，對(duì)于多點(diǎn)侵入測(cè)試方法希望完全復(fù)現(xiàn)實(shí)車側(cè)碰的侵入過程，使用實(shí)車曲線輸入更為合理。實(shí)車曲線獲得方法為在實(shí)車側(cè)碰試驗(yàn)中，在碰撞側(cè)后車門內(nèi)部各貼3個(gè)傳感器，傳感器位置為圖2中劃分的頭部、胸部、骨盆3個(gè)關(guān)鍵區(qū)域的中心附近，如圖5所示。

將獲得的3個(gè)關(guān)鍵區(qū)域的加速度波形進(jìn)行濾波處理，分別輸入到3個(gè)側(cè)碰活塞中，將實(shí)車碰撞中非碰撞側(cè)B柱加速度輸入到主臺(tái)車中，來實(shí)現(xiàn)3點(diǎn)侵入的臺(tái)車側(cè)面碰撞，圖6為3個(gè)側(cè)碰活塞的輸入波形，圖7為主臺(tái)車的輸入波形。

1.2試驗(yàn)驗(yàn)證

利用上述多點(diǎn)侵入臺(tái)車側(cè)碰方法進(jìn)行試驗(yàn)，使用Q1.5兒童假人，CRS安裝方式為ISOFIX+支撐腿，安裝方向?yàn)楹笙虬惭b。試驗(yàn)過程中兒童假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和損傷結(jié)果與相同兒童座椅及假人設(shè)置的實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)，對(duì)各傷害指標(biāo)的峰值進(jìn)行比對(duì)，如表2所示。

圖8為實(shí)車試驗(yàn)和滑臺(tái)試驗(yàn)中兒童假人幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻頭部姿態(tài)。0ms為碰撞初始狀態(tài)；40ms時(shí)，門板與兒童座椅剛剛發(fā)生接觸，并開始發(fā)生侵入，兒童頭部開始向門板側(cè)移動(dòng)；70ms時(shí)，門板與兒童座椅達(dá)到最大侵入，兒童頭部與兒童座椅頭枕發(fā)生嚴(yán)重?cái)D壓，并開始向遠(yuǎn)離門板方向移動(dòng)；95ms時(shí)，兒童座椅與門板分離，兒童頭部與兒童座椅頭枕分離。在實(shí)車試驗(yàn)中因氣囊彈出，對(duì)兒童頭部有些遮擋，但關(guān)鍵的時(shí)刻假人的姿態(tài)基本一致。

圖9為實(shí)車與滑臺(tái)試驗(yàn)傷害峰值。從圖9可知：滑臺(tái)與實(shí)車試驗(yàn)的頭部合成加速度曲線在脈寬、形狀、變化趨勢(shì)方面都比較吻合，峰值的偏差僅2.57%。胸部合成加速度、骨盆合成加速度、頸部拉力Fz、胸部壓縮量曲線在變化趨勢(shì)方面也都吻合的很好，且曲線峰值的偏差都在10%以內(nèi)。只有頸部彎矩Mx曲線峰值偏差稍大，達(dá)到11.16%，（不考慮反彈）但是變化趨勢(shì)也十分吻合?？傊鲹p傷指標(biāo)峰值偏差均在12%以內(nèi)，證明滑臺(tái)試驗(yàn)的假人損傷響應(yīng)能夠與實(shí)車試驗(yàn)保持一致，面向CRS的多點(diǎn)侵入臺(tái)車側(cè)碰試驗(yàn)方法合理可行。

2面向CRS的多點(diǎn)侵入側(cè)面碰撞損傷

面向CRS的多點(diǎn)侵入側(cè)碰方法可以從侵入方式、輸入波形、以及損傷結(jié)果等方面復(fù)現(xiàn)實(shí)車碰撞，因此利用該方法來研究側(cè)碰中兒童假人的損傷規(guī)律更為真實(shí)合理。

在側(cè)面碰撞中，兒童頭部是最主要的受傷部位[13]，在目前歐洲現(xiàn)行的兒童約束系統(tǒng)法規(guī)ECER129中，也僅對(duì)兒童假人的頭部性能指標(biāo)（headperformancecriterion，HPC15）和頭部合成3ms加速度進(jìn)行考核，其他的損傷指標(biāo)目前還是觀測(cè)值。因此，本文將這2個(gè)指標(biāo)作為兒童頭部損傷的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并研究其規(guī)律。在側(cè)面碰撞中，兒童的損傷情況與兒童座椅的安裝方式、安裝方向、以及假人大小等因素有關(guān)。

2.1車門關(guān)鍵部位特征波形提取

本文采集了14款不同車型的實(shí)車側(cè)面碰撞試驗(yàn)中車門頭部、胸部、以及骨盆3個(gè)區(qū)域的加速度曲線，車型信息如表3所示（9-14號(hào)為保密車輛，僅顯示品牌信息）。以加速度曲線的平均值作為該區(qū)域的特征波形。

獲得的不同部位的特征波形如圖10所示。按照如上方法也可獲得實(shí)車碰撞非碰撞側(cè)特征波形曲線，如圖11所示。將頭部、胸部、骨盆，以及非碰撞側(cè)的特征波形作為三個(gè)側(cè)碰活塞以及主活塞的輸入，利用多點(diǎn)侵入的測(cè)試方法進(jìn)行多次CRS試驗(yàn)。

2.2CRS在不同的安裝方式下假人損傷情況

為了研究CRS的不同安裝方式下假人的損傷情況，選取Q3假人，正向安裝，分別在ISOFIX+上拉帶、ISOFIX+支撐腿、安全帶、以及安全帶+ISOFIX下錨點(diǎn)4種安裝方式下各進(jìn)行4次測(cè)試。其中ISOFIX+上拉帶、ISOFIX+支撐腿屬于整體式安裝方式，安全帶、以及安全帶+ISOFIX下錨點(diǎn)屬于非整體式安裝方式。頭部性能指標(biāo)HPC15和頭部合成3ms加速度結(jié)果如圖12所示。

可以看出：整體式安裝方式中，ISOFIX+支撐腿方式下的2個(gè)參數(shù)的平均值均低于ISOFIX+上拉帶的安裝方式，而且差異比較明顯，頭部性能指標(biāo)HPC15相差25.8%，頭部合成3ms加速度相差12.4%，說明ISOFIX+支撐腿的安裝方式對(duì)兒童頭部的保護(hù)效果更好。而對(duì)于非整體式安裝方式中，安全帶和安全帶+ISOFIX2種安裝方式頭部損傷的差異并不明顯，帶ISOFIX下錨點(diǎn)的方式損傷值略低些，保護(hù)效果略好。從整體上看，對(duì)于Q3假人來講，ISOFIX+支撐腿安裝方式保護(hù)效果最好，其次是非整體式，ISOFIX+上拉帶安裝方式略差一些。

2.3CRS在不同的安裝方向下假人損傷情況

兒童約束系統(tǒng)根據(jù)安裝方向可以分為正向安裝、后向安裝、以及側(cè)向安裝。側(cè)向安裝一般適用于嬰兒睡床，日常使用率極低，本文暫不考慮。后向安裝適用于低齡兒童，可以很好的保護(hù)兒童的頸部和腰椎。ECER129法規(guī)中規(guī)定15個(gè)月以下的兒童必須使用后向安裝，一般情況下，一款前后向可調(diào)節(jié)的兒童約束系統(tǒng)后向安裝的最大適用年齡是3～4歲。本文選取Q1.5和Q3假人進(jìn)行不同安裝方向的假人損傷規(guī)律的研究。使用Q1.5和Q3假人分別進(jìn)行正向和后向安裝各5次試驗(yàn)，安裝方式統(tǒng)一為ISOFIX+支撐腿。試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

由計(jì)算可知，Q1.5假人正向和后向安裝時(shí)，頭部性能參數(shù)HPC15的平均值分別為374和253，相差47.8%，頭部合成3ms加速度的平均值為65.7g和56.7g，相差15.9%。Q3假人正向和后向安裝時(shí)，頭部性能參數(shù)HPC15的平均值分別為310和301，頭部合成3ms加速度的平均值為60.8g和60.3g。

可以看出，Q1.5假人對(duì)于不同的安裝方向，損傷結(jié)果差異較大，后向安裝損傷值明顯低于正向。而Q3假人對(duì)于不同的安裝方向損傷值差異并不明顯，從整體趨勢(shì)上看，后向安裝的頭部損傷值低于正向安裝。說明在側(cè)面碰撞中，后向安裝更有利于兒童頭部的保護(hù)，而且假人越小保護(hù)效果越明顯。

2.4不同大小的兒童假人損傷情況

目前生物學(xué)仿真性能最高的兒童假人是Q系列假人，包括Q0、Q1、Q1.5、Q3、Q6、Q10等6個(gè)型號(hào)，分別對(duì)應(yīng)不同年齡和身高體重的兒童。選取其中有代表性的5種假人分別進(jìn)行8次側(cè)碰試驗(yàn)（因Q1和Q1.5比較接近，故僅選Q1.5），試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

可以看出：對(duì)于不同假人來講，頭部性能指標(biāo)HPC15和頭部合成3ms加速度呈現(xiàn)出一致的規(guī)律，而且非常明顯，頭部損傷與假人的大小呈負(fù)相關(guān)，即隨著假人的增大，頭部損傷減小。Q10假人損傷值最低，Q6次之，Q3和Q1.5雖然損傷值上下波動(dòng)比較大，但整體上Q3的損傷值是略大于Q1.5的，Q0損傷最為嚴(yán)重，最接近法規(guī)的限值。這是因?yàn)榧偃嗽酱?，坐高越高，與車門結(jié)構(gòu)發(fā)生直接碰撞的幾率越低，這就降低了頭部撞擊車門的硬接觸帶來的傷害。因此，在側(cè)面碰撞中要尤其注意保護(hù)低齡兒童的頭部，避免受到傷害。

3結(jié)論

本文針對(duì)目前兒童約束系統(tǒng)側(cè)面碰撞法規(guī)或測(cè)試方法均不能實(shí)現(xiàn)實(shí)車碰撞中車門不同位置的侵入的問題，面向CRS對(duì)車門進(jìn)行了頭部、胸部、以及骨盆3個(gè)關(guān)鍵區(qū)域的位置劃分，提出了多點(diǎn)侵入的臺(tái)車側(cè)面碰撞測(cè)試方法，同時(shí)，本文利用多點(diǎn)侵入臺(tái)車側(cè)面碰撞測(cè)試方法研究?jī)和偃说念^部損傷。得到如下結(jié)論：

1）對(duì)于CRS不同的安裝方式，整體式的兩種安裝方式下，頭部損傷值差異比較明顯，ISOFIX+支撐腿對(duì)頭部的保護(hù)效果優(yōu)于ISOFIX+上拉帶，2種安裝方式的假人頭部性能指標(biāo)HPC15和頭部合成加速度差異分別為25.8%和12.4%。非整體式的2種安裝方式下，頭部損傷值差異并不明顯。

2）對(duì)于CRS不同的安裝方向，后向安裝的頭部損傷值低于正向安裝，2種安裝方向的頭部性能指標(biāo)HPC15和頭部合成加速度差異分別為47.8%和15.9%。后向安裝更有利于兒童頭部的保護(hù)，而且假人越小保護(hù)效果越明顯。

3）對(duì)于不同假人，0歲至10歲（Q0、Q1.5、Q3、Q6、Q10）的頭部合成加速度平均值分別為70.9g、66.2g、60.4g、54.7g、39.0g。頭部損傷與假人的大小呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，隨著假人的增大，頭部損傷減小。

本文的研究成果可望為中國(guó)的兒童約束系統(tǒng)側(cè)面碰撞法規(guī)的制訂或評(píng)價(jià)方法的制定提供參考，對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，也具有指導(dǎo)意義。