儿童乘员伤害指标及下潜趋势的影响因素*

唐亮 吴滔滔 周青 邓滨

(1.北京林业大学工学院，北京100083;2.清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084;3.通用汽车中国科学研究院，上海201206)

在目前的欧美国家关于儿童乘员安全的法规ECE R44 和 FMVSS213［1-2］中，其损伤评估标准基于假人头部加速度、头部位移、胸部加速度和颈部受力等，但没有腹部的相关评价标准.Kate等［3］指出，在儿童乘员碰撞保护中，头部仍是首要保护的部位，腹部保护的重要性逐渐增加.腹部伤害主要由下潜造成，下潜是指在正面碰撞过程中安全带腹带滑离乘员骨盆，直接侵入腹部的现象，腹带侵入腹部易引起内脏伤害.儿童由于身材较小，易发生下潜［4］.Arbogast等［5］通过统计交通事故中16岁以下儿童的伤害情况，得出4岁到8岁儿童的腹部损伤比例最高，是9岁到16岁儿童的2.6倍，3岁以下儿童的24.5倍.在已有的研究中，针对儿童乘员的下潜研究较少，主要是缺乏对于儿童乘员的下潜评估方法.文中提出了一个儿童乘员的下潜评估准则，即安全腹带相对腹部的最大滑移量，同时提出了减小儿童乘员下潜趋势的设计.

文中提出的减小儿童乘员下潜趋势的方法是使用增高垫并结合使用针对儿童乘员的安全带限力器和预紧器.现有安全带限力器和预紧器的设计是针对成年乘员［6-7］.Mertz等［8］发现 6kN 限力器能够将混Ⅲ50th假人胸部压缩量降低40%.针对成人设计的限力值对于儿童乘员相对偏高，会增加儿童在碰撞中的伤害.文中针对6岁儿童乘员，优化出儿童乘员的限力器限力值.现有的研究都是针对卷收器预紧器、锁扣预紧器［9］，对于安全带固定点处增加锚点预紧器对儿童乘员的保护效果目前还没有相关研究.文中研究了锚点预紧器对儿童乘员的保护效果，并优化得出儿童乘员所需的预紧量.

1 仿真平台描述

利用本实验室前期采用逆向工程方法搭建MADYMO环境下的儿童约束系统仿真平台，如图1所示［10］.该仿真模型针对汽车后排座椅环境，模型包括:汽车后排座椅、成人安全带、儿童增高垫、汽车前排座椅椅背等.其中汽车后排座椅模型和儿童增高垫模型为有限元模型，汽车前排座椅为Facet模型，成人安全带系统为多刚体和有限元混合模型.增高垫有限元模型如图2所示.增高垫的材料参数由材料试验测得.

图1 汽车后排座椅环境下的儿童约束系统模型Fig.1 Model of child restraint system in vehicle rear seat

图2 增高垫有限元模型Fig.2 Finite element model of booster seat

研究中采用MADYMO假人数据库中的HybridⅢ系列6岁多刚体儿童假人模型.安全带的布局和后座环境的尺寸通过测量某款中级车型获得.汽车坐垫的刚度参考了ECE R44台车试验的要求，卷收器、预紧器、限力器等参数的定义参考了MADYMO提供的模板，坐垫与增高垫之间摩擦系数和假人与增高垫之间摩擦系数通过摩擦试验获得，所有的仿真试验在49 km/h台车试验的环境下进行，台车所经历的加速度脉冲是从一个ECE R44台车试验中获取的，如图3所示.

图3 ECE R44台车试验测试得到的加速度脉冲Fig.3 Acceleration curves obtained by ECE R44 sled test

2 儿童座椅约束系统控制参数研究

目前安全带限力器和预紧器针对成人设计，对成年乘员具有很好的保护效果，儿童乘员所用的安全带限力器的限力值和预紧器的安装位置究竟应该如何设置才能够对儿童乘员给予适当保护是一个值得研究的问题.文中针对儿童增高垫约束系统对这两个参数进行研究.如前文所述，增高垫改变了儿童乘员的坐高以及安全带肩带和腹带相对乘员的走向，所以安全带限力器的限力值和预紧器的安装位置必须在增高垫和儿童乘员身材的限定条件下相匹配.根据儿童乘员在交通事故中的主要受伤情况，分析时重点关注下潜风险以及头部和胸部损伤指标，为了量化发生下潜的趋势，仿真结果输出了XZ平面内安全带腹带相对腹部的最大滑移量，滑移量越大说明下潜趋势越明显.

2.1 安全带预紧器影响

为研究预紧器在儿童增高垫约束系统中对儿童乘员碰撞响应以及保护效果的影响，通过改变预紧器的安装位置，分析了如表1所示的4种工况，其中卷收器预紧器是从肩带一端预紧，锚点预紧器是从腹带一端预紧，预紧器的预紧量是通过优化计算得到的在此工况下具有最低伤害的最佳预紧量.

表1 预紧器工况Table 1 Load cases for pretensioner

在普通的汽车座椅安全带系统里，安全带肩带可以通过带扣滑环滑入腹带部分，腹带也同样可以通过带扣滑环滑入肩带部分.在带扣滑环处使用安全带双向锁止器，可防止安全带肩带和腹带通过带扣滑环的滑动，有可能增加保护效果.工况4中使用了这样的安全带双向锁止器.

表2列出了4种工况下的仿真计算结果，包括儿童乘员的损伤指标及腹带滑动距离对比.腹带滑移量越大表示儿童乘员的下潜趋势越大.如果腹带滑离髋部髂骨(假人中有对应的硬结构)的支撑，侵入了腹部软组织，即发生了下潜.对于6岁假人，结合仿真动画和对假人的测量能够得到临界腹带滑动量(刚好发生下潜时，腹带的滑动量)为30mm.儿童乘员碰撞过程中的头部、胸部合成加速度时间历程的对比如图4(a)、(b)所示.骨盆向后转角时间历程曲线如图4(c)所示，而乘员的下潜趋势随骨盆向后旋转角度的增大而增加［11-12］.

表2 不同预紧器工况下损伤指标响应峰值Table 2 Injury indexes and peak values in different pretensioner cases

图4 不同预紧器工况下的假人响应曲线对比Fig.4 Comparisons of impact responses of dummy in different pretensioner cases

仿真工况2中在卷收器处增加了预紧器，与基准模型相比，比较表2中的头部损伤指标可见，增加预紧量有利于降低头部损伤指标HIC和头部前向最大位移;由颈部损伤指标比较可见，尽管幅度不大，但肩带预紧还是可以降低颈部损伤指标Nij;由胸部损伤指标比较可见，肩带预紧，会减少胸部3ms合成加速度和胸部压缩量，胸部垂直加速度有所增加，但远小于法规规定值;由下潜指标可见，腹部滑移量由基准模型的31 mm降低为23 mm，表明下潜趋势降低.这是由于适当增加肩带预紧量，腹带通过滑环进入肩带，有利于减少腹带间隙，减小了骨盆向前运动的位移，从而减小骨盆后向转角(如图4(c)所示)，降低了下潜风险.

仿真工况3中在锚点处加预紧器有利于减小头部、颈部和胸部位移，但却有较大的腹部滑移量，即较大的下潜风险，这是因为锚点处的预紧器在预紧时，肩带通过滑环滑入腹带，致使肩带间隙减小，腹带间隙却无显著减小.在安全带锁扣处加上安全带双向锁止器(工况4)，防止了肩带和腹带之间的相互滑动，所以肩带间隙不会减小，上身前向运动趋势增加;腹带间隙减小，骨盆前向运动减少，从而减小了腹带滑移量，即减小了乘员的下潜风险，但由于安全带肩带部分依然有较大的间隙，从而造成了较大的头部、颈部和胸部伤害值.

综上所述，增加卷收器预紧器能够降低假人与约束系统的初始间隙，降低假人的各项损伤指标，增加锚点预紧器同样能够降低主要损伤指标，但却增加了下潜的风险.预紧器对下潜的影响与预紧位置有关，若要消除下潜趋势，需要结合肩带限力器引起的胸部“前倾效应”.下面一节将对限力器的影响进行讨论.

2.2 肩带限力器影响

现有的安全带限力器是针对成年人设计的，不能对儿童乘员起到很好的保护作用.文中通过改变安全带限力器限力值，设计分析了3种工况对儿童乘员的保护效果，如表3所示.限力器的位置在卷收器处，限力值分别为2.5和4.0kN.基准模型中没有限力器.3种工况的仿真计算损伤指标及响应参数峰值对比如表4所示，加速度时间历程曲线和胸部压缩量曲线分别如图5(a)、(b)、(c)所示.

表3 限力器工况Table 3 Load cases for load limiter

表4 不同限力器工况下的损伤指标响应峰值Table 4 Injury index and peck values in different load limiter cases

图5 不同限力器工况下的假人响应曲线对比Fig.5 Comparisons of impact responses of dummy in different load limiter cases

仿真工况2中限力值为2.5 kN，比较表4所示的胸部损伤指标可见，减小限力值，有利于减小胸部最大3ms合成加速度以及胸部压缩量.从骨盆相对角位移(如图5(d)所示)和腹带相对腹部滑移量可以看出肩带限力器能够降低下潜风险.骨盆后向角位移越大，下潜风险越大;峰值的时间点越早，说明假人的“前倾效应”引起盆骨相对胸部提前反弹，下潜趋势被抵消，引起反弹的因素正是上身的“前倾效应”(如图6所示).

限力值4.0kN情况下(工况3)，各损伤指标和响应参数与基础模型区别不大.说明对于6岁儿童，4.0kN的肩带限力值过大，对乘员的响应影响不明显.

综上所述，对于6岁儿童，使用2.5 kN左右的肩带限力器可降低假人的胸部伤害指标，并通过假人胸部的“前倾效应”抵消了下潜趋势.

图6 肩带限力对假人运动姿态的影响(动画时刻为150ms)Fig.6 Effect of load limiter force of shoulder belt on dummy posture(animation time:150ms)

3 结论

文中通过进行儿童乘员约束系统的碰撞仿真优化分析，针对6岁儿童乘员使用增高垫和安全带，得出以下结论:

(1)卷收器预紧器能减小安全带肩带和腹带的初始间隙，有利于减小儿童乘员头部、颈部和胸部伤害值，同时减小儿童乘员的下潜风险.

(2)锚点预紧器能通过滑环减小肩带的初始间隙，从而减小头部胸部的伤害值，但会增加了下潜风险，可以通过安全带锁止器来限制肩带和腹带的相互滑动来减小下潜风险.

(3)广泛用于降低成年乘员碰撞伤害的4.0 kN卷收器式限力器对儿童不能起到明显的保护效果.对于6岁儿童，在卷收器处加2.5 kN的限力器可有效减小儿童乘员胸部加速度和胸部压缩量，也能降低下潜趋势.

［1］Goldwitz J，Van A W.FMVSS child occupant protection regulations［C］∥Society of Automotive Engineers.Detroit:［s.n.］，2006:2006-01-113.

［2］Bell R，Burleigh D.An empirical comparison of the FMVSS 213 and ECE R44.03 standards for child restraints［C］∥Society of Automotive Engineers.Detroit:［s.n.］，1997:973312.

［3］Kate D J，Michiel V R，Philippe L，et al.Assessing new child dummies and criteria for child occupant protection in frontal impact［C］∥Proceeding of the 19th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles(ESV).［S.l.］:［s.n.］，2005.

［4］胡佳.基于试验和有限元仿真的儿童乘员正面和侧面碰撞安全研究［D］.长沙:湖南大学机械学院，2008.

［5］Arbogast K B，Chen I，Nance M L，et al.Predictors of pediatric abdominal injury risk［J］.Stapp Car Crash Journal，2004，48:479-494.

［6］Klinich K D，Pritz H B，Beebe M S，et al.Survey of older children in automotive child restraints［C］∥Society of Automotive Engineers，Detroit:［s.n.］，1994:942222.

［7］Bilston L，Sagar N.Geometry of rear seats and child restraints compared to child anthropometry ［J］.Stapp Car Crash Journal，2007(51):175-198.

［8］Mertz H J，Horsch J D，Horn G，et al.Hybrid Ⅲ sternal deflection associated with thoracic injury severities of occupants restraint with force-limiting shoulder belts［C］∥Society of Automotive Engineers.Detroit:［s.n.］，1991:910812.

［9］Rooij L V，Sherwood Z.The effects of vehicle seat belt parameters on the injury risk for children in booster seats［C］∥Society of Automotive Engineers.Detroit:［s.n.］，2003:2003-01-0500.

［10］林喆.基于车体缓冲理论的增高垫儿童约束系统碰撞安全性分析［D］.北京:清华大学机械学院，2011.

［11］Nilson G，Haland Y.An analytical method to assess the risk of the lap belt slipping off the pelvis in frontal impacts［C］∥Society of Automotive Engineers.Detroit:［s.n.］，1995:952708.

［12］Couturier S，Faure J，Satu R，et al.Procedure to assess submarining in frontal impact［C］∥Proceedings of 20th International Conference on Experiential Safety Vehicle(ESV).France:［s.n.］，2007.