智能集成式儿童安全座椅的台车正面碰撞试验研究*

张瑞锋,曹立波,陈 亚

(湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)



2015050

智能集成式儿童安全座椅的台车正面碰撞试验研究*

张瑞锋,曹立波,陈 亚

(湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)

为研究智能集成式儿童安全座椅对儿童乘员的保护效果，采用Q6 ATD 6岁儿童假人开展了正确使用四点式安全带和三点式安全带，以及误用四点式安全带3种情形下的正面碰撞台车试验，通过法规中要求的各项儿童假人的损伤指标来评定儿童假人损伤情况。结果表明，正确佩戴四点式安全带和三点式安全带时座椅的保护效果满足法规要求，佩戴三点式安全带的保护性能优于松弛状态下四点式安全带。最后根据试验情况提出了提高四点式安全带约束效果的改进措施。

正面碰撞；儿童假人；损伤指标；儿童安全座椅；安全带

前言

智能集成式儿童安全座椅是为在汽车碰撞中有效避免或减少儿童伤害而设计的一种新型儿童约束系统。文献[1]中首先提出了一款新型集成式汽车儿童安全座椅，适用于3～10岁、身高为996～1 433mm的儿童，其增高坐垫的高度可根据儿童身高在一定范围内无级调整。智能集成式儿童安全座椅上配备的安全带多数是以成人为基准设计开发的成人三点式安全带。文献[2]中为此专门开发了一款具有环形腰带的四点式儿童安全带来配合智能集成式儿童安全座椅使用。由于儿童的特殊性，在研究智能集成式儿童安全座椅对儿童损伤的保护效果中，通过计算机仿真进行研究较多，试验研究较少。同时，儿童约束系统在使用中存在误用现象，因误用而造成的儿童损伤是难以在计算机上准确仿真的。为此，本文中采用Q6假人进行台车正面碰撞试验，以对比真实碰撞中儿童在使用智能集成式安全座椅而佩戴不同形式安全带以及正确和错误使用安全带时儿童的损伤情况。

1 试验方法

1.1 试验设计

统计数据[3]表明，我国交通事故中正面碰撞事故造成的死亡人数是各类事故形态中死亡人数最多的，因此本文中开展了3组台车正面碰撞试验，对比了佩戴四点式安全带但安全带松弛、正确佩戴四点式安全带和正确佩戴三点式安全带3种约束形式下智能集成式儿童安全座椅的保护性能。3组试验的试验条件见表1。

表1 试验组别基本情况

1.2 法规要求

表2为ECE R44、FMVSS 213、JNCAP和GB 27887—2011正面碰撞儿童乘员损伤指标的法规要求[4]。

表2 正面碰撞儿童损伤指标法规要求

1.3 试验台车和儿童假人

碰撞试验使用通过碰撞法规标准验证的台车，智能集成式儿童安全座椅与台车刚性连接。3组试验台车(包括座椅和假人等)的总质量分别为608、609和615kg。3组台车试验状态如图1所示。碰撞加速度波形通过焊接在台车前部的组合吸能筒控制产生，组合吸能筒壁厚、长度、直径等参数已通过前期的仿真得到，台车吸能筒如图1所示。

2 试验结果比较分析

2.1 台车试验加速度信号分析

3组台车试验的碰撞初速度分别为47.98、49.25和48.03km/h。3组台车试验加速度曲线如图2所示，加速度曲线位于法规上限和下限要求的折线限定区间内，各组加速度曲线波形走势基本一致，试验速度和加速度波形均基本满足法规要求。

2.2 儿童假人动态响应

a组试验中，儿童假人出现下潜的趋势，主要原因首先是智能集成式儿童安全座椅与汽车后排座椅前部的连接处的铆钉受到巨大剪切力而失效，儿童安全座椅前倾下沉带动儿童假人下潜；其次是因为松弛的四点式安全带，在碰撞过程中不能及时地对儿童假人起到有效的约束作用；儿童假人臀部中心位置离座椅前沿很近，儿童假人安放时坐姿不对，也是造成假人下潜的一个原因。

b组试验中，座椅的安装固定没有失效，对假人起到了应有的约束作用。通过高速摄像可以看到，当腰带约束起作用后，儿童假人的上躯干才有向前运动的过程，但由于儿童座椅安装时使坐垫平面沿水平面向上倾斜，同时由于环形腰带的约束作用，假人没有明显的下潜。但由于安全带带扣被向外拉出，腰带出现一定松弛，影响了安全带对儿童假人的约束作用。儿童假人在回弹的过程中被斜向上抛起，其背部首先与座椅靠背接触，吸收了大量的动能，颈部没有向后拉伸，避免了颈部出现拉伸-弯曲损伤。

c组试验中，座椅的安装固定没有失效。碰撞过程中三点式安全带的腰带阻止了儿童假人的下潜，肩带限制了儿童假人躯干的向前运动，而头部相对自由继续向前向下运动，颈部向前弯曲，头部-颈部-上躯干变形呈现C形。可见三点式安全带能很好地把儿童假人约束在座椅上。在高速摄像中看到，当儿童假人与安全带作用结束时，也出现了回弹上抛的现象，但c组试验中安全带带扣的固定优于b组，儿童假人上抛时受到腰带更好的约束，上抛距离比b组试验中要小。

2.3 假人伤害指标

表3为试验结果的假人损伤指标。

表3 假人损伤指标

2.3.1 头部伤害指标

图3为试验结果的头部X向加速度曲线。由图可见：试验a头部X向加速度曲线的峰值出现时刻比试验b提前了0.004s，其加速度峰值比试验b高12.31%；试验c加速度峰值出现时刻最早，相比试验a提前了0.024s，相比试验b提前了0.028s，加速度峰值比试验a减小了52%，比试验b减少了46.1%。因为四点式安全带与儿童假人肩部存在间隙，而三点式安全带可以较好地贴合儿童假人肩部。试验a和试验b中头部X向加速度峰值时刻明显晚于试验c，且在碰撞后的0.060～0.075s之间出现了第一个峰值，原因是座椅安全带带扣处存在自由行程，试验a、b中座椅安全带没有及时对儿童假人起到保护作用，使峰值时刻延迟，峰值增高。

图4为头部Y向加速度曲线。由图可见，a、b、c 3组试验头部Y向加速度峰值分别为19.07、4.24和25.73g，峰值出现的时刻分别为0.099、0.103和0.126s。Y向加速度即假人左右方向的加速度，主要因台车与碰撞壁相撞时旋转而产生。试验a和c产生了较大的头部Y向加速度，增大了头部合成加速度。本文中的台车试验产生Y向加速度接近实车碰撞情况，能较准确地模拟真实车辆碰撞。

图5为头部Z向加速度曲线。由图可见，试验b和c的Z向加速度曲线出现两个峰值，第一个峰值是由于腰带与儿童假人胯部作用产生的，第二个峰值是肩带与肩部和胸部作用出现的，第二个峰值均比第一个峰值大。试验a加速度峰值小于试验b和c，肩带没有对儿童假人起到很好的约束作用，加速度值在0.065～0.090s时间段内持续大于40g，在该时间段加速度的作用下，儿童假人出现下潜现象。

图6为头部合成加速度曲线。由图可见，a、b、c 3组试验头部合成加速度峰值分别为84.6g、74.11g和61.79g，峰值出现的时刻分别为0.098、0.102和0.103s。对比试验a和b可知，儿童假人在使用儿童安全座椅的情况下，如果不正确佩戴安全带，其头部不能得到有效保护。a组试验头部合成加速度峰值超过了日本法规规定值，而b组试验满足日本法规要求。试验c中儿童假人在三点式安全带的约束下，头部合成加速度峰值最小，保护性能最佳。

采用ECE R44的测量参考点测量结果，试验a、b和c的头部前向位移分别为501、440和448mm，3组试验均满足要求。a、b、c 3组试验的头部HIC15值分别为594.05、477.01、309.51；HIC36值分别为873.78、545.76、530.02。试验a头部HIC15值大于570，不符合法规要求，试验b和c在法规要求内，表明正确使用安全带时，儿童头部的HIC值能满足法规要求。

2.3.2 胸部伤害指标

图7为胸部X向加速度曲线。由图可见，a、b、c 3组试验的胸部X向加速度曲线都在0.05s左右开始上升，但安全带松动的试验a曲线比试验b、c上升得慢，峰值也较低，表明松动的安全带不能及时地起到保护作用。

图8为胸部Y向加速度曲线，主要也是因台车碰撞过程中出现旋转和跳动而产生的。试验a中的Y向加速度峰值是儿童座椅前部固定失效导致的。

在井下工作面区域探测中，各个探测测点方向上波场变换信号间的相关程度可通过相关系数来衡量，相关系数与相关性评价见表1，相关系数介于1至-1，其绝对值越大，相关性越强，反之则相关性越弱。

图9为胸部Z向加速度曲线。由图可见，试验a和b都出现了多个峰值，儿童假人下潜的原因是座椅靠背与安全带多种因素的作用、儿童座椅前部与汽车座椅连接处断裂失效和儿童安全座椅前倾下沉为主要原因。试验c的曲线起伏比较平缓，但也有2～3个峰值，随后假人回弹。在这个过程中，腰带和肩带配合作用得比较好。

图10为胸部合成加速度曲线。由图可见：试验b的胸部合成加速度在0.063s时刻出现最大值48.85g，比ECE R44法规值略小；试验a在0.065s时刻出现合成加速度最大值44.60g，试验c在0.091s时刻出现合成加速度最大值40.50g，试验a和c的胸部合成加速度均满足法规的要求。试验b胸部合成加速度曲线在0.045s时刻开始上升，再比较试验b头部合成加速度曲线，得知胸部峰值出现时刻要比头部稍早。从试验c曲线可以看出，胸部合成加速度两次峰值出现的时刻相隔较近，大小差别不大，头部的两次峰值之差相比其他两组试验要小很多，说明试验c安全带对胸部约束良好，约束时间较长，碰撞过程中没有对胸部造成二次冲击，因而对头部加速度峰值的降低做出很大贡献。

2.3.3 安全带力

图11为腰带力曲线。由图可见：试验a腰带力最小，未能起到很好的保护作用，以至于头部合成加速度峰值时刻延迟，峰值偏大；试验b中腰带力在0.081s时刻处就下降，作用的时间较短，主要靠肩带约束儿童假人，前期腰带没有起到很好的约束作用，而在后期肩带承受的力过多，从而导致头部加速度峰值和前向位移较大。

图12为肩带力曲线。由图可见，试验a、b的肩带力都偏小，儿童倚靠座椅靠背乘坐时，由于靠背的倾斜，在佩戴四点式安全带腰带时，肩部与肩带有少量的距离形成少许空隙，影响了安全带的约束作用。为避免出现空隙影响对假人保护，可以考虑调整座椅靠背倾角，设计特殊的导向滑环，在安全带与假人肩部填充海绵状物质，碰撞前预紧安全带等。试验c的腰带与假人的作用时间较长，肩带与假人作用的时间较短，在二者的协同作用下，安全带对假人起到了很好的约束作用。试验c中肩带力显著大于试验a和b，表明腰带和肩带在碰撞过程中及时起到了很好的约束作用，而且约束的时间长，因此胸部和头部合成加速度峰值比其他两组试验得到的数值小，而试验a和b肩带与假人肩部存在一些间隙，碰撞过程中产生了二次冲击，这二次冲击直接导致试验a和b的头部和胸部合成加速度峰值上升。

2.3.4 假人伤害指标比较

文献[5]中进行了几组6岁Hybrid III假人试验，结果如表4所示。

表4 试验得到的假人损伤峰值

对比表4和表3可以看出，本文中a、b和c 3组试验的头部前向位移量分别为501、440和448mm，均比文献[5]中试验直接使用Std和ASC增高坐垫要小。试验a、b和c的HIC36值分别为873.78、545.76、530.02，也都比文献[5]中的各组试验结果小。儿童安全座椅在降低头部前向位移量和HIC36值方面均优于Std和ASC增高坐垫。

试验a、b和c的胸部合成加速度分别为44.60g、48.85g和40.50g，试验b的合成加速度值比文献[5]中使用Std增高坐垫、佩戴类四点式安全带时大。只有在佩戴三点式安全带时，使用智能集成式儿童安全座椅的胸部合成加速度值才均小于文献[5]中试验的对应值。

3 试验结果讨论

3.1 关键问题

碰撞过程中儿童头部活动到最大的位移时，会有一个回弹过程。为更好地保护儿童头部和颈部，须在后排中间座椅安装头枕。

儿童倚靠智能集成式儿童安全座椅靠背乘坐并佩戴四点式安全带时，肩带与儿童假人肩部存在间隙，影响了安全带的约束性能。上肩带与儿童肩部的间隙对儿童的保护性能有很大影响。由于三点式安全带能更好地贴合儿童假人肩部，试验结果表明，使用儿童安全座椅时佩戴三点式安全带对儿童假人的保护性能优于松弛状态下的四点式安全带。如要采用四点式安全带，则须采取措施使安全带在佩戴过程中或在碰撞过程中肩带与儿童肩部的间隙最小。可以考虑调整座椅靠背、设计特殊的导向滑环、在安全带与假人肩部填充海绵状物质、碰撞前预紧安全带等措施。例如佩戴海绵护垫，不仅可以减少间隙而且能避免在碰撞过程中安全带割伤儿童颈部，使用预紧式安全带可以在碰撞前对儿童肩部进行预紧。

胸部合成加速度峰值在试验碰撞中先于头部合成加速度峰值出现。安全带误用是另一个问题，座椅上带扣的松紧程度也会对儿童假人的损伤造成重大影响。腰带应与肩带共同配合作用，腰带在碰撞中对假人首先起到约束作用，作用时间长，承受载荷较大。肩带对假人的约束力可以降低胸部合成加速度和头部合成加速度峰值的大小。

碰撞后，腰带首先对儿童假人作用，这是对儿童假人起保护作用的第一个环节，而在后面阶段腰带可抑制儿童假人回弹时的上抛。

试验验证了具有环形腰带的四点式儿童安全带对防止儿童“下潜”的保护作用明显。座椅的失效导致其前倾下沉，而使儿童假人出现下潜的趋势。下潜会造成两种严重后果，一是儿童会被四点式安全带勒住脖子，对其颈部造成割伤性损伤，同时对儿童喉咙造成挤压性损伤，严重时甚至会造成窒息死亡；二是假人对安全带有冲击作用，会导致儿童损伤增大，且儿童假人身体回弹时，其头部会沿斜后方撞击座椅，若后排座椅中间没有安装保护头枕，会对儿童的颈部造成拉伸-弯曲损伤[6]，第一或第二颈椎骨容易发生骨折，对头部会造成颅脑撞击损伤。通过a组试验得知，四点式安全带的环形腰带能够阻止儿童假人进一步“下潜”，如果没有环形腰带，假人会沿着座椅滑出去；但四点式安全带的Y形肩带在儿童下潜时会对其颈部造成致命损伤。

3.2 限制条件

由于试验条件的局限性，文中仅研究同一种汽车智能集成式儿童安全座椅安装在相同的汽车后排座椅上的情况，采用两种不同的安全带约束进行6岁儿童假人的正面台车碰撞试验。

文献[7]中的研究指出，儿童在使用儿童安全座椅时往往坐得更懒散，而不是试验中假人坐姿那么标准。安全带腰带在初始约束时很可能约束在儿童的腹部，这会增加儿童下潜和腹部的穿透，试验a也证实了这个观点。

头部和胸部的加速度曲线及头部的前向位移可能还存在其他影响因素，如本文中的四点式安全带是自行设计加工生产的，由于工艺水平的原因和带扣的自由行程，导致试验结果差于三点式安全带的约束。另外，儿童乘员在安全座椅上的坐姿也是碰撞过程中影响智能集成式儿童安全座椅保护性能的重要因素。

4 结论

通过试验和比较文献数据，研究结果表明，儿童乘员在智能集成式儿童安全座椅上正确佩戴具有环形腰带的四点式安全带和三点式安全带的保护性能满足法规要求，且比直接在后排座椅或在增高坐垫上佩戴安全带的保护效果要好。

使用具有环形腰带的四点式安全带中的腰带采用环形结构，能约束儿童乘员“下潜”，在正确使用具有环形腰带的四点式安全带情况下，肩带与儿童假人肩部仍有一些空隙，在本试验研究中的儿童假人佩戴具有环形腰带的四点式安全带时呈现松驰状态，其保护效果不如直接使用三点式安全带，头部响应不满足法规要求。可以通过增加保护头枕、设计特殊的导向滑环、使用中调整座椅靠背、减少座椅带扣行程、在安全带与假人肩部填充海绵状物质、碰撞前预紧安全带等配合提高具有环形腰带的四点式安全带的约束效果。

[1] 任锡娟,曹立波,欧阳志高.集成式汽车儿童安全座椅的设计与仿真[J].汽车工程,2009,31(12):1133-1135.

[2] Cao Libo, Zhang Ruifeng, et al. Frontal Crash Protection Performance of Integrated Child Safety Seat[C]. SAE Paper 2013-01-1160.

[3] 中华人民共和国交通道路事故统计年报[G].无锡:公安部交通管理局,2004～2011.

[4] 胡佳,钟志华.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,2008.

[5] Brown J, Wainohu D, Aquilina P, et al. Accessory Child Safety Harnesses: Do the Risks Outweigh the Benefits?[J]. Accident Analysis & Prevention,2010,42(1):112-121.

[6] 曹立波,张瑞锋,刘曜.儿童乘员损伤机理及保护措施研究[J].汽车工程学报,2012,1(2):23-28.

[7] Reed M P, Ebert-Hamilton S M, Manary M A, et al. Improved Positioning Procedures for 6YO and 10YO ATDs Based on Child Occupant Postures[J]. Stapp Car Crash Journal,2006,50:337-388.

A Study on Frontal Crash Sled Test for Intelligent Integrated Child Safety Seat

Zhang Ruifeng, Cao Libo & Chen Ya

HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082

To study the protective effect of intelligent integrated child safety seat for children occupants, frontal crash sled tests are conducted using Q6 ATD dummy with intelligent safety seat plus three schemes of safety belt use: correct use of four-point safety belt and three-point safety belt, and misuse of four-point safety belt. The injury situation of child dummy is assessed by various injury criteria defined in regulations. The results show that the protective effects of the correct use of four-point safety belt and three-point safety belt meet the requirements of regulations, and the protection performance of three-point safety belt is superior to that of four-point safety belt with inadequate tension. Finally improving measures are put forward for enhancing the restraint effects of four-point safety belt based on test situations.

frontal crash; child dummy; injury criteria; child safety seat; safety belt

*国家863计划项目(2012AA111802)和2013年湖南省研究生科研创新项目(CX2013B151)资助。

原稿收到日期为2013年7月3日，修改稿收到日期为2013年9月27日。