儿童约束系统动态试验安全带峰值张力规律研究

张晓龙,胡经国,魏聚周,杜志豪

(1.中国汽车技术研究中心，天津 300300；2.卡达克机动车质量检验中心(宁波)有限公司，浙江宁波 315336)

儿童约束系统动态试验安全带峰值张力规律研究

张晓龙1,胡经国2,魏聚周2,杜志豪2

(1.中国汽车技术研究中心，天津 300300；2.卡达克机动车质量检验中心(宁波)有限公司，浙江宁波 315336)

对采用汽车安全带固定的儿童座椅动态试验数据进行整理分析，研究碰撞过程中安全带峰值张力的大小及规律。首先，根据假人质量及安全带路径规律对试验数据进行分类，然后对各类试验的安全带峰值张力进行统计分析，得到如下结论：安全带峰值张力不超过7 kN；0和0+组后碰试验中肩带峰值张力小于腰带峰值张力，但是张力水平较小；正碰试验中肩带峰值张力均大于腰带峰值张力，且随着假人质量的增大，安全带张力水平也逐渐增大。此研究成果可以为儿童约束系统导向件的设计提供指导。

儿童约束系统；安全带张力；导向装置；动态试验

0 引言

随着国内外法律法规的健全以及人们行车安全意识的提高，儿童约束系统作为保护儿童乘员[1]、从而有效减轻甚至免受汽车碰撞事故伤害的保护装置，得到越来越多学者的关注。目前对于儿童座椅的研究主要借助有限元工具，并集中在以下几个方面：(1)针对某款儿童座椅的结构进行改进设计，使得碰撞过程中假人头部位移以及假人损伤值降低[2-3]；(2)对儿童座椅误使用安全性进行分析[4-6]，为儿童座椅易用性评价提供依据；(3)进行基于整车碰撞的儿童假人伤害研究，通过改善某些结构的形状及刚度，实现儿童座椅与整车的匹配[7-8]。

采用有限元分析方法对儿童座椅进行结构的优化设计，从而满足法规的各项要求，可以缩短产品的开发周期，减少开发费用[9]。但是目前儿童座椅制造商多为微型企业，科研实力欠缺，不得不依靠经验或主观判断进行产品的设计，从而造成市场上的儿童座椅产品质量参差不齐。作者立足于大量试验案例，挖掘试验数据的关联性，总结出普适性规律，以期对儿童座椅的设计起到指导作用，具有较现实的意义。文中主要针对利用汽车安全带固定的儿童约束系统进行研究，重点关注碰撞过程中安全带(包括肩带及腰带)峰值张力对儿童座椅结构强度的影响规律。

1 安全带峰值张力对儿童座椅结构的影响分析

目前中国市场上流行的儿童座椅产品主要有两种：(1)采用汽车ISOFIX固定点外加抗翻转装置，实现对儿童约束系统的固定；(2)采用汽车安全带约束儿童座椅(或者儿童)[10-11]。文中主要研究第二种情况。

在对采用三点式安全带进行约束的儿童座椅进行动态试验时，需按照厂家提供的安全带走向示意图，并在腰带及肩带处安装张力传感器，将张力预紧至(50±5)N的水平，完成座椅及假人的安装。儿童座椅产品上经常会设置一些安全带通过装置，如图1—3所示，根据GB27887-2011规定，动态试验过程中，该结构不应发生断裂破坏[10]。

图1 导向钩 图2 导向装置 图3 B类锁止装置

在碰撞瞬间，安全带张力达到数千牛，如果这些导向或锁止装置强度不足以抵抗安全带张力突变带来的冲击，则会断裂，造成试验不通过。由于儿童座椅碰撞模型是一个高度非线性的系统，采用理论计算方法来获得碰撞瞬间的峰值张力非常困难。因此，通过分析大量试验数据，得到安全带峰值张力的大小规律，不失为一种行之有效的办法。

2 动态试验安全带峰值张力分析

2.1 试验数据分类

选取了359次试验的结果数据进行分析，由于在0和0+组试验中，座椅及假人需要后向安装，假人质量较小且差别不大，归为一类进行分析。通过对大量试验样品研究发现，Ⅱ、Ⅲ组的安全带走向大多一致，因此将Ⅱ、Ⅲ组的P6假人试验也归为一类，其余按假人及组别进行分类。分类完成后共有0和0+组、Ⅰ组P3/4、Ⅰ组P3、Ⅱ组P3、Ⅱ/Ⅲ组P6、Ⅲ组P10共6种情况，各类情况样本数量如图4所示。

图4 各类情况样本数量

2.2 试验数据分析

图5为全部试验样本安全带峰值张力分布，可以看出，大多数试验中，肩带峰值张力大于腰带峰值张力，但不超过7 kN，因此可以将7 kN作为儿童座椅导向装置材料的选取指标。

图5 全部试验的峰值张力分布

从图6—11中可以看出:正碰时肩带峰值张力普遍大于腰带峰值张力，这是由于在正碰过程中，假人臀部除受腰带约束外，还受到座椅坐垫的摩擦[12]，而假人骨盆以上的部位仅受到肩带的约束，假人胸部及头部相对下肢发生较大的前向位移，因此肩带的拉伸变形也更大一些。但从图12中可以看出：后碰时这种情况刚好相反，腰带峰值张力处于较高水平，但峰值张力水平总体较小，这是由于在假人后向安装后碰试验中，座椅及假人由于惯性会产生向试验座椅靠背方向的翻转运动，此时，假人及座椅上半部分靠近座椅靠背，而下半部分远离，导致肩带松弛，甚至完全松弛，而腰带张紧。在后期反弹的过程中，肩带张力才会达到峰值水平。

图6 0和0+组正碰安全带峰值张力分布

图7 Ⅰ组P3/4正碰安全带峰值张力分布

图8 Ⅰ组P3正碰安全带峰值张力分布

图9 Ⅱ组P3正碰安全带峰值张力分布

图10 Ⅱ/Ⅲ组P6正碰安全带峰值张力分布

图11 Ⅲ组P10正碰安全带峰值张力分布

图12 0和0+组后碰安全带峰值张力分布

表1所示为不同情况的安全带平均峰值张力，可以看出：随着假人质量的增大，峰值张力平均水平也逐渐增大。根据能量守恒定律可知，假人及座椅的动能应等于儿童座椅本体变形储存的弹性势能、安全带绷紧所产生的弹性势能以及各部件之间的摩擦消耗等之和。假人质量增加导致碰撞总体能量的增加，因此安全带需要产生更大的张力用于抵抗假人的运动。

表1 安全带平均峰值张力 kN

2.3 试验案例分析

在对某款儿童座椅进行Ⅲ组P10假人动态试验时，其肩带处安全带导向钩断裂 ，如图13所示，碰撞过程中肩带峰值张力为5.584 kN。厂家根据此峰值张力制定导向钩材料的选用原则，在换用耐冲击强度更高的塑料后，动态试验后的表现优异(见图14)。

图13 第一次试验高的塑料后的试验 图14 更换为耐冲击强度更

3 结论

在分析359次试验数据的基础上，得到了如下结论：

(1)碰撞试验过程中，安全带峰值张力不会超过7 kN，该结论可作为导向装置的设计选取依据；

(2)0和0+组后碰试验中肩带峰值张力小于腰带峰值张力，但是张力水平较小；

(3)正碰试验中，肩带峰值张力大于腰带峰值张力，且随着假人质量的增大，安全带张力水平也逐渐增大。

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ResearchonSafetyBeltPeakTensionofChildRestraintSystemDynamicTest

ZHANG Xiaolong1,HU Jingguo2,WEI Juzhou2,DU Zhihao2

(1.China Automobile Technology & Research Center，Tianjin 300300，China；2.CATARC Automotive Quality Ispection Center (Ningbo)Co.,Ltd.，Ningbo Zhejiang 315336，China)

The safety belt peak tension was studied based on dynamic test data of child restriant system fixed by car safety belt.Firstly, the test data were classified according to weight of dummy and safety belt path, then each kind of belt peak tension was analyzed.The conclusions are that the safety belt peak tension is not more than 7 kN;shoulder belt peak tension is smaller than the lap belt peak tension in the rear impact of 0 and 0+group, but the tension level is low;oppositely the shoulder belt peak tension is greater than the lap belt peak tension in the frontal impact, and safety belt tension level increases gradually with the increase of dummy weight.The research results can provide guidance for the design of child restraint system.

Child restraint system;Safety belt tension;Guiding device; Dynamic test

2017-06-12

张晓龙(1978—)，男，研究生，高级工程师，研究方向为汽车被动安全。E-mail：zhangxiaolong@catarc.ac.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.10.015

U467.3

B

1674-1986(2017)10-063-04