ECE R129侧面碰撞中儿童乘员损伤规律研究

徐 哲，高冠宇，叶其林，李世成

(1. 中国汽车技术研究中心 天津300300；2. 江苏安用座椅科技有限公司 江苏镇江212100)

0 引 言

在交通事故中，儿童作为弱势群体，其伤亡的概率远大于成年人。据统计，全球每年有超过 26万名儿童在汽车碰撞事故中死亡，将近1,000万名儿童在事故中受伤[1]。虽然随着儿童约束系统的引入，儿童乘员的保护得到明显的改善，但交通事故依然是导致0～14岁儿童死亡的第二大原因[2-3]。而我国每年有超过1.85万名14岁以下儿童死于交通安全事故，死亡率是欧洲的2.5倍、美国的2.6倍[4]。因此儿童的乘车安全性越来越受到国家、社会和家庭的重视。

对于儿童约束系统法规，目前在国际上认可度较高的主要是美国联邦机动车安全标准委员会制定的FMVSS 213和欧洲经济委员会制定的ECE R44，这两个法规被很多国家采用。我国现行的2011年颁布的《机动车儿童乘员用约束系统》基本内容也与ECE R44一致。但是这些法规普遍关注儿童约束系统的正面和后面碰撞的安全性能，并没有关注儿童约束系统的侧面碰撞保护性能。但是研究报告指出，近年来，侧面碰撞已成为造成儿童伤亡的主要原因之一，从易受伤程度来讲，并不低于正面碰撞。在侧面碰撞中，有1/3的儿童乘员受到AIS,3+级的损伤[5]，41%,的儿童乘员受到MAIS,2+级的损伤[6]。

因此在2013年7月9日，欧洲经济委员会在原有R44的基础上推出了R129新法规，并将在未来几年缓冲期后取代R44法规。ECE R129分3个阶段推出，与 R44相比，其引入了“I-size”的概念，重新以身高定义了儿童约束系统组别的划分，使用生物仿真度更高的 Q系列假人代替 P系列假人，更为重要的是在动态试验中增加了侧面碰撞评价要求，能更加全面的评估儿童约束系统的动态性能。但是由于试验条件所限，目前国内针对 R129侧面碰撞儿童乘员损伤防护方面的研究还比较匮乏。

为此，本文依据 ECE R129法规测试要求，针对某款儿童约束系统进行侧面碰撞台车试验，分析在侧面碰撞中不同假人、不同安装方向下假人的损伤规律，探究侧面碰撞中儿童约束系统保护效果的影响因素，也为其他儿童约束系统的设计开发提供参考。

1 试验方案

1.1 试验方法

利用加速式台车进行试验，将侧面碰撞夹具安装在台车台面上，如图1、2所示。刚性座椅安装在门台车的滑轨上，门板与门台车刚性连接，加速式台车带动门台车及门板朝刚性座椅运动，利用固定在刚性座椅上的蜂窝铝控制刚性座椅与门板的相对速度，满足图3所示的门板对地面速度、门板与刚性座椅相对速度的要求。

试验选取某型号儿童约束系统，安装方式为ISOFIX下固定点系统固定，抗反转结构为支撑腿，依据R129法规试验程序进行试验。

图1 侧面碰撞试验设备示意图Fig.1 Schematic of side impact test equipment

图2 侧面碰撞试验设备Fig.2 Equipment used in the side impact test

图3 侧碰试验速度波形要求Fig.3 Speed waveform of the side impact test

1.2 试验假人与测试矩阵

目前，全球存在4种儿童假人用于儿童约束系统测试，即 P系列儿童假人、Q系列儿童假人、CRABI儿童假人和 HIII儿童假人，后两者在美国和日本测试中被采用，前两者主要应用在欧洲和我国。R129法规将 Q假人作为 P假人的升级替代产品，其结构完全不同，优秀的生物仿真度和最新的人体测量学数据都体现在其身上。Q 系列假人包括：Q0、Q1、Q1.5、Q3、Q6、Q10，分别对应新生儿、1 岁儿童、1.5岁儿童、3岁儿童、6岁儿童、10岁儿童。

该款儿童约束系统身高覆盖范围为 0～105,cm，其设计为身高为 105,cm以下可以使用后向安装，83～105,cm使用前向安装，因此依据R129法规中身高和适用假人的对照表(见表 1)可以列出侧面碰撞动态测试矩阵(见表2)，根据测试矩阵进行5次动态试验，分别为 Q3假人前向和后向安装，Q1.5假人前向和后向安装，以及Q0假人后向安装5种状态。

表1 R129法规儿童身高和适用假人的对照表Tab.1 Children heights and applicable dummies according to R129 regulation

表2 侧面碰撞动态测试矩阵Tab.2 Matrix of the side impact test

1.3 侧面碰撞损伤指标

在 R129法规中，对于儿童约束系统的侧面保护性能主要侧重于对儿童头部的保护，具体要求如下：头部不得与门板接触；头部不得超过由位于门板顶端红线确定的垂直平面；其他伤害指标及其限值如表 3。

表3 侧面碰撞伤害指标及其限值Tab.3 Assessment criteria of the side impact injury

2 试验结果

2.1 试验波形输入对比

5次试验中门板相对于地面的速度以及门板与座椅的相对速度波形如图4所示。5次试验的速度均落在通道上下限范围之内，满足测试方法要求，试验输入一致性很好，为假人伤害分析提供了可比性的前提条件。

图4 侧碰速度波形对比Fig.4 Speed waveform comparison of the side impact

2.2 假人伤害对比分析

碰撞过程运动状态由高速摄像获取，图5为其中一次试验中各关键时刻的假人姿态，分别为t＝0,ms时，侧碰门板刚刚与蜂窝铝接触；t＝18,ms时，门板刚刚与儿童约束系统发生接触；t＝50,ms时，假人头部与碰撞侧的头枕发生碰撞，随后假人头部相对座椅向另一侧移动，直到t＝80,ms时，门板与儿童约束系统分离；假人随儿童座椅一起向另一侧继续移动，在t＝170,ms时，假人头部与另一侧的头枕发生碰撞。从碰撞过程可以得知，头枕对儿童头部保护起到关键的作用。

5次动态试验结果如表 4所示，R129法规中只对头部伤害指标和头部 3,ms加速度有限值要求，颈部指标是仅进行监控，胸部伤害指标没有纳入。但是我们试验中对这些损伤指标全部进行了采集，并且探究其规律。可以看出：侧面碰撞试验对儿童损伤最为严重的区域是头部，而且随着假人年龄的减小，伤害值呈增高的趋势。第5次测试Q0假人头部伤害指标和头部3,ms加速度均超出了限值的要求。

图5 碰撞过程中假人姿态Fig.5 Dummy movement during collision

胸部加速度也同样呈现出以上趋势，随着假人年龄的减小，伤害值增高。在侧面碰撞中，儿童胸部所承受的冲击其实比正面碰撞要强烈，因为座椅直接与门板发生碰撞，这种情况下儿童座椅侧面碰撞吸能效果差，且儿童安全带保护效果不能充分发挥，胸部3,ms合成加速度达到了 55,g以上，均超出正面碰撞的限值要求。

从表4中还可以看出，相同假人在侧面碰撞中正向和后向安装，假人损伤情况呈现出一定的规律。对于头部和胸部来讲，正向安装的伤害值大于后向安装，但是上颈部拉力和弯矩正好相反，正向安装的伤害值小于后向安装。虽然R129法规目前对于颈部损伤指标还处于观察状态，但数据的前期积累和统计也是十分重要的。

表4 侧面碰撞动态试验结果Tab.4 Dynamic test results of the side impact

3 侧面碰撞儿童损伤影响因素分析

试验结果表明该款儿童约束系统在受到侧面撞击过程中对较小儿童的头部保护性能不佳，Q0假人头部伤害指标和头部加速3,ms合成值超出限值要求。因此从以下角度分析对儿童损伤的影响因素，并对儿童约束系统进行改进。

3.1 头枕形状和材料的影响

由图 5侧面碰撞过程中假人姿态可以发现，Q0儿童假人头部加速度值最大发生时刻为儿童约束系统受到侧面台车撞击后快速击打至儿童假人头部的时刻。通过进一步分析可以发现撞击前儿童约束系统对 Q0假人头部的包裹区域两侧间隙过大，且假人身体两侧与座椅之间的间隙也比较大，在碰撞过程中假人的上身和头部没有得到很好的约束和固定，导致门板侵入瞬间的撞击力直接作用在儿童约束系统侧面。由于存在间隙又快速击打至假人头部，因此增加假人头部的包裹性，减小儿童约束系统头枕与假人头部之间的间隙，以及减小约束系统侧面与假人上身的间隙，防止假人头部甩出包裹区域与门板发生接触。

试验获得的头部合成加速度曲线、胸部合成加速度曲线、上颈部拉力Fz以及上颈部弯矩Mx曲线对比如图6～9所示。图6是假人头部合成加速度曲线，可以看到改进前后头部合成3,ms加速度的峰值由92.6,g降为73.0,g，降低了21.2%,，且73.0,g低于法规要求的75,g，而且峰值发生时刻十分接近。头部伤害指标HPC(15)改进前后分别为620和456，降低了26.5%,，456也低于法规要求的600。因此，头枕材料和形状的改进效果十分明显，假人头部损伤值降低明显，通过了法规的要求。

图6 头部合成加速度曲线Fig.6 Head acceleration curve

图7 胸部合成加速度曲线Fig.7 Chest acceleration curve

对于法规中的观察项颈部力和颈部弯矩也进行了采集，如图8、9所示。从曲线上可以看出，改进后上颈部张力Fz和上颈部弯矩Mx损伤值也有所降低，说明改善头枕材料和形状对颈部损伤防护也有一定的效果。

对于胸部合成加速度曲线，如图7所示。改进前后胸部合成3,ms加速度的峰值分别为100.5,g和103.8,g，改进前后损伤值基本不变，但是头部损伤值的降低导致了胸部损伤轻微的增加。还需要考虑其他的改进方法，提高儿童约束系统整体的保护效果。

图8 上颈部张力Fz曲线Fig.8 Fz curve of upper neck tension

图9 上颈部弯矩Mx曲线Fig.9 Mx curve of upper neck moment

3.2 儿童约束系统与门板接触区域材料刚度的影响

在侧面碰撞中，头枕对于儿童头部的保护起到关键的作用，儿童约束系统与台车门板接触区域的吸能装置，也能够吸收部分侵入门板能量，从而整体上减小对于儿童假人的冲击。

儿童座椅侧翼接触面积和刚度的大小，针对不同的儿童约束系统应该进行有针对性的设计，同时也要配合头枕刚度的设计，降低头部和颈部损伤，而不增加胸部损伤值，从整体上有效缓冲座椅所受门板的冲击，并且可以有效保护头部不会超出侧翼保护范围而避免与门板发生碰撞。

4 结 论

本文依据 ECE R129法规测试要求针对某款儿童约束系统进行侧面碰撞台车试验，分析了在侧面碰撞中不同假人，不同安装方向下假人的损伤规律，探究侧面碰撞中儿童约束系统保护效果的影响因素，得到以下结论：①随着假人年龄的减小，头部和胸部的伤害值呈增高的趋势。在侧面碰撞中，儿童胸部所承受的冲击比正面碰撞要强烈，超出正面碰撞的限值要求。②相同的假人在侧面碰撞中正向和后向安装，假人损伤情况也呈现出一定的规律。对于头部和胸部来讲，正向安装的伤害值大于后向安装，但是上颈部拉力和弯矩正好相反。③侧面碰撞中，头枕形状和材料刚度，以及儿童约束系统与门板接触区域材料的刚度会对儿童约束系统保护效果产生影响。增加儿童假人头部的包裹性，减小儿童约束系统接触区域内侧与假人身体之间的间隙，适当降低头枕刚度，假人头部接触区域采用吸能性能较好的材料，并且对儿童座椅侧翼接触面积和刚度进行合理设计，达到整体吸能的效果。④头枕材料和形状的改进有效降低了Q0假人头部伤害指标，头部合成 3,ms加速度降低了21.2%,，头部伤害指标 HPC(15)降低了 26.5%,，满足了法规要求的限值条件。对于上颈部张力Fz和上颈部弯矩Mx损伤值也有一定的改善效果，并且基本有效地控制了胸部损伤值，没有使其恶化。本文的研究成果对于 R129儿童约束系统产品的设计和改进具有一定的指导意义。

［1］Peden M，Oyegbite K，Ozanne-Smith J，et al. World Report on Child Injury Prevention[R]. World Health Organization. 2008：6-51.

［2］Global status report on road safety[R]. WorldHealth Organization，2013，15(4)：286.

［3］Brolin K，Stockman I，Andersson M，et al. Safety of children in cars：A review of biomechanical aspects and human body models[J].IATSS Research，2014，38(2)：92-102.

［4］胡国斌. 汽车碰撞中儿童乘员的损伤及防护研究[D].广州：华南理工大学，2011.

［5］Langwieder K，Hummel T，Lowne R，et al. Side Impact to Children in Cars. Experience from International Accident Analysis and Safety Tests[C]. 15thESV Conference. Melboume(Australia)，1996.

［6］Agran P，Winn D，Dunkle D. Injuries among 4 to 9 year old restrained motor vehicle occupants by seat location and crash impact[J].Monclus-Gonzalez 11 American Journal of Disability of Children，1989(143)：1317-1321.