儿童约束系统检测结果一致性影响因素研究∗

张学荣,何 娟,王海烨,吴 淼

(1.江苏大学汽车与交通工程学院,镇江 212013； 2.好孩子儿童用品有限公司,昆山 215300；3.无锡出入境检验检疫局,无锡 214000)

前言

2014年7月机动车儿童乘员用约束系统试验比对工作组发布了《实验室间机动车儿童乘员用约束系统试验比对总结报告》，该工作组选择11家测试机构对两款好孩子品牌的儿童座椅进行比对试验[1]，依据为GB27887—2011《机动车儿童乘员用约束系统》[2]。报告结果显示，各实验室动态测试中存在很多差异和问题，导致各实验室数据结果离散性较大[3]。由于儿童约束系统的仿真已有较多的研究，但对于其各影响因素的系统研究较少[4-6]，尤其是结合试验的研究较少。针对上述报告结果，本文中通过仿真模型的计算和试验验证，定量研究儿童约束系统测试流程中各因素对测试数据离散性的影响，制定出有效的控制方法与措施，用以减少测试偏差和保证测试数据的一致性。

1 儿童约束系统试验模型建立

选取3款已通过GB27887法规试验的儿童安全座椅进行研究，模拟仿真假人均采用TNO P系列3岁儿童[7]，约束方式分为两大类，即通用类与半通用类。其中通用类又分为两种，分别为类型A和类型B，如图1所示。

图1 不同约束类型的儿童安全座椅模型

依据GB27887法规，在MADYMO软件中建立儿童约束系统台车仿真模型[8]。经过正碰台车模型的搭建、儿童安全座椅模型的搭建及定位、材料参数的试验获取及输入、假人的定位、三点式安全带及五点式儿童约束带系统(Harness)的固定预模拟等过程，并定义正确的碰撞波形、接触关系，完成整个台车试验儿童约束系统仿真模型的建立。不同约束类型的儿童安全座椅见图1。

2 仿真模型与试验的一致性验证

根据国标要求，仿真模型的验证主要包括儿童测试假人模型的胸部合成加速度和胸部垂直加速度时间历程曲线、头部位移和儿童假人伤害指标等动态响应与试验的对比，从而评价仿真模型的有效性。模型均经过验证，仅以类型B为例，图2和图3所示为仿真与试验中儿童测试假人胸部合成加速度和胸部垂直加速度曲线对比。图4为头部水平位移达到最大时仿真与试验一致情况比较，可见具有良好吻合度。假人主要伤害指标具体数值对比见表1。

图2 胸部合成加速度曲线

图3 胸部垂直加速度曲线

图4 头部水平位移最大时刻

表1 仿真与试验指标对比

从表中可以看出，仿真与试验中儿童假人损伤评价指标数值的误差范围控制在10%以内，误差范围满足仿真精度要求；仿真得到儿童假人胸部合成加速度、胸部垂直加速度以及上拉带张力时间历程曲线与碰撞台车试验所得的相应曲线吻合较好，曲线形状、升降趋势、脉宽以及峰值对应时刻等较为接近，说明该碰撞仿真模型的动力学响应是准确的，可以用于后续的研究工作。

3 检测结果一致性影响因素研究

根据儿童约束系统碰撞测试试验的基本过程，定量研究各因素对动态测试偏差的影响显著程度，从而减少测试结果的离散性。本文中主要从下列4个因素进行定量分析：碰撞波形差异、台车坐垫泡沫刚度衰减系数、安全带导向件摩擦因数和支撑腿初始安装角度。

其中，基准模型为：减速型台车碰撞波形是后面3个因素研究的基础，泡沫刚度是以衰减15%为基础模型，导向件摩擦因数以0.2为基础模型，支撑腿角度是以中间值86°为基础模型。在研究每个因素时，其他因素均为基础模型，以研究各因素对结果的影响趋势。

3.1 碰撞波形差异影响分析

选择具有儿童约束系统测试3C资质的11个测试机构中的4(A，B，C，D)，对测试波形进行比较分析。各自测试设备产生的碰撞波形曲线如图5所示。碰撞波形均符合GB27887—2011规定的上、下限范围。

图5 4家测试机构碰撞波形叠加分析

4个使用测试机构中，一个使用减速型碰撞台车，其余3个使用加速型碰撞台车，碰撞速度在49.67～50.85km/h范围内，加速度峰值在22.02～24.19g之间，加速型台车在碰撞加速度大于20g的持续时间相同，碰撞加速度大于15g时间接近，但测试机构B的碰撞波形与测试机构A和C的实验室碰撞波形存在较大差异，主要表现在碰撞早期阶段，测试机构B的试验波形存在较大的波峰。测试机构D的减速型台车在加速度峰值与持续时间上较加速型台车偏大，具体统计数据如表2所示。

同一款儿童安全座椅在上述4种碰撞台车类型和碰撞波形的仿真作用下，其胸部合成加速度、胸部垂直加速度、头部合成加速度时间历程对比如图6～图8所示。对于4个测试机构的不同碰撞波形，P3儿童假人头部均在98ms左右达到最大水平位移(图9)。

表2 碰撞波形汇总分析

图6 胸部合成加速度时间历程

图7 胸部垂直加速度时间历程

图8 头部合成加速度时间历程

图9 儿童座椅及儿童头部运动到最大位移的位置

测试指标的差异性如表3所示。可以看出，由于碰撞波形的不同，导致相应的儿童假人动态响应的差异。测试机构B测得的胸部合成加速度的第一个波峰明显小于A和C，胸部垂直加速度在最大峰值处也与A和C有明显的差异，而头部合成加速度峰值也小于其他两种加速型台车测得的加速度峰值，其峰值时刻也较晚。对于测试机构D的加速度曲线结果，其胸部合成加速度和垂直加速度在第二大峰值处，较其他3种加速型台车测得的结果大；头部合成加速度峰值也远远高于其他3种。同时，从表3可以看出，各碰撞波形的差异导致儿童假人的损伤值有较大的偏差，其中头部损伤值的最大偏差达到了15.9%，胸部3ms合成加速度偏差也达到了14.6%；相比较而言，胸部垂直加速度和头部位移的偏差较小，分别为4.2%和2.3%。

表3 碰撞波形差异对乘员损伤和头部位移的影响

3.2 台车坐垫泡沫刚度衰减系数影响分析

儿童安全座椅测试台车坐垫与靠背泡沫刚度会随着测试次数的增加而衰减，且每相邻两次测试应间隔足够的时间，等待泡沫刚度的恢复，或直接在多块泡沫之间进行轮换，且在泡沫经过一定的测试次数之后，泡沫刚度衰减到一定程度后需要进行淘汰。根据新台车泡沫测试数据的分析，通常会比标准规定的泡沫刚度略高，因此综合确定下面4个因素水平研究台车泡沫刚度影响：(1)标准要求的新台车泡沫刚度减少15%；(2)标准要求的新台车泡沫刚度；(3)标准要求的新台车泡沫刚度增加15%；(4)标准要求的新台车泡沫刚度减少30%。

针对图1中的类型B约束工况，进行仿真计算和分析，输出胸部3ms合成加速度和垂直加速度曲线，及相应的儿童假人损伤值，统计结果如表4、图10和图11所示。

表4 台车泡沫刚度对乘员损伤和头部位移的影响(类型B)

图10 类型B胸部垂直加速度时间历程

图11 类型B胸部合成加速度时间历程

可以看出，台车泡沫刚度对胸部垂直加速度的影响最显著，4个因素水平产生的最大偏差为8.6%。对头部水平位移和胸部合成加速度影响较小。

同样采用上述4个因素水平，研究采用图1中类型A三点式汽车座椅安全带固定儿童安全座椅及五点式约束带固定P3儿童的工况。台车泡沫刚度变化对儿童头部水平位移、胸部合成加速度、胸部垂直加速度的影响，如表5、图12和图13所示。

表5 台车泡沫刚度对乘员损伤和头部位移的影响(类型A)

图12 类型A胸部合成加速度时间历程

图13 类型A胸部垂直加速度时间历程

针对上述两种采用不同约束方式的工况分析，台车泡沫刚度影响最显著的是胸部垂直加速度，最大偏差达到22.8%，且出现在台车泡沫刚度衰减30%的情况下。因此需要严格控制台车泡沫刚度的范围，规定测试一定次数后，必须强制更换。

3.3 安全带导向件摩擦因数影响分析

不同的儿童约束系统测试实验室，采用的三点式安全带导向件结构和材质也有差异，因此在安全带和导向件间的摩擦因数也不同，本研究设定该摩擦因数为4个因素水平，分别为0.1，0.2，0.3，0.4，研究该摩擦因数对乘员头部水平位移和胸部加速度损伤的影响。

对采用三点式安全带仅绑定儿童座椅的工况(类型A)，其安全带导向件摩擦因数的影响如表6所示。

表6 D环、带扣摩擦因数对头部水平位移和胸部加速度的影响(类型A)

从表中可以看出，安全带导向件不同摩擦因数对P3假人的胸部垂直加速度的影响最显著，4个因素水平产生的最大偏差为4.6%，对头部水平位移和胸部合成加速度影响较小。

对采用三点式安全带同时绑定儿童座椅和P3儿童假人的工况(类型B)，仿真计算后，其安全带导向件摩擦因数的影响如表7所示。

对于上述两种分别采用三点式汽车座椅安全带同时绑定儿童座椅和假人及仅绑定儿童座椅的工况分析，安全带导向件摩擦因数影响最显著的是胸部垂直加速度，最大偏差达到21.0%，且类型B约束方式与类型A的损伤值差异较大；导向件摩擦因数对类型B假人的胸部垂直加速度影响较大。另外，导向件摩擦因数在0.2～0.3的范围内，可以维持在平均损伤值水平。特别在对类型B的试验工况下，要注意导向件摩擦因数的影响，避免产生较大的试验偏差。

表7 D环、带扣摩擦因数对头部水平位移和胸部加速度的影响(类型B)

3.4 支撑腿初始安装角度影响分析

对于采用ISOFIX及支撑腿固定方式，如图1中类型C，测试时支撑腿的初始角度存在较大的变化范围，有的呈现向内倾斜，有的接近垂直，有的向前倾斜。本研究支撑腿倾角变化4°时产生的影响，如表8、图14和图15所示。

表8 支撑腿初始角度变化影响分析

图14 支撑腿角度对胸部合成加速度的影响

可以看出：支撑腿初始安装角度对胸部垂直加速度影响最大，偏差值达到6.4%，对头部位移和胸部合成加速度的影响较小，偏差值分别为1.7%和0.5%；支撑腿与水平线夹角88°的最倾斜初始角度，测得的头部位移和胸部垂直加速度值最小，且该工况下胸部加速度曲线较其他两种角度平稳，采用此种工况可以减小试验偏差。

图15 支撑腿角度对胸部垂直加速度的影响

4 影响因素试验研究

综合分析上述各影响因素的结果，可以得出如下结论：儿童假人头部相对Cr点水平位移总体不敏感，其中影响最显著的是仅采用三点式安全带固定安全座椅和假人时的导向件摩擦因数，其最大偏差4.2%；对儿童胸部合成加速度影响最显著的是碰撞波形的差异，最大偏差14.6%，其他因素均小于5%；胸部垂直加速度对台车坐垫泡沫刚度、安全带导向件摩擦因数最为敏感，数据过于离散，偏差大于20%，支撑腿初始角度次之，偏差为6.4%。

对各因素进行了定量分析，但各因素的变化范围设定不同，因此最大偏差不代表该因素的绝对灵敏度。

在对上述4个方面的影响因素进行模拟研究的基础上，选择一款儿童安全座椅分别在上述3个测试机构的实验室中进行实际测试。具体数据见表9，具体测试录像如图16所示。

表9 同一款儿童安全座椅试验测试数据对比分析

在该测试中，考虑了碰撞波形、坐垫泡沫刚度、导向件摩擦因数和支撑腿初始安装角度这4个方面的影响因素。对试验测试数据结果进行综合分析，完全符合上述模拟研究的结论，最大差异依然出现在胸部垂直方向加速度上，最大的偏差达到22.6%，其次为胸部合成加速度最大偏差为6.6%，头部相对Cr点水平位移最大偏差为3.3%，且不同的测试机构出现最大位移的时刻也不一致。

图16 3个测试机构不同时刻对比分析

根据上述仿真模拟与试验测试数据分析，要控制儿童安全座椅动态测试结果的一致性，需要在现有法规措施的基础上采取如下控制措施，进一步提高测试结果的一致性，减少离散程度。

(1)动态测试过程中增加对安全带导向件摩擦因数范围的规定，控制在0.2±0.05或0.3±0.05范围内，避免范围过大；

(2)严格执行试验坐垫的标定制度(以每50次动态试验后或者至少每个月，以先到的时间为准)，相邻两次测试间隔时间很短时，必须建立试验坐垫的轮换制度，确保坐垫每次标定记录的峰值与初始值偏差不应超过15%；

(3)标准需增加支撑腿初始安装角度的要求，为使测试数据更加保守，测试过程中应使支撑腿接地部位为最前位置，从而使支撑腿摆放于最斜立位置；

(4)根据国内测试机构设备水平，对加速型台车缩小碰撞波形的上、下限，提高胸部合成加速度的一致性，且目前已具备相应的执行条件。

5 结论

通过对通用类与半通用类的儿童约束系统正面碰撞台车模型的仿真与试验分析，定量研究了碰撞波形、坐垫泡沫刚度、导向件摩擦因数和支撑腿初始安装角度这4个方面的因素对动态测试偏差的影响显著程度，并通过试验验证了仿真研究的结论。研究结果表明，实验室间碰撞波形差异对P3儿童假人头部损伤值和胸部合成加速度影响最显著；对于三点式汽车安全带同时固定儿童座椅及儿童的工况来说，导向件摩擦因数对儿童胸部垂直加速度影响最显著，坐垫泡沫刚度次之；对于三点式汽车座椅安全带固定儿童安全座椅及5点式约束带固定儿童的工况，坐垫泡沫刚度对胸部垂直加速度影响最显著，而导向件摩擦因数对儿童各项损伤指标影响不明显；对于ISOFIX及支撑腿固定方式，支撑腿初始安装角度对P3儿童假人的胸部垂直加速度影响最显著。

依据本文中提出的控制措施，各实验室可以通过控制相关的试验条件，减少实验室间测试结果的偏差，提高测试的一致性，从而改善我国机动车儿童乘员用约束系统检测能力的整体水平。