CRS不同约束方式对P3乘员保护的研究

赵大鹏，唐志涛，周勇，李少鹏，占超



CRS不同约束方式对P3乘员保护的研究

赵大鹏1，唐志涛1，周勇2，李少鹏1，占超1

（1.烟台大学机电汽车工程学院，山东 烟台 264000；2.清华大学汽车碰撞试验室，北京 100084）

在第I质量组中，P3假人的约束方式为五点式约束即CRS自身安全带约束；在第II质量组中，P3假人的约束方式是三点式约束即成人安全带约束。基于以上规定，文章以强制性3C认证试验结果为依据，在其他试验条件都相近的情况下，通过两种约束方式下的试验数据的比对可知，三点式约束系统能够更加有效地减小儿童乘员的头部位移，五点式约束可以有效地减小儿童乘员的胸部加速度，结合儿童乘员损伤机理，在交通事故中应更加注重对儿童乘员头部的保护，因此本文认为对于2~4岁左右的儿童乘员，应尽量使用成人安全带约束。

儿童安全座椅；五点式约束；三点式约束；P3儿童假人；儿童乘员伤害

前言

儿童乘员安全问题越发受到世界各国的广泛关注，中国在成为世界第一大汽车生产国和消费国的同时，也成为了世界上交通事故最多的国家[1]。近年来，随着国家相关政策和家长们安全意识的不断提高，儿童安全座椅的使用率也水涨船高。

相关调研指出，在不同的年龄分段中，2~4岁儿童的乘车需求最多，因此该年龄段也是儿童安全座椅的最大使用人群[1]。为加强对儿童安全座椅制造商与整个行业的监管力度，从2015年9月1日起，国家质检总局对儿童安全座椅产品实施强制性3C认证，在强制性检测认证试验中，根据GB27887-2011《机动车儿童乘员用约束系统》中规定的试验方法，用P3系列假人模拟年龄在3岁左右，体重在15kg~18kg左右的儿童乘员。但是法规规定，P3假人在认证试验中需要分别采用三点式约束和五点式约束两种约束方式。这种试验方法虽然能够提高试验结果的代表性和可参考性，但也让很多家长们在选择安全座椅时无法确定应该选择三点式约束还是五点式约束的儿童安全座椅。本文主要是在儿童安全座椅3C认证试验的结果之上，对比分析P3儿童假人分别在三点式约束和五点式约束之下的各伤害指标，探究哪一种约束方式能够对3岁左右体重在15kg~18kg的儿童乘员起到更好的保护作用，也能够为家长在选择儿童安全座椅的时候提供一定的参考。

1 儿童乘员损伤机理及保护

1.1 损伤标准和等级

损伤标准（injury criteria）是评价事故载荷的严重性和损伤风险的重要工具。按照定义，损伤标准将物理参数（如加速度、力）和身体某一部位遭受某种形式伤害（如脑震荡、骨折）的可能性联系起来，一般是以数据结合经验论据得来的。因为可能造成人体损伤的真实人体试验是不可能进行的，所以这些标准的形式和经验需要利用外推法和长时间的逐步推断过程[2]。

损伤等级是为了研究交通损伤而建立的。依据医学诊断，损伤等级将各种类型的损伤程度加以定义。最常见的损伤等级是1971年美国汽车医学发展协会（AAAM）针对汽车安全性而制定的简明损伤等级（abbreviated injury scale，AIS），如表1所示，汽车医学发展协会定期对其进行修订和更新。

表1 汽车安全性而制定的简明损伤等级

1.2 儿童乘员损伤机理

根据NHTSA对大量受伤儿童统计的数据显示，在儿童乘员各部位达到AIS2级损伤以上时，在交通事故中，头部损伤是儿童致残致死和医疗成本增加的首要原因，约占到身体各部位伤害的50%以上；其次是胸部伤害，约占身体各部位伤害的40%[1]。

一般来讲，静载荷和动载荷都可以引起头部损伤。在交通事故中，静载荷形式非常少见，动载荷是主要的载荷形式。造成头部损伤的动载荷一般有接触性和非接触性两种形式，不同的载荷形式会有不同的头部响应。接触通常是指头部与汽车内饰件或前排座椅靠背的接触，也包括与车内其他乘员的接触。头部直接与一个物体接触可以导致颅骨变形，引起直接骨折或间接骨折。在非接触情况下，头部的加速度产生惯性力，非接触性的惯性力或加速度导致的头部损伤通常是软组织损伤，如硬膜下血肿等。

胸部损伤的机理一般分为三种：压缩、粘性负载和体内器官的惯性载荷，此外还有这3种基本情况的任意组合。损伤的结果可以分为骨骼损伤和软组织损伤。其中，骨折等骨骼损伤与乘员的年龄密切相关，儿童乘员肋骨比成年人更加柔软，在碰撞过程中发生骨折的现象很少。正确使用儿童约束系统的情况下，儿童胸部损伤并不常见[1]。

从以上的结论不难看出，相对于胸部损伤，对于2~4岁年龄段的儿童乘员来说，头部受到伤害的风险相对更高。因此该年龄段的儿童在乘车时应更加注重对头部的保护。

2 试验方法

试验参照GB27887-2011《机动车儿童乘员用约束系统》的前向正面碰撞试验要求，使用减速台车碰撞测试平台，台车速度为48~50km/h，台车缓冲距离为600~700mm。

符合3C认证动态碰撞试验标准的座椅在试验中必须满足以下要求[3]：

（1）碰撞之后，不打开带扣，用肉眼检查，不能有任何的失效或损坏。

（2）动态试验中，儿童安全座椅的任何部件都不能断裂，带扣、锁止装置不能发生脱扣现象。

（3）儿童假人伤害指标满足以下条件，如表2所示。

表2 儿童假人伤害指标及限值

图1是某 3C认证检测机构试验场所的俯视图，试验用儿童假人和儿童安全座椅固定在台车上，儿童假人身上装有测试获取胸部加速度和头部位移的传感器，台车上面固定安装有测试台车加速度的加速度传感器，具体的设备如图1所示。

图2是试验过程中儿童假人不同的约束方式。其中（a）为五点式约束假人，（b）为三点式约束假人。

图2 试验现场

试验结束以后运用DIAdem和Origin进行数据处理，根据GB27887-2011《机动车儿童乘员用约束系统》的前向正面碰撞试验要求，抽取认证试验中过程中的10组台车加速度波形，如图3所示。

图3 台车加速度波形

3 试验结果

首先从3C认证试验结果数据库中抽取50组数据进行对比分析，在数据选择的时候主要做到以下几点要求来达到正交试验方法的试验效果。

（1）确保实验过程中的试验条件相同；

（2）试验中CRS在汽车座椅上的固定方式相同；

（3）试验数据尽量选取同一厂家同种型号的座椅；

（4）在同一厂家同种型号的座椅试验数据达不到取样次数的情况下，应选取试验时间和座椅质量相近的儿童座椅。

表3和表4是儿童乘员按照不同的约束方式下的部分实验数据。

表3 三点式约束下的部分实验数据

表4 五点式约束下的部分实验数据

在交通碰撞事故中，儿童乘员所受到的损伤一般来自于外力冲击，与成人乘员相比，儿童乘员伤害指标相对简单，大多使用加速度和位移来表征。头部水平位移和胸部合成加速度是表征儿童乘员头部和胸部损伤的关键指标。下面就将满足选取要求的50组P3假人在五点式约束和三点式约束的情况下，头部水平位移测试结果和胸部合成加速度的测试结果进行对比。对比结果如图4和图5所示。

图4 头部水平位移对比

图5 胸部合成加速度对比

从头部水平位移柱状图可以看出，当儿童乘员在使用三点式约束的时候，其头部水平位移分布比较均匀，450mm~ 550mm这种较大的头部水平位移出现次数较少；当儿童乘员在使用五点式约束的时候，其头部水平位移主要集中在400mm~550mm之间；通过数据对比可以得出结论，儿童乘员在三点式约束的情况下头部水平位移明显小于五点式约束情况下儿童乘员的头部水平位移。

从胸部合成加速度对比柱状图可以看出，在CRS固定方式和试验方法基本相同的情况下，用五点式约束即CRS自身安全带约束来约束儿童乘员，其胸部合成加速度主要集中在15g~45g，而用三点式约束即车身安全带约束来约束儿童乘员，其胸部合成加速度主要集中在25g~55g之间。不难看出，五点式约束能够更加有效地减小儿童乘员的胸部受伤风险。

4 结论

通过以上多组试验测试数据的对比分析很容易得知：对于覆盖第I和第II质量组的P3儿童假人，在CRS固定方式、试验测试方法和儿童安全座椅质量基本相同的情况下，三点式约束方式能够更加有效地减小儿童乘员在事故中的头部水平位移，起到更好的对头部的保护作用；五点式约束方式能够明显的减小儿童乘员在事故中的胸部合成加速度，起到更好的对于胸部更好的保护作用。前面儿童乘员受伤机理中指出，对于儿童乘员来说，应该更加注重对于其头部的保护作用，因此对于2~4岁年龄段，体重在15kg~18kg左右的儿童乘员在乘车时，在情况允许的情况下应该尽量使用三点式约束。

[1] 张金换,许述财,杨欣,马春生.汽车儿童乘员碰撞伤害与防护[M].清华大学出版社,2015:194-230.

[2] 曹立波,张瑞峰,刘曜.儿童乘员损伤机理及保护措施研究[M].湖南大学,2012.

[3] 魏哲,强毅.汽车儿童约束系统技术法规和标准研究[J].机械工业标准化与质量,2008(12):28-33.

Effect of CRS on children's protection of P3 children with different restraint modes

Zhao Dapeng1, Tang Zhitao1, Zhou Yong2, Li Shaopeng1, Zhan Chao1

（1.School of mechanical and electrical engineering, Yantai University, Shandong Yantai 264000; 2.Tsinghua University crash test room, Beijing 100084）

In the I quality group, the constraint mode of P3 dummy is five point constraint, that is, CRS self seat belt constraint. In the II quality group, the constraint mode of the P3 dummy is the three point constraint, the adult seat belt constraint. Based on the above regulations, based on the results of compulsory 3C certification test, the three point constraint system can reduce the head displacement of children more effectively, and the five point constraint can reduce the child's chest acceleration effectively. Combined with the mechanism of children's occupant damage, it is necessary to pay more attention to the protection of children's head in traffic accidents. Therefore, it is believed that the adult safety belt should be used as far as possible for the children at the age of 2~4.

Child safety seats; five point constraint; three point constraint; P3 dummy

B

1671-7988(2018)18-148-04

U467

B

1671-7988(2018)18-148-04

CLC NO.: U467

赵大鹏，就读于烟台大学机电汽车工程学院，今在清华大学汽车碰撞试验室交流学习，硕士在读，主要研究方向为汽车主被动安全。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.051