基于2021年版C-NCAP的儿童伤害评估及开发策略

王纯 邹利军 徐海燕 王建勋 毕思刚

（一汽奔腾轿车有限公司，长春 130012）

主题词：正面碰撞Q3假人 儿童座椅 车体减速度 乘员载荷准则 中国新车评价规程

1 前言

世界卫生组织2018年的研究报告显示，道路交通伤害是儿童死亡的主要原因，汽车儿童座椅的使用可以减少交通事故中约60%的儿童死亡。近年来，许多研究机构开展了儿童乘员损伤及防护措施研究。如李春、刘磊等人进行了多款车型的实车碰撞试验，并对Q3 儿童假人的伤害结果进行了统计分析，结果表明，未进行优化匹配的Q3 儿童座椅及实车碰撞减速度波形并不能有效降低儿童乘员的伤害，其缓冲吸能的保护效果有限。

《C-NCAP管理规则（2021年版）》中，Q3儿童假人的伤害由监测项调整为评价项，并对评价得分的高、低限值进行了设定。当前，儿童座椅作为整车后装产品，与整车的性能匹配还需要进一步优化。因此，本文参考2021 年版C-NCAP 管理规则，以实车碰撞试验为基础，评估Q3 儿童假人的伤害特点，并进一步分析车体碰撞减速度波形及儿童座椅选型对Q3 儿童假人损伤的影响，提出系统开发策略，以期为新产品车型的正面碰撞Q3儿童防护提供设计参考。

2 Q3儿童损伤评价方法

2021年版C-NCAP管理规则的正面100%重叠刚性壁障50 km/h 碰撞试验中，在第2排座椅的一侧增加Q3儿童假人伤害评价。Q3儿童假人通过儿童座椅与整车连接，碰撞形式及其安装方式如图1 所示。Q3 儿童假人结构如图2所示。

图1 Q3儿童评价测试形式

图2 Q3儿童假人结构示意

Q3 儿童假人伤害评价指标包括头部伤害、颈部伤害和胸部伤害，分值占儿童保护部分得分的36.36%，占比较高。伤害评价具体内容如表1所示，头部伤害评价中，若未发生二次碰撞，则只需评价头部的3 ms 加速度。

表1 C-NCAP Q3儿童假人伤害评价高、低限值

3 Q3系列儿童座椅的使用形式

受身高、坐姿及身体组织承载能力的限制，Q3儿童无法像成人一样使用车载安全约束装置（如成人安全带）。因此，需要通过儿童座椅与整车建立固定约束连接，车辆发生碰撞时，通过儿童座椅上的安全带提供有效保护。

在2021 年版C-NCAP 管理规则指定的Q3 儿童动态测试评价用儿童座椅清单中，儿童座椅与整车固定连接形式有3 种：安全带通用类、ISOFIX 通用类、ISOFIX半通用类。

相关研究表明，儿童座椅与整车连接形式不同导致儿童座椅的综合保护效果也不相同，在同等正面碰撞纵向减速度输入、相同儿童安全带、座椅刚度及布置角度条件下，ISOFIX 通用类固定形式儿童座椅对Q3儿童的综合保护效果优于安全带通用类儿童座椅，且不易带来误操作等潜在风险。

为了更有效地研究车体与儿童座椅保护性能的关联性，得到最优的匹配方案，并消除不同品牌儿童座椅的差异，本文选取2021 年版C-NCAP 管理规则指定的Q3儿童动态测试评价用儿童约束系统清单中的一款高性能ISOFIX 通用类正向儿童座椅作为研究对象，其安装形式如图3所示。

图3 ISOFIX通用类正向儿童座椅

4 车体减速度波形对Q3儿童假人伤害的影响

为确保整车基本安全性能，本文选取了2款不同性能的2018 年版五星车体进行研究，分别为五星低性能车体N 和五星高性能车体T（正面100%重叠刚性壁障50 km/h 碰撞试验中得分率分别为84.5%和92.5%），以便区分不同车体减速度波形对儿童座椅安全性能的影响。为更准确地评估车体减速度的影响，选取的2款车型的质量、轴距及质心位置等参数相似，并选取与儿童假人距离较近的右侧B 柱下车体的纵向减速度进行分析。

研究表明，降低胸部减速度可以直接降低假人各部位的伤害。正面碰撞试验中，相同乘员保护约束系统条件下，第2排假人胸部减速度和假人与车体的相对运动密切相关。建立整车运动坐标系，取车辆纵向为向，车辆前方为正、后方为负，通过分析碰撞试验中Q3儿童假人胸部减速度与车体向减速度的对应关系获取不同车体减速度波形对假人胸部减速度的影响。

4.1 车体N的B柱减速度波形对儿童胸部伤害的影响

车体N前端耐撞强度较低，碰撞过程中B柱减速度波形可视为前低、后高的波形，在采用相同儿童座椅的条件下，试验所采集的相关数据如图4所示。

图4 五星低性能车体B柱及儿童胸部x向减速度

由图4 可知：车体N 的B 柱减速度波形分布不均，前部平台平均减速度为15左右，后部平台平均减速度为25左右；儿童胸部向减速度曲线前部平台平均减速度为20左右，后部平台平均减速度为30左右。

对车体N的B柱及儿童胸部向减速度进行差值计算得出的相对减速度曲线如图5所示，相对速度及位移曲线如图6所示。

图5 五星低性能车体的儿童胸部相对减速度

图6 五星低性能车体的儿童胸部相对运动速度及位移

综合分析图5、图6 可知：儿童胸部相对车体减速度分布不均，前半程减速度幅值平均为15，后半程减速度幅值平均为30；儿童假人相对车体运动速度为6.4 m/s，高于通常要求的5.5 m/s，相对速度波形呈斜直角梯形分布。

依据2021年版C-NCAP 管理规则对儿童胸部伤害进行评价，胸部合成减速度如图7 所示，合成减速度最大幅值出现在第85～90 ms 间，与此区间向减速度趋势一致，胸部合成减速度与胸部向减速度强相关。胸部3 ms 合成减速度峰值为52，出现在第86～90 ms间。采用插值法进行计算，胸部保护得分为0.21分，得分率较低。图7中胸部合成减速度同样呈斜直角梯形，且后部平均幅值较大，说明车体波形与约束系统匹配较差，车体及儿童约束系统未能恰当吸收儿童正面碰撞能量，能量吸收集中于碰撞运动后半程，脉宽变小，幅值增大，不利于儿童约束系统匹配。

图7 五星低性能车体的儿童胸部合成减速度

4.2 车体T的B柱减速度波形对儿童胸部伤害的影响

车体T前端耐撞强度较高，碰撞过程中B柱减速度波形可视为前后平缓的波形，在相同儿童座椅作用下，试验所采集的相关数据如图8所示。

图8 五星高性能车体B柱及儿童胸部x向减速度

由图8 可知：车体T 的B 柱减速度波形前后分布均匀，前部高平台平均减速度为20左右，后部平台平均减速度为25左右，幅值峰值为33；儿童胸部向减速度曲线前部平台平均减速度为25左右，后部平台平均减速度为30左右。

对车体T的B柱及儿童胸部向减速度进行差值计算得出相对减速度曲线如图9所示，相对速度及位移曲线如图10所示。

图9 五星高性能车体的儿童胸部相对减速度

图10 五星高性能车体的儿童胸部相对运动速度及位移

综合分析图9、图10 可知：儿童胸部相对车体速度分布均匀，前、后半程平均减速度幅值接近；儿童假人相对车体运动速度为4.87 m/s，低于通常要求的5.5 m/s，减速波形呈均匀等腰梯形分布。

依据2021年版C-NCAP 管理规则对儿童胸部伤害进行评价，胸部合成减速度如图11 所示，胸部3 ms 合成减速度峰值为41，出现在第62～65 ms 间。采用差值法进行计算，胸部保护得分为满分1 分。儿童胸部合成减速度同样呈等腰梯形均匀平缓变化，说明车体波形与儿童座椅匹配较好，车体及儿童约束系统恰当地吸收了儿童正面碰撞能量，为儿童安全提供了良好的保护效果。

图11 五星高性能车体的儿童胸部合成减速度

可见，同为2018 年版C-NCAP 五星车体，但车体N儿童胸部减速度得分率较低，且胸部向减速度呈斜直角梯形变化，车体波形与约束系统匹配较差，碰撞前半程车体波形未能快速引导约束系统介入，导致车体及儿童约束系统不能恰当地吸收儿童正面碰撞能量，对儿童伤害的保护效果不佳。

5 儿童伤害保护应对开发策略

5.1 理想车体B柱x向减速度的研究

对2 款车体B 柱向减速度波形进行叠加对比，如图12所示。

图12 2款车体B柱x向减速度对比

与车体N相比，车体T的B柱减速度曲线前部及后部整体平均减速度差异较小，碰撞能量吸收均衡。车体N碰撞能量吸收集中于碰撞过程后部。

对2 款车体儿童胸部向减速度波形进行叠加对比，如图13所示。

图13 2款车体的儿童胸部x向减速度对比

与车体N 相比，车体T 儿童座椅介入早，且曲线前部平均减速度大5，后部平均减速度车体T 远低于车体N达到10左右。车体T儿童胸部向减速度曲线前部及后部整体平均减速度差异较小，儿童胸部碰撞能量吸收均衡。车体N 儿童胸部碰撞能量吸收集中于运动后半程，脉宽小、幅值大，不利于碰撞能量吸收。

图12、图13 结果表明：车体T 前部耐撞性强，有利于儿童约束系统较早介入、能量均匀分布吸收；儿童座椅的保护效果对车体向减速度依赖程度较高。

为了更有效地评估正面碰撞车体与儿童座椅匹配的效果，引入2021 年版C-NCAP 管理规则中的乘员载荷准则（Occupant Load Criterion，OLC）。设车体上人体自由向前移动65 mm时对应时刻为，车体速度为，人体开始受到约束，向前移动235 mm时对应时刻为，车体速度为，设与时刻间人体受约束的减速度恒定，该值即为：

式中，为车辆初始速度；()为车辆向减速度积分后获得的速度。

为碰撞过程中人体从到时刻速度曲线的斜率。越小，车体与约束系统匹配越容易，其定义如图14所示。

图14 乘员载荷准则OSI-unit定义

由图14 和式（1）不难推导出，有效减小的优化手段为将时刻提前、将时刻延后，并降低车体时刻的速度。进一步分析可知：与碰撞过程中车体前部强度关系密切，车体前部越强，减速度越大，越提前；与碰撞变形结构中后部强度关系密切，中后部越弱，越延后，时刻对应车体速度越低。与本文所分析的2款车体中的车体T 变形模式吻合，即车体前部强度大，变形结构中后部车体强度弱，有利于车体与儿童座椅匹配。为了进一步说明2 款车体的差异，将车体向减速度波形换算成进行对比分析，如表2所示。

表2 2款车体OSI-unit计算结果对比

从表2 可以看出：车体T 较车体N 的提前2.4 ms，车体T儿童座椅约束系统介入早，保护效果提前；车体T的较车体N 低1，车体T 较车体N 变形结构中后部强度弱，能量吸收充分，对儿童胸部保护更优。

为了进一步得到更准确的理想车体向减速度波形，依据乘员载荷评价项，对7款不同车体波形进了计算评估整理，如表3所示。

表3 不同车体OSI-unit计算结果对比

由表3 可知，结合前文2 款不同车体向减速度对Q3儿童假人伤害的影响分析，得出理想正面100%重叠刚性壁障碰撞车体向减速度波形开发目标推荐值：前部平均减速度≥20，峰值减速度≥28，以便将提前；后部平均减速度≤27，以便将延后；≤35 ms；≥95 ms；≤1.8 m/s；乘员载荷准则≤26.5，较低的有利于进一步匹配儿童保护性能更优的儿童座椅。基于目前的试验结果，建议第2排儿童伤害整体目标得分不低于2.5分。

5.2 不同车体正面碰撞儿童座椅选配

综合考虑儿童座椅的安装形式和儿童安全保护的技术特点，从碰撞车体变形模式、运动轨迹方向及操作方便性等方面进行分析评估，建议选用与车体刚性连接的ISOFIX 通用或半通用类儿童座椅，不但可以有效降低来自正面的冲击伤害，更可兼顾降低来自侧面的冲击伤害，并减少误操作风险。

合理的儿童座椅约束系统选型可以通过降低胸部减速度的方式降低伤害。目前在售的儿童座椅多采用五点固定形式儿童安全带将儿童可靠地约束在儿童座椅内，结合相关研究结果，儿童胸部减速度主要来自儿童座椅对儿童胸部的约束，即儿童座椅2条肩部安全带对胸部的约束力，儿童胸部约束力由安全带本身的拉力和安全带所成夹角共同作用，如图15所示。在儿童座椅选型时，可以考虑选用低安全带力织带。经过分析，现有儿童座椅结构可以通过提高儿童座椅安全带的延伸率实现低安全带力，即在满足GB 27887《机动车儿童乘员用约束系统》要求的条件下，选用延伸率较大的儿童座椅安全带。

图15 儿童坐姿及安全带夹角θ

在儿童安全带力不变的情况下，五点式儿童座椅安全带的下部3 个安装点位置基本相同，对儿童髋部向约束基本一致，但上部2 个固定点由于座椅设计的不同存在一定差异，C-NCAP 管理规则的要求为将儿童约束系统的安全带高度“调节到与假人肩部平齐或最近的使用位置”，但由于儿童座椅上固定点高度不同，安全带所成夹角存在差异，越小，胸部约束力越大，在胸部运动过程中，越不利于降低儿童胸部减速度，因此可以选择儿童安全带上安装点较高的儿童座椅。

为进一步验证儿童座椅相关参数对儿童胸部减速度的影响，将前文分析结果基于目标车体N，建立第2排儿童乘员约束系统简化有限元耦合仿真模型，通过加载车体N的向减速度模拟Q3儿童在儿童座椅内的运动情况，儿童约束系统仿真模型及胸部减速度响应对比如图16和图17所示。

图16 儿童约束系统耦合仿真模型

图17 儿童胸部减速度试验与仿真对比

利用上述仿真模型，分别计算提高儿童安全带延伸率及提高儿童安全带上固定点高度对儿童胸部加速度的影响，具体结果如表4所示。

表4 儿童座椅参数优化效果

由仿真结果分析可知，增加儿童安全带延伸率及提高安全带上固定点高度对儿童胸部伤害保护均有改善。

6 结束语

本文通过2款2018年版C-NCAP五星高、低性能车体的Q3 儿童伤害试验结果的对比分析研究发现：对于相同儿童座椅，Q3儿童伤害防护对车体向减速度依赖程度较高，前、后部吸能均匀的车体波形更有利于儿童座椅匹配；2018年版C-NCAP五星低性能车体儿童伤害得分率较低，仍然需要对车体性能进行提升。基于乘员载荷准则，分析了影响车体波形的设计因素，通过整理7款车体碰撞波形的特点，总结出概念设计阶段理想波形的相关设计参数目标：车体载荷准则值≤26.5、人体自由向前移动65 mm时对应时刻≤35 ms、人体受到约束向前移动235 mm时对应时刻≥95 ms。

除车体设计要求外，提出了儿童座椅选型的相关建议：采用ISOFIX通用及半通用儿童座椅；提高儿童座椅安全带延伸率；在确保儿童颈部及头部安全舒适前提下，适当提高儿童安全带上固定点高度。