兒童約束系統正碰臺車試驗對比研究

肖開艷 曹兆友 瞿喆文

（泛亞汽車技術中心有限公司）

1 前言

根據美國國家公路道路交通安全管理局（NHTSA）2006年的調查顯示，正確使用兒童約束系統（Child Restraint System，CRS）能夠有效減少交通事故中兒童傷亡。隨著兒童乘車安全日益受到關注[1]，各種車用兒童座椅充斥市場，但其安全性能卻各不相同，使得兒童乘車安全存在巨大隱患。針對上述情況，2011年12月30日，我國發布了首個有關兒童乘車安全的強制性國家標準GB27887—2011《機動車兒童乘員用約束系統》，并于2012年7月1日正式實施。本文根據我國強制國家標準，選用3款不同品牌、不同安裝方式的兒童座椅進行正碰臺車試驗，對兒童座椅的性能進行對比評估，為兒童座椅的選擇和使用提供試驗依據。

2 兒童約束系統簡介

兒童約束系統（CRS）定義為帶有保護帶扣的織帶或相應柔軟的部件、調整裝置及輔助裝置等，且能穩固地放置在機動車上，其設計是通過限制兒童身體的移動來減少在車輛碰撞事故或突然減速情況下對兒童的傷害，以確保兒童的乘車安全。

2.1 兒童約束系統分組

目前已經開發出多種不同的汽車兒童約束系統來保護不同年齡和不同身高體重的兒童乘員，主要有嬰兒型、嬰幼兒型、兒童增高坐墊和全能型兒童座椅。GB27887—2011《機動車兒童乘員用約束系統》中將兒童約束系統按兒童體重不同分為0組、0+組、I組、II組和III組等5個“質量組”；按兒童約束系統在車輛上的放置位置不同分為通用類、受限制類、半通用類和特殊車輛類；按兒童約束方式分為整體式和非整體式2類。

2.2 兒童約束系統的安裝及使用

兒童約束系統的安裝方式主要有用成人安全帶固定、歐洲的 ISOFIX（International Standards Organization FIX）系統和美國的 LATCH（Lower Anchors and Tethers For Child）系統等3種。3種約束系統的主要區別為：由成人安全帶將兒童座椅固定在汽車后排座椅上的方法較復雜，且誤用情況多；ISOFIX是一種剛性固定裝置，包括座椅下部2個剛性固定裝置和座椅上部1個剛性上拉帶固定點，兒童約束系統通過ISOFIX與車身剛性連接；LATCH系統是通過鎖扣及織帶與兒童約束系統柔性連接。除此之外，目前還有一種集成于汽車座椅上的增高坐墊[2]。

2.3 兒童約束系統的誤用

兒童約束系統誤用情況主要是指選擇不當和安裝使用不當。對于兒童約束系統選擇不當這類誤用情況常見于成長中的兒童。Isaksson－Hellman等人[3]研究表明，如果沒有按照兒童的年齡和身高選擇適合的兒童約束系統，將不能發揮其對于兒童的最大保護性能。選擇和使用部件已老化的兒童約束系統也會產生很大的危害。

兒童約束系統的安裝和使用不當主要包括以下幾種情況：

a. 安裝位置錯誤。兒童約束系統如果安裝在汽車安全氣囊的覆蓋區域內，在車輛發生碰撞時，點爆的氣囊將會對兒童產生嚴重的傷害。應盡量將兒童約束系統安裝在汽車后座上，如果不得不安裝在前排座椅上，應關閉副駕駛座的安全氣囊，并將副駕駛座椅盡量向后移動。

b. 安裝角度錯誤。若座椅角度不正確，將導致碰撞過程中兒童的頭部、頸部和背部不能得到有效的支撐保護，從而使頭部和頸部損傷風險增加。從安全和舒適的角度考慮，一般要求嬰幼兒使用的兒童約束系統與水平線之間夾角不超過45°，隨兒童年齡的增加角度逐漸減小，一般為 30°～45°[4]。

c.兒童約束系統在車輛上固定不穩。如果固定裝置的零部件松弛或使用不當都會使兒童約束系統不能牢固地固定在車輛上，在發生事故時兒童約束系統會發生大幅度移動，從而增加兒童身體的移動量，使得兒童身體與車輛內部部件發生二次碰撞，造成嚴重傷害。

d. 兒童約束系統上安全帶的選擇和使用錯誤。若兒童約束系統上的安全帶被錯誤使用，就不能為兒童軀干提供適當的約束，從而增加兒童受傷的風險。為滿足不同身高兒童的使用要求，兒童座椅一般都設有2～3對約束帶肩帶調節孔，應該使用與兒童肩部同高或最接近肩高的較低肩帶調節孔。

3 兒童座椅相關法規介紹

目前，國際上發達國家均規定了兒童保護裝置測試標準及法規，如歐洲ECE R44/03、ECE R44/04，美國法規FMVSS213、FMVSS225，此外加拿大、澳大利亞、日本、德國、英國等40多個國家也已經通過了相關法規。我國發布的GB27887—2011《機動車兒童乘員用約束系統》強制國家標準，對機動車兒童乘員用約束系統相關的術語和定義、在車輛上的安裝及固定要求、約束系統的結構以及對約束系統總成及其組成部件的性能要求和試驗方法等進行了規定。

4 兒童約束系統臺車試驗

4.1 試驗裝置

按照GB27887—2011《機動車兒童乘員約束系統》要求進行兒童約束系統臺車試驗。

4.1.1 車用兒童座椅

選用較常見的適用于體重為15kg的3歲兒童的3款不同品牌、不同安裝方式的前向式兒童座椅進行正面碰撞臺車對比試驗，試驗方案見表1。同時針對使用兒童約束系統時兒童安全帶選用錯誤的情況，將兒童座椅CRS 3的兒童安全帶肩帶調整到不同高度進行對比試驗，見圖1。其中試驗3的肩帶與兒童假人肩部同高，試驗4的肩帶被誤用，高于兒童假人肩部。

表1 試驗方案

4.1.2 試驗假人

試驗使用TNO P3假人，其質量為15±0.3 kg，已參照ECE R44法規中的假人標定流程進行標定。試驗時在假人胸部和頭部分別安裝三向加速度傳感器，試驗前將假人調整為頭部直立、兩腿平行的姿態,用紙膠帶將假人的手固定至大腿外側。為監測假人是否與前排座椅接觸碰撞，在試驗前對假人的頭部和腿部涂色，見圖2。

4.1.3 臺車裝置

采用加速式臺車進行試驗，試驗用座椅為別克汽車座椅，其中后排座椅骨架上有ISOFIX固定點，前、后排座椅安裝的相對位置均根據別克新君越車型設置。同時，參照該汽車狀態，根據汽車后排座椅安全帶安裝點與后排座椅設計參考點R的相對坐標設計制作固定支架，用以在臺車上固定汽車安全帶，見圖3。根據GB27887—2011《機動車兒童乘員用約束系統》要求對座椅的滑軌、靠背和頭枕位置進行調整，將前排汽車座椅調整到中間位置，高度調到最低，頭枕調整到最高位置;用于安裝兒童座椅的后排座椅調整到最后位置，并將高度調整到最低位置，頭枕調到最低位置，見圖4。為避免汽車座椅變形對兒童座椅的性能產生影響，每次試驗后均更換后排汽車座椅。臺車試驗加速度波形采用GB27887—2011《機動車兒童乘員用約束系統》中規定的波形，碰撞速度為 50～52 km/h，見圖 5。

4.2 試驗結果對比

4次試驗過程如圖6所示。

由圖6可看出，試驗1中，兒童座椅安裝穩固，對兒童約束較好；試驗2中，靠背由top tether（上拉帶）固定，兒童座椅坐墊固定較好，但由于受到拉帶自身延展率及汽車座椅頭枕和靠背泡沫被壓縮的影響，兒童座椅靠背在試驗過程中并未被固定好，而是發生了較大程度的翻轉；在試驗3和試驗4中，由于汽車安全帶不能很好地固定兒童座椅，致使兒童座椅整體均發生一定程度的翻轉。根據試驗后前排座椅靠背上沾染的顏料可知，試驗2～試驗4中兒童頭部均與前排座椅靠背接觸。

兒童頭部加速度曲線、胸部合成加速度曲線和胸部Z向加速度曲線分別見圖7、圖8和圖9。

由圖6～圖9可看出，在試驗1中，兒童假人被很好地約束，頭部加速度是由慣性造成；試驗2中，由于兒童座椅靠背發生翻轉，兒童軀干未能被約束好并隨之向前傾倒，從而導致兒童假人頭部與前排座椅發生二次碰撞，導致在90～100 ms時兒童假人頭部加速度迅速增大，峰值為165 g；在試驗3中，兒童假人頭部加速度曲線在100 ms之前并未有明顯突變，由此可知，兒童頭部與前排座椅靠背并未發生強烈碰撞，而前排座椅靠背上的顏料是兒童頭部與座椅靠背輕微刮擦造成。通過試驗錄像可知，在107～116 ms內兒童頭部與其腿部發生碰撞，致使頭部加速度曲線在113 ms時出現第2個峰值。

對比試驗3和試驗4可知，由于試驗4中兒童安全帶的肩帶高于兒童肩部，對兒童的上軀干約束不足，頭部加速度大于試驗3，并在約103 ms時與前排座椅靠背發生碰撞，導致頭部加速度突然增大到99 g；且其胸部加速度在87 ms時突然增大到65 g。

試驗結果如表2所列，其中假人頭部向前的位移量是利用TEMA軟件通過高速攝像測得的。表2中 ，Chest－3ms 為 胸 部 3 ms 合 成 加 速 度 ；Chest－3ms_Z為胸部沿腹部朝向頭部的3 ms垂直加速度；Head_X為假人頭部向前位移量；HIC15為兒童損傷參考值（IARV），而非法規強制要求。

HIC15計算式為：

式中，t1和t2是碰撞加速度曲線中任意2個時間點，t2－t1≤15 ms；a 為頭部合成加速度。

表2 試驗結果

在臺車試驗后，目測4次試驗中的兒童約束系統均無任何失效及損壞，且無任何約束裝置的部件侵入到兒童假人腹部的粘土上。由試驗結果可知，當使用方法正確時，3種兒童座椅都滿足GBZ7887—2011《機動車兒童乘員用約束系統》的要求，但是在相同的碰撞強度下，試驗1所使用的帶ISOFIX和兒童座椅支撐的兒童座椅CRS1能較好地與汽車座椅保持安裝連接狀態，為兒童乘員提供了最好的約束；試驗2中兒童座椅CRS2與汽車座椅的連接不穩，兒童頭部與前排座椅發生二次碰撞，導致HIC15超過兒童損傷參考值（IARV）,致使兒童受傷幾率大大增加；試驗3中的兒童座椅CRS3也能較好地保護兒童乘員；試驗4中，兒童頭部HIC15超過損傷參考值。對比可知，誤用兒童安全帶肩帶會導致兒童座椅保護性能降低。

5 結束語

正確合理地選用兒童安全座椅能夠在碰撞過程中有效的保護兒童乘員。本文通過試驗對比研究發現，由ISOFIX和兒童座椅支撐安裝固定的兒童座椅能為兒童提供最好的約束，且在使用過程中應選擇與兒童肩部同高或略低于兒童肩部的兒童安全帶肩帶調節孔。

1 Lawrence E D,Kathy H L,Alan W B.Misuse of Child Restraints:Results of A Workshop to Review Field Data Results.Washington,DC:NHTSA Research Note,March 2005.

2 李幸福，張君媛，陸善彬，等.一種整車集成式兒童增高座墊的設計.汽車技術,2012（6）:16～19.

3 Isaksson－Hellman I,Jakobsson L,Gustafsson C,et al.Trends and effects of child restraint systems based on Volvos’Swedish accident database.Society of Automotive Engineers International.Warrendale,PA,USA,1997:43～54.4 Kathleen Weber.Crash protection for child passengers.University of Michigan Transportation Research Institute Research Review.2000,31（3）:1～27.