兒童約束系統(tǒng)測(cè)試用兒童假人綜述

馬偉，呂仕爽，楊斌，張慧云（國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心［襄陽］，襄陽441004）

兒童約束系統(tǒng)測(cè)試用兒童假人綜述

馬偉，呂仕爽，楊斌，張慧云
（國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心［襄陽］，襄陽441004）

隨著車內(nèi)兒童乘員安全研究的不斷推進(jìn)，兒童約束系統(tǒng)（CRS）的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)不斷修訂，CRS碰撞測(cè)試用兒童假人也一直在發(fā)展變化。目前國際上主要的CRS標(biāo)準(zhǔn)FMVSS 213、ECE R44、以及最新的ECE R129分別采用不同的假人進(jìn)行測(cè)試。本文對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)所使用的假人進(jìn)行了闡述。

兒童約束系統(tǒng)；兒童假人

引　言

兒童假人是兒童約束系統(tǒng)（CRS）測(cè)試中非常重要的試驗(yàn)設(shè)備。目前國際上主要的CRS標(biāo)準(zhǔn)：美國的FMVSS213、歐洲的ECE R44、以及ECE R129中分別規(guī)定使用不同的兒童假人。FMVSS 213分別使用了CAMI 、CRABI和Hybrid III系列兒童假人；ECE R44要求使用P系列兒童假人；ECE R129則規(guī)定使用最新的Q系列兒童假人。我國GB27887-2011《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》采標(biāo)于ECE R44（修訂本2），所以也采用P系列兒童假人。各系列兒童假人的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量分布、主要尺寸、測(cè)試能力等方面存在較大的差異。本文對(duì)上述美標(biāo)和歐標(biāo)使用的兒童假人的型號(hào)、假人的傷害指標(biāo)進(jìn)行總結(jié)，并分別對(duì)各系列兒童假人的主要特征、測(cè)試能力等進(jìn)行了研究。并對(duì)我國相關(guān)汽車安全兒童法規(guī)對(duì)兒童假人的應(yīng)用情況進(jìn)行梳理和總結(jié)。

1　FMVSS 213測(cè)試用兒童假人

FMVSS 213根據(jù)CRS適用的兒童的體重和身高對(duì)其劃分組別，不同的組別分別會(huì)使用到CAMI、CRABI、和Hybrid III等不同類型的兒童測(cè)試假人。這些不同類型的碰撞假人及其標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)在美國聯(lián)邦法規(guī)49CFR 572《擬人試驗(yàn)裝置》都有詳細(xì)的規(guī)定。詳細(xì)信息見表1.1所示。

FMVSS 213 規(guī)定了動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中兒童頭部的損傷指標(biāo)HIC（36）及位移限值，同時(shí)也規(guī)定了假人胸部合成加速度和膝部的最大位移限值，詳細(xì)的損傷指標(biāo)見表1.2所示：

1.1CAMI兒童假人

CAMI（Civil Aeronautical Medical Institute）嬰兒假人在FMVSS 213和美國聯(lián)邦法規(guī)CFR49 PART 572中作為CRS測(cè)試用嬰兒組假人。CAMI系列嬰兒假人共有新生兒和六個(gè)月大兩個(gè)型號(hào)，其設(shè)計(jì)參數(shù)基于NHTSA（美國公路交通安全管理局）數(shù)據(jù)庫。CAMI嬰兒假人的骨架由皮革構(gòu)成，肌肉是由泡沫填充，表面覆蓋一層帆布。該款嬰兒假人在尺寸、外形和質(zhì)量上與真實(shí)嬰兒非常接近，但是在碰撞響應(yīng)與真實(shí)嬰兒差別很大，同時(shí)該款假人不能安裝任何傳感器進(jìn)行測(cè)量。CAMI Newborn假人如圖1.1所示：

1.2CRABI兒童假人

表1　.1　FMVSS 213規(guī)定使用的兒童假人

CAMI嬰兒假人不能進(jìn)行任何數(shù)據(jù)上的測(cè)量，對(duì)于碰撞安全的研究意義不大。所以目前采用的嬰兒假人為CRABI（child restraint/air bag interaction）系列。CRABI嬰兒假人共有6個(gè)月、12個(gè)月和18個(gè)月等三個(gè)型號(hào)。它是由FTSS公司設(shè)計(jì)，人體測(cè)量學(xué)參數(shù)基于密歇根大學(xué)交通研究所（University of Michigan Transportation Research Institute）的報(bào)告，各個(gè)部位的重量分布及縮放方式都通過了SAE嬰兒工作組要求，其頭部通過縮放成人假人的頭部得到，頸部具有更大的伸展運(yùn)動(dòng)。這系列嬰兒假人具有向后約束的反應(yīng)敏感性，能夠適用于所有類型的碰撞。CRABI 12個(gè)月大假人如圖1.2所示：

CRABI嬰兒假人的設(shè)計(jì)是基于Hybrid Ⅲ 50百分位男性假人，由于嬰兒的生理解剖學(xué)特點(diǎn)與成人差異較大，所以CRABI假人并不能很真實(shí)地模擬實(shí)際的嬰兒響應(yīng)，但是相比于CAMI嬰兒假人，它具有更為完善的結(jié)構(gòu)并且能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，已經(jīng)是一個(gè)較大的改進(jìn)。

1.3Hybrid Ⅲ兒童假人

1992年，美國SAE生物力學(xué)協(xié)會(huì)與美國公路交通安全管理局（NHTSA）開始開發(fā)Hybrid Ⅲ兒童假人。該系列兒童假人共有三種型號(hào)：3歲、6歲和10歲。其中6歲于1993年開始開發(fā)，10歲于2000年開始開發(fā)。該系列兒童假人是在HybridⅢ成人假人的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，除了頭部、胸部和盆骨具有相應(yīng)加速度傳感器，同時(shí)還擁有脊椎和軀干加速度傳感器，具有很高的損傷評(píng)價(jià)能力。該系列兒童假人相對(duì)比較完善，至今還在使用，但是它也有一些不足，由于Hybrid Ⅲ假人是針對(duì)正面碰撞設(shè)計(jì)的，所以該系列兒童假人側(cè)向響應(yīng)性能較差。Hybrid Ⅲ 6歲兒童假人如圖1.3所示：

CRABI-12M及HⅢ-3Y、6Y、10Y測(cè)試能力詳見表1.3所示：

2　ECE R44測(cè)試用兒童假人

ECE R44根據(jù)CRS適用的兒童體重對(duì)其劃分5個(gè)組別，不同的組別分別使用TNO 公司P系列兒童假人的不同型號(hào)，詳見表2.1所示：

ECE R44包括正碰和后碰動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，對(duì)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中假人的頭部位移、胸部加速度、腹部侵入性等做了具體的規(guī)定，詳細(xì)的損傷指標(biāo)見表2.2所示：

表2　.1 ECE R44規(guī)定使用的兒童假人

表2　.2　ECE R44/04規(guī)定的假人評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1P系列兒童假人

1970年代后期，ECE委員會(huì)起草了ECE R44《關(guān)于批準(zhǔn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車輛上兒童乘客座椅約束裝置的統(tǒng)一規(guī)定》。由此TNO公司最先開發(fā)了兒童假人模型來評(píng)估車輛內(nèi)部的兒童約束裝置。1982年ECE R44開始執(zhí)行，法規(guī)最初描述了P3/4,P3,P6和P10等4種假人，分別代表9個(gè)月大的、3歲、6歲和10歲兒童；1988年，又開發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單的P0假人代表剛出生嬰兒；1995年，在ECE R44中又增加P1?假人，代表18個(gè)月兒童。P系列兒童假人如圖2.1所示：

該系列兒童假人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：頭部與胸部分別都是一體的，而頸椎和腰椎為分段的橡膠，雖然結(jié)構(gòu)完善但生物仿生度并不高。其中的新生兒P0結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，它的頭、軀干、四肢是由一個(gè)整體構(gòu)成，表面附有一層PVC材料，脊椎的材料為彈簧鋼，不能安裝任何傳感器。P系列兒童假人的測(cè)試能力見表2.3所示：

P系列兒童假人是歐洲ECE R44法規(guī)一直采用的兒童假人，而且至今仍在使用，我國C-NCAP中也采用到該系列兒童假人。我國GB27887-2011《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》采標(biāo)于ECE R44（修訂本2），所以也采用P系列兒童假人。

P系列假人測(cè)試能力詳見表2.3所示：

表2　.3　P系列假人測(cè)試能力匯總

3　ECE R129測(cè)試用兒童假人

ECE R129《關(guān)于批準(zhǔn)機(jī)動(dòng)車上加強(qiáng)型兒童乘客座椅約束裝置的統(tǒng)一規(guī)定》是歐洲最新的CRS標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)（第一階段）已于2013年7月9日正式生效，不過它將與現(xiàn)行的ECE R44平行運(yùn)行,直到ECE R129成為唯一標(biāo)準(zhǔn)。

ECE R129根據(jù)CRS適用的兒童的年齡和身高對(duì)其劃分組別，不同的組別使用不同的測(cè)試假人。第一階段只規(guī)定了“整體式通用類ISOFIX兒童約束系統(tǒng)（i-Size）”和“特殊車輛類ISOFIX兒童約束系統(tǒng)”。其規(guī)定15個(gè)月以下的兒童僅能使用后向或側(cè)向安裝的兒童約束系統(tǒng)，即（1）為15個(gè)月以下的兒童設(shè)計(jì)的CRS應(yīng)后向安裝且至少能夠容納身高達(dá)到83cm兒童；（2）前向安裝的CRS的設(shè)計(jì)應(yīng)不適用于身高低于71cm的兒童； （3）一個(gè)既可前向使用又可后向使用的CRS在后向使用時(shí)，應(yīng)至少能夠容納身高達(dá)到83cm的兒童；且不應(yīng)排除超過83cm身高兒童的使用。

由于后向安裝能夠?yàn)閮和藛T提供最大的保護(hù)，所以標(biāo)準(zhǔn)中同時(shí)規(guī)定了后向安裝的CRS能夠應(yīng)用于任何年齡的兒童。

ECE R129中規(guī)定應(yīng)根據(jù)CRS造商說明的該產(chǎn)品適用的兒童的尺寸范圍，依據(jù)表3.1選擇最大和最小的測(cè)試假人，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用最新的Q系列假人。

Q系列兒童假人的生物逼真性和測(cè)試系統(tǒng)的功能顯著提升，損傷評(píng)估能力明顯提高，假人損傷指標(biāo)評(píng)價(jià)體系全面變化。相比ECE R44，對(duì)于正面和后面碰撞動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，ECE R129增加了頭部評(píng)價(jià)指標(biāo)HPC（15） 、頸部評(píng)價(jià)指標(biāo)Fz、My，保留了胸部合成加速度55g-3ms，取消了垂直加速30g-3ms，取消腹部侵入量這一主觀色彩較濃的評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中頸部評(píng)價(jià)指標(biāo)只用于監(jiān)測(cè)目的，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制實(shí)施后3年進(jìn)行此項(xiàng)檢查。

ECE R129新增了側(cè)面碰撞動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，損傷指標(biāo)包括頭部評(píng)價(jià)指標(biāo)HPC（15） 、頸部評(píng)價(jià)指標(biāo)Fz、My。其中頸部評(píng)價(jià)指標(biāo)只用于監(jiān)測(cè)目的，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制實(shí)施后3年進(jìn)行此項(xiàng)檢查。與正面和后面碰撞動(dòng)態(tài)試驗(yàn)比較，側(cè)面碰撞沒有胸部指標(biāo)要求。詳細(xì)的損傷指標(biāo)見表3.2、3.3所示：

表3　.2　ECE R129規(guī)定的正面碰撞和追尾碰撞中假人評(píng)價(jià)指標(biāo)

表3　.3　ECE R129規(guī)定的側(cè)面碰撞中假人評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1Q系列兒童假人

1993年，歐洲的一些CRS生產(chǎn)商、研究所和試驗(yàn)機(jī)構(gòu)聯(lián)合組成一個(gè)兒童假人工作組著手開發(fā)Q系列兒童假人。Q假人的發(fā)展由CREST支持的TNO和CHILD EC研究項(xiàng)目共同推動(dòng)，順序如下：Q3 （1998） 、Q6 （1999）、Q1 （2000）、Q0和Q1.5 （2003）。Q10于2010年由被稱為保護(hù)大齡兒童項(xiàng)目EPOCh （Enabling Protection of Older Children）的EC項(xiàng)目最后研制成功。Q系列假人尺寸和質(zhì)量人體測(cè)量特征分別基于50百分位的0歲（6周）、 1歲、1.5歲、3歲、6 歲和 10.5歲的兒童。Q系列兒童假人如圖3.1所示：

表3　.1 ECE R129規(guī)定的測(cè)試假人

Q系列兒童假人的結(jié)構(gòu)并不是特別復(fù)雜，其軀干部分的部件相對(duì)較多，頭部、頸部和四肢都只是由幾個(gè)零件組成，手臂及大小腿都為單一的零件構(gòu)成。構(gòu)成軀干部分的幾個(gè)主要部件為胸椎、腰椎、肋骨、肩部、腹部和盆骨。 Q系列的優(yōu)點(diǎn)是：（1）生物逼真性和損傷評(píng)估能力高；（2）能夠分別進(jìn)行正碰和側(cè)碰的試驗(yàn)，是首個(gè)多方向試驗(yàn)假人； （3）試驗(yàn)儀器先進(jìn)互換性強(qiáng) 可以在Q系列假人中通用。

Q系列兒童假人的測(cè)試能力詳見表3.4所示。

4　我國兒童約束系統(tǒng)相關(guān)法規(guī)對(duì)兒童假人的應(yīng)用

4.1GB2 7887-2011《機(jī)動(dòng)車兒童成員用約束系統(tǒng)》

1）在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)使用的P系列兒童假人家族。如果兒童約束系統(tǒng)適合兩個(gè)或兩個(gè)以上質(zhì)量組，原則上在試驗(yàn)時(shí)要覆蓋所有兒童假人和約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型。 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)除了考核兒童約束系統(tǒng)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度，還要考核兒童假人頭部位移量、胸部加速度限值和腹部侵入性。

2）試驗(yàn)準(zhǔn)備過程中，在假人和兒童安全座椅靠背之間放置一個(gè)可彎曲的裝置，厚度為2.5cm、寬6cm、長度與假人尺寸相關(guān)，然后按照制造商的說明調(diào)整織帶，拉力超出調(diào)節(jié)力205N±25N，最后移走可彎曲裝置。

3）通過假人中心線的縱向平面應(yīng)位于兩個(gè)下固定的中間；在使用增高墊和P10假人一起試驗(yàn)的情況下，通過假人中心線的縱向平面應(yīng)位于兩個(gè)下固定的中間偏左或偏右75mm±5mm。

4）在翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)中需對(duì)約束系統(tǒng)組別中的最小和最大P系列兒童假人進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中模擬實(shí)車翻轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行橫向和縱向的360°旋轉(zhuǎn)，考核假人不從約束系統(tǒng)中掉出，假人的頭部從它的原始位置產(chǎn)生的位移應(yīng)不超過300mm。

4.2中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）

1）在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)中在第二排最右側(cè)座位上放置一個(gè)P 系列3 歲兒童假人。用以考核乘員約束系統(tǒng)強(qiáng)度， 兒童假人頭部與車輛內(nèi)部有接觸情況時(shí)，兒童假人的頭部3ms 合成加速度值不應(yīng)超過88g。

2）《兒童約束系統(tǒng)（CRS）產(chǎn)品評(píng)價(jià)規(guī)則》的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中則是按照兒童約束系統(tǒng)產(chǎn)品分組搭乘相應(yīng)的P系列兒童假人。是按照GB 27887-2011試驗(yàn)方法 的前碰和后碰在白車身和滑車上進(jìn)行碰撞模擬試驗(yàn)。區(qū)別GB 27887-2011的是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中的量化測(cè)試項(xiàng)不僅包括了頭部傷害、胸部傷害，還增加了頸部傷害指標(biāo)的測(cè)定。

5　總結(jié)

（1）各系列兒童假人之間有著較大的差異。比較而言，最新開發(fā)的Q系列兒童假人具有更好的重復(fù)性、穩(wěn)定性和生物逼真度，損傷評(píng)估能力高且能夠分別進(jìn)行正碰和側(cè)碰試驗(yàn)，同時(shí)試驗(yàn)儀器互換性強(qiáng)，是目前最先進(jìn)的兒童假人。

表3　.4 Q系列假人測(cè)試能力匯總

（2）不同系列測(cè)試假人的背后其實(shí)是不同的標(biāo)準(zhǔn)體系，歐美目前仍主導(dǎo)著全球汽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系。目前兒童約束系統(tǒng)的法規(guī)數(shù)量很多，但總體上可分成兩大標(biāo)準(zhǔn)體系：美國的FMVSS 213 和歐洲的ECE R44，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用面較廣，其他國家的標(biāo)準(zhǔn)基本上參照這兩種法規(guī)并結(jié)合本國實(shí)際情況加以修改形成。我國GB27887-2011修改采用ECE R44（修訂本2），而歐洲的發(fā)展趨勢(shì)很有可能是ECE R129完全取代ECE R44。我國標(biāo)準(zhǔn)的更新應(yīng)對(duì)該情況發(fā)展給予動(dòng)態(tài)關(guān)注。

（3）我國相關(guān)汽車兒童安全法規(guī)還有待提升。試驗(yàn)細(xì)節(jié)方面，兒童假人的試驗(yàn)姿態(tài)，是試驗(yàn)一致性的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到兒童假人的傷害指標(biāo)和動(dòng)態(tài)移動(dòng)量，在GB27887-2011標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)兒童假人的四肢的布置沒有明確的規(guī)定。考核指標(biāo)方面，對(duì)于成人乘員保護(hù)有GB20071-2006、CNCAP等側(cè)面碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，目前對(duì)于兒童乘員保護(hù)還沒有側(cè)面碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。在GB27887-2011動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的腹部侵入性是主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，如何進(jìn)行符合性判定存在爭(zhēng)議。

［1］FMVSS213Child restraint systems.

［2］ECE R44/04 Uniform provisions concerning the approval of restraining devices for child occupants of power-driven vehicle（CRS）.

［3］ECE R129 Uniform provisions concerning the approval of enhanced Child Restraint Systems used on board of motor vehicles （ECRS）.

［4］CRABI 12 and 18 Month Old User Manual.

［5］Hybrid III 10 Year Old （420-0000） User Manual.

［6］Q0 （6 week old, Newborn） User Manual.

［7］Q1.5 （Advanced 1.5 year old child） User Manual.

［8］Q1 （Advanced 1 year old child） User Manual.

［9］Q3 （Advanced 3 year old child） User Manual.

［10］Q6 （Advanced 6 year old child） User Manual.

［11］Q10 （10.5 year old child） User Manual.

［12］P-Series Child Dummies P3/4, P3, P6, P10 Users Manual.

［13］ P1? Child Dummy User Manual.

［14］GB27887-2011《機(jī)動(dòng)車兒童成員用約束系統(tǒng)》.

［15］中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）（2015版）.

［16］《兒童約束系統(tǒng)（CRS）產(chǎn)品評(píng)價(jià)規(guī)則》（2014版）.

專家推薦

李三紅：

本文文字流暢，條理清楚，對(duì)主要的兒童假人和相應(yīng)的CRS標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，具有實(shí)用的資料性價(jià)值。

Review of Child dummies Used in Child Restraint System Tests

MA Wei, LV Shi-shuang, YANG Bin, ZHANG Hui-yun
（ National Automobile Quality Supervision And Test Center ［Xiang yang］, Xiang yang 441004, China ）

With the advancement of the child occupant safety research, the standards and regulations of child restraint systems（CRS）are revised constantly ,the crash test child dummies have also been changed . At present the main CRS' standards FMVSS 213, ECE R44, and the latest ECE R129 adopt different test dummy respectively. In this paper, the dummies used by these standards are elaborated.

child restraint system（CRS）； child dummy

U467.3

A

1005-2550（2016）03-0062-06