兒童約束系統動態試驗安全帶峰值張力規律研究

張曉龍,胡經國,魏聚周,杜志豪

(1.中國汽車技術研究中心，天津 300300；2.卡達克機動車質量檢驗中心(寧波)有限公司，浙江寧波 315336)

兒童約束系統動態試驗安全帶峰值張力規律研究

張曉龍1,胡經國2,魏聚周2,杜志豪2

(1.中國汽車技術研究中心，天津 300300；2.卡達克機動車質量檢驗中心(寧波)有限公司，浙江寧波 315336)

對采用汽車安全帶固定的兒童座椅動態試驗數據進行整理分析，研究碰撞過程中安全帶峰值張力的大小及規律。首先，根據假人質量及安全帶路徑規律對試驗數據進行分類，然后對各類試驗的安全帶峰值張力進行統計分析，得到如下結論：安全帶峰值張力不超過7 kN；0和0+組后碰試驗中肩帶峰值張力小于腰帶峰值張力，但是張力水平較小；正碰試驗中肩帶峰值張力均大于腰帶峰值張力，且隨著假人質量的增大，安全帶張力水平也逐漸增大。此研究成果可以為兒童約束系統導向件的設計提供指導。

兒童約束系統；安全帶張力；導向裝置；動態試驗

0 引言

隨著國內外法律法規的健全以及人們行車安全意識的提高，兒童約束系統作為保護兒童乘員[1]、從而有效減輕甚至免受汽車碰撞事故傷害的保護裝置，得到越來越多學者的關注。目前對于兒童座椅的研究主要借助有限元工具，并集中在以下幾個方面：(1)針對某款兒童座椅的結構進行改進設計，使得碰撞過程中假人頭部位移以及假人損傷值降低[2-3]；(2)對兒童座椅誤使用安全性進行分析[4-6]，為兒童座椅易用性評價提供依據；(3)進行基于整車碰撞的兒童假人傷害研究，通過改善某些結構的形狀及剛度，實現兒童座椅與整車的匹配[7-8]。

采用有限元分析方法對兒童座椅進行結構的優化設計，從而滿足法規的各項要求，可以縮短產品的開發周期，減少開發費用[9]。但是目前兒童座椅制造商多為微型企業，科研實力欠缺，不得不依靠經驗或主觀判斷進行產品的設計，從而造成市場上的兒童座椅產品質量參差不齊。作者立足于大量試驗案例，挖掘試驗數據的關聯性，總結出普適性規律，以期對兒童座椅的設計起到指導作用，具有較現實的意義。文中主要針對利用汽車安全帶固定的兒童約束系統進行研究，重點關注碰撞過程中安全帶(包括肩帶及腰帶)峰值張力對兒童座椅結構強度的影響規律。

1 安全帶峰值張力對兒童座椅結構的影響分析

目前中國市場上流行的兒童座椅產品主要有兩種：(1)采用汽車ISOFIX固定點外加抗翻轉裝置，實現對兒童約束系統的固定；(2)采用汽車安全帶約束兒童座椅(或者兒童)[10-11]。文中主要研究第二種情況。

在對采用三點式安全帶進行約束的兒童座椅進行動態試驗時，需按照廠家提供的安全帶走向示意圖，并在腰帶及肩帶處安裝張力傳感器，將張力預緊至(50±5)N的水平，完成座椅及假人的安裝。兒童座椅產品上經常會設置一些安全帶通過裝置，如圖1—3所示，根據GB27887-2011規定，動態試驗過程中，該結構不應發生斷裂破壞[10]。

圖1 導向鉤 圖2 導向裝置 圖3 B類鎖止裝置

在碰撞瞬間，安全帶張力達到數千牛，如果這些導向或鎖止裝置強度不足以抵抗安全帶張力突變帶來的沖擊，則會斷裂，造成試驗不通過。由于兒童座椅碰撞模型是一個高度非線性的系統，采用理論計算方法來獲得碰撞瞬間的峰值張力非常困難。因此，通過分析大量試驗數據，得到安全帶峰值張力的大小規律，不失為一種行之有效的辦法。

2 動態試驗安全帶峰值張力分析

2.1 試驗數據分類

選取了359次試驗的結果數據進行分析，由于在0和0+組試驗中，座椅及假人需要后向安裝，假人質量較小且差別不大，歸為一類進行分析。通過對大量試驗樣品研究發現，Ⅱ、Ⅲ組的安全帶走向大多一致，因此將Ⅱ、Ⅲ組的P6假人試驗也歸為一類，其余按假人及組別進行分類。分類完成后共有0和0+組、Ⅰ組P3/4、Ⅰ組P3、Ⅱ組P3、Ⅱ/Ⅲ組P6、Ⅲ組P10共6種情況，各類情況樣本數量如圖4所示。

圖4 各類情況樣本數量

2.2 試驗數據分析

圖5為全部試驗樣本安全帶峰值張力分布，可以看出，大多數試驗中，肩帶峰值張力大于腰帶峰值張力，但不超過7 kN，因此可以將7 kN作為兒童座椅導向裝置材料的選取指標。

圖5 全部試驗的峰值張力分布

從圖6—11中可以看出:正碰時肩帶峰值張力普遍大于腰帶峰值張力，這是由于在正碰過程中，假人臀部除受腰帶約束外，還受到座椅坐墊的摩擦[12]，而假人骨盆以上的部位僅受到肩帶的約束，假人胸部及頭部相對下肢發生較大的前向位移，因此肩帶的拉伸變形也更大一些。但從圖12中可以看出：后碰時這種情況剛好相反，腰帶峰值張力處于較高水平，但峰值張力水平總體較小，這是由于在假人后向安裝后碰試驗中，座椅及假人由于慣性會產生向試驗座椅靠背方向的翻轉運動，此時，假人及座椅上半部分靠近座椅靠背，而下半部分遠離，導致肩帶松弛，甚至完全松弛，而腰帶張緊。在后期反彈的過程中，肩帶張力才會達到峰值水平。

圖6 0和0+組正碰安全帶峰值張力分布

圖7 Ⅰ組P3/4正碰安全帶峰值張力分布

圖8 Ⅰ組P3正碰安全帶峰值張力分布

圖9 Ⅱ組P3正碰安全帶峰值張力分布

圖10 Ⅱ/Ⅲ組P6正碰安全帶峰值張力分布

圖11 Ⅲ組P10正碰安全帶峰值張力分布

圖12 0和0+組后碰安全帶峰值張力分布

表1所示為不同情況的安全帶平均峰值張力，可以看出：隨著假人質量的增大，峰值張力平均水平也逐漸增大。根據能量守恒定律可知，假人及座椅的動能應等于兒童座椅本體變形儲存的彈性勢能、安全帶繃緊所產生的彈性勢能以及各部件之間的摩擦消耗等之和。假人質量增加導致碰撞總體能量的增加，因此安全帶需要產生更大的張力用于抵抗假人的運動。

表1 安全帶平均峰值張力 kN

2.3 試驗案例分析

在對某款兒童座椅進行Ⅲ組P10假人動態試驗時，其肩帶處安全帶導向鉤斷裂 ，如圖13所示，碰撞過程中肩帶峰值張力為5.584 kN。廠家根據此峰值張力制定導向鉤材料的選用原則，在換用耐沖擊強度更高的塑料后，動態試驗后的表現優異(見圖14)。

圖13 第一次試驗高的塑料后的試驗 圖14 更換為耐沖擊強度更

3 結論

在分析359次試驗數據的基礎上，得到了如下結論：

(1)碰撞試驗過程中，安全帶峰值張力不會超過7 kN，該結論可作為導向裝置的設計選取依據；

(2)0和0+組后碰試驗中肩帶峰值張力小于腰帶峰值張力，但是張力水平較小；

(3)正碰試驗中，肩帶峰值張力大于腰帶峰值張力，且隨著假人質量的增大，安全帶張力水平也逐漸增大。

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ResearchonSafetyBeltPeakTensionofChildRestraintSystemDynamicTest

ZHANG Xiaolong1,HU Jingguo2,WEI Juzhou2,DU Zhihao2

(1.China Automobile Technology & Research Center，Tianjin 300300，China；2.CATARC Automotive Quality Ispection Center (Ningbo)Co.,Ltd.，Ningbo Zhejiang 315336，China)

The safety belt peak tension was studied based on dynamic test data of child restriant system fixed by car safety belt.Firstly, the test data were classified according to weight of dummy and safety belt path, then each kind of belt peak tension was analyzed.The conclusions are that the safety belt peak tension is not more than 7 kN;shoulder belt peak tension is smaller than the lap belt peak tension in the rear impact of 0 and 0+group, but the tension level is low;oppositely the shoulder belt peak tension is greater than the lap belt peak tension in the frontal impact, and safety belt tension level increases gradually with the increase of dummy weight.The research results can provide guidance for the design of child restraint system.

Child restraint system;Safety belt tension;Guiding device; Dynamic test

2017-06-12

張曉龍(1978—)，男，研究生，高級工程師，研究方向為汽車被動安全。E-mail：zhangxiaolong@catarc.ac.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.10.015

U467.3

B

1674-1986(2017)10-063-04