CRS不同約束方式對(duì)P3乘員保護(hù)的研究

趙大鵬，唐志濤，周勇，李少鵬，占超

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CRS不同約束方式對(duì)P3乘員保護(hù)的研究

趙大鵬1，唐志濤1，周勇2，李少鵬1，占超1

（1.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車(chē)工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264000；2.清華大學(xué)汽車(chē)碰撞試驗(yàn)室，北京 100084）

在第I質(zhì)量組中，P3假人的約束方式為五點(diǎn)式約束即CRS自身安全帶約束；在第II質(zhì)量組中，P3假人的約束方式是三點(diǎn)式約束即成人安全帶約束。基于以上規(guī)定，文章以強(qiáng)制性3C認(rèn)證試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，在其他試驗(yàn)條件都相近的情況下，通過(guò)兩種約束方式下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)可知，三點(diǎn)式約束系統(tǒng)能夠更加有效地減小兒童乘員的頭部位移，五點(diǎn)式約束可以有效地減小兒童乘員的胸部加速度，結(jié)合兒童乘員損傷機(jī)理，在交通事故中應(yīng)更加注重對(duì)兒童乘員頭部的保護(hù)，因此本文認(rèn)為對(duì)于2~4歲左右的兒童乘員，應(yīng)盡量使用成人安全帶約束。

兒童安全座椅；五點(diǎn)式約束；三點(diǎn)式約束；P3兒童假人；兒童乘員傷害

前言

兒童乘員安全問(wèn)題越發(fā)受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，中國(guó)在成為世界第一大汽車(chē)生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)的同時(shí)，也成為了世界上交通事故最多的國(guó)家[1]。近年來(lái)，隨著國(guó)家相關(guān)政策和家長(zhǎng)們安全意識(shí)的不斷提高，兒童安全座椅的使用率也水漲船高。

相關(guān)調(diào)研指出，在不同的年齡分段中，2~4歲兒童的乘車(chē)需求最多，因此該年齡段也是兒童安全座椅的最大使用人群[1]。為加強(qiáng)對(duì)兒童安全座椅制造商與整個(gè)行業(yè)的監(jiān)管力度，從2015年9月1日起，國(guó)家質(zhì)檢總局對(duì)兒童安全座椅產(chǎn)品實(shí)施強(qiáng)制性3C認(rèn)證，在強(qiáng)制性檢測(cè)認(rèn)證試驗(yàn)中，根據(jù)GB27887-2011《機(jī)動(dòng)車(chē)兒童乘員用約束系統(tǒng)》中規(guī)定的試驗(yàn)方法，用P3系列假人模擬年齡在3歲左右，體重在15kg~18kg左右的兒童乘員。但是法規(guī)規(guī)定，P3假人在認(rèn)證試驗(yàn)中需要分別采用三點(diǎn)式約束和五點(diǎn)式約束兩種約束方式。這種試驗(yàn)方法雖然能夠提高試驗(yàn)結(jié)果的代表性和可參考性，但也讓很多家長(zhǎng)們?cè)谶x擇安全座椅時(shí)無(wú)法確定應(yīng)該選擇三點(diǎn)式約束還是五點(diǎn)式約束的兒童安全座椅。本文主要是在兒童安全座椅3C認(rèn)證試驗(yàn)的結(jié)果之上，對(duì)比分析P3兒童假人分別在三點(diǎn)式約束和五點(diǎn)式約束之下的各傷害指標(biāo)，探究哪一種約束方式能夠?qū)?歲左右體重在15kg~18kg的兒童乘員起到更好的保護(hù)作用，也能夠?yàn)榧议L(zhǎng)在選擇兒童安全座椅的時(shí)候提供一定的參考。

1 兒童乘員損傷機(jī)理及保護(hù)

1.1 損傷標(biāo)準(zhǔn)和等級(jí)

損傷標(biāo)準(zhǔn)（injury criteria）是評(píng)價(jià)事故載荷的嚴(yán)重性和損傷風(fēng)險(xiǎn)的重要工具。按照定義，損傷標(biāo)準(zhǔn)將物理參數(shù)（如加速度、力）和身體某一部位遭受某種形式傷害（如腦震蕩、骨折）的可能性聯(lián)系起來(lái)，一般是以數(shù)據(jù)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)論據(jù)得來(lái)的。因?yàn)榭赡茉斐扇梭w損傷的真實(shí)人體試驗(yàn)是不可能進(jìn)行的，所以這些標(biāo)準(zhǔn)的形式和經(jīng)驗(yàn)需要利用外推法和長(zhǎng)時(shí)間的逐步推斷過(guò)程[2]。

損傷等級(jí)是為了研究交通損傷而建立的。依據(jù)醫(yī)學(xué)診斷，損傷等級(jí)將各種類(lèi)型的損傷程度加以定義。最常見(jiàn)的損傷等級(jí)是1971年美國(guó)汽車(chē)醫(yī)學(xué)發(fā)展協(xié)會(huì)（AAAM）針對(duì)汽車(chē)安全性而制定的簡(jiǎn)明損傷等級(jí)（abbreviated injury scale，AIS），如表1所示，汽車(chē)醫(yī)學(xué)發(fā)展協(xié)會(huì)定期對(duì)其進(jìn)行修訂和更新。

表1 汽車(chē)安全性而制定的簡(jiǎn)明損傷等級(jí)

1.2 兒童乘員損傷機(jī)理

根據(jù)NHTSA對(duì)大量受傷兒童統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，在兒童乘員各部位達(dá)到AIS2級(jí)損傷以上時(shí)，在交通事故中，頭部損傷是兒童致殘致死和醫(yī)療成本增加的首要原因，約占到身體各部位傷害的50%以上；其次是胸部傷害，約占身體各部位傷害的40%[1]。

一般來(lái)講，靜載荷和動(dòng)載荷都可以引起頭部損傷。在交通事故中，靜載荷形式非常少見(jiàn)，動(dòng)載荷是主要的載荷形式。造成頭部損傷的動(dòng)載荷一般有接觸性和非接觸性兩種形式，不同的載荷形式會(huì)有不同的頭部響應(yīng)。接觸通常是指頭部與汽車(chē)內(nèi)飾件或前排座椅靠背的接觸，也包括與車(chē)內(nèi)其他乘員的接觸。頭部直接與一個(gè)物體接觸可以導(dǎo)致顱骨變形，引起直接骨折或間接骨折。在非接觸情況下，頭部的加速度產(chǎn)生慣性力，非接觸性的慣性力或加速度導(dǎo)致的頭部損傷通常是軟組織損傷，如硬膜下血腫等。

胸部損傷的機(jī)理一般分為三種：壓縮、粘性負(fù)載和體內(nèi)器官的慣性載荷，此外還有這3種基本情況的任意組合。損傷的結(jié)果可以分為骨骼損傷和軟組織損傷。其中，骨折等骨骼損傷與乘員的年齡密切相關(guān)，兒童乘員肋骨比成年人更加柔軟，在碰撞過(guò)程中發(fā)生骨折的現(xiàn)象很少。正確使用兒童約束系統(tǒng)的情況下，兒童胸部損傷并不常見(jiàn)[1]。

從以上的結(jié)論不難看出，相對(duì)于胸部損傷，對(duì)于2~4歲年齡段的兒童乘員來(lái)說(shuō)，頭部受到傷害的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)更高。因此該年齡段的兒童在乘車(chē)時(shí)應(yīng)更加注重對(duì)頭部的保護(hù)。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參照GB27887-2011《機(jī)動(dòng)車(chē)兒童乘員用約束系統(tǒng)》的前向正面碰撞試驗(yàn)要求，使用減速臺(tái)車(chē)碰撞測(cè)試平臺(tái)，臺(tái)車(chē)速度為48~50km/h，臺(tái)車(chē)緩沖距離為600~700mm。

符合3C認(rèn)證動(dòng)態(tài)碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的座椅在試驗(yàn)中必須滿足以下要求[3]：

（1）碰撞之后，不打開(kāi)帶扣，用肉眼檢查，不能有任何的失效或損壞。

（2）動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，兒童安全座椅的任何部件都不能斷裂，帶扣、鎖止裝置不能發(fā)生脫扣現(xiàn)象。

（3）兒童假人傷害指標(biāo)滿足以下條件，如表2所示。

表2 兒童假人傷害指標(biāo)及限值

圖1是某 3C認(rèn)證檢測(cè)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)場(chǎng)所的俯視圖，試驗(yàn)用兒童假人和兒童安全座椅固定在臺(tái)車(chē)上，兒童假人身上裝有測(cè)試獲取胸部加速度和頭部位移的傳感器，臺(tái)車(chē)上面固定安裝有測(cè)試臺(tái)車(chē)加速度的加速度傳感器，具體的設(shè)備如圖1所示。

圖2是試驗(yàn)過(guò)程中兒童假人不同的約束方式。其中（a）為五點(diǎn)式約束假人，（b）為三點(diǎn)式約束假人。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)結(jié)束以后運(yùn)用DIAdem和Origin進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)GB27887-2011《機(jī)動(dòng)車(chē)兒童乘員用約束系統(tǒng)》的前向正面碰撞試驗(yàn)要求，抽取認(rèn)證試驗(yàn)中過(guò)程中的10組臺(tái)車(chē)加速度波形，如圖3所示。

圖3 臺(tái)車(chē)加速度波形

3 試驗(yàn)結(jié)果

首先從3C認(rèn)證試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中抽取50組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，在數(shù)據(jù)選擇的時(shí)候主要做到以下幾點(diǎn)要求來(lái)達(dá)到正交試驗(yàn)方法的試驗(yàn)效果。

（1）確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的試驗(yàn)條件相同；

（2）試驗(yàn)中CRS在汽車(chē)座椅上的固定方式相同；

（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)盡量選取同一廠家同種型號(hào)的座椅；

（4）在同一廠家同種型號(hào)的座椅試驗(yàn)數(shù)據(jù)達(dá)不到取樣次數(shù)的情況下，應(yīng)選取試驗(yàn)時(shí)間和座椅質(zhì)量相近的兒童座椅。

表3和表4是兒童乘員按照不同的約束方式下的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 三點(diǎn)式約束下的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 五點(diǎn)式約束下的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在交通碰撞事故中，兒童乘員所受到的損傷一般來(lái)自于外力沖擊，與成人乘員相比，兒童乘員傷害指標(biāo)相對(duì)簡(jiǎn)單，大多使用加速度和位移來(lái)表征。頭部水平位移和胸部合成加速度是表征兒童乘員頭部和胸部損傷的關(guān)鍵指標(biāo)。下面就將滿足選取要求的50組P3假人在五點(diǎn)式約束和三點(diǎn)式約束的情況下，頭部水平位移測(cè)試結(jié)果和胸部合成加速度的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 頭部水平位移對(duì)比

圖5 胸部合成加速度對(duì)比

從頭部水平位移柱狀圖可以看出，當(dāng)兒童乘員在使用三點(diǎn)式約束的時(shí)候，其頭部水平位移分布比較均勻，450mm~ 550mm這種較大的頭部水平位移出現(xiàn)次數(shù)較少；當(dāng)兒童乘員在使用五點(diǎn)式約束的時(shí)候，其頭部水平位移主要集中在400mm~550mm之間；通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以得出結(jié)論，兒童乘員在三點(diǎn)式約束的情況下頭部水平位移明顯小于五點(diǎn)式約束情況下兒童乘員的頭部水平位移。

從胸部合成加速度對(duì)比柱狀圖可以看出，在CRS固定方式和試驗(yàn)方法基本相同的情況下，用五點(diǎn)式約束即CRS自身安全帶約束來(lái)約束兒童乘員，其胸部合成加速度主要集中在15g~45g，而用三點(diǎn)式約束即車(chē)身安全帶約束來(lái)約束兒童乘員，其胸部合成加速度主要集中在25g~55g之間。不難看出，五點(diǎn)式約束能夠更加有效地減小兒童乘員的胸部受傷風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

通過(guò)以上多組試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比分析很容易得知：對(duì)于覆蓋第I和第II質(zhì)量組的P3兒童假人，在CRS固定方式、試驗(yàn)測(cè)試方法和兒童安全座椅質(zhì)量基本相同的情況下，三點(diǎn)式約束方式能夠更加有效地減小兒童乘員在事故中的頭部水平位移，起到更好的對(duì)頭部的保護(hù)作用；五點(diǎn)式約束方式能夠明顯的減小兒童乘員在事故中的胸部合成加速度，起到更好的對(duì)于胸部更好的保護(hù)作用。前面兒童乘員受傷機(jī)理中指出，對(duì)于兒童乘員來(lái)說(shuō)，應(yīng)該更加注重對(duì)于其頭部的保護(hù)作用，因此對(duì)于2~4歲年齡段，體重在15kg~18kg左右的兒童乘員在乘車(chē)時(shí)，在情況允許的情況下應(yīng)該盡量使用三點(diǎn)式約束。

[1] 張金換,許述財(cái),楊欣,馬春生.汽車(chē)兒童乘員碰撞傷害與防護(hù)[M].清華大學(xué)出版社,2015:194-230.

[2] 曹立波,張瑞峰,劉曜.兒童乘員損傷機(jī)理及保護(hù)措施研究[M].湖南大學(xué),2012.

[3] 魏哲,強(qiáng)毅.汽車(chē)兒童約束系統(tǒng)技術(shù)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)研究[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)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

趙大鵬，就讀于煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車(chē)工程學(xué)院，今在清華大學(xué)汽車(chē)碰撞試驗(yàn)室交流學(xué)習(xí)，碩士在讀，主要研究方向?yàn)槠?chē)主被動(dòng)安全。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.051