面向兒童約束系統的多點侵入側碰方法及假人損傷

徐哲 高冠宇 劉燦燦 婁磊

關鍵詞：汽車安全；被動安全；側面碰撞；兒童約束系統（CRS）；多點侵入；假人頭部損傷

交通事故統計表明，側面碰撞已成為繼正面碰撞之后造成兒童乘員傷亡的主要原因，占碰撞事故總數的30%以上[1-2]，且對兒童乘員的致死率也高達30%[3-4]。一些發達國家已經將兒童約束系統側面碰撞試驗納入國家標準法規中，但是目前中國對于兒童約束系統（childrestraintsystem，CRS）并沒有側面碰撞法規或者評價方法。

臺車試驗是一種重要的測試手段，與實車試驗相比，能縮短開發周期，降低開發成本。針對兒童座椅（即兒童約束系統，CRS）產品的測試，臺車試驗尤為適合。側面碰撞中乘員的損傷大多因為與車內的側面結構發生直接碰撞導致，而乘員的傷害情況與車門在碰撞過程中的侵入速度有關[5]。由于車門結構以及車門與車身連接關系的復雜性，使得車門內飾板上不同位置的加速度和速度變化非常大[6]。只有模擬出車門不同部位的侵入情況，才能真實準確復現實車碰撞工況。而目前一些關于CRS側面碰撞臺車測試方法，只能實現門板的平動和單一自由度侵入。

CRS的側碰試驗方法可以分為以下幾類：第1類是固定側門，車門與座椅相對固定，無法實現車門侵入，如澳洲標準AS/NZS1754[7]；第2類是鉸鏈運動側門，可以實現車門整體侵入，但控制精度和一致性是難以解決的關鍵問題，如歐洲國際標準組織提出的ISO29062[8]；第3類是平移側門，用吸能鋁塊實現座椅和門板間的侵入，該方法最早來自于美國NHTSA（國家公路交通安全管理局，NationalHighwayTrafficSafetyAdministration）與日本Takata對于CRS側碰的研究[9]；隨后，歐洲兒童約束系統法規ECER129[10]中提出了對CRS側碰性能的考核，規定了車門、以及車門與座椅的相對速度，實現車門單自由度侵入。

為了在臺車試驗復現實車碰撞中車門不同部位的侵入情況，本文提出面向CRS的多點侵入臺車側面碰撞測試方法并進行驗證；提取出不同車型車門的關鍵部位的特征波形，來研究CRS在不同安裝方式、不同安裝方向下，以及不同大小的兒童假人的頭部損傷規律。本文的研究可望為中國兒童約束系統側面碰撞法規的制訂或評價方法的制定，提供參考。

1面向CRS的多點侵入側面碰撞測試方法

1.1測試方法

1.1.1車門關鍵侵入區域劃分

在真實的側面碰撞工況下，車門的不同部位侵入的速度和加速度是有差異的。要實現多個不同部位的侵入，首先要確定幾個關鍵區域，即要確定不同的兒童約束系統和不同身高的兒童相對于車門的關鍵位置。H.Johannsen等人[11]通過分析歐洲的交通事故，得出側面碰撞中兒童需要保護的是兒童乘員頭、胸和腹部。因此，本文將車門劃分為頭部、胸部、骨盆（或腹部）3個關鍵區域。圖1為CRS正向和后向安裝時車門位置劃分的示意圖。

本文對多款國產車型后車門形狀尺寸進行統計，并參考ECER129法規，獲得車門平均高度為Cr線[12]向上500mm。同時，對不同年齡的兒童在乘坐不同組別的CRS時，胸部、骨盆（或腹部）2個關鍵部位相對于Cr線的高度進行了統計，如表1所示。

選取有代表性的Q0、Q1.5、Q3、Q10假人（分別代表年齡為新生兒、1.5歲、3歲、10歲的兒童）來模擬。CRS選取的是目前市面上常見的類型和結構。根據表1的統計結果，以胸部和骨盆區域相對Cr線高度的平均值作為車門劃分的依據，將車門劃分為上、中、下3個部分，分別對應頭部侵入區域、胸部侵入區域、骨盆侵入區域。骨盆區域為Cr線向上235mm區間內，胸部區域為Cr線向上235～435mm區間內，頭部區域為435～500mm區間內，車門關鍵位置劃分如圖2所示。

1.1.2多點侵入的方式

在加速式滑車上增加一套側碰裝置，包括側碰臺車液壓加速器以及側碰活塞等。由主臺車液壓加速器控制主活塞，并通過側碰臺車液壓加速器控制3個側碰活塞，實現車門不同位置的侵入，如圖3所示。其主要原理是通過主活塞對滑車及上面的系統施加碰撞沖擊，由3個側碰活塞對假人及座椅實施侵入運動，兩者結合來復現實車側面碰撞中假人的運動姿態和損傷響應。主活塞和側碰活塞的侵入缸的動作都是液壓伺服控制的，活塞后端連接位移速度傳感器，采集的位移和速度數據反饋至控制系統進行閉環控制。

將3個活塞的位置根據圖2進行調節，并在3個活塞上安裝不同重量的鋁板模擬車門骨架重量，為了方便安裝，每個區域之間留有10mm間隙，如圖4所示。

內部門板使用與ECER129試驗相同的材料，即厚度為35mm的CR4271型聚氯橡膠泡沫再覆蓋上厚度為20mm的C2500型聚氨酯材料，其中聚氯橡膠泡沫需要裁剪成3個區域門板的形狀，分別固定在每塊鋁板上。聚氨酯材料無需裁剪，整體覆蓋到聚氯橡膠泡沫上，并且每次試驗需要進行更換。

1.1.3多點侵入的輸入波形

目前，國外現行的側碰測試方法中都是門板的單一簡化波形的輸入，對于多點侵入測試方法希望完全復現實車側碰的侵入過程，使用實車曲線輸入更為合理。實車曲線獲得方法為在實車側碰試驗中，在碰撞側后車門內部各貼3個傳感器，傳感器位置為圖2中劃分的頭部、胸部、骨盆3個關鍵區域的中心附近，如圖5所示。

將獲得的3個關鍵區域的加速度波形進行濾波處理，分別輸入到3個側碰活塞中，將實車碰撞中非碰撞側B柱加速度輸入到主臺車中，來實現3點侵入的臺車側面碰撞，圖6為3個側碰活塞的輸入波形，圖7為主臺車的輸入波形。

1.2試驗驗證

利用上述多點侵入臺車側碰方法進行試驗，使用Q1.5兒童假人，CRS安裝方式為ISOFIX+支撐腿，安裝方向為后向安裝。試驗過程中兒童假人的運動姿態和損傷結果與相同兒童座椅及假人設置的實車試驗進行對比。同時，對各傷害指標的峰值進行比對，如表2所示。

圖8為實車試驗和滑臺試驗中兒童假人幾個關鍵時刻頭部姿態。0ms為碰撞初始狀態；40ms時，門板與兒童座椅剛剛發生接觸，并開始發生侵入，兒童頭部開始向門板側移動；70ms時，門板與兒童座椅達到最大侵入，兒童頭部與兒童座椅頭枕發生嚴重擠壓，并開始向遠離門板方向移動；95ms時，兒童座椅與門板分離，兒童頭部與兒童座椅頭枕分離。在實車試驗中因氣囊彈出，對兒童頭部有些遮擋，但關鍵的時刻假人的姿態基本一致。

圖9為實車與滑臺試驗傷害峰值。從圖9可知：滑臺與實車試驗的頭部合成加速度曲線在脈寬、形狀、變化趨勢方面都比較吻合，峰值的偏差僅2.57%。胸部合成加速度、骨盆合成加速度、頸部拉力Fz、胸部壓縮量曲線在變化趨勢方面也都吻合的很好，且曲線峰值的偏差都在10%以內。只有頸部彎矩Mx曲線峰值偏差稍大，達到11.16%，（不考慮反彈）但是變化趨勢也十分吻合。總之，各損傷指標峰值偏差均在12%以內，證明滑臺試驗的假人損傷響應能夠與實車試驗保持一致，面向CRS的多點侵入臺車側碰試驗方法合理可行。

2面向CRS的多點侵入側面碰撞損傷

面向CRS的多點侵入側碰方法可以從侵入方式、輸入波形、以及損傷結果等方面復現實車碰撞，因此利用該方法來研究側碰中兒童假人的損傷規律更為真實合理。

在側面碰撞中，兒童頭部是最主要的受傷部位[13]，在目前歐洲現行的兒童約束系統法規ECER129中，也僅對兒童假人的頭部性能指標（headperformancecriterion，HPC15）和頭部合成3ms加速度進行考核，其他的損傷指標目前還是觀測值。因此，本文將這2個指標作為兒童頭部損傷的評價指標，并研究其規律。在側面碰撞中，兒童的損傷情況與兒童座椅的安裝方式、安裝方向、以及假人大小等因素有關。

2.1車門關鍵部位特征波形提取

本文采集了14款不同車型的實車側面碰撞試驗中車門頭部、胸部、以及骨盆3個區域的加速度曲線，車型信息如表3所示（9-14號為保密車輛，僅顯示品牌信息）。以加速度曲線的平均值作為該區域的特征波形。

獲得的不同部位的特征波形如圖10所示。按照如上方法也可獲得實車碰撞非碰撞側特征波形曲線，如圖11所示。將頭部、胸部、骨盆，以及非碰撞側的特征波形作為三個側碰活塞以及主活塞的輸入，利用多點侵入的測試方法進行多次CRS試驗。

2.2CRS在不同的安裝方式下假人損傷情況

為了研究CRS的不同安裝方式下假人的損傷情況，選取Q3假人，正向安裝，分別在ISOFIX+上拉帶、ISOFIX+支撐腿、安全帶、以及安全帶+ISOFIX下錨點4種安裝方式下各進行4次測試。其中ISOFIX+上拉帶、ISOFIX+支撐腿屬于整體式安裝方式，安全帶、以及安全帶+ISOFIX下錨點屬于非整體式安裝方式。頭部性能指標HPC15和頭部合成3ms加速度結果如圖12所示。

可以看出：整體式安裝方式中，ISOFIX+支撐腿方式下的2個參數的平均值均低于ISOFIX+上拉帶的安裝方式，而且差異比較明顯，頭部性能指標HPC15相差25.8%，頭部合成3ms加速度相差12.4%，說明ISOFIX+支撐腿的安裝方式對兒童頭部的保護效果更好。而對于非整體式安裝方式中，安全帶和安全帶+ISOFIX2種安裝方式頭部損傷的差異并不明顯，帶ISOFIX下錨點的方式損傷值略低些，保護效果略好。從整體上看，對于Q3假人來講，ISOFIX+支撐腿安裝方式保護效果最好，其次是非整體式，ISOFIX+上拉帶安裝方式略差一些。

2.3CRS在不同的安裝方向下假人損傷情況

兒童約束系統根據安裝方向可以分為正向安裝、后向安裝、以及側向安裝。側向安裝一般適用于嬰兒睡床，日常使用率極低，本文暫不考慮。后向安裝適用于低齡兒童，可以很好的保護兒童的頸部和腰椎。ECER129法規中規定15個月以下的兒童必須使用后向安裝，一般情況下，一款前后向可調節的兒童約束系統后向安裝的最大適用年齡是3～4歲。本文選取Q1.5和Q3假人進行不同安裝方向的假人損傷規律的研究。使用Q1.5和Q3假人分別進行正向和后向安裝各5次試驗，安裝方式統一為ISOFIX+支撐腿。試驗結果如圖13所示。

由計算可知，Q1.5假人正向和后向安裝時，頭部性能參數HPC15的平均值分別為374和253，相差47.8%，頭部合成3ms加速度的平均值為65.7g和56.7g，相差15.9%。Q3假人正向和后向安裝時，頭部性能參數HPC15的平均值分別為310和301，頭部合成3ms加速度的平均值為60.8g和60.3g。

可以看出，Q1.5假人對于不同的安裝方向，損傷結果差異較大，后向安裝損傷值明顯低于正向。而Q3假人對于不同的安裝方向損傷值差異并不明顯，從整體趨勢上看，后向安裝的頭部損傷值低于正向安裝。說明在側面碰撞中，后向安裝更有利于兒童頭部的保護，而且假人越小保護效果越明顯。

2.4不同大小的兒童假人損傷情況

目前生物學仿真性能最高的兒童假人是Q系列假人，包括Q0、Q1、Q1.5、Q3、Q6、Q10等6個型號，分別對應不同年齡和身高體重的兒童。選取其中有代表性的5種假人分別進行8次側碰試驗（因Q1和Q1.5比較接近，故僅選Q1.5），試驗結果如圖14所示。

可以看出：對于不同假人來講，頭部性能指標HPC15和頭部合成3ms加速度呈現出一致的規律，而且非常明顯，頭部損傷與假人的大小呈負相關，即隨著假人的增大，頭部損傷減小。Q10假人損傷值最低，Q6次之，Q3和Q1.5雖然損傷值上下波動比較大，但整體上Q3的損傷值是略大于Q1.5的，Q0損傷最為嚴重，最接近法規的限值。這是因為假人越大，坐高越高，與車門結構發生直接碰撞的幾率越低，這就降低了頭部撞擊車門的硬接觸帶來的傷害。因此，在側面碰撞中要尤其注意保護低齡兒童的頭部，避免受到傷害。

3結論

本文針對目前兒童約束系統側面碰撞法規或測試方法均不能實現實車碰撞中車門不同位置的侵入的問題，面向CRS對車門進行了頭部、胸部、以及骨盆3個關鍵區域的位置劃分，提出了多點侵入的臺車側面碰撞測試方法，同時，本文利用多點侵入臺車側面碰撞測試方法研究兒童假人的頭部損傷。得到如下結論：

1）對于CRS不同的安裝方式，整體式的兩種安裝方式下，頭部損傷值差異比較明顯，ISOFIX+支撐腿對頭部的保護效果優于ISOFIX+上拉帶，2種安裝方式的假人頭部性能指標HPC15和頭部合成加速度差異分別為25.8%和12.4%。非整體式的2種安裝方式下，頭部損傷值差異并不明顯。

2）對于CRS不同的安裝方向，后向安裝的頭部損傷值低于正向安裝，2種安裝方向的頭部性能指標HPC15和頭部合成加速度差異分別為47.8%和15.9%。后向安裝更有利于兒童頭部的保護，而且假人越小保護效果越明顯。

3）對于不同假人，0歲至10歲（Q0、Q1.5、Q3、Q6、Q10）的頭部合成加速度平均值分別為70.9g、66.2g、60.4g、54.7g、39.0g。頭部損傷與假人的大小呈現負相關，隨著假人的增大，頭部損傷減小。

本文的研究成果可望為中國的兒童約束系統側面碰撞法規的制訂或評價方法的制定提供參考，對相關產品的設計和改進，也具有指導意義。