ECE R129側(cè)面碰撞中兒童乘員損傷規(guī)律研究

徐 哲，高冠宇，葉其林，李世成

(1. 中國汽車技術(shù)研究中心 天津300300；2. 江蘇安用座椅科技有限公司 江蘇鎮(zhèn)江212100)

0 引 言

在交通事故中，兒童作為弱勢群體，其傷亡的概率遠大于成年人。據(jù)統(tǒng)計，全球每年有超過 26萬名兒童在汽車碰撞事故中死亡，將近1,000萬名兒童在事故中受傷[1]。雖然隨著兒童約束系統(tǒng)的引入，兒童乘員的保護得到明顯的改善，但交通事故依然是導(dǎo)致0～14歲兒童死亡的第二大原因[2-3]。而我國每年有超過1.85萬名14歲以下兒童死于交通安全事故，死亡率是歐洲的2.5倍、美國的2.6倍[4]。因此兒童的乘車安全性越來越受到國家、社會和家庭的重視。

對于兒童約束系統(tǒng)法規(guī)，目前在國際上認可度較高的主要是美國聯(lián)邦機動車安全標準委員會制定的FMVSS 213和歐洲經(jīng)濟委員會制定的ECE R44，這兩個法規(guī)被很多國家采用。我國現(xiàn)行的2011年頒布的《機動車兒童乘員用約束系統(tǒng)》基本內(nèi)容也與ECE R44一致。但是這些法規(guī)普遍關(guān)注兒童約束系統(tǒng)的正面和后面碰撞的安全性能，并沒有關(guān)注兒童約束系統(tǒng)的側(cè)面碰撞保護性能。但是研究報告指出，近年來，側(cè)面碰撞已成為造成兒童傷亡的主要原因之一，從易受傷程度來講，并不低于正面碰撞。在側(cè)面碰撞中，有1/3的兒童乘員受到AIS,3+級的損傷[5]，41%,的兒童乘員受到MAIS,2+級的損傷[6]。

因此在2013年7月9日，歐洲經(jīng)濟委員會在原有R44的基礎(chǔ)上推出了R129新法規(guī)，并將在未來幾年緩沖期后取代R44法規(guī)。ECE R129分3個階段推出，與 R44相比，其引入了“I-size”的概念，重新以身高定義了兒童約束系統(tǒng)組別的劃分，使用生物仿真度更高的 Q系列假人代替 P系列假人，更為重要的是在動態(tài)試驗中增加了側(cè)面碰撞評價要求，能更加全面的評估兒童約束系統(tǒng)的動態(tài)性能。但是由于試驗條件所限，目前國內(nèi)針對 R129側(cè)面碰撞兒童乘員損傷防護方面的研究還比較匱乏。

為此，本文依據(jù) ECE R129法規(guī)測試要求，針對某款兒童約束系統(tǒng)進行側(cè)面碰撞臺車試驗，分析在側(cè)面碰撞中不同假人、不同安裝方向下假人的損傷規(guī)律，探究側(cè)面碰撞中兒童約束系統(tǒng)保護效果的影響因素，也為其他兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗方法

利用加速式臺車進行試驗，將側(cè)面碰撞夾具安裝在臺車臺面上，如圖1、2所示。剛性座椅安裝在門臺車的滑軌上，門板與門臺車剛性連接，加速式臺車帶動門臺車及門板朝剛性座椅運動，利用固定在剛性座椅上的蜂窩鋁控制剛性座椅與門板的相對速度，滿足圖3所示的門板對地面速度、門板與剛性座椅相對速度的要求。

試驗選取某型號兒童約束系統(tǒng)，安裝方式為ISOFIX下固定點系統(tǒng)固定，抗反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為支撐腿，依據(jù)R129法規(guī)試驗程序進行試驗。

圖1 側(cè)面碰撞試驗設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic of side impact test equipment

圖2 側(cè)面碰撞試驗設(shè)備Fig.2 Equipment used in the side impact test

圖3 側(cè)碰試驗速度波形要求Fig.3 Speed waveform of the side impact test

1.2 試驗假人與測試矩陣

目前，全球存在4種兒童假人用于兒童約束系統(tǒng)測試，即 P系列兒童假人、Q系列兒童假人、CRABI兒童假人和 HIII兒童假人，后兩者在美國和日本測試中被采用，前兩者主要應(yīng)用在歐洲和我國。R129法規(guī)將 Q假人作為 P假人的升級替代產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)完全不同，優(yōu)秀的生物仿真度和最新的人體測量學(xué)數(shù)據(jù)都體現(xiàn)在其身上。Q 系列假人包括：Q0、Q1、Q1.5、Q3、Q6、Q10，分別對應(yīng)新生兒、1 歲兒童、1.5歲兒童、3歲兒童、6歲兒童、10歲兒童。

該款兒童約束系統(tǒng)身高覆蓋范圍為 0～105,cm，其設(shè)計為身高為 105,cm以下可以使用后向安裝，83～105,cm使用前向安裝，因此依據(jù)R129法規(guī)中身高和適用假人的對照表(見表 1)可以列出側(cè)面碰撞動態(tài)測試矩陣(見表2)，根據(jù)測試矩陣進行5次動態(tài)試驗，分別為 Q3假人前向和后向安裝，Q1.5假人前向和后向安裝，以及Q0假人后向安裝5種狀態(tài)。

表1 R129法規(guī)兒童身高和適用假人的對照表Tab.1 Children heights and applicable dummies according to R129 regulation

表2 側(cè)面碰撞動態(tài)測試矩陣Tab.2 Matrix of the side impact test

1.3 側(cè)面碰撞損傷指標

在 R129法規(guī)中，對于兒童約束系統(tǒng)的側(cè)面保護性能主要側(cè)重于對兒童頭部的保護，具體要求如下：頭部不得與門板接觸；頭部不得超過由位于門板頂端紅線確定的垂直平面；其他傷害指標及其限值如表 3。

表3 側(cè)面碰撞傷害指標及其限值Tab.3 Assessment criteria of the side impact injury

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗波形輸入對比

5次試驗中門板相對于地面的速度以及門板與座椅的相對速度波形如圖4所示。5次試驗的速度均落在通道上下限范圍之內(nèi)，滿足測試方法要求，試驗輸入一致性很好，為假人傷害分析提供了可比性的前提條件。

圖4 側(cè)碰速度波形對比Fig.4 Speed waveform comparison of the side impact

2.2 假人傷害對比分析

碰撞過程運動狀態(tài)由高速攝像獲取，圖5為其中一次試驗中各關(guān)鍵時刻的假人姿態(tài)，分別為t＝0,ms時，側(cè)碰門板剛剛與蜂窩鋁接觸；t＝18,ms時，門板剛剛與兒童約束系統(tǒng)發(fā)生接觸；t＝50,ms時，假人頭部與碰撞側(cè)的頭枕發(fā)生碰撞，隨后假人頭部相對座椅向另一側(cè)移動，直到t＝80,ms時，門板與兒童約束系統(tǒng)分離；假人隨兒童座椅一起向另一側(cè)繼續(xù)移動，在t＝170,ms時，假人頭部與另一側(cè)的頭枕發(fā)生碰撞。從碰撞過程可以得知，頭枕對兒童頭部保護起到關(guān)鍵的作用。

5次動態(tài)試驗結(jié)果如表 4所示，R129法規(guī)中只對頭部傷害指標和頭部 3,ms加速度有限值要求，頸部指標是僅進行監(jiān)控，胸部傷害指標沒有納入。但是我們試驗中對這些損傷指標全部進行了采集，并且探究其規(guī)律。可以看出：側(cè)面碰撞試驗對兒童損傷最為嚴重的區(qū)域是頭部，而且隨著假人年齡的減小，傷害值呈增高的趨勢。第5次測試Q0假人頭部傷害指標和頭部3,ms加速度均超出了限值的要求。

圖5 碰撞過程中假人姿態(tài)Fig.5 Dummy movement during collision

胸部加速度也同樣呈現(xiàn)出以上趨勢，隨著假人年齡的減小，傷害值增高。在側(cè)面碰撞中，兒童胸部所承受的沖擊其實比正面碰撞要強烈，因為座椅直接與門板發(fā)生碰撞，這種情況下兒童座椅側(cè)面碰撞吸能效果差，且兒童安全帶保護效果不能充分發(fā)揮，胸部3,ms合成加速度達到了 55,g以上，均超出正面碰撞的限值要求。

從表4中還可以看出，相同假人在側(cè)面碰撞中正向和后向安裝，假人損傷情況呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。對于頭部和胸部來講，正向安裝的傷害值大于后向安裝，但是上頸部拉力和彎矩正好相反，正向安裝的傷害值小于后向安裝。雖然R129法規(guī)目前對于頸部損傷指標還處于觀察狀態(tài)，但數(shù)據(jù)的前期積累和統(tǒng)計也是十分重要的。

表4 側(cè)面碰撞動態(tài)試驗結(jié)果Tab.4 Dynamic test results of the side impact

3 側(cè)面碰撞兒童損傷影響因素分析

試驗結(jié)果表明該款兒童約束系統(tǒng)在受到側(cè)面撞擊過程中對較小兒童的頭部保護性能不佳，Q0假人頭部傷害指標和頭部加速3,ms合成值超出限值要求。因此從以下角度分析對兒童損傷的影響因素，并對兒童約束系統(tǒng)進行改進。

3.1 頭枕形狀和材料的影響

由圖 5側(cè)面碰撞過程中假人姿態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，Q0兒童假人頭部加速度值最大發(fā)生時刻為兒童約束系統(tǒng)受到側(cè)面臺車撞擊后快速擊打至兒童假人頭部的時刻。通過進一步分析可以發(fā)現(xiàn)撞擊前兒童約束系統(tǒng)對 Q0假人頭部的包裹區(qū)域兩側(cè)間隙過大，且假人身體兩側(cè)與座椅之間的間隙也比較大，在碰撞過程中假人的上身和頭部沒有得到很好的約束和固定，導(dǎo)致門板侵入瞬間的撞擊力直接作用在兒童約束系統(tǒng)側(cè)面。由于存在間隙又快速擊打至假人頭部，因此增加假人頭部的包裹性，減小兒童約束系統(tǒng)頭枕與假人頭部之間的間隙，以及減小約束系統(tǒng)側(cè)面與假人上身的間隙，防止假人頭部甩出包裹區(qū)域與門板發(fā)生接觸。

試驗獲得的頭部合成加速度曲線、胸部合成加速度曲線、上頸部拉力Fz以及上頸部彎矩Mx曲線對比如圖6～9所示。圖6是假人頭部合成加速度曲線，可以看到改進前后頭部合成3,ms加速度的峰值由92.6,g降為73.0,g，降低了21.2%,，且73.0,g低于法規(guī)要求的75,g，而且峰值發(fā)生時刻十分接近。頭部傷害指標HPC(15)改進前后分別為620和456，降低了26.5%,，456也低于法規(guī)要求的600。因此，頭枕材料和形狀的改進效果十分明顯，假人頭部損傷值降低明顯，通過了法規(guī)的要求。

圖6 頭部合成加速度曲線Fig.6 Head acceleration curve

圖7 胸部合成加速度曲線Fig.7 Chest acceleration curve

對于法規(guī)中的觀察項頸部力和頸部彎矩也進行了采集，如圖8、9所示。從曲線上可以看出，改進后上頸部張力Fz和上頸部彎矩Mx損傷值也有所降低，說明改善頭枕材料和形狀對頸部損傷防護也有一定的效果。

對于胸部合成加速度曲線，如圖7所示。改進前后胸部合成3,ms加速度的峰值分別為100.5,g和103.8,g，改進前后損傷值基本不變，但是頭部損傷值的降低導(dǎo)致了胸部損傷輕微的增加。還需要考慮其他的改進方法，提高兒童約束系統(tǒng)整體的保護效果。

圖8 上頸部張力Fz曲線Fig.8 Fz curve of upper neck tension

圖9 上頸部彎矩Mx曲線Fig.9 Mx curve of upper neck moment

3.2 兒童約束系統(tǒng)與門板接觸區(qū)域材料剛度的影響

在側(cè)面碰撞中，頭枕對于兒童頭部的保護起到關(guān)鍵的作用，兒童約束系統(tǒng)與臺車門板接觸區(qū)域的吸能裝置，也能夠吸收部分侵入門板能量，從而整體上減小對于兒童假人的沖擊。

兒童座椅側(cè)翼接觸面積和剛度的大小，針對不同的兒童約束系統(tǒng)應(yīng)該進行有針對性的設(shè)計，同時也要配合頭枕剛度的設(shè)計，降低頭部和頸部損傷，而不增加胸部損傷值，從整體上有效緩沖座椅所受門板的沖擊，并且可以有效保護頭部不會超出側(cè)翼保護范圍而避免與門板發(fā)生碰撞。

4 結(jié) 論

本文依據(jù) ECE R129法規(guī)測試要求針對某款兒童約束系統(tǒng)進行側(cè)面碰撞臺車試驗，分析了在側(cè)面碰撞中不同假人，不同安裝方向下假人的損傷規(guī)律，探究側(cè)面碰撞中兒童約束系統(tǒng)保護效果的影響因素，得到以下結(jié)論：①隨著假人年齡的減小，頭部和胸部的傷害值呈增高的趨勢。在側(cè)面碰撞中，兒童胸部所承受的沖擊比正面碰撞要強烈，超出正面碰撞的限值要求。②相同的假人在側(cè)面碰撞中正向和后向安裝，假人損傷情況也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。對于頭部和胸部來講，正向安裝的傷害值大于后向安裝，但是上頸部拉力和彎矩正好相反。③側(cè)面碰撞中，頭枕形狀和材料剛度，以及兒童約束系統(tǒng)與門板接觸區(qū)域材料的剛度會對兒童約束系統(tǒng)保護效果產(chǎn)生影響。增加兒童假人頭部的包裹性，減小兒童約束系統(tǒng)接觸區(qū)域內(nèi)側(cè)與假人身體之間的間隙，適當(dāng)降低頭枕剛度，假人頭部接觸區(qū)域采用吸能性能較好的材料，并且對兒童座椅側(cè)翼接觸面積和剛度進行合理設(shè)計，達到整體吸能的效果。④頭枕材料和形狀的改進有效降低了Q0假人頭部傷害指標，頭部合成 3,ms加速度降低了21.2%,，頭部傷害指標 HPC(15)降低了 26.5%,，滿足了法規(guī)要求的限值條件。對于上頸部張力Fz和上頸部彎矩Mx損傷值也有一定的改善效果，并且基本有效地控制了胸部損傷值，沒有使其惡化。本文的研究成果對于 R129兒童約束系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計和改進具有一定的指導(dǎo)意義。

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