兒童約束系統檢測結果一致性影響因素研究?

張學榮,何 娟,王海燁,吳 淼

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院,鎮江 212013； 2.好孩子兒童用品有限公司,昆山 215300；3.無錫出入境檢驗檢疫局,無錫 214000)

前言

2014年7月機動車兒童乘員用約束系統試驗比對工作組發布了《實驗室間機動車兒童乘員用約束系統試驗比對總結報告》，該工作組選擇11家測試機構對兩款好孩子品牌的兒童座椅進行比對試驗[1]，依據為GB27887—2011《機動車兒童乘員用約束系統》[2]。報告結果顯示，各實驗室動態測試中存在很多差異和問題，導致各實驗室數據結果離散性較大[3]。由于兒童約束系統的仿真已有較多的研究，但對于其各影響因素的系統研究較少[4-6]，尤其是結合試驗的研究較少。針對上述報告結果，本文中通過仿真模型的計算和試驗驗證，定量研究兒童約束系統測試流程中各因素對測試數據離散性的影響，制定出有效的控制方法與措施，用以減少測試偏差和保證測試數據的一致性。

1 兒童約束系統試驗模型建立

選取3款已通過GB27887法規試驗的兒童安全座椅進行研究，模擬仿真假人均采用TNO P系列3歲兒童[7]，約束方式分為兩大類，即通用類與半通用類。其中通用類又分為兩種，分別為類型A和類型B，如圖1所示。

圖1 不同約束類型的兒童安全座椅模型

依據GB27887法規，在MADYMO軟件中建立兒童約束系統臺車仿真模型[8]。經過正碰臺車模型的搭建、兒童安全座椅模型的搭建及定位、材料參數的試驗獲取及輸入、假人的定位、三點式安全帶及五點式兒童約束帶系統(Harness)的固定預模擬等過程，并定義正確的碰撞波形、接觸關系，完成整個臺車試驗兒童約束系統仿真模型的建立。不同約束類型的兒童安全座椅見圖1。

2 仿真模型與試驗的一致性驗證

根據國標要求，仿真模型的驗證主要包括兒童測試假人模型的胸部合成加速度和胸部垂直加速度時間歷程曲線、頭部位移和兒童假人傷害指標等動態響應與試驗的對比，從而評價仿真模型的有效性。模型均經過驗證，僅以類型B為例，圖2和圖3所示為仿真與試驗中兒童測試假人胸部合成加速度和胸部垂直加速度曲線對比。圖4為頭部水平位移達到最大時仿真與試驗一致情況比較，可見具有良好吻合度。假人主要傷害指標具體數值對比見表1。

圖2 胸部合成加速度曲線

圖3 胸部垂直加速度曲線

圖4 頭部水平位移最大時刻

表1 仿真與試驗指標對比

從表中可以看出，仿真與試驗中兒童假人損傷評價指標數值的誤差范圍控制在10%以內，誤差范圍滿足仿真精度要求；仿真得到兒童假人胸部合成加速度、胸部垂直加速度以及上拉帶張力時間歷程曲線與碰撞臺車試驗所得的相應曲線吻合較好，曲線形狀、升降趨勢、脈寬以及峰值對應時刻等較為接近，說明該碰撞仿真模型的動力學響應是準確的，可以用于后續的研究工作。

3 檢測結果一致性影響因素研究

根據兒童約束系統碰撞測試試驗的基本過程，定量研究各因素對動態測試偏差的影響顯著程度，從而減少測試結果的離散性。本文中主要從下列4個因素進行定量分析：碰撞波形差異、臺車坐墊泡沫剛度衰減系數、安全帶導向件摩擦因數和支撐腿初始安裝角度。

其中，基準模型為：減速型臺車碰撞波形是后面3個因素研究的基礎，泡沫剛度是以衰減15%為基礎模型，導向件摩擦因數以0.2為基礎模型，支撐腿角度是以中間值86°為基礎模型。在研究每個因素時，其他因素均為基礎模型，以研究各因素對結果的影響趨勢。

3.1 碰撞波形差異影響分析

選擇具有兒童約束系統測試3C資質的11個測試機構中的4(A，B，C，D)，對測試波形進行比較分析。各自測試設備產生的碰撞波形曲線如圖5所示。碰撞波形均符合GB27887—2011規定的上、下限范圍。

圖5 4家測試機構碰撞波形疊加分析

4個使用測試機構中，一個使用減速型碰撞臺車，其余3個使用加速型碰撞臺車，碰撞速度在49.67～50.85km/h范圍內，加速度峰值在22.02～24.19g之間，加速型臺車在碰撞加速度大于20g的持續時間相同，碰撞加速度大于15g時間接近，但測試機構B的碰撞波形與測試機構A和C的實驗室碰撞波形存在較大差異，主要表現在碰撞早期階段，測試機構B的試驗波形存在較大的波峰。測試機構D的減速型臺車在加速度峰值與持續時間上較加速型臺車偏大，具體統計數據如表2所示。

同一款兒童安全座椅在上述4種碰撞臺車類型和碰撞波形的仿真作用下，其胸部合成加速度、胸部垂直加速度、頭部合成加速度時間歷程對比如圖6～圖8所示。對于4個測試機構的不同碰撞波形，P3兒童假人頭部均在98ms左右達到最大水平位移(圖9)。

表2 碰撞波形匯總分析

圖6 胸部合成加速度時間歷程

圖7 胸部垂直加速度時間歷程

圖8 頭部合成加速度時間歷程

圖9 兒童座椅及兒童頭部運動到最大位移的位置

測試指標的差異性如表3所示。可以看出，由于碰撞波形的不同，導致相應的兒童假人動態響應的差異。測試機構B測得的胸部合成加速度的第一個波峰明顯小于A和C，胸部垂直加速度在最大峰值處也與A和C有明顯的差異，而頭部合成加速度峰值也小于其他兩種加速型臺車測得的加速度峰值，其峰值時刻也較晚。對于測試機構D的加速度曲線結果，其胸部合成加速度和垂直加速度在第二大峰值處，較其他3種加速型臺車測得的結果大；頭部合成加速度峰值也遠遠高于其他3種。同時，從表3可以看出，各碰撞波形的差異導致兒童假人的損傷值有較大的偏差，其中頭部損傷值的最大偏差達到了15.9%，胸部3ms合成加速度偏差也達到了14.6%；相比較而言，胸部垂直加速度和頭部位移的偏差較小，分別為4.2%和2.3%。

表3 碰撞波形差異對乘員損傷和頭部位移的影響

3.2 臺車坐墊泡沫剛度衰減系數影響分析

兒童安全座椅測試臺車坐墊與靠背泡沫剛度會隨著測試次數的增加而衰減，且每相鄰兩次測試應間隔足夠的時間，等待泡沫剛度的恢復，或直接在多塊泡沫之間進行輪換，且在泡沫經過一定的測試次數之后，泡沫剛度衰減到一定程度后需要進行淘汰。根據新臺車泡沫測試數據的分析，通常會比標準規定的泡沫剛度略高，因此綜合確定下面4個因素水平研究臺車泡沫剛度影響：(1)標準要求的新臺車泡沫剛度減少15%；(2)標準要求的新臺車泡沫剛度；(3)標準要求的新臺車泡沫剛度增加15%；(4)標準要求的新臺車泡沫剛度減少30%。

針對圖1中的類型B約束工況，進行仿真計算和分析，輸出胸部3ms合成加速度和垂直加速度曲線，及相應的兒童假人損傷值，統計結果如表4、圖10和圖11所示。

表4 臺車泡沫剛度對乘員損傷和頭部位移的影響(類型B)

圖10 類型B胸部垂直加速度時間歷程

圖11 類型B胸部合成加速度時間歷程

可以看出，臺車泡沫剛度對胸部垂直加速度的影響最顯著，4個因素水平產生的最大偏差為8.6%。對頭部水平位移和胸部合成加速度影響較小。

同樣采用上述4個因素水平，研究采用圖1中類型A三點式汽車座椅安全帶固定兒童安全座椅及五點式約束帶固定P3兒童的工況。臺車泡沫剛度變化對兒童頭部水平位移、胸部合成加速度、胸部垂直加速度的影響，如表5、圖12和圖13所示。

表5 臺車泡沫剛度對乘員損傷和頭部位移的影響(類型A)

圖12 類型A胸部合成加速度時間歷程

圖13 類型A胸部垂直加速度時間歷程

針對上述兩種采用不同約束方式的工況分析，臺車泡沫剛度影響最顯著的是胸部垂直加速度，最大偏差達到22.8%，且出現在臺車泡沫剛度衰減30%的情況下。因此需要嚴格控制臺車泡沫剛度的范圍，規定測試一定次數后，必須強制更換。

3.3 安全帶導向件摩擦因數影響分析

不同的兒童約束系統測試實驗室，采用的三點式安全帶導向件結構和材質也有差異，因此在安全帶和導向件間的摩擦因數也不同，本研究設定該摩擦因數為4個因素水平，分別為0.1，0.2，0.3，0.4，研究該摩擦因數對乘員頭部水平位移和胸部加速度損傷的影響。

對采用三點式安全帶僅綁定兒童座椅的工況(類型A)，其安全帶導向件摩擦因數的影響如表6所示。

表6 D環、帶扣摩擦因數對頭部水平位移和胸部加速度的影響(類型A)

從表中可以看出，安全帶導向件不同摩擦因數對P3假人的胸部垂直加速度的影響最顯著，4個因素水平產生的最大偏差為4.6%，對頭部水平位移和胸部合成加速度影響較小。

對采用三點式安全帶同時綁定兒童座椅和P3兒童假人的工況(類型B)，仿真計算后，其安全帶導向件摩擦因數的影響如表7所示。

對于上述兩種分別采用三點式汽車座椅安全帶同時綁定兒童座椅和假人及僅綁定兒童座椅的工況分析，安全帶導向件摩擦因數影響最顯著的是胸部垂直加速度，最大偏差達到21.0%，且類型B約束方式與類型A的損傷值差異較大；導向件摩擦因數對類型B假人的胸部垂直加速度影響較大。另外，導向件摩擦因數在0.2～0.3的范圍內，可以維持在平均損傷值水平。特別在對類型B的試驗工況下，要注意導向件摩擦因數的影響，避免產生較大的試驗偏差。

表7 D環、帶扣摩擦因數對頭部水平位移和胸部加速度的影響(類型B)

3.4 支撐腿初始安裝角度影響分析

對于采用ISOFIX及支撐腿固定方式，如圖1中類型C，測試時支撐腿的初始角度存在較大的變化范圍，有的呈現向內傾斜，有的接近垂直，有的向前傾斜。本研究支撐腿傾角變化4°時產生的影響，如表8、圖14和圖15所示。

表8 支撐腿初始角度變化影響分析

圖14 支撐腿角度對胸部合成加速度的影響

可以看出：支撐腿初始安裝角度對胸部垂直加速度影響最大，偏差值達到6.4%，對頭部位移和胸部合成加速度的影響較小，偏差值分別為1.7%和0.5%；支撐腿與水平線夾角88°的最傾斜初始角度，測得的頭部位移和胸部垂直加速度值最小，且該工況下胸部加速度曲線較其他兩種角度平穩，采用此種工況可以減小試驗偏差。

圖15 支撐腿角度對胸部垂直加速度的影響

4 影響因素試驗研究

綜合分析上述各影響因素的結果，可以得出如下結論：兒童假人頭部相對Cr點水平位移總體不敏感，其中影響最顯著的是僅采用三點式安全帶固定安全座椅和假人時的導向件摩擦因數，其最大偏差4.2%；對兒童胸部合成加速度影響最顯著的是碰撞波形的差異，最大偏差14.6%，其他因素均小于5%；胸部垂直加速度對臺車坐墊泡沫剛度、安全帶導向件摩擦因數最為敏感，數據過于離散，偏差大于20%，支撐腿初始角度次之，偏差為6.4%。

對各因素進行了定量分析，但各因素的變化范圍設定不同，因此最大偏差不代表該因素的絕對靈敏度。

在對上述4個方面的影響因素進行模擬研究的基礎上，選擇一款兒童安全座椅分別在上述3個測試機構的實驗室中進行實際測試。具體數據見表9，具體測試錄像如圖16所示。

表9 同一款兒童安全座椅試驗測試數據對比分析

在該測試中，考慮了碰撞波形、坐墊泡沫剛度、導向件摩擦因數和支撐腿初始安裝角度這4個方面的影響因素。對試驗測試數據結果進行綜合分析，完全符合上述模擬研究的結論，最大差異依然出現在胸部垂直方向加速度上，最大的偏差達到22.6%，其次為胸部合成加速度最大偏差為6.6%，頭部相對Cr點水平位移最大偏差為3.3%，且不同的測試機構出現最大位移的時刻也不一致。

圖16 3個測試機構不同時刻對比分析

根據上述仿真模擬與試驗測試數據分析，要控制兒童安全座椅動態測試結果的一致性，需要在現有法規措施的基礎上采取如下控制措施，進一步提高測試結果的一致性，減少離散程度。

(1)動態測試過程中增加對安全帶導向件摩擦因數范圍的規定，控制在0.2±0.05或0.3±0.05范圍內，避免范圍過大；

(2)嚴格執行試驗坐墊的標定制度(以每50次動態試驗后或者至少每個月，以先到的時間為準)，相鄰兩次測試間隔時間很短時，必須建立試驗坐墊的輪換制度，確保坐墊每次標定記錄的峰值與初始值偏差不應超過15%；

(3)標準需增加支撐腿初始安裝角度的要求，為使測試數據更加保守，測試過程中應使支撐腿接地部位為最前位置，從而使支撐腿擺放于最斜立位置；

(4)根據國內測試機構設備水平，對加速型臺車縮小碰撞波形的上、下限，提高胸部合成加速度的一致性，且目前已具備相應的執行條件。

5 結論

通過對通用類與半通用類的兒童約束系統正面碰撞臺車模型的仿真與試驗分析，定量研究了碰撞波形、坐墊泡沫剛度、導向件摩擦因數和支撐腿初始安裝角度這4個方面的因素對動態測試偏差的影響顯著程度，并通過試驗驗證了仿真研究的結論。研究結果表明，實驗室間碰撞波形差異對P3兒童假人頭部損傷值和胸部合成加速度影響最顯著；對于三點式汽車安全帶同時固定兒童座椅及兒童的工況來說，導向件摩擦因數對兒童胸部垂直加速度影響最顯著，坐墊泡沫剛度次之；對于三點式汽車座椅安全帶固定兒童安全座椅及5點式約束帶固定兒童的工況，坐墊泡沫剛度對胸部垂直加速度影響最顯著，而導向件摩擦因數對兒童各項損傷指標影響不明顯；對于ISOFIX及支撐腿固定方式，支撐腿初始安裝角度對P3兒童假人的胸部垂直加速度影響最顯著。

依據本文中提出的控制措施，各實驗室可以通過控制相關的試驗條件，減少實驗室間測試結果的偏差，提高測試的一致性，從而改善我國機動車兒童乘員用約束系統檢測能力的整體水平。