不同座椅安裝方向下Q3損傷研究

劉燦燦　王友俊　仲衍慧　何成　李春

摘 要：針對目前兒童保護不足的問題，本文分析了10款轎車在50km/h的正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗中Q3兒童假人的損傷情況，同時比較了兒童座椅在前向安裝以及后向安裝下兒童的損傷情況，依據(jù)C-NCAP（2021）中的評價項對兒童假人的頭部、頸部、胸部進行分析。結(jié)果表明，在兒童座椅后向安裝的情況下，兒童頭部、頸部、胸部的損傷值遠(yuǎn)小于前向安裝時的值，即后向安裝的兒童座椅在正面碰撞的交通事故中對兒童起到了更好的保護效果。

關(guān)鍵詞：兒童損傷 Q3兒童 兒童座椅

1 前言

近年來，隨著我國綜合國力和經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人民的生活水平有很大提高，機動車保有量也逐年增加。而隨著機動車數(shù)量的增加，道路交通問題也愈發(fā)明顯。世界衛(wèi)生組織2018年報告指出，道路交通死亡人數(shù)繼續(xù)攀升，每年死亡135萬人。報告中強調(diào)，道路交通傷害如今成為全球5-14歲兒童“第一大殺手”。在我國，交通事故傷害同樣是1-14歲未成年人傷亡的重要死因之一[1]。

為解決碰撞中兒童乘員安全性問題，降低兒童乘員在汽車碰撞事故中受傷的概率，各國制定了相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)和安全法規(guī)。目前，關(guān)于兒童乘車安全的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)主要有兩大體系：美國法規(guī)體系和歐洲法規(guī)體系[2]。C-NCAP（2021）在2020年8月發(fā)布，2022年1月1日實施。其在100%正面碰撞試驗中對Q3兒童假人進行了評價，主要評價其頭部、頸部和胸部。

對于兒童座椅的安裝，在正面碰撞試驗中，大部分都采用了前向安裝方式，而C-NCAP（2021）對Q3兒童假人座椅安裝方式的規(guī)定為：在滿足車輛要求的情況下，企業(yè)可選擇使用后向安裝的兒童約束系統(tǒng)用于正面碰撞試驗，并且Q3假人后向安裝[3]。

前向與后向安裝的兒童約束系統(tǒng)對Q3兒童假人的保護效果如何，如何更好的保護兒童乘員，是我們急需解決的問題，因此，對兒童假人的損傷研究顯得很有必要。

2 兒童假人損傷分析

C-NCAP（2021）100%正面碰撞試驗中對Q3兒童假人進行了評價，其評價項包含頭部，頸部和胸部。頭部評價指標(biāo)為：頭部在向前移動過程中未發(fā)生二次碰撞，則只評價頭部累積3ms合成加速度;若發(fā)生了二次碰撞時，評價頭部傷害指數(shù)（HIC15）和頭部累積3ms合成加速度。其評價指標(biāo)如表1所示。

頸部得分通過測量假人頸部張力Fz指標(biāo)而產(chǎn)生。假人頸部張力Fz指標(biāo)的高性能限值為1.555KN，低性能限值為2.84KN。

胸部得分通過測量假人胸部累積3ms合成加速度指標(biāo)而產(chǎn)生。假人胸部累積3ms合成加速度指標(biāo)的高性能限值為41g，低性能限值為55g。

根據(jù)C-NCAP中對Q3兒童假人的評價指標(biāo)，本文對10款轎車中兒童座椅前向安裝的Q3假人的損傷進行了分析。

2.1 頭部損傷研究

兒童身體比例方面，嬰兒頭部約占身體總長度的1/4，總重的1/3，成人頭部只占身體總長1/8，重量只占總重的6%，而3歲兒童的頭部約占整個身體重量的18%[4]。

10款轎車的正碰試驗中，假人頭部累積3ms合成加速度以及頭部傷害指數(shù)HIC15的值如下圖1、2所示。

從圖中可以看出，頭部累積3ms合成加速度的值分布在50g-100g之間，最小值在50g左右，最大值約為100g，60g以上有8款車，80g以上的有三款車。按照C-NCAP（2021）中的評價指標(biāo)，即有8款車頭部會扣分，有三款車頭部為0分。

HIC15的值分布在200-1200之間，500以上的有7款車，700以上的有3款車。

由此可見，Q3兒童假人頭部扣分的情況比較嚴(yán)重，兒童頭部損傷情況也比較嚴(yán)重。

2.2 頸部損傷研究

在交通事故導(dǎo)致的兒童損傷中，頸部損傷是導(dǎo)致兒童乘員病痛甚至死亡的一種重要形式[5]。10款車的兒童假人頸部張力Fz如下圖3所示。

兒童頸部張力Fz的值主要分布在2KN-3.2KN之間。10款車的頸部傷害均在1.555KN以上，2.84KN以上的有1款車。按照C-NCAP（2021）中的評價指標(biāo)，即10款車的頸部均出現(xiàn)扣分情況，1款車頸部得分為0。

2.3 胸部損傷研究

兒童的肋骨較軟及腔內(nèi)組織器官仍未完全發(fā)育等原因，使得胸部在汽車碰撞事故中屬于損傷多發(fā)部位，這些損傷嚴(yán)重時甚至足以致命[6]。

Q3兒童胸部損傷主要研究其累積3ms合成加速度，10款車的兒童胸部3ms合成加速度如下圖4所示。

從圖中可以看出，胸部3ms合成加速度的值主要分布在35g-52g之間。結(jié)合C-NCAP（2021）中的評價指標(biāo)，超過41g的有8款車，10款車的損傷值均在55g以下。

2.4 Q3兒童損傷分析

通過對Q3兒童頭部、頸部和胸部的損傷分析，依據(jù)C-NCAP（2021）中的評價指標(biāo)，可以看出，在兒童座椅正向安裝的情況下，兒童損傷情況不是很樂觀，各部位得滿分情況微乎其微，由此可見，對兒童的保護刻不容緩。

3 兒童座椅不同安裝方向下的兒童損傷

按照C-NCAP（2021）中的要求，兒童座椅在滿足要求的情況下可以后向安裝，后向安裝和前向安裝對兒童的保護效果如何，本文對某款轎車兩種安裝方式下Q3兒童假人的損傷進行了分析。

3.1 頭部損傷分析

對兩種安裝方式下的Q3兒童假人的頭部進行了損傷分析，其頭部合成加速度曲線如下圖5所示。

從圖中可以看出，座椅前向安裝時，其頭部合成加速度可達到100g左右，而后向安裝時，其頭部加速度只有40g左右，座椅后向時，頭部加速度峰值明顯減小，且加速度變化趨勢更加平滑，從而有效緩解了腦組織相對于頭骨的運動，降低了事故中發(fā)生腦震蕩的風(fēng)險。同時可以看出，兒童座椅前向安裝時，兒童頭部有發(fā)生二次碰撞的風(fēng)險。說明在后向安裝的情況下，可以更好的保護頭部。

3.2 頸部損傷分析

對兩種安裝方式下的Q3兒童的頸部進行了對比分析，主要分析其考評項，即頸部Fz，其頸部損傷如下圖6所示。

從圖中可以看出，座椅前向安裝時，其頸部Fz峰值可達3KN;后向安裝時，頸部Fz峰值小于1KN，頸部損傷明顯減小。同時，頭部發(fā)生二次碰撞時，頸部也會受到相應(yīng)的影響。交通事故中頸椎的損傷可能會造成對頸椎內(nèi)部神經(jīng)系統(tǒng)的無法恢復(fù)的傷害。后向安裝對于保護頸部的效果更好。

3.3 胸部損傷分析

對兩種安裝方式下的Q3兒童假人的胸部進行了損傷分析，主要分析其胸部合成加速度和胸部位移量，其胸部合成加速度和胸部位移量的曲線如下圖7和8所示。

從圖中可以看出，座椅前向安裝的情況下，胸部合成加速度峰值可達60g左右，后向安裝時，峰值可達40g左右;并且在速度增加和減少的變化過程中的瞬時變化量更低，即變化趨勢更加平緩，并在峰值附近區(qū)間呈現(xiàn)平滑變化趨勢。胸部位移量在座椅前向安裝的情況下，可達30mm以上，而后向安裝時，峰值只有不到10mm，后向安裝明顯降低了事故中兒童胸腔的壓潰范圍，更好的起到了對胸腔內(nèi)重要器官的保護效果，并且降低了由于肋骨斷裂刺入內(nèi)臟的風(fēng)險。根據(jù)上述胸部傷害值數(shù)據(jù)說明在后向安裝的情況下，對胸部的保護效果更好。

3.4 不同座椅安裝方向下兒童損傷分析

通過對兩種座椅安裝方向下兒童損傷的對比分析，可以看出，后向安裝的兒童座椅對兒童的保護效果更好。根據(jù)C-NCAP（2021）中對兒童損傷的評價指標(biāo)，可以看出，座椅前向安裝的情況下，頭部、頸部、胸部的峰值均超出C-NCAP中要求的最高限值;而后向安裝的情況下，頭部、頸部、胸部的峰值均未超出C-NCAP中要求的最低限值，可見，兒童座椅的后向安裝對兒童起到了很好的保護作用。

4 結(jié)論

通過對Q3兒童假人的損傷進行分析，可以看出，兒童安全座椅正向安裝時，兒童假人的損傷情況不容樂觀，按照C-NCAP（2021）的評價指標(biāo)，各部位均有失分的情況。

兒童座椅后向安裝時，和前向安裝的情況相比，各部位的損傷值大幅度減小，兒童各部位得到了很好的保護。可見，在車輛情況允許的情況下，后向安裝兒童座椅可以使各汽車廠家在C-NCAP（2021）中得到更高的分?jǐn)?shù)，同時可以在交通事故中減小兒童的損傷，對兒童起到很好的保護作用。

參考文獻：

[1]劉磊，何成，謝軍，張斌.正碰和偏置試驗中的Q3損傷對比研究[J].時代汽車，2021（04）：178-179+182.何成.

[2]李春，何成，閆肅軍，楊春忠.基于實車正面碰撞試驗的Q3假人傷害研究[J].車輛與動力技術(shù)，2020（02）：59-64.

[3]中國新車評價規(guī)程.中國汽車技術(shù)研究中心.

[4]劉娜. 中國3歲兒童乘員正面碰撞損傷防護分析[D].廈門理工學(xué)院，2016.

[5]封笑丹. 三歲兒童乘員頸部碰撞損傷機理研究[D].天津科技大學(xué)，2019.

[6]梁云飛. 三歲兒童乘員胸部有限元模型的構(gòu)建及損傷分析[D].天津科技大學(xué)，2016.