基于2021年版C-NCAP的兒童傷害評估及開發(fā)策略

王純 鄒利軍 徐海燕 王建勛 畢思剛

（一汽奔騰轎車有限公司，長春 130012）

主題詞：正面碰撞Q3假人 兒童座椅 車體減速度 乘員載荷準則 中國新車評價規(guī)程

1 前言

世界衛(wèi)生組織2018年的研究報告顯示，道路交通傷害是兒童死亡的主要原因，汽車兒童座椅的使用可以減少交通事故中約60%的兒童死亡。近年來，許多研究機構開展了兒童乘員損傷及防護措施研究。如李春、劉磊等人進行了多款車型的實車碰撞試驗，并對Q3 兒童假人的傷害結果進行了統(tǒng)計分析，結果表明，未進行優(yōu)化匹配的Q3 兒童座椅及實車碰撞減速度波形并不能有效降低兒童乘員的傷害，其緩沖吸能的保護效果有限。

《C-NCAP管理規(guī)則（2021年版）》中，Q3兒童假人的傷害由監(jiān)測項調(diào)整為評價項，并對評價得分的高、低限值進行了設定。當前，兒童座椅作為整車后裝產(chǎn)品，與整車的性能匹配還需要進一步優(yōu)化。因此，本文參考2021 年版C-NCAP 管理規(guī)則，以實車碰撞試驗為基礎，評估Q3 兒童假人的傷害特點，并進一步分析車體碰撞減速度波形及兒童座椅選型對Q3 兒童假人損傷的影響，提出系統(tǒng)開發(fā)策略，以期為新產(chǎn)品車型的正面碰撞Q3兒童防護提供設計參考。

2 Q3兒童損傷評價方法

2021年版C-NCAP管理規(guī)則的正面100%重疊剛性壁障50 km/h 碰撞試驗中，在第2排座椅的一側(cè)增加Q3兒童假人傷害評價。Q3兒童假人通過兒童座椅與整車連接，碰撞形式及其安裝方式如圖1 所示。Q3 兒童假人結構如圖2所示。

圖1 Q3兒童評價測試形式

圖2 Q3兒童假人結構示意

Q3 兒童假人傷害評價指標包括頭部傷害、頸部傷害和胸部傷害，分值占兒童保護部分得分的36.36%，占比較高。傷害評價具體內(nèi)容如表1所示，頭部傷害評價中，若未發(fā)生二次碰撞，則只需評價頭部的3 ms 加速度。

表1 C-NCAP Q3兒童假人傷害評價高、低限值

3 Q3系列兒童座椅的使用形式

受身高、坐姿及身體組織承載能力的限制，Q3兒童無法像成人一樣使用車載安全約束裝置（如成人安全帶）。因此，需要通過兒童座椅與整車建立固定約束連接，車輛發(fā)生碰撞時，通過兒童座椅上的安全帶提供有效保護。

在2021 年版C-NCAP 管理規(guī)則指定的Q3 兒童動態(tài)測試評價用兒童座椅清單中，兒童座椅與整車固定連接形式有3 種：安全帶通用類、ISOFIX 通用類、ISOFIX半通用類。

相關研究表明，兒童座椅與整車連接形式不同導致兒童座椅的綜合保護效果也不相同，在同等正面碰撞縱向減速度輸入、相同兒童安全帶、座椅剛度及布置角度條件下，ISOFIX 通用類固定形式兒童座椅對Q3兒童的綜合保護效果優(yōu)于安全帶通用類兒童座椅，且不易帶來誤操作等潛在風險。

為了更有效地研究車體與兒童座椅保護性能的關聯(lián)性，得到最優(yōu)的匹配方案，并消除不同品牌兒童座椅的差異，本文選取2021 年版C-NCAP 管理規(guī)則指定的Q3兒童動態(tài)測試評價用兒童約束系統(tǒng)清單中的一款高性能ISOFIX 通用類正向兒童座椅作為研究對象，其安裝形式如圖3所示。

圖3 ISOFIX通用類正向兒童座椅

4 車體減速度波形對Q3兒童假人傷害的影響

為確保整車基本安全性能，本文選取了2款不同性能的2018 年版五星車體進行研究，分別為五星低性能車體N 和五星高性能車體T（正面100%重疊剛性壁障50 km/h 碰撞試驗中得分率分別為84.5%和92.5%），以便區(qū)分不同車體減速度波形對兒童座椅安全性能的影響。為更準確地評估車體減速度的影響，選取的2款車型的質(zhì)量、軸距及質(zhì)心位置等參數(shù)相似，并選取與兒童假人距離較近的右側(cè)B 柱下車體的縱向減速度進行分析。

研究表明，降低胸部減速度可以直接降低假人各部位的傷害。正面碰撞試驗中，相同乘員保護約束系統(tǒng)條件下，第2排假人胸部減速度和假人與車體的相對運動密切相關。建立整車運動坐標系，取車輛縱向為向，車輛前方為正、后方為負，通過分析碰撞試驗中Q3兒童假人胸部減速度與車體向減速度的對應關系獲取不同車體減速度波形對假人胸部減速度的影響。

4.1 車體N的B柱減速度波形對兒童胸部傷害的影響

車體N前端耐撞強度較低，碰撞過程中B柱減速度波形可視為前低、后高的波形，在采用相同兒童座椅的條件下，試驗所采集的相關數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 五星低性能車體B柱及兒童胸部x向減速度

由圖4 可知：車體N 的B 柱減速度波形分布不均，前部平臺平均減速度為15左右，后部平臺平均減速度為25左右；兒童胸部向減速度曲線前部平臺平均減速度為20左右，后部平臺平均減速度為30左右。

對車體N的B柱及兒童胸部向減速度進行差值計算得出的相對減速度曲線如圖5所示，相對速度及位移曲線如圖6所示。

圖5 五星低性能車體的兒童胸部相對減速度

圖6 五星低性能車體的兒童胸部相對運動速度及位移

綜合分析圖5、圖6 可知：兒童胸部相對車體減速度分布不均，前半程減速度幅值平均為15，后半程減速度幅值平均為30；兒童假人相對車體運動速度為6.4 m/s，高于通常要求的5.5 m/s，相對速度波形呈斜直角梯形分布。

依據(jù)2021年版C-NCAP 管理規(guī)則對兒童胸部傷害進行評價，胸部合成減速度如圖7 所示，合成減速度最大幅值出現(xiàn)在第85～90 ms 間，與此區(qū)間向減速度趨勢一致，胸部合成減速度與胸部向減速度強相關。胸部3 ms 合成減速度峰值為52，出現(xiàn)在第86～90 ms間。采用插值法進行計算，胸部保護得分為0.21分，得分率較低。圖7中胸部合成減速度同樣呈斜直角梯形，且后部平均幅值較大，說明車體波形與約束系統(tǒng)匹配較差，車體及兒童約束系統(tǒng)未能恰當吸收兒童正面碰撞能量，能量吸收集中于碰撞運動后半程，脈寬變小，幅值增大，不利于兒童約束系統(tǒng)匹配。

圖7 五星低性能車體的兒童胸部合成減速度

4.2 車體T的B柱減速度波形對兒童胸部傷害的影響

車體T前端耐撞強度較高，碰撞過程中B柱減速度波形可視為前后平緩的波形，在相同兒童座椅作用下，試驗所采集的相關數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 五星高性能車體B柱及兒童胸部x向減速度

由圖8 可知：車體T 的B 柱減速度波形前后分布均勻，前部高平臺平均減速度為20左右，后部平臺平均減速度為25左右，幅值峰值為33；兒童胸部向減速度曲線前部平臺平均減速度為25左右，后部平臺平均減速度為30左右。

對車體T的B柱及兒童胸部向減速度進行差值計算得出相對減速度曲線如圖9所示，相對速度及位移曲線如圖10所示。

圖9 五星高性能車體的兒童胸部相對減速度

圖10 五星高性能車體的兒童胸部相對運動速度及位移

綜合分析圖9、圖10 可知：兒童胸部相對車體速度分布均勻，前、后半程平均減速度幅值接近；兒童假人相對車體運動速度為4.87 m/s，低于通常要求的5.5 m/s，減速波形呈均勻等腰梯形分布。

依據(jù)2021年版C-NCAP 管理規(guī)則對兒童胸部傷害進行評價，胸部合成減速度如圖11 所示，胸部3 ms 合成減速度峰值為41，出現(xiàn)在第62～65 ms 間。采用差值法進行計算，胸部保護得分為滿分1 分。兒童胸部合成減速度同樣呈等腰梯形均勻平緩變化，說明車體波形與兒童座椅匹配較好，車體及兒童約束系統(tǒng)恰當?shù)匚樟藘和媾鲎材芰?，為兒童安全提供了良好的保護效果。

圖11 五星高性能車體的兒童胸部合成減速度

可見，同為2018 年版C-NCAP 五星車體，但車體N兒童胸部減速度得分率較低，且胸部向減速度呈斜直角梯形變化，車體波形與約束系統(tǒng)匹配較差，碰撞前半程車體波形未能快速引導約束系統(tǒng)介入，導致車體及兒童約束系統(tǒng)不能恰當?shù)匚諆和媾鲎材芰浚瑢和瘋Φ谋Ｗo效果不佳。

5 兒童傷害保護應對開發(fā)策略

5.1 理想車體B柱x向減速度的研究

對2 款車體B 柱向減速度波形進行疊加對比，如圖12所示。

圖12 2款車體B柱x向減速度對比

與車體N相比，車體T的B柱減速度曲線前部及后部整體平均減速度差異較小，碰撞能量吸收均衡。車體N碰撞能量吸收集中于碰撞過程后部。

對2 款車體兒童胸部向減速度波形進行疊加對比，如圖13所示。

圖13 2款車體的兒童胸部x向減速度對比

與車體N 相比，車體T 兒童座椅介入早，且曲線前部平均減速度大5，后部平均減速度車體T 遠低于車體N達到10左右。車體T兒童胸部向減速度曲線前部及后部整體平均減速度差異較小，兒童胸部碰撞能量吸收均衡。車體N 兒童胸部碰撞能量吸收集中于運動后半程，脈寬小、幅值大，不利于碰撞能量吸收。

圖12、圖13 結果表明：車體T 前部耐撞性強，有利于兒童約束系統(tǒng)較早介入、能量均勻分布吸收；兒童座椅的保護效果對車體向減速度依賴程度較高。

為了更有效地評估正面碰撞車體與兒童座椅匹配的效果，引入2021 年版C-NCAP 管理規(guī)則中的乘員載荷準則（Occupant Load Criterion，OLC）。設車體上人體自由向前移動65 mm時對應時刻為，車體速度為，人體開始受到約束，向前移動235 mm時對應時刻為，車體速度為，設與時刻間人體受約束的減速度恒定，該值即為：

式中，為車輛初始速度；()為車輛向減速度積分后獲得的速度。

為碰撞過程中人體從到時刻速度曲線的斜率。越小，車體與約束系統(tǒng)匹配越容易，其定義如圖14所示。

圖14 乘員載荷準則OSI-unit定義

由圖14 和式（1）不難推導出，有效減小的優(yōu)化手段為將時刻提前、將時刻延后，并降低車體時刻的速度。進一步分析可知：與碰撞過程中車體前部強度關系密切，車體前部越強，減速度越大，越提前；與碰撞變形結構中后部強度關系密切，中后部越弱，越延后，時刻對應車體速度越低。與本文所分析的2款車體中的車體T 變形模式吻合，即車體前部強度大，變形結構中后部車體強度弱，有利于車體與兒童座椅匹配。為了進一步說明2 款車體的差異，將車體向減速度波形換算成進行對比分析，如表2所示。

表2 2款車體OSI-unit計算結果對比

從表2 可以看出：車體T 較車體N 的提前2.4 ms，車體T兒童座椅約束系統(tǒng)介入早，保護效果提前；車體T的較車體N 低1，車體T 較車體N 變形結構中后部強度弱，能量吸收充分，對兒童胸部保護更優(yōu)。

為了進一步得到更準確的理想車體向減速度波形，依據(jù)乘員載荷評價項，對7款不同車體波形進了計算評估整理，如表3所示。

表3 不同車體OSI-unit計算結果對比

由表3 可知，結合前文2 款不同車體向減速度對Q3兒童假人傷害的影響分析，得出理想正面100%重疊剛性壁障碰撞車體向減速度波形開發(fā)目標推薦值：前部平均減速度≥20，峰值減速度≥28，以便將提前；后部平均減速度≤27，以便將延后；≤35 ms；≥95 ms；≤1.8 m/s；乘員載荷準則≤26.5，較低的有利于進一步匹配兒童保護性能更優(yōu)的兒童座椅。基于目前的試驗結果，建議第2排兒童傷害整體目標得分不低于2.5分。

5.2 不同車體正面碰撞兒童座椅選配

綜合考慮兒童座椅的安裝形式和兒童安全保護的技術特點，從碰撞車體變形模式、運動軌跡方向及操作方便性等方面進行分析評估，建議選用與車體剛性連接的ISOFIX 通用或半通用類兒童座椅，不但可以有效降低來自正面的沖擊傷害，更可兼顧降低來自側(cè)面的沖擊傷害，并減少誤操作風險。

合理的兒童座椅約束系統(tǒng)選型可以通過降低胸部減速度的方式降低傷害。目前在售的兒童座椅多采用五點固定形式兒童安全帶將兒童可靠地約束在兒童座椅內(nèi)，結合相關研究結果，兒童胸部減速度主要來自兒童座椅對兒童胸部的約束，即兒童座椅2條肩部安全帶對胸部的約束力，兒童胸部約束力由安全帶本身的拉力和安全帶所成夾角共同作用，如圖15所示。在兒童座椅選型時，可以考慮選用低安全帶力織帶。經(jīng)過分析，現(xiàn)有兒童座椅結構可以通過提高兒童座椅安全帶的延伸率實現(xiàn)低安全帶力，即在滿足GB 27887《機動車兒童乘員用約束系統(tǒng)》要求的條件下，選用延伸率較大的兒童座椅安全帶。

圖15 兒童坐姿及安全帶夾角θ

在兒童安全帶力不變的情況下，五點式兒童座椅安全帶的下部3 個安裝點位置基本相同，對兒童髖部向約束基本一致，但上部2 個固定點由于座椅設計的不同存在一定差異，C-NCAP 管理規(guī)則的要求為將兒童約束系統(tǒng)的安全帶高度“調(diào)節(jié)到與假人肩部平齊或最近的使用位置”，但由于兒童座椅上固定點高度不同，安全帶所成夾角存在差異，越小，胸部約束力越大，在胸部運動過程中，越不利于降低兒童胸部減速度，因此可以選擇兒童安全帶上安裝點較高的兒童座椅。

為進一步驗證兒童座椅相關參數(shù)對兒童胸部減速度的影響，將前文分析結果基于目標車體N，建立第2排兒童乘員約束系統(tǒng)簡化有限元耦合仿真模型，通過加載車體N的向減速度模擬Q3兒童在兒童座椅內(nèi)的運動情況，兒童約束系統(tǒng)仿真模型及胸部減速度響應對比如圖16和圖17所示。

圖16 兒童約束系統(tǒng)耦合仿真模型

圖17 兒童胸部減速度試驗與仿真對比

利用上述仿真模型，分別計算提高兒童安全帶延伸率及提高兒童安全帶上固定點高度對兒童胸部加速度的影響，具體結果如表4所示。

表4 兒童座椅參數(shù)優(yōu)化效果

由仿真結果分析可知，增加兒童安全帶延伸率及提高安全帶上固定點高度對兒童胸部傷害保護均有改善。

6 結束語

本文通過2款2018年版C-NCAP五星高、低性能車體的Q3 兒童傷害試驗結果的對比分析研究發(fā)現(xiàn)：對于相同兒童座椅，Q3兒童傷害防護對車體向減速度依賴程度較高，前、后部吸能均勻的車體波形更有利于兒童座椅匹配；2018年版C-NCAP五星低性能車體兒童傷害得分率較低，仍然需要對車體性能進行提升?；诔藛T載荷準則，分析了影響車體波形的設計因素，通過整理7款車體碰撞波形的特點，總結出概念設計階段理想波形的相關設計參數(shù)目標：車體載荷準則值≤26.5、人體自由向前移動65 mm時對應時刻≤35 ms、人體受到約束向前移動235 mm時對應時刻≥95 ms。

除車體設計要求外，提出了兒童座椅選型的相關建議：采用ISOFIX通用及半通用兒童座椅；提高兒童座椅安全帶延伸率；在確保兒童頸部及頭部安全舒適前提下，適當提高兒童安全帶上固定點高度。