面向CRS 的不同車型車門特征波形提取方法研究

徐哲 鄭玉玉 高冠宇 婁磊 劉燦燦

中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司 天津市 300300

1 前言

交通事故統計表明，側面碰撞對兒童乘員的傷害致死率達到30%以上，根據醫院監控系統的數據，發現兒童乘員 MAIS2+級的損傷有41%是發生在側碰撞中[1]-[4]。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[5]。國外一些國家已經將兒童約束系統側面碰撞試驗納入標準法規中。但是目前我國對于兒童約束系統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，能夠有效縮短開發周期，降低開發成本。針對兒童約束系統產品的測試，臺車試驗尤為適合。通過研究發現：假人的損傷特性主要由車門速度、車門與座椅相對速度的波形和峰值決定[6]。目前國際上已經有了一些關于兒童約束系統側面碰撞的臺車測試方法，如澳大利亞AS1754 及CREP 中車門與座椅相對固定，但無法實現車門的侵入[7]；歐洲ISO/TRL 中采用類似鉸鏈門作為模擬門板，可以實現侵入，但控制精度和一致性是難以解決的關鍵問題[8]；美國NHTSA 試驗方法是用吸能鋁塊實現座椅和門板間的侵入[9]，ECE R129 法規中規定了車門速度、以及車門相對座椅的相對速度，但這兩種方法也只能實現門板的平動和單一自由度侵入，不能模擬真實工況下車門不同部位的侵入情況。

為此，本文面向兒童約束系統進行車門區域劃分，通過采集多款車型車門的不同區域的實車碰撞加速度波形，提取出不同車型車門的三個關鍵部位的特征波形，并驗證波形及方法的有效性，為模擬真實的碰撞工況下車門不同部位的侵入情況奠定基礎，也為我國兒童約束系統側面碰撞法規或評價方法的制定提供參考。

2 面向CRS 的車門劃分方式

兒童約束系統（以下簡稱CRS）根據安裝方向可以分為正向安裝、后向安裝、以及側向安裝[10]。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。根據兒童的體重，CRS 又可以分為0+組，一般為嬰兒用（0-13kg）、I 組，一般為幼兒用（9-18kg）、II+III組，一般為學童用（15-36kg）[10]。Johannsen 等人[11]通過研究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，可以將車門劃分為頭部、胸部、骨盆（或腹部）三個關鍵區域，CRS 在不同安裝方向下車門位置劃分示意圖如圖1-2 所示。

圖1 CRS 正向安裝時車門位置劃分示意圖

圖2 CRS 后向安裝時車門位置劃分示意圖

本文對國內多款車型后車門形狀尺寸進行統計，并參考ECE R129 法規[12]，獲得車門平均高度為CR 點向上500mm。同時，根據CRS 的組別劃分，分別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）兩個關鍵部位相對于車門的CR 點的高度進行了統計，如表1 所示。不同年齡的兒童用對應的兒童假人來模擬。

根據表1 的統計結果，以胸部和骨盆區域相對CR 點高度的平均值作為車門劃分的依據，將車門劃分為上、中、下三個部分。骨盆區域高度位置為CR 點向上235mm 區間內，胸部區域高度位置為CR 點向上235mm至435mm 區間內，頭部區域高度位置為435mm 至500mm 區間范圍內。面向CRS 的車門關鍵位置尺寸劃分如圖3 所示。

表1 胸部、骨盆區域相對于CR 點的高度

圖3 面向CRS 的車門關鍵位置尺寸劃分圖

3 不同車型車門的特征波形提取

3.1 不同車型車門的關鍵部位實車波形采集

選取14 款不同的車型進行側面碰撞試驗，車輛信息如表2 所示。在每款車的左后車門內部各貼3 個傳感器，傳感器的位置為頭部、胸部、骨盆三個關鍵區域的質心附近，如圖4所示。側面碰撞的試驗設置依據《C-NCAP管理規則（2018 年版）》[13]，移動壁障行駛方向與試驗車輛垂直，移動壁障中心線對準試驗車輛R 點向后250mm 位置，碰撞速度為50-51km/h（試驗速度不得低于50km/h）。試驗后，分別獲得不同車型車門上三個關鍵部位的碰撞加速度曲線，如圖5-7 所示。

表2 車輛信息

圖4 傳感器位置

圖5 不同車門頭部區域（傳感器1 位置）加速度曲線

3.2 不同車型車門的特征波形提取

通過實車碰撞試驗已獲得14 款車型的車門頭部、胸部、骨盆三個關鍵區域的加速度曲線，以加速度曲線的平均值作為該區域的特征波形。以頭部區域為例，計算方法如下：

圖6 不同車門胸部區域（傳感器2 位置）加速度曲線

圖7 不同車門骨盆區域（傳感器3 位置）加速度曲線

式中：a1，a2，...，an為不同車型車門的頭部區域加速度曲線；a 為加速度曲線的平均值。

同時，計算得到14 組加速度曲線的標準差，計算公式如下：

式中：a 為加速度曲線的平均值；σ 為加速度曲線的標準差。

以平均值和標準差計算得到特征波形的上下限曲線，計算公式如下：

由此，獲得的頭部、胸部、骨盆特征波形以及其上下限曲線如圖8-10 所示。

圖8 頭部特征波形及上下限

圖9 胸部特征波形及上下限

圖10 骨盆特征波形及上下限

按照如上方法也可獲得實車碰撞非碰撞側特征波形曲線及上下限，如圖11 所示。

圖11 實車非碰撞側特征波形曲線及上下限

4 試驗驗證

對于CRS 來講，目前使用的比較廣泛的側面碰撞方法是ECE R129 中的測試和評價方法，通過控制整個車門的侵入速度，以及車門與座椅的相對速度來實現側面侵入。本文為了更真實的模擬側面工況中，車門不同部位的侵入情況，采用不同部位輸入不同特征波形的多點侵入的臺車側面碰撞方法，將上文中獲得的頭部、胸部、以及骨盆的特征波形分別輸入到三個側碰活塞中，每個活塞位置根據上文中的門板劃分區域進行調節，將實車碰撞非碰撞側特征波形輸入到主活塞中，來實現三點侵入的側面碰撞，如圖12 所示。

圖12 多點侵入臺車示意圖

采用ECE R129 的測試方法和輸入特征波形的測試方法各進行1 次試驗，試驗中使用同一款CRS，使用Q3 兒童假人，CRS 的安裝方式為ISOFIX+支撐腿，安裝方向為正向，角度為直立。兩次試驗的照片如圖13-14 所示。試驗后，獲得假人頭、頸、胸部的傷害數據，如表3 所示。可以看到，ECE R129 和特征波形的測試方法下，假人傷害均滿足R129 法規的限值要求。特征波形測試方法下，頭部和胸部傷害指標下略小于R129 測試方法，是因為R129 試驗中門板速度為6.8m/s，而特征波形測試方法下，輸入的頭部和胸部速度均小于6.8m/s，如圖15 所示。特征波形測試方法下，頸部傷害指標下略大于R129 測試方法，是因為車門頭胸兩個部位輸入的波形不一致，造成頸部較大的移位，從而導致頸部拉伸力和轉矩比較大。綜上，特征波形測試方法合理可行，且更能真實的模擬出側面碰撞中不同部位的侵入情況。

圖13 ECE R129 測試方法

圖14 特征波形測試方法

圖15 特征波形的速度曲線

表3 假人傷害對比

5 結論

本文分別對不同假人在乘坐不同CRS 時，頭部、胸部、骨盆（或腹部）三個關鍵部位相對于車門的CR 點的高度進行了統計，面向CRS 對車門進行了關鍵區域的位置劃分；同時，通過14 款不同車型的實車側面碰撞試驗，采集車門中頭部、胸部以及骨盆三個位置的加速度數據，利用平均加速度與標準差的方法提取出三個部位的特征波形以及其上下限值；最后，進行了試驗驗證。與ECE R129 的測試方法進行比對，特征波形的測試方法下的假人傷害值與ECE R129 的測試方法差異不大，且均符合R129 法規的限值。試驗結果合理可靠，試驗方法可行，且能更真實的模擬側面碰撞的侵入情況。本文的研究成果為我國兒童約束系統側面碰撞法規或評價方法的制定提供參考，也對兒童約束系統產品的設計和改進具有一定的指導意義。