正面碰撞工況下Q1.5假人損傷研究

【摘要】為研究在不同正面碰撞加速度波形及安全帶是否預緊、限力的條件下，采用嬰兒提籃約束時Q1.5假人頭部、頸部、胸部的損傷情況，選取3款不同實車按照GB 11551—2014《汽車正面碰撞的乘員保護》的規定開展試驗得到B柱加速度曲線，通過加速滑臺進行模擬復現，并參照《C-NCAP管理規則（2024年版）》正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗中Q3假人試驗的評分指標，對車輛在Q1.5假人試驗中的表現進行評分。結果表明：碰撞過程中安全帶預緊時肩帶產生斜向上的拉力會導致頭部受到較大沖擊；當碰撞加速度一致時，安全帶預緊對頭部、胸部合成加速度峰值及其累積3 ms合成加速度、HIC15、腰帶力峰值、頸部剪切力最小值、頸部彎矩最小值的影響大于限力，肩帶力峰值則為限力影響大于預緊；對假人損傷的影響程度由高到低依次為碰撞加速度波形、安全帶是否預緊、安全帶是否限力；假人胸部損傷最大，頸部損傷最小。

關鍵詞：嬰兒提籃 Q1.5假人 損傷分析 正面碰撞 乘員保護

中圖分類號：U467.1+4" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240272

Research on the Q1.5 Dummy Injury Based on Frontal Collision

Wang Tinghuai， Li Yonggang， Li Jiangong， Cao Xiaofeng， Du Xuexian， Kuang Fang

（Xiangyang Da An Automobile Test Center Limited Corporation， Xiangyang 441004）

【Abstract】To study the head， neck， and chest injuries of Q1.5 dummy when restrained by an infant carrier under different frontal collision acceleration waveforms and whether the seat belt is pre-tightened and limited by force， three different real vehicles are selected to obtain B-pillar acceleration curves according to GB 11551—2014 “Passenger Protection in Frontal Collisions of Vehicles”. The acceleration curves are simulated and reproduced using an acceleration slide table， and the Q3 dummy’s scoring index in the frontal 100% overlapping rigid barrier collision test of the “C-NCAP Management Rules （2024 Edition）” is used as reference to score the Q1.5 dummy in test. The results indicate that during a collision， when the seat belt is pre-tightened， the diagonal upward tension generated by the shoulder strap can cause significant impact on the head; when the collision acceleration is consistent， the pre-tensioning of the seat belt has a greater impact on the peak combined acceleration of the head and chest， as well as the 3 ms peak， HIC15， the peak waist belt force， the neck Fx-min， and My-min， than the force limit. The limiting effect of the peak shoulder belt force is greater than the pre-tensioning; the factors that affect dummy injury， from high to low， are collision acceleration waveform， whether the seat belt is pre-tightened， and whether the seat belt is force limited; for all parts of the dummy’s body， the chest substains greatest damage and the neck substains the least damage.

Key words： Infant carrier， Q1.5 Dummy， Injury analysis， Frontal collision， Occupants protection

【引用格式】 王庭槐， 李永剛， 李建功， 等. 正面碰撞工況下Q1.5假人損傷研究[J]. 汽車工程師， 2025（3）： 27-34.

WANG T H， LI Y G， LI J G， et al. Research on the Q1.5 Dummy Injury Based on Frontal Collision[J]. Automotive Engineer， 2025（3）： 27-34.

1 前言

兒童安全座椅是降低兒童乘員在道路交通事故中傷亡的最重要且最有效措施。然而，我國兒童安全座椅的使用率不足10%[1-2]。目前，我國對于兒童乘員保護的主要評價規程為《C-NCAP管理規則（2024年版）》[3]，規定在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗中第二排外側座椅放置Q3假人，在正面50%重疊移動漸進變形壁障（Moving Progressive Deformable Barrier，MPDB）碰撞試驗中第二排最右側放置Q10假人，在側面柱碰撞試驗中駕駛員后方放置Q3假人，通過以上3種工況考核車輛在發生碰撞時對兒童乘員的保護能力。

烏維均[4]等研究了在《C-NCAP管理規則（2021年版）》正面碰撞工況中五點式正向兒童約束系統（Children Restraint System，CRS）、前置護體式CRS和五點式后向CRS對Q3假人的保護性能，發現采用不同安裝方式的兒童座椅時Q3假人各部位的損傷存在差異。包永濤[5]分析了《C-NCAP管理規則（2021年版）》MPDB碰撞工況中安全帶不同布置位置和限力等級條件下Q10假人的傷害情況，得出安全帶限力的等級范圍。當前，兒童乘員保護的研究多集中在基于中國新車評價規程（China New Car Assessment Programme，C-NCAP）相關試驗的Q3和Q10假人傷害分析，缺少對正面碰撞工況下小月齡兒童的損傷情況及嬰兒提籃乘員保護效果的研究，也缺少相關的標準及評價方法。

本文采用滑臺模擬復現GB 11551—2014《汽車正面碰撞的乘員保護》試驗的碰撞加速度波形，通過對不同車輛碰撞時的加速度曲線，以及安全帶是否預緊、是否限力的情況進行分析，研究在正面碰撞工況下采用提籃約束時Q1.5假人頭部、頸部、胸部的損傷情況，并參照《C-NCAP管理規則（2024年版）》正面碰撞工況中對Q3假人試驗的評價原則，得到Q1.5假人試驗的評價分數，為CRS設計提供參考。

2 試驗方案

2.1 假人選取

試驗采用滿足ECE R129《關于批準在機動車上使用的加強型兒童約束系統的統一規定》[6]和GB 27887—2011《機動車兒童乘員用約束系統》[7]要求的某款嬰兒提籃，該提籃的使用范圍為身高40～83 cm、體重小于13 kg。據此選取適合此兒童座椅最大使用范圍的Q1.5假人（身高80 cm、質量11.10 kg）進行試驗。

2.2 試驗方法

選取3款不同實車在GB 11551—2014試驗中的碰撞加速度波形，碰撞速度為50 km/h，根據碰撞時B柱加速度峰值由低到高分別設為波形1、波形2、波形3，如圖1所示。

嬰兒提籃通過汽車安全帶反向安裝在某車型的第二排外側座椅，如圖2所示。采用加速滑臺模擬正面碰撞工況，研究在安全帶限力、預緊情況一致的條件下，3種不同碰撞加速度波形對Q1.5假人頭部、頸部、胸部的損傷影響；另外選取特征波形2，研究在同一波形條件下安全帶是否預緊、是否限力對Q1.5假人損傷的影響。共進行6組試驗，試驗分組情況如表1所示。

3 試驗加速度波形對假人損傷的影響

3.1 安全帶力對比

采用相同類型的安全帶，根據不同的試驗加速度波形設置安全帶卷收器預緊時間，極差小于4 ms。同時，由于安全帶的火藥裝配存在一定差異，故3種波形在預緊時肩帶力峰值的極差小于300 N，對試驗的影響可以忽略。

不同試驗加速度波形下安全帶力對比情況如圖3所示，肩帶力和腰帶力變化趨勢與加速度波形相同。肩帶力的峰值不僅取決于限力器，碰撞時車身的吸能性也會對其產生影響，加速度峰值低，則肩帶力也會降低。肩帶力的持續時間與加速度波形持續時間基本一致，腰帶力持續時間較肩帶力長50 ms左右。

提籃在不同時刻的運動情況如圖4所示。可以發現，正面碰撞試驗中，由于嬰兒提籃較輕且高度較低，在反裝的情況下，不會同五點式CRS反向安裝一樣，向車頭方向產生大幅度傾倒[3]，而是會在安全帶的約束下向車尾部翻轉。碰撞發生后，提籃向車頭運動，第34 ms時卷收器預緊使肩帶產生朝車尾斜向上的拉力，而腰帶作用于提籃尾部，導致提籃出現一定程度的側向旋轉。隨著碰撞的加劇，肩帶力與腰帶力增大，提籃由朝向車頭運動轉為朝向車尾運動，直至提籃尾部與座椅靠背接觸，座椅靠背為提籃后端提供支撐，使提籃朝向車尾部翻轉，由于肩帶過長且無法回縮，此時肩帶不受力，故肩帶力持續時間較短，而腰帶部分則一直受力，因此腰帶力持續時間較肩帶力長。

3.2 頭部、胸部損傷對比

頭部與胸部的合成加速度峰值及累積3 ms合成加速度與試驗加速度峰值呈正相關，采用波形3時試驗加速度峰值大，但持續時間短于采用波形2，故頭部傷害指數HIC15略小于采用波形2。頭部的3項損傷指標中，HIC15的差異最大，采用波形2和波形3時的HIC15是采用波形1時的8倍左右。頭部、胸部損傷評價指標如表2所示。

結合圖3，由于提籃質量輕，且僅通過車身上三點式安全帶固定，導致頭部合成加速度變化趨勢同肩帶力變化趨勢相似。不同加速度波形條件下頭部與胸部合成加速度如圖5所示，在安全帶預緊階段，頭部受到較大沖擊，因為預緊時卷收器發生回卷，使肩帶產生朝車尾部斜向上的拉力，此拉力通過嵌入在提籃背部中間卡槽的安全帶作用在假人的頭部，與預緊產生的肩帶拉力方向相同，此時頭部合成加速度出現超過45 g的尖峰，其峰值接近采用波形2與波形3時在碰撞過程中頭部合成加速度的最大值，也超過了采用波形1時的最大值。而作用于胸部的力為斜向上拉力的分力，故預緊時造成的胸部合成加速度峰值小于頭部合成加速度峰值。

3.3 頸部損傷對比

基于正面碰撞試驗中假人的運動姿態，頸部損傷指標僅考慮頸部的剪切力最小值Fx-min、伸張力最大值Fz-max及彎矩最小值My-min，三者與加速度峰值呈正相關，如圖6所示。

試驗初始階段，安全帶卷收器預緊產生的肩帶力通過提籃靠背斜向上作用于假人頭部，由于假人與提籃靠背間存在海綿，海綿在運動時受到壓縮，假人向下滑入提籃靠背，假人頭部相較于胸部呈現出向前（朝向車尾部）、向下的后仰運動。在第45 ms左右，隨著肩帶拉力逐漸減弱，假人頭部較胸部向前、向下的后仰運動趨勢得到緩解。在第55 ms后，隨著碰撞能量的加劇，安全帶力增大，頭部相較于胸部重新出現向前（朝向車尾部）的后仰狀態，隨著提籃海綿壓縮到極限，假人出現沿提籃靠背爬升的運動姿態，對照頸部伸張力曲線，Fz先減小再增大。最后，提籃朝向車尾部翻轉，肩帶力減小至0 kN，假人頸部受到提籃海綿壓縮后的回彈影響，假人頭部呈現出相較于頸部向前（朝向車尾部）、向上的彎曲運動姿態。

4 安全帶預緊、限力對假人損傷的影響

不同的安全帶預緊、限力情況下采用提籃約束時Q1.5假人的損傷情況如圖7所示。若安全帶限力情況一致，無預緊時肩帶力和腰帶力的峰值較有預緊時大；若預緊情況一致，無限力時肩帶力和腰帶力峰值較有限力時大。交叉對比來看，對于肩帶力峰值，限力的影響大于預緊，對于腰帶力峰值，預緊的影響大于限力。在相同的沖擊能量條件下，預緊雖然可以在一定程度上減緩肩帶受到的沖擊，但是限力直接決定肩帶的受力，而通過安全帶預緊可以使提籃受到的碰撞沖擊減弱，改善腰帶力峰值。

對于頭部和胸部損傷，安全帶預緊的影響大于安全帶限力的影響。無論安全帶有無限力，預緊時的損傷指標均優于無預緊時；預緊條件相同的情況下，安全帶限力時的損傷指標優于安全帶無限力時。配備預緊功能的安全帶可以減緩碰撞對提籃的沖擊，減小HIC15峰值。

對于頸部損傷，安全帶預緊、限力的影響如下：對Fx-min指標的影響與頭、胸部相似，安全帶有預緊時優于無預緊時，安全帶有限力時優于無限力時，安全帶預緊的影響大于安全帶限力的影響；Fz-max在安全帶無預緊、有限力的情況下峰值最小。在安全帶預緊條件相同的情況下，因為無限力時的肩帶拉力大于有限力時的肩帶拉力，故無限力時的Fz-max大于有限力時的Fz-max。其次，由于預緊導致提籃受到沖擊的運動幅度減小，故在碰撞初始時相較于有預緊時，無預緊時的頭部較胸部向下運動趨勢更劇烈，隨著碰撞沖擊加劇，假人會沿著提籃靠背爬升，此時頭部較胸部向上運動趨勢更強烈，在安全帶限力情況一致的條件下，無預緊時的Fz-max小于有預緊時的Fz-max，因此無預緊、有限力條件下的Fz-max小于有預緊、有限力條件下的Fz-max，如圖8所示。限力對My-min的影響不大，但My-min在安全帶無預緊的條件下是有預緊時的2倍左右。

5 正面碰撞工況評分

《C-NCAP管理規則（2024年版）》中對兒童乘員的保護評價分為3種工況，即在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗中評價Q3假人、在MPDB試驗中評價Q10假人、在側面柱碰試驗中評價Q3假人。前2種工況對假人頭部、頸部、胸部的評分指標及其限值完全相同，如表3所示。其中，如頭部未與前排座椅及B柱發生二次碰撞，采用累積3 ms合成加速度評價，如頭部與前排座椅及B柱發生二次碰撞，則采用累積3 ms合成加速度和HIC15評價。由于目前對正面碰撞事故中Q1.5假人的傷害情況缺少相對應的評價限值，也缺乏相關低月齡兒童損傷情況的生理研究，故本文以正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗（CRS后向安裝）中對Q3假人試驗的評分指標及限值為基準，直觀展現提籃約束對Q1.5假人的保護情況，為后續相關準則中引入Q1.5假人乘員保護評價提供參考。

5.1 評價規程

正面碰撞工況中，Q1.5假人的評價原則參考表3，處于低性能限值與高性能限值之間的測量值分別采用線性插值的方法獲得相應分數，滿分為4分。

5.2 工況評分

按照表1共進行6次第二排外側座椅搭載提籃的正面碰撞滑臺試驗，Q1.5假人乘員保護得分如表4所示。由于提籃在碰撞過程中朝車尾部向上翻轉，所以頭部不會與前排座椅及B柱發生二次碰撞，故頭部損傷情況采用累積3 ms合成加速度評價。

由表4可知，在采用波形2的4次試驗中：頭部損傷評價方面，若安全帶無預緊，不論是否限力，頭部累積3 ms合成加速度均超過高性能限值；頸部損傷評價方面，伸張力Fz均遠小于其高性能限值，都為滿分，因為提籃對于Q1.5假人為五點式約束，約束力強且碰撞過程中提籃朝向車尾部翻轉，頭部與胸部的運動差異小，故頸部伸張力較小；胸部損傷評價方面，由于Q1.5假人質量輕，五點式安全帶約束力強且力集中在假人胸部，因此均不得分。

在安全帶預緊、限力一致的條件下，對比采用不同加速度波形時的得分可以看出，采用波形1時的碰撞加速度峰值最小，其各項指標均小于高性能限值，得分為滿分4分。碰撞加速度峰值與各項測量值的大小呈正相關關系。

綜上，各因素中，對Q1.5假人試驗得分的影響程度由高到低依次為車輛碰撞加速度、安全帶是否預緊、安全帶是否限力。

6 結束語

本文基于GB 11551—2014《汽車正面碰撞的乘員保護》中規定的試驗方法，選取碰撞加速度差異較大的3條實車碰撞加速度波形，采用提籃約束系統，通過滑臺試驗對比分析在不同碰撞加速度波形及安全帶是否預緊、限力的情況下，正面碰撞工況中Q1.5假人的損傷情況，并采用《C-NCAP管理規則（2024年版）》正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗（CRS后向安裝）中Q3假人的評價標準對Q1.5假人的損傷進行量化評分，結論如下：

a. 提籃通過三點式安全帶反裝，假人頭部不會與前排座椅及B柱發生二次碰撞。

b.安全帶卷收器預緊時，肩帶對提籃斜向上的拉力會對假人頭部產生較大的沖擊。設計適用于提籃的CRS時，需要著重考慮安全帶的預緊力和預緊時間。

c.若碰撞加速度波形一致，安全帶限力對肩帶力峰值的影響大于安全帶預緊的影響；對于腰帶力峰值、頭部與胸部合成加速度峰值及其累積3 ms合成加速度、HIC15、頸部Fx-min及My-min，安全帶預緊的影響大于安全帶限力的影響，頸部Fz-max在安全帶無預緊、有限力的情況下最優。

d.各因素中，對正面碰撞工況Q1.5假人損傷的影響程度由高到低依次為碰撞加速度、安全帶是否預緊、安全帶是否限力，故車型開發時，降低車輛碰撞時的加速度峰值、改善碰撞過程中的吸能性更應受到關注。

e. Q1.5假人各損傷部位中，胸部損傷最嚴重，故設計提籃時，應著重考慮降低兒童胸部損傷。

本文對安全帶是否預緊及限力的分析僅基于特征加速度波形，后續可結合多種加速度波形進行研究。此外，后續可考慮開展多種碰撞工況下各類兒童成員保護的生物力學研究。

參考文獻

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Ministry of Industry and Information Technology. Restraining Devices for Child Occupants of Power-Driven Vehicles： GB 27887—2011[S]. Beijing： Standards Press of China， 2012.

（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2024年9月23日。