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智能集成式儿童安全座椅的台车正面碰撞试验研究

文档作者：张瑞锋曹立波陈亚文档来源：湖南大学		点击数：	更新时间： 2021年05月08日
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2015年(第37卷)第3期
汽车工程
Automotive Engineering
2015050
智能集成式儿童安全座椅的台车正面碰撞试验研究术
张瑞锋，曹立波，陈 亚
(湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙410082)
[摘要] 为研究智能集成式儿童安全座椅对儿童乘员的保护效果，采用Q6 ATD 6岁儿童假人开展了正确使
用四点式安全带和三点式安全带，以及误用四点式安全带3种情形下的正面碰撞台车试验，通过法规中要求的各项
儿童假人的损伤指标来评定儿童假人损伤情况。结果表明，正确佩戴四点式安全带和三点式安全带时座椅的保护
效果满足法规要求，佩戴三点式安全带的保护性能优于松弛状态下四点式安全带。最后根据试验情况提出了提高
四点式安全带约束效果的改进措施。
关键词：正面碰撞；儿童假人；损伤指标；儿童安全座椅；安全带
A Study Oil Frontal Crash Sled Test for Intelligent Integrated Child Safety Seat
Zhang Ruifeng．Cao Libo&amp;amp; Chen Ya
Hunan University，State Key Laboratory ofAdvanced Design and Manufacturingfor Vehicle Body，Changsha 410082
[Abstract] To study the protective effect of intelligent integrated child safety seat for children occupants，
frontal crash sled tests are conducted using Q6 ATD dummy with intelligent safety seat plus three schemes of safety
belt use：correct use of four—point safety belt and three—point safety belt，and misuse of four-point safety belt．The
injury situation of child dummy is assessed by various injury criteria defined in regulations．The results show that the
protective effects of the correct use of four--point safety belt and three--point safety belt meet the requirements of regu--
lations。and the protection performance of three—point safety beh is superior to that of four—point sat~ty belt with in—
adequate tension．Finally improving measures are put forward for enhancing the restraint effects of four—point safety
belt based on test situations．
Keywords：frontal crash；child dummy；injury criteria；child safety seat；safety belt
只lJ茜
智能集成式儿童安全座椅是为在汽车碰撞中有
效避免或减少儿童伤害而设计的一种新型儿童约束
系统。文献[1]中首先提出了一款新型集成式汽车
儿童安全座椅，适用于3—10岁、身高为996～
l 433mm的儿童，其增高坐垫的高度可根据儿童身
高在一定范围内无级调整。智能集成式儿童安全座
椅上配备的安全带多数是以成人为基准设计开发的
成人三点式安全带。文献[2]中为此专门开发了一
款具有环形腰带的四点式儿童安全带来配合智能集
成式儿童安全座椅使用。由于儿童的特殊性，在研
究智能集成式儿童安全座椅对儿童损伤的保护效果
中，通过计算机仿真进行研究较多，试验研究较少。
同时，儿童约束系统在使用中存在误用现象，因误用
而造成的儿童损伤是难以在计算机上准确仿真的。
为此，本文中采用Q6假人进行台车正面碰撞试验，
以对比真实碰撞中儿童在使用智能集成式安全座椅
而佩戴不同形式安全带以及正确和错误使用安全带
时儿童的损伤情况。
1 试验方法
国家863计划项目(2012AA1 1 1802)和2013年湖南省研究生科研创新项目(CX2013BI51)资助。
原稿收到日期为2013年7月3 Ft，修改稿收到日期为2013年9月27 Et。
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汽车工程 2015年(第37卷)第3期
人没有明显的下潜。但由于安全带带扣被向外拉出，
腰带出现一定松弛，影响了安全带对儿童假人的约束
作用。儿童假人在回弹的过程中被斜向上抛起，其背
部首先与座椅靠背接触，吸收了大量的动能，颈部没
有向后拉伸，避免了颈部出现拉伸一弯曲损伤。
C组试验中，座椅的安装固定没有失效。碰撞
过程中三点式安全带的腰带阻止了儿童假人的下
潜，肩带限制了儿童假人躯干的向前运动，而头部相
对自由继续向前向下运动，颈部向前弯曲，头部一颈
部一上躯干变形呈现c形。可见三点式安全带能很
好地把儿童假人约束在座椅上。在高速摄像中看
到，当儿童假人与安全带作用结束时，也出现了回弹
上抛的现象，但c组试验中安全带带扣的固定优于b
组，儿童假人上抛时受到腰带更好的约束，上抛距离
比b组试验中要小。
2．3 假人伤害指标
表3为试验结果的假人损伤指标。
表3 假人损伤指标
测量组别
损伤参数
b
头部位移／mm 5O1 440 448
HICl5 594．05 477．01 309．51
HIC36 873．78 545．76 530．02
头部 向 峰值 77．48 68．99 37．19
加速度 峰值时间／s 0． 098 O．102 0．074
头部y向 峰值／g 19．07 4．24 25．73
加速度 峰值时间／s 0
． 099 0．1O3 O．1O6
头部Z向 峰值 48．56 50．42 61．96
加速度 峰值时间／s 0
． 079 0．093 0．1O3
头部合成 峰值 84．60 77．81 61．79
加速度 峰值时间／s 0
． 098 0．102 0．1O3
胸部 向 峰值／g 43．50 48．80 35．89
加速度 峰值时间／s 0
． 065 0．063 0．070
胸部Y向 峰值 16．22 8．15 1O．44
加速度 峰值时间／s 0
． 082 0．072 0．073
胸部Z向 峰值 28．27 29．O3 34．17
加速度 峰值时间／s 0． 1O5 0．096 0．095
胸部合成 峰值／g 44．6O 48．86 40．50
加速度 峰值时间／s 0． 065 0．063 0．091
腰带力／N 336．70 626．35 l l51．3O
605．83
肩带力／N 728．44 1 955．90
428．28
2．3．1 头部伤害指标
图3为试验结果的头部x向加速度曲线。由图
可见：试验a头部 向加速度曲线的峰值出现时刻
比试验b提前了0．004s，其加速度峰值比试验b高
12．31％ ；试验c加速度峰值出现时刻最早，相比试
验a提前了0．024s，相比试验b提前了0．028s，加速
度峰值比试验a减小了52％ ，比试验b减少了
46．1％ 。因为四点式安全带与儿童假人肩部存在问
隙，而三点式安全带可以较好地贴合儿童假人肩部。
试验a和试验b中头部 向加速度峰值时刻明显晚
于试验c，且在碰撞后的0．060～0．075s之间出现了
第一个峰值，原因是座椅安全带带扣处存在自由行
程，试验a ab中座椅安全带没有及时对儿童假人起
到保护作用，使峰值时刻延迟，峰值增高。
瑙
景
时间／s
图3 头部 向加速度曲线对比
图4为头部y向加速度曲线。由图可见，a、b、c
3组试验头部y向加速度峰值分别为19．O7、4．24和
25．73g，峰值出现的时刻分别为0．099、0．103和
0．126s。Y向加速度即假人左右方向的加速度，主
要因台车与碰撞壁相撞时旋转而产生。试验a和c
产生了较大的头部y向加速度，增大了头部合成加
速度。本文中的台车试验产生y向加速度接近实车
碰撞情况，能较准确地模拟真实车辆碰撞。
3O
25
20
15
1O
5
0
． 5
— — a
曼 一一b
／、 ⋯一c
： ／ ＼
⋯⋯～一一— ， —
_———_—— 要 下 一 一
0．O3 0．06 0．09 0．12 0 15
时间／s
图4 头部Y向加速度曲线对比
图5为头部z向加速度曲线。由图可见，试验
b和e的z向加速度曲线出现两个峰值，第一个峰
值是由于腰带与儿童假人胯部作用产生的，第二个
峰值是肩带与肩部和胸部作用出现的，第二个峰值
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均比第一个峰值大。试验a加速度峰值小于试验b
和e，肩带没有对儿童假人起到很好的约束作用，加
速度值在0．065～0．090s时间段内持续大于40g，在
该时间段加速度的作用下，儿童假人出现下潜现象。
70
60
0
． 10
时间／s
图5 头部Z向加速度曲线对比
图6为头部合成加速度曲线。由图可见，a、b、e
3组试验头部合成加速度峰值分别为84．6g、74．1 lg
和61．79g，峰值出现的时刻分别为0．098、0．102和
0．103s。对比试验a和b可知，儿童假人在使用儿
童安全座椅的情况下，如果不正确佩戴安全带，其头
部不能得到有效保护。a组试验头部合成加速度峰
值超过了日本法规规定值，而b组试验满足日本法
规要求。试验c中儿童假人在三点式安全带的约束
下，头部合成加速度峰值最小，保护性能最佳。
lOO
80
60
翟 4o
2O
0
^
0 瞬 一 ／、
√＼
《
— —
一
0 0．02 0．04 0．O6 0．08 0．1 0 12 0．14 0．16
时间／s
图6 头部合成加速度曲线对比
采用ECE R44的测量参考点测量结果，试验a、
b和c的头部前向位移分别为501、440和448mm，3
组试验均满足要求。a、b、e 3组试验的头部HIC 值
分别为594．05、477．01、309．51；HIC36值分别为
873．78、545．76、530．02。试验a头部HIC 值大于
570，不符合法规要求，试验b和e在法规要求内，表
明正确使用安全带时，儿童头部的HIC值能满足法
规要求。
2．3．2 胸部伤害指标
图7为胸部 向加速度曲线。由图可见，a、b、c
3组试验的胸部 向加速度曲线都在0．05s左右开
始上升，但安全带松动的试验a曲线比试验b、c上
升得慢，峰值也较低，表明松动的安全带不能及时地
起到保护作用。
50
40
3O
20
型10
0
． 1O
．20
— ． b
?
～、
、
日日 《 一 — 一一 L ＼ 一、～ ，
＼ ：二 必c
／
0 O．O3 O．O6 0．09 0．12 O．15
时间／s
图7 胸部 向加速度曲线对比
图8为胸部l，向加速度曲线，主要也是因台车
碰撞过程中出现旋转和跳动而产生的。试验a中的
l，向加速度峰值是儿童座椅前部固定失效导致的。
翟
． 10
． 15
／，、 一：
～ j
一 c
／_、 ＼ 一
l、／／ 、√ ～
： ＼7
O O．03 O．06 0．O9 0．12 O．15
时间／s
图8 胸部y向加速度曲线对比
图9为胸部z向加速度曲线。由图可见，试验
a和b都出现了多个峰值，儿童假人下潜的原因是
座椅靠背与安全带多种因素的作用、儿童座椅前部
与汽车座椅连接处断裂失效和儿童安全座椅前倾下
沉为主要原因。试验c的曲线起伏比较平缓，但也
有2～3个峰值，随后假人回弹。在这个过程中，腰
带和肩带配合作用得比较好。
晨
35
30
25
20
l5
10
5
O
． 5
． 10
时间／s
图9 胸部z向加速度曲线对比
图1O为胸部合成加速度曲线。由图可见：试验
b的胸部合成加速度在0．O63s时刻出现最大值
48．85g，比ECE R44法规值略小；试验a在0．065s
时刻出现合成加速度最大值44．6Og，试验c在
0．091 s时刻出现合成加速度最大值40．50g，试验a
和c的胸部合成加速度均满足法规的要求。试验b
胸部合成加速度曲线在0．045s时刻开始上升，再比
较试验b头部合成加速度曲线，得知胸部峰值出现
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时刻要比头部稍早。从试验c曲线可以看出，胸部
合成加速度两次峰值出现的时刻相隔较近，大小差
别不大，头部的两次峰值之差相比其他两组试验要
小很多，说明试验c安全带对胸部约束良好，约束时
间较长，碰撞过程中没有对胸部造成二次冲击，因而
对头部加速度峰值的降低做出很大贡献。
50
45
4O
l5
lO
0
时间／s
图10 胸部合成加速度曲线对比
2．3．3 安全带力
图11为腰带力曲线。由图可见：试验a腰带力
最小，未能起到很好的保护作用，以至于头部合成加
速度峰值时刻延迟，峰值偏大；试验b中腰带力在
0．081 S时刻处就下降，作用的时间较短，主要靠肩带
约束儿童假人，前期腰带没有起到很好的约束作用，
而在后期肩带承受的力过多，从而导致头部加速度
峰值和前向位移较大。
l 400
l 200
1 000
800
600
400
200
0
． 200
时间／s
图11 腰带力曲线对比
图12为肩带力曲线。由图可见，试验a、b的肩
带力都偏小，儿童倚靠座椅靠背乘坐时，由于靠背的
倾斜，在佩戴四点式安全带腰带时，肩部与肩带有少
量的距离形成少许空隙，影响了安全带的约束作用。
为避免出现空隙影响对假人保护，可以考虑调整座
2
1
1
1
1
-
时间／s
图12 肩带力曲线对比
椅靠背倾角，设计特殊的导向滑环，在安全带与假人
肩部填充海绵状物质，碰撞前预紧安全带等。试验
c的腰带与假人的作用时间较长，肩带与假人作用
的时间较短，在二者的协同作用下，安全带对假人起
到了很好的约束作用。试验c中肩带力显著大于试
验a和b，表明腰带和肩带在碰撞过程中及时起到了
很好的约束作用，而且约束的时间长，因此胸部和头
部合成加速度峰值比其他两组试验得到的数值小，
而试验a和b肩带与假人肩部存在一些间隙，碰撞
过程中产生了二次冲击，这二次冲击直接导致试验
a和b的头部和胸部合成加速度峰值上升。
2．3．4 假人伤害指标比较
文献[5]中进行了几组6岁Hybrid llI假人试
验，结果如表4所示。
表4 试验得到的假人损伤峰值
直接使用 使用Std 使用ASC
增高坐垫 增高坐垫
损伤参数 类四 类四 =占 类四
点式 式安 点式 式安 点式 式安
安全带 全带 安全带 全带 安全带 全带
头部位移／mm 646 716 709 785 760 800
HIC36 1 573 1 456 l 442 l l55 l 024 1 104
头部合成加速度／g 91．2 84．5 85．2 79．5 73．9 74．2
胸部合成加速度／g 43．9 59．6 44．2 69．6 55．2 67．5
腰带力／kN 3．2 3．9 4．0 4 7 4．4 4．9
肩带力／kN 3．9 4 7 5．1
对比表4和表3可以看出，本文中a、b和c 3组
试验的头部前向位移量分别为501、440和448mm，
均比文献[5]中试验直接使用Std和ASC增高坐垫
要小。试验a、b和c的HIC 值分别为873．78、
545．76、530．02，也都比文献[5]中的各组试验结果
小。儿童安全座椅在降低头部前向位移量和HIC
值方面均优于Std和ASC增高坐垫。
试验a、b和c的头部合成加速度分别为
84．60g、77．81g和61．79g。试验a的合成加速度值
与文献[5]中的试验结果差别不大，表明安全带松
驰时对儿童假人的头部保护效果与没有使用儿童座
椅时没有区别。试验c的头部合成加速度峰值比文
献[5]中的几组试验均要小，表明佩戴三点式安全
带对儿童假人的保护效果最好。
试验a、b和c的胸部合成加速度分别为
44．60g、48．85g和40．50g，试验b的合成加速度值
比文献[5]中使用Std增高坐垫、佩戴类四点式安全
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带时大。只有在佩戴三点式安全带时，使用智能集
成式儿童安全座椅的胸部合成加速度值才均小于文
献[5]中试验的对应值。
3 试验结果讨论
3．1 关键问题
碰撞过程中儿童头部活动到最大的位移时，会
有一个回弹过程。为更好地保护儿童头部和颈部，
须在后排中间座椅安装头枕。
儿童倚靠智能集成式儿童安全座椅靠背乘坐并
佩戴四点式安全带时，肩带与儿童假人肩部存在间
隙，影响了安全带的约束性能。上肩带与儿童肩部
的间隙对儿童的保护性能有很大影响。由于三点式
安全带能更好地贴合儿童假人肩部，试验结果表明，
使用儿童安全座椅时佩戴三点式安全带对儿童假人
的保护性能优于松弛状态下的四点式安全带。如要
采用四点式安全带，则须采取措施使安全带在佩戴
过程中或在碰撞过程中肩带与儿童肩部的间隙最
小。可以考虑调整座椅靠背、设计特殊的导向滑环、
在安全带与假人肩部填充海绵状物质、碰撞前预紧
安全带等措施。例如佩戴海绵护垫，不仅可以减少
间隙而且能避免在碰撞过程中安全带割伤儿童颈
部，使用预紧式安全带可以在碰撞前对儿童肩部进
行预紧。
胸部合成加速度峰值在试验碰撞中先于头部合
成加速度峰值出现。安全带误用是另一个问题，座
椅上带扣的松紧程度也会对儿童假人的损伤造成重
大影响。腰带应与肩带共同配合作用，腰带在碰撞
中对假人首先起到约束作用，作用时间长，承受载荷
较大。肩带对假人的约束力可以降低胸部合成加速
度和头部合成加速度峰值的大小。
碰撞后，腰带首先对儿童假人作用，这是对儿童
假人起保护作用的第一个环节，而在后面阶段腰带
可抑NJL童假人回弹时的上抛。
试验验证了具有环形腰带的四点式儿童安全
带对防止儿童“下潜”的保护作用明显。座椅的失
效导致其前倾下沉，而使儿童假人出现下潜的趋
势。下潜会造成两种严重后果，一是儿童会被四点
式安全带勒住脖子，对其颈部造成割伤性损伤，同
时对儿童喉咙造成挤压性损伤，严重时甚至会造成
窒息死亡；二是假人对安全带有冲击作用，会导致
儿童损伤增大，且儿童假人身体回弹时，其头部会
沿斜后方撞击座椅，若后排座椅中间没有安装保护
头枕，会对儿童的颈部造成拉伸一弯曲损伤 J，第
一或第二颈椎骨容易发生骨折，对头部会造成颅脑
撞击损伤。通过a组试验得知，四点式安全带的环
形腰带能够阻止儿童假人进一步“下潜”，如果没
有环形腰带，假人会沿着座椅滑出去；但四点式安
全带的Y形肩带在儿童下潜时会对其颈部造成致
命损伤。
3．2 限制条件
由于试验条件的局限性，文中仅研究同一种汽
车智能集成式儿童安全座椅安装在相同的汽车后排
座椅上的情况，采用两种不同的安全带约束进行6
岁儿童假人的正面台车碰撞试验。
文献[7]中的研究指出，儿童在使用儿童安全
座椅时往往坐得更懒散，而不是试验中假人坐姿那
么标准。安全带腰带在初始约束时很可能约束在儿
童的腹部，这会增加儿童下潜和腹部的穿透，试验a
也证实了这个观点。
头部和胸部的加速度曲线及头部的前向位移可
能还存在其他影响因素，如本文中的四点式安全带
是自行设计加工生产的，由于工艺水平的原因和带
扣的自由行程，导致试验结果差于三点式安全带的
约束。另外，儿童乘员在安全座椅上的坐姿也是碰
撞过程中影响智能集成式儿童安全座椅保护性能的
重要因素。
4 结论
通过试验和比较文献数据，研究结果表明，儿童
乘员在智能集成式儿童安全座椅上正确佩戴具有环
形腰带的四点式安全带和三点式安全带的保护性能
满足法规要求，且比直接在后排座椅或在增高坐垫
上佩戴安全带的保护效果要好。
使用具有环形腰带的四点式安全带中的腰带采
用环形结构，能约束儿童乘员“下潜”，在正确使用
具有环形腰带的四点式安全带情况下，肩带与儿童
假人肩部仍有一些空隙，在本试验研究中的儿童假
人佩戴具有环形腰带的四点式安全带时呈现松驰状
态，其保护效果不如直接使用三点式安全带，头部响
应不满足法规要求。可以通过增加保护头枕、设计
特殊的导向滑环、使用中调整座椅靠背、减少座椅带
扣行程、在安全带与假人肩部填充海绵状物质、碰撞
前预紧安全带等配合提高具有环形腰带的四点式安
全带的约束效果。
(下转第312页)
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· 312· 汽车工程 2015年(第37卷)第3期
(上接第289页)
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