（光学工程专业论文）车用儿童约束装置安全性研究.pdf

江苏大学高教硕士学位论文 摘要 本文对国内j b j d 童约束系统研究现状进行了深入分析，对各种交通事故形态 下，儿章乘员损伤的特点进行了总结，并对不同年龄阶段儿童约束系统的使用率及 正确使用率进行了统计分析，为不同年龄阶段、使用不同类型的约束装置提供指导 意见。 采用多刚体动力学理论与有限元方法相结合的方式对某型儿童座椅进行了动 态性能研究，主要研究内容如下： 基于e c er 4 4 法规，开发并设计了适合该法规的碰撞台车，并建立了该台车 的有限元模型。 建立了儿童座椅有限元模型，并根据儿童座椅实际的绑定方式，采用有限元 安全带进行儿童座椅绑定，解决了模拟模型与试验测试配置的一致性问题。进行 了儿童座椅本体冲击强度分析以及儿童座椅动态性能分析。 对模拟分析的儿童座椅模型进行台车试验验证，以台车试验结果为依据，对 仿真模型进行验证分析，直至其结果与试验结果具有较好的一致性。并针对试验 结果中儿童座椅存在的问题进行改进，满足e c er 4 4 法规要求。 本论文的研究结果可以作为儿童约束系统开发的参考依据，为进一步提高儿 童乘车安全性奠定了理论基础。 关键词：儿童约束系统，台车，安全性，分析 车用儿童约束装置安全性研究 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a k e sad e e pa n a l y s i so nt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fc h i l d r e n sr e s t r a i n t s y s t e ma th o m ea n da b r o a da n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h i l d r e n sc l e wd a m a g eo f v a r i o u st r a f f i ca c c i d e n tf o r m sa r ea l s os u m m a r i z e d t h es t u d i e sh a v eb e e nc a r r i e do u tb y s t a t i s t i c a la n a l y s i so ft h ec o r r e c tu t i l i z a t i o nr a t eo fc h i l d r e nr e s t r a i n ts y s t e mo fd i f f e r e n t a g es t a g e s ，p r o v i d i n gg u i d a n c ef o rd i f f e r e n ta g es t a g e sa n dd i f f e r e n tt y p e so fc o n s t r a i n t d e v i c e s t h i sp a p e ru s e st h ew a yo fc o m b i n i n gt h er i g i db o d yd y n a m i c st h e o r ya n dt h e f m i t ec l e m e n tm e t h o di no n et y p eo fc h i l d r e n ss e a tf o rt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e s t u d y i t sm a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： b a s e do nt h ee c er 4 4r e g u l a t i o n s ，a ni m p a c ts l e dw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h e r e g u l a t i o n si sd e v e l o p e da n d t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fi ti ss e tu p ，t o o af m i t ee l e m e n tm o d e lo fc r si se s t a b l i s h e da n da c c o r d i n gt ot h ea c t u a lb o u n d m e t h o do fc r s ，t h ep r o b l e mo ft h ec o n s i s t e n c yo fs i m u l a t i o nm o d e la n de x p e r i m e n t a l t e s tc o n f i g u r a t i o ni ss o l v e db yu s i n gt h eb i n d i n go faf m i t ee l e m e n td l i l d r e n ss e a tb e l t , m e a n w h i l e ，t h ec h i l d r e n ss e a to n t o l o g yi m p a c ts t r e n g t ha n a l y s i sa n dc h i l d r e n ss e a t d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n a l y s i sh a sa l s ob e e ns t u d i e d t ov e r i f yt h ec h i l d r e n ss c a tm o d e lo fs i m u l a t i o na n a l y s i s ，s l e dt e s ti sd o n eb ya u t o c r a s ht e s ts y s t e m b a s e do nt h er e s u l t so fs l e dt e s t ，t h ea n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nm o d e l h a sb e e ns t u d i e du n t i li t sr e s u l ta n de x p e r i m e n t a lr e s u l th a sg o o du n i f o r m i t y a n d a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fc h i l d r e n ss e a te x i s t i n gi nt h et e s tr e s u l t ，i t si m p r o v e dt om e e t e c er 4 4r e g u l a t i o n s t h er e s u l to ft h i ss t u d yc a nb eu s e d 弱ar e f e r e n c eb a s i so fc h i l dr e s t r a i n ts y s t e m d e v e l o p m e n ta n dl a yat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rf u r t h e ri m p r o v e m e n to ft h er i d i n g s e c u r i t yo f c h i l d r e n k e yw o r d s ：c h i l dr e s t r a i n ts y s t e m ，s l e d ，s a f e t y ，a n a l y s i s 江苏大学高教硕士学位论文 第一章绪论 1 1 儿童约束装置及儿童损伤研究现状 汽车安全、节能、环保问题是当今汽车工程领域三大具有重要社会、经济意 义的研究热点，而安全是其中首要解决的问题。对车辆安全性能的研究得到了世 界各国的广泛重视。 2 0 1 0 年中国第六次人口普查结果，大陆3 1 个省、自治区、直辖市和现役军人 的人口中，0 - 1 4 岁人口为2 2 2 4 5 9 7 3 7 人，占1 6 6 0 。 2 0 0 6 年统计n 1 显示，我国儿童道路交通事故死亡率为3 0 3 1 0 万，仅次于溺 水，居伤害死因顺位的第二位。 目前，由于中国家庭通常只有一个孩子，中国人对孩子的疼爱程度胜过以往 任何时候，如何能让孩子茁壮成长是他们一直所关心的问题。现在，越来越多的 中国家庭拥有了轿车，但是很多家长对“儿童乘车安全 却缺乏最基本的认识， 经常可以看到一些母亲抱着孩子坐在前排，当发生交通事故时不正确的乘车方式 将对儿童造成巨大的无法弥补的伤害。调查显示，成人对“儿童乘车安全 存在 严重误区。目前中国家庭在儿童乘车安全方面的意识还很薄弱，有76 的汽车 内没有安装儿童安全座椅；有40 的家长都曾经让孩子坐在危险的副驾驶位置； 有43 的家长认为乘车时由母亲怀抱或坐在成人腿上是对儿童有效的保护。 当务之急是提高人们对儿章乘车的安全常识，提高儿童约束装置的使用率及 正确使用率，因此开展这方面的教育与研究十分的必要。 世界卫生组织统计，每年约有1 8 万以上的1 4 岁以下儿童死于道路交通事故， 数十万的儿童致残。交通事故在青少年发生意外伤害死亡中占首位原因。车祸后 果轻重不一，多见头部受伤、骨折、内脏出血、休克、死亡。在步行交通事故中， 危险人群为5 9 岁儿童；在驾车事故中，危险人群是1 0 , - - - 1 4 岁儿童和1 5 - - 2 4 岁青 少年。而统计显示，我国每年有超过185 00 名14 岁以下儿童死于道路交通 事故，儿童因交通事故的死亡率是欧洲的2 5 倍，美国的2 6 倍。 近几年来对儿童乘员的保护方面的研究在欧、美、日等国家和地区得到了的 极大重视。他们不但在提高儿童约束保护研究方面做了大量的研究开发工作，同 时还出台了相应的法规、标准，使儿童乘员在车辆碰撞事故发生中能得到有效的 车用儿童约束装置安全性研究 保护。在我国，目前对儿童保护方面的研究还处在起步阶段，还没有正式的技术 标准、法规，仅具备初步的试验能力。实际上，近几年来随着乘用车不断进入家 庭，儿童乘员数量也在不断增加，如何为他们提供安全的乘车保护，是全社会乃 至每个家庭关心的问题。汽车安全儿童约束装置是专门为儿童乘员提供的约束保 护系统，以保证在车辆碰撞事故发生时，为儿童提供安全保护，从而减少儿童的 死亡数量及降低损伤的程度。 研究儿童约束装置及儿童安全的组织和机构主要有：i r t a d ( i n t e r n a t i o n a l r o a dt r a f f i ca c c i d e n td a t a b a s e ) 、c a s p e r ( c h i l da d v a n c e ds a f e t yp r o j e c tf o r e u r o p e a nr o a d s ) 、c c i s ( c o o p e r a t i v ec r a s hi n j u r ys t u d y ) 、g i d a s ( g e r m a ni n d e p t h a c c i d e n ts t u d y ) 、c s f c ( c h i l ds a f e t yo ff r e n c hc o u n t r yr o a d s ) 、g d v ( g e r m a n i n s u r a n c e a s s o c i a t i o n ) 、c a s i m i r ( c h i l da c c i d e n ts u r v e yi n v e s t i g a t i n g m o r t a l i n c i d e n to ht h er o a d ) 、c h i l d ( c h i l di n j u r yl e dd e s i g n ) 、e e v c ( e u r o p e a n e n h a n c e dv e h i c l e - s a f e t yc o m m i t t e e ) 1 2 及1 8 i 作组、e u r o n c a p ( e u r o p e a nn e w c a ra s s e s s m e n t p r o g r a m m e ) 、n h t s a ( n a t i o n a lh i g h w a y t r a f f i c s a f e t y a d m i n i s t r a t i o n ) 、删r v s s ( v e d e r a am o t o rv e h i c l es t a n d a r d s ) 。 2 0 0 0 1 1 1 ，美国国会通过了加强运输召回、责任文件法，该法要求交通部制 定一项五年战略计划，使4 7 岁未使用增高座椅的儿童死亡和受伤的比例下降2 5 。 7 7 1 在2 0 0 8 年，4 - 7 岁儿童交通事故死亡人数从2 0 0 0 年5 7 0 人降低至i j 3 2 0 人。 2 0 0 6 年，美国国家公路交通安全管理局( n h t s a ) 进行了第一次全国范围增高 座椅使用情况调查n s u b s ( n a t i o n a ls u r v e yo ft h eu s eo fb o o s t e rs e a t s ) 。2 0 0 9 年 最新数据发布乜3 ，在2 0 0 9 7 1 7 - 8 1 期间，在全国4 3 3 个观测点，6 0 3 3 辆车辆，9 4 7 1 名儿童乘员被统计。 2 0 0 9 年，n s u b s 统计结果为4 7 岁儿童增高座椅的使用率为4 1 ，卜3 岁儿童约 束系统使用率9 6 ，所有1 3 岁以下儿童约束系统使用率为8 9 ，如图1 1 所示。 2 江苏大学高教硕士学位论文 a g e0 1 2i o n t h sa g el 3y e a r sa g e q 一y e ar s a g e8 。1 2y e a r s f i g u r e5 ：c h i l dr e s t r a i n tu s eb ya g ea n dy e a r 图1 1 不同年龄组儿童约束装置使用率 4 7 岁儿童增高座椅使用率从2 0 0 6 2 0 0 9 年基本维持在4 0 左右，如图1 2 所示。 适合4 7 岁儿童使用的约束装置，依据其具体的身高和体重，可采用前向式儿童安 全座椅，或者采用增高座椅。然而n s u b s 2 0 0 9 年统计发现，在美国有4 5 的4 7 岁儿 童没有被恰当的保护，过早的脱离了正确的约束保护装置，其中3 2 采用座椅安全 带约束，1 3 没有进行约束，如图1 3 所示。 2 啜礁2 彩72 麓j 纂2 0 0 9 图1 2 美国4 - 7 岁儿童增高座椅使用率 根据美国n a s s g e s ( n a t i o n a la u t o m o t i v es a m p l i n gs y s t e m - g e n e r a le s t i m a t e s s y s t e m ) 瓣t - 口3 ，1 9 9 9 - 2 0 0 8 年，各种交通事故形态及儿童乘坐位置的不同，而引起 儿童致残率的分布如图1 4 所示，可见翻滚交通事故是三个年龄组中致残率最高 的，是其他事故形态的5 倍以上。 3 晷； 阳 “c锄uk甜也c一。ouc一毋，iu价比 一 一 o 一 一 一 一 一 一 一 j | 二 一 一 一 一 二 一 。 | | 二 懒一 一 镶魄魏 错 瓣 甜 钳 箱 臻 l 麓蔷?蓑每 蓉警答氅罨辑毒嗣罨置墨国 车用儿童约束装置安全性研究 蚕伯溉藤赫i80 芝l搿豳缫糊； 篓 弱翰霸隰一 | 鼗 。凿。懿。，。曲。，。茹。：。l i ：i m e r e2 ：r e s t r a i n tu s ef o rc h i l d r e n4t o7y e a r so l d 图1 3 美国4 7 岁儿童不同类型约束装置使用率 l | i ，酶 l ? 托辩 i 嚣! 姗蹦s 融r e a r r e a r 。 峭饿。史戮w n f s l 出f 甜s , i d c l 棚弹瓣豁 r o l l o ￥e r l m 哗h n l x l l 抽印嘲州i 嘲删 s e c o n d “黼 l 黼z 黼 c k l l l 珂1 2 a lf h 磷r 黼 文增戤锗喇 瓣ly 钮f 2 o 暇 ls 1 妒1 伊 o ，s 0 焉l l 船 稚l1 0 3 蚍s2 o 1 f 黪0l ，2 1 名1 2 o 乱s 9 籀 缓4 t o y 涮s 2 ，鹑；l ，磐0l6 臻2 o s l 静0 。5 i s 由 图1 41 9 9 9 - 2 0 0 8 年交通事故形态及儿童乘坐位置引起的致残率 目前，不同年龄阶段、不同身高、不同质量组别的儿童采用的约束方式主要 如图1 5 所示。 4 毽u 圈鬻翟 a 、手提式婴儿床b 、后向式婴儿提篮c 、前向式儿童座椅( 束带) d 、带前档护的儿童座椅 e 、束带型增高座椅f 、有靠背增高座椅g 、增高坐垫h 、三点式安全带i 、两点式安全带 图1 5 儿童约束装置类型 江苏大学高教硕士学位论文 e e v c l 8 工作组的研究报告h 5 1 显示，在正面碰撞交通事故中根据儿章年龄组别、 儿童约束装置类型的差异，其身体部位保护的优先顺序各不相同，具体如下： 1 ) 后向式婴儿提篮( g r o u p o o + 组使用) ：头部重伤是最普遍的损伤，主要的 解决方法是采用有效的头部衬垫。头部损伤的三个主要机理是：头部撞击 仪表板壳体、头部直接撞击支撑物体、反弹；四肢损伤也经常发生，但很 少发生重度损伤，一般不优先考虑。 2 ) 有束带后向式儿章座椅( g r o u pi 组使用) ：有束带后向式儿童座椅在北欧 用的比较多也比较有效，与前向式相比，j 下面碰撞时重度的头部损伤较少 出现，与后向式婴儿提篮相比，四肢( 尤其是手臂) 可能受伤。 3 ) 前向式儿童座椅( g r o u pi ) ：前向式儿童座椅头部损伤仍然是个大问题， 撞击是原因之一，但由于角加速( 存在或不存在碰撞) 引起的弥漫性脑损 伤也存在。对该类装置，尽管不常发生，但颈部是个重要的保护部位，尤 其是4 岁以下的儿章。使用该类装置，胸部和腹部损伤能观察到，但很少 发生。 4 ) 增高座椅或增高垫以及成人安全带( g r o u pi i i i i i ) ：这个装置的头部 损伤仍然是高频率的重要身体部位，但腹部损伤的重要性相对增加了。安 全带对软组织的侵入增加了肝脏、脾、肾的损伤。这类约束系统，腹部区 域保护要位于优先的地位，胸部可以不放在优先的位置，但胸腔要保护至 关重要的组织仍然是个重要的部位。 5 ) 成人安全带：儿童使用成人安全带与使用增高垫损伤特点相同，但损伤更 严重，尤其是儿童腹部区域。 根据c f s c 、c r e s t 研究机构以欧洲交通事故数据为基础进行的分析表明，不同 类型的儿章约束装置在正面碰撞交通事故中，导致儿童各个身体部位受重伤的分 布如图1 6 所示。儿童不进行约束其头部、四肢、胸部、髋部的损伤比例显著提高； 从保护效果分析，前向式儿童座椅约束方式相对于增高坐垫+ 安全带方式、仅成人 安全带约束方式来说，其对儿童各个部位的保护最为有效。另外对其他交通事故 形态，侧面碰撞、追尾碰撞、翻滚也进行了损伤部位分布特性研究。 5 车用儿童约束装置安全性研究 f o r w a r df a c i n gc h il ds e a t 口b o o s t e rc u s h i o n4 - s e a t b e i l 囹a d u l ts e a t b e l to n l y 图1 6 正面碰撞不同类型儿童约束装置引起重伤的分布情况 c r e s t 研究表明，侧面碰撞交通事故数据库中，儿童a i s 3 + 以上重伤的分布如 图1 7 所示，损伤部位频次从高到低依次为头部、胸部、腹部、颈部等。 7 园n bh e a d3 + n bn e c k3 + 口n bc h e s t3 + 口n b a b d o3 + o t h e ra l s 3 + 图1 7 侧面碰撞交通事故儿童a i s 3 + 以上重伤的分布 在追尾碰撞交通事故中，各种损伤等级所有儿童损伤部位的分布如图1 8 所 示，主要的损伤部位依次是头部占3 0 ，下肢占2 8 ，颈部占1 3 ，上肢、腹部各占 7 ，髋部、胸部仅占2 ，其它及未知损伤占l l 。 6 江苏大学高教硕士学位论文 囹1 e a 唾 一n e c k 口c h e s l 口a b d o m e n _ 一p e l v i s 囹；o w e 1 i m l 。s u p p e ri ；r o b s 口o t h e r s u n k n o w n 图1 8 追尾交通事故损伤部位分布情况 在翻滚交通事故中，各个身体部位中等程度损伤的分布如图1 9 所示，主要的 损伤部位依次是头部占3 5 ，上肢占2 3 ，下肢占1 2 ，腹部占8 ，颈部占5 ，髋部 及胸部各占3 ，其它及未知损伤占1 1 。 囫h e a d n e c k 口c h e s t 口a b d u f ；e # l p e l v i s 囹i o w e r i m b s _ u p p e ri f m b s 口o t h e r s u n kn o h r 图1 9 翻滚交通事故，中等程度损伤部位分布情况 当前，国外对儿童乘员约束装置的研究集中在4 个方面：儿章约束系统设计 优化、试验评价方法、评价标准以及正确使用儿童约束装置、儿童损伤生物力学 及机理等方面哺1 ： 1 ) 儿童乘员约束系统的设计兼顾了材料力学、人体工程学、儿童心理学等多 方面因素。当前儿章约束装置主要研究包括：安全带的结构形式、布置方式、佩 戴舒适性和适用范围；研究新型适用的安全带；研究合理可靠的儿童乘员约束系 统定位装置；智能保护系统( 如儿童安全门锁等) 等4 个方面的研究。如加拿大的 f r a n c el e g a u l t 等人研究了顶部系带对儿童约束系统的影响，发现无论用什么固定 方式，使用顶部系带的儿童约束获得的颈部伤害数据都比未使用的要好得多盯1 。 2 ) 试验评价方法、标准的研究。包括用于保证分析可靠性方面的假人模型的 7 车用儿童约束装置安全性研究 选择、试验座椅总成的调整、台车冲撞试验脉冲的优化，侧面碰撞和后面碰撞的 安全性能分析，以保证分析的完整性。如澳大利亚的j u l i eb r o w n 等人对儿童座 椅的c a u s f i x ，u c r a ，无上固定点的u c r a ，以及使用成人安全带和带上固定点的 传统的澳大利亚儿童约束固定系统在侧碰中的性能作了比较。发现在9 0 。、4 5 。 侧碰中会引起儿童约束和假人头部较大的前向移动；在4 5 。侧碰中，后向儿童约 束中的假人头部会撞向车门嘲。 对假人伤害评价指标的完善和对约束系统性能评价指标的完善。前者主要是 在现有的伤害指标基础上，借鉴成人乘员约束系统的评价标准，为儿童乘员约束 系统提出了更为详细的伤害标准；后者是指增加以提高使用便利性为目的的新评 价标准，更好地推广儿童乘员约束系统的使用1 。如美国的b r a dr e s u m e 等人n 们 就对f m v s s 2 2 5 一儿童约束系统的试验设备和试验程序进行了概括、总结，并提出了 存在的问题和改进方法。 3 ) 基于整车的定位和安装方面的研究与分析。大量试验证明，合理、可靠、 正确的使用和安装方式，可以保证儿童约束系统起到有效的保护作用。如英国的 r i c h a r dl o w n e 和p e t e rr o y 等人n 妇研究了不同的固定方式在前碰、侧碰、追尾、 约束带不同松弛度的碰撞实验中，头部位移，头、胸加速度数据进行了比较。发 现使用下部两个固定点，外加上部一个固定点的固定方式在减少头部位移和头、 。- 胸部加速度方面是最好的。 4 ) 儿童损伤生物力学及机理研究。损伤生物力学亦称为碰撞生物力学，是汽 车被动安全性研究的重要基础理论之一，在碰撞事故过程中，人体暴露在一个机 械冲击载荷的环境中，在惯性力和接触力的作用下，人体的各部分组织将产生一 定的生物力学响应。若生物力学响应使人体的组织超过了可以恢复的限度或导致 解剖学组织的破坏，或导致了正常生理功能的变化或丧失，这时就发生了人体损 伤。人体组织在碰撞过程中所包含的有关力学称为碰撞生物力学。损伤生物力学 的研究目的是通过研究和分析人体损伤的过程，弄清其损伤机理，从而开发出有 效的方法来减少或消除人体结构或功能的损伤。它的研究内容包括：确定碰撞损 伤的机理，量化人体组织的响应，评价人体组织的损伤标准，开发或研制有效保 护装置来减少碰撞中传递给人体的载荷和能量，并能够研制出试验和计算机用的 模型来模拟人体在碰撞时的响应。 8 江苏大学高教硕士学位论文 儿童不是成人身材的简单缩小n2 l 。与成年人相比，儿童头部比重相对自身体 重较大，成年人的头部仅占整个体重的6 ，六岁儿童头部的比重为整个体重的1 6 。从长度方面来看，成年人头颈部的高度是自身身高的1 6 ，而儿童的头颈部的 高度则是自身身高的1 4 ( 图1 - 1 0 ) 。人体颅骨从出生到成熟的相对比例n 3 3 如图1 1 1 所示。导致儿童头部损伤的原因有两个：接触和惯性力矩n4 1 。接触通常是指儿童 头部与汽车内饰件的接触，也包括与车内其它乘员的接触。由于接触导致的儿童 头部损伤通常从碰撞点附近的擦伤、挫伤到伴随有脑组织损伤的粉碎性骨折变化。 惯性力矩或加速度导致的头部损伤通常是软组织。 图1 1 0 不同年龄阶段头部占身体的比重 f i g u r e l 1 0t h eh e a da c c o u n t sf o rt h eb o d y p r o p o r t i o ni nd i f f e r e n ta g e 图1 1 1 人体颅骨相对比例图 s f i g u r e1 1 1t h er e l a t i v ep r o p o r t i o n s o ft h eh u m a ns k u l l 人体的颈椎在出生时由三块不同的骨骼组成，三块不同的骨骼之间通过软骨 连接，这三块骨骼在婴儿出生的第三年明显地接合在一起，但是，第一颈椎( c 1 ) 和第二颈椎( c 2 ) 直到儿童4 6 岁时才完全接合在一起。儿童从1 岁到成人，椎间 小关节也从6 0 。逐渐变为4 5 。( 这里的角度指小关节平面和椎体背部平面间的角 度) n 引，儿童上颈部小关节相对水平的方位使得即便在较小的力的作用下也会发 生脱臼现象。另外，儿童颈部肌肉尚未发育成熟，颈部韧带还比较松弛，因此年 龄较小的儿童在乘车时若不正确使用约束系统，将很可能导致颈部损伤风险的增 加。由于儿童和成年人颈部结构差别而导致的儿童损伤通常是脊髓拉伸损伤。在 碰撞中，儿童的颈椎能够在不发生骨折的前提下产生较大的变形，使得脊髓被拉 伸，因此，儿童能够在不发生脊椎损伤的情况下产生脊髓损伤。 儿童心脏在儿童胸腔内占有的比例大于成人心脏在成人胸腔内占有的比例。 由于儿童头部比重较大，因此儿童的整体重心较成年人偏高，这使得儿童与约束 9 车用儿童约束装置安全性研究 系统的接触方式和成年人与约束系统的接触方式不同，例如，碰撞中儿童易绕着 安全带的腰带部分或肩带部分转动。儿童的肋骨通常比成年人的肋骨柔韧，因此 儿童肋骨骨折现象比较少见，但儿童胸腔内部器官的损伤风险却因此增加n 引。 儿童的腹部与成年人的腹部相比较为凸起，因此，此区域将会分散一部分运 动能量，使得儿童可能同时遭受多个器官的损伤。对于腰带的定位起重要作用的 骨盆的髂脊直到儿童1 0 岁左右才发育成熟。因此，两点或三点式座椅安全带的腰 带部分容易导致儿童腹部损伤n7 培1 ，损伤的部位主要是皮肤、腹部实体及空体器 官、腰脊柱和骨盆。 人体在出生时四肢的骨骼大部分是软骨，随着年龄的增长逐渐骨化。儿童四 肢a i s 2 + 损伤主要是骨折。目前，很少有四肢损伤机理方面的研究。 在我国，目前对儿童保护方面的研究还处在起步阶段，即将颁布正式的技术 标准、法规，初步具备儿童约束装置正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞的试验能力。 中国汽车技术中心等n9 刎、江苏大学葛如海瞳“翻课题组、同济大学朱西产一4 1 课 题组、清华大学汽车安全与节能重点实验室陆1 、湖南大学等啪瑚1 对儿童约束系统国 内外的法规、标准以及约束系统性能仿真进行了研究，并对我国儿童约束系统的 发展提出了建议和措施。具体如下：清华大学罗萌等口妇进行了儿童约束系统动态 仿真研究及初步参数分析，李可瑞等2 1 对汽车儿童约束系统碰撞试验方法进行了 研究，周青教授对8 岁儿童碰撞假人有限元模型开发进行了研究；湖南大学杨济匡 教授课题组对儿童约束系统侧碰撞中的性能进行了仿真分析及多目标优化：同济 大学朱赞、苗强等对跨组别前向式儿童约束系统动态性能进行了仿真研究。 1 2 儿童约束系统评价体系 1 2 1 儿童乘员损伤评价准则 儿童乘员损伤评价准则就是建立儿童安全评估体系，主要指损伤评价指标和 耐受限制的确定方法，它是损伤流行病学的重要基础，主要用来区别和衡量事故 中人体损伤程度，也可以称为损伤尺度或指标。损伤尺度或指标可以从力学和生 理学的角度定义为生理学或解剖学意义上的使人体功能丧失或解剖结构损坏方面 的量，也可以定义为生理学和与之相关的社会学意义方面的量。与损伤尺度密切 相关的另一个量称为损伤标准，它通过一些物理参数或者其函数定义而成，这些 江苏大学高教硕士学位论文 参数常常反映了引起某一程度损伤发生的损伤力学因素。如身体某部分的线性加 速度或角加速度，作用于人体的合力或力矩，或者是这些力所引起的变形等。人 体或人体的某一部分对损伤载荷的承受能力称为耐受限度，它定义为导致某种类 型损伤发生或达到某种损伤标准阀值时的载荷大小，或者是由这种载荷换算出来 的量。儿童乘员的损伤就是利用损伤指标和耐受限值进行评价的。常用的指标有 头部h i c 值、持续或累积3 m s 头部合成加速度、颈部损伤指数n m 胸部加速度、胸部 肋骨压缩量等。 国际上通用的最严密且实用性高的解剖学上的损伤等级分类是采用简略损伤 等级a i s ( a b b r e v i a t e di n j u r ys c a l e ) 方法扭3 1 。以头部为例，其损伤等级与损 伤程度的对应关系如下： a i s l 级为轻微伤，如轻微大脑伤，没有失去意识，如：头疼、眩晕；轻微的 颈部伤害，如鞭抽式损伤( 由于头颈突然猛拧的一个动作，或者向前或者向右， 造成的对颈椎的损伤w h i p l a s hi n j u r y ) 、擦伤、挫伤； a i s 2 级为中等损伤，可能伴有颅骨骨折的脑震荡，失去意识少于1 5 分钟；角 膜轻微撕裂，视网膜脱落；面部或鼻骨骨折但没有移位，需要进行医药处理的损 伤： a i s 3 级为重伤，但没有生命危险，可能伴有颅骨骨折的脑震荡；失去意识虽 然超过1 5 分钟时，没有严重的神经损伤；在没有失去意识时，发生封闭、错位或 外加的颅骨骨折或其他的损伤存在；失去视觉；发生错位和( 或) 开放的面部骨 折，包括眼部、眉部、颈部骨折等，但没有脊柱的损伤； a i s 4 级为严重伤，有生命危险，存活可能性大；发生封闭、错位或外加的颅 骨骨折，伴有严重的神经损伤； a i s 5 级为危重伤，有死亡危险；具有或不具有颅骨骨折的脑震荡，失去意识 超过1 2 d , 时，颅骨内出血，和( 或) 危险的神经损伤； a i s 6 级为死亡，脑干的部分或全部损坏，或者上颈部由于压迫或折断、骨折 和( 或) 扭伤引起脊柱的损伤。 建立损伤指标与各个损伤等级的风险概率曲线，从而可以根据试验测得的损 伤指标数值，来判断其承受各种损伤等级的风险高低，为结构及约束系统设计提 供依据。 l l 车用儿童约束装置安全性研究 1 2 2 儿童约束系统法规比较 世界主要经济体国家都颁布了各自的碰撞法规，法规仅仅对车辆、部件提出 了最低安全要求，只有通过它才能够进入该国家的市场。为了鼓励汽车生产企业 进一步提高汽车、儿童约束装置的安全性能并为汽车消费者购车提供可靠的安全 信息，美国、欧盟、中国等都推出了各自的新车评价程序n c a p ( n c wc a r a s s e s s m e n t p r o g r a m ) ，它不隶属于任何汽车生产企业，具有客观、公平、公正和权威性。各国 的法规都通过限制由假人测得的伤害指标来设定对约束系统性能的要求。目前， 国际上儿童安全座椅的生产和检测标准主要有欧洲的e c e r 4 4 0 4 、美国的 f m v s s 2 1 3 、加拿大的c m v s s 2 1 3 、日本的j i s 等。其中以欧洲标准对汽车儿童安全座 椅的检测要求最为严格。美国和欧洲的法规是当今的两大体系，其它国家主要参 照这两个国家的法规来制定本国的法规。 1 欧洲e c e r 4 4 0 4 法规 美国联邦机动车安全标准第一组修正标准e c e r 4 4 0 1 开始于1 9 8 2 年1 1 月1 7 日， 第二组修正标准e c e r 4 4 0 2 开始于1 9 8 6 年4 月4 日，第三组修正标准e c e r 4 4 0 3 开始 于1 9 9 5 年9 月12 日，最近一次修正标准e c e r 4 4 0 4 开始于2 0 0 5 年6 月2 3 日。该标准适 用于能够安装在三轮或更多轮的机动车上的儿童约束系统，不能用于可折叠座椅 和侧向座椅。 儿童约束系统分为五个“质量组”： o 组用于体重小于l o k g 的儿童； o + 组用于体重小于1 3 k g 的儿童； i 组用于体重9 k g 至u1 8 k g 的儿童； i i 组用于体重1 5 k g 至u 2 5 k g 的儿童； i i i 组用于体重2 2 k g 至0 3 6 k g 的儿童。 按国际通用的固定装置( i s o f i x ) 设计的儿童约束系统，按照e c e 法规中的 规定被分为7 个尺寸类别，适用的质量组如表1 1 所示： a _ i s o f 3 ：全高度前向初学走路儿童用的儿童约束系统 b i s o f 2 ：折合高度前向初学走路儿童用的儿童约束系统 b 1 一i s o f 2 x ：折合高度前向初学走路儿童用的儿童约束系统 c i s o r 3 ：全高度后向初学走路儿童用的儿童约束系统 江苏大学高教硕士学位论文 d - i s o r 2 ：折合高度后向初学走路儿章用的儿章约束系统 e - i s o r 1 ：后向婴儿用的儿章约束系统 f i s o l 1 ：左侧向的儿童约束系统( 便携床) g - i s o l 2 ：右侧向的儿童约束系统( 便携床) 表1 1 质量组和i s o f i x 尺寸类别分组的对比 t a b l e1 1t h ec o n t r a s to fm a s sg r o u pa n di s o f i xs i z ec a t e g o r y 质量组i s o f i x 尺寸类别 f i s o l 1 0 组 g i s o l 2 0 l o k g e i s o r 1 ci s o r 3 0 + 组 d i s o r 2 0 1 3 k g e i s o r 1 a i s o f 3 bi s o f 2 i 组 b 1i s o f 2 x 9 k g 1 8 k g c i s o r 3 d i s o r 2 e c e r 4 4 0 4 对儿童约束系统的要求如下： 1 对约束系统总成的要求 ( 1 ) 抗腐蚀性。整个儿童约束总成或其易受腐蚀的零部件，都必须进行抗腐 蚀试验。试验之后，经过检测人员的肉眼检查，儿童约束装置上不能有任何可能 削弱其固有功能的损坏，以及明显的腐蚀现象。 ( 2 ) 吸能性。带靠背的儿童装置的内表面，包括材料，按照标准规定的试验 方法进行试验时，最大加速度不能超过6 0 9 。 ( 3 ) 翻转试验。儿童约束系统进行翻转试验；试验假人不能从装置中掉出来， 并且当试验座椅处于翻转的位置时，假人头部相对试验座椅来说，从原始位置发 生的垂直位移不能超过3 0 0 r a m 。 车用儿童约束装置安全性研究 ( 4 ) 动态试验。在动态试验期间，任何有助于保持儿童在乘坐位置上的约束 系统的部件都不能断裂，带扣、锁止系统或位移系统都不能发生脱扣现象。儿童 假人的胸部加速度，腹部穿透量，以及其移动量都不能超过规定的限值。 ( 5 ) 抗温度特性。带扣组件、卷收器、调节装置和锁止装置进行温度试验之 后，经检测人员肉眼检查，不得有明显的可能削弱儿童约束系统原有特性的任何 迹象。 2 适用于约束系统零部件的规定 ( 1 ) 带扣。带扣的设计要排除任何错误操作的可能性。释放带扣的面应涂成 红色，带扣的其它部分都不得是这个颜色。 ( 2 ) 调节装置。调节装置的调整范围应足够大，并且能够很好地安装在所有 指定的车型上。所有的调节装置都应是“快速调节 类型。此外，调节装置的调 节力、织带微滑移量、耐久性等也都有规定。 ( 3 ) 卷收器。分为自动锁止卷收器和紧急锁止卷收器。对两种卷收器的卷收 力、锁止性、抗腐蚀性、抗粉尘等性能都提出了相应规定。 ( 4 ) 织带。对织带的宽度、标准状态下及特殊条件下的强度都提出了具体要 求。 ( 5 ) 织带锁止装置。必须永远附在儿童约束装置上，且不能对成人安全带的 、7 。 、 耐久性造成损害。织带的滑移量不能超过2 5 r a m 。 ( 6 ) i s o f i x 附加装置。对其耐久性提出了规定。 2 美国f m v s s 2 1 3 法规 f m v s s 2 1 3 是关于汽车儿童约束系统和飞机儿童约束系统的标准。该标准适用 于客车、多功能载人车、卡车、公交车以及所有可以安装儿童约束系统的汽车和 飞机。经过修正后的f m v s s 2 1 3 标准于2 0 0 5 年1 月1 2 日开始实施。在f m v s s 2 1 3 中，对 儿童约束系统提出了规定，主要包括以下内容： 1 对约束带系统的要求 ( 1 ) 织带要求。对织带的耐磨强度、耐光强度、耐微生物强度以及织带宽度 提出了相应的要求。 ( 2 ) 带扣及调节件硬度要求。对抗盐雾性能、带扣开启力以及带扣开启面积 提出了相应的规定。 1 4 江苏大学高教硕士学位论文 2 对动态性能的要求 ( 1 ) 动态试验后，应保证儿童约束系统的完整性。 ( 2 ) 假人伤害值不得小于规定值。 ( 3 ) 假人移动量不得超过规定范围。 ( 4 ) 动态试验后，靠背支撑角与垂直面交角不得超过7 0 。( 对后向安装的儿 童约束座椅) 。 3 欧洲新车评价程序儿童安全评估方法( e u r o n c a pc h i l ds a f e t y a s s e s s m e n t ) 欧洲新车评价程序在儿章安全评价项目总分为4 9 分，儿童座椅动态测试2 4 分，儿童座椅本体评价1 2 分，车辆本体评价1 3 分。 根据得分的多少，划分为5 个星级，5 星级别代表最高安全性能，其区间划分 方法如下： 5 星 7 5 * 4 9 分 4 星 6 0 * 4 9 分 3 星 3 0 * 4 9 分 2 星 2 5 * 4 9 分 1 星 儿童从儿章座椅中被抛出或部分抛出； 儿童座椅全部或部分失去与车辆固定装置的约束，儿章座椅与车辆固定装 置主要指i s o f i x 两个下锚点、上拉带锚点，或者任何其它抗翻转限制装 置，如下支撑腿等，以及车辆座椅安全带系统等装置。 儿童座椅内儿童假人头部与车辆任何部件发生碰撞，则该假人的头部、颈 部性能得分为零。 在动态试验过程中，不出现上述情况时，儿章假人各个部位的评分如表1 2 所 示：两个假人各自得分满分均为1 2 ，以p 3 假人为例，其得分计算如下：正面碰撞 前向式与后向式头部得分最小值+ 正面碰撞前向式与后巷式胸部得分最小值+ 侧面 碰撞头部得分值。 车用儿童约束装置安全性研究 表1 2 儿童座椅动态测试评分方法 碰撞假人 c r s分 低性能高性能i 性能要求 类型类型 朝向数限制限制 持续3 m s 合成加速度 8 8 97 2 9 前 头部 5 5 0 m m 5 4 9 m m 位移量 向 持续3 m s 合成加速度 麟 5 5 94 1 9 式 胸部 持续3 m s 垂直加速度3 0 92 3 9 p 3 8 8 9 持续3 m s 合成加速度 7 2 9 后 头部 超出 不超出 暴露范围 向 5 5 9 4 1 9持续3 m s 合成加速度 霞2 3 9 式 胸部 持续3 m s 垂直加速度 3 0 9 正面 碰撞 8 8 9 持续7 2 9 合成加速度 头部 2 5 5 0 r a m5 4 9 m m 日u 位移量 向 持续3 m s 合成加速度 5 5 94 1 9 胸部 式 4 持续3 m s 垂直加速度 3 0 9 2 3 9 p 1 5 7 2 9 持续3 m s 合成加速度 8 8 9 头部 2 不超出 后 暴露范围超出 颈部持续3 m s 头部垂直加速度 2 4 0 9 2 0 9 式 持续3 m s 合成加速度 5 5 94 1 9 胸部 4 持续3 m s 垂直加速度 3 0 92 3 9 侧面p1889 头部 持续7 2 9 合成加速度 4 头部持续3 m s 合成