（机械工程专业论文）正面碰撞中儿童约束系统正确应用及误用的仿真研究.pdf

t h es i m u l a t i o ns t u d yo nc o r r e c tu s ea n dm i s u s eo fc h i l d s y s t e mi nv e h i c l ef r o n t a li m p a c t b y q ix i a n g c u i b e ( s h a n d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n g j i k u a n g m a y ，2 0 11 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 示伺翠 日期：沙i1 年歹月够b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 示甸翠日期：劲f 1 年歹月易日 翩躲玄嘲磅隰刎哆日 正面碰撞中儿童约束系统正确应用及误用的仿真研究 摘要 在我国，私人汽车保有量正在飞速增长，但是这并未增加公众对儿童乘车安 全的关注。主要原因是由于我国对儿童乘员安全保护方面的研究起步较晚，社会 宣传不足，汽车儿童安全座椅的概念非常薄弱，国家也还未发布儿童乘车安全方 面的行业标准。自从上世纪7 0 年代开始，欧美等发达国家就开始了对保护儿童乘 车安全课题的各项研究，很多国家都制定了相当严格的法律、法规、行业准则对 其生产和使用进行指导和规范。所以借鉴欧美发达国家的研究成果和成熟经验， 提高国内研究水平，对我国儿童乘员约束系统的研究具有重要意义。 除儿童座椅本身能对儿童提供适当的保护之外，儿童座椅能否正确，稳固的 安装在汽车座椅上，更是儿童座椅安全性的重点。本文主要对市场上常见的几种 儿童座椅固定装置进行了仿真分析及评价：首先，基于e c er 4 4 正面碰撞台车试 验，建立了3 岁儿童约束系统的仿真模型，对比仿真与试验结果，验证了该仿真 模型的有效性。在此基础上建立了儿童座椅六种安装方案的计算机仿真模型：( 1 ) 三点式安全带安装儿童座椅，无顶部栓带；( 2 ) l a t c h 安装儿童座椅，无顶部 栓带；( 3 ) i s o f i x 安装儿童座椅，无顶部栓带；( 4 ) 三点式安全带安装儿童座 椅，有顶部栓带；( 5 ) l a t c h 安装儿童座椅，有项部栓带；( 6 ) i s o f i x 安装 儿童座椅，有项部栓带。通过对比6 种情况下儿童假人的运动学和动力学响应来 分析不同固定装置对儿童乘员损伤的影响；其次，建立了几种误用仿真模型，分 析了不同固定方式的误用风险；最后，对儿童座椅后向安装时的三种固定方式进 行分析评价，进一步了解固定装置的影响作用。 研究结果表明，三点式安全带安装的儿童座椅，有顶部栓带的情况下，儿童 损伤风险最低；l a t c h 安装的儿童座椅，没有顶部栓带时，儿童的损失风险最高， 有顶部栓带时，对儿童安全具有较好的保护作用；i s o f i x 安装的儿童座椅，儿童 头部的前向移动量最小，没有顶部栓带时，儿童头部加速度最低，相对于其他两 种固定方式，具有较好的保护效果，但是在有顶部栓带时，儿童乘员的损伤风险 增高。i s o f i x 的固定方式比其他两种方式的误使用率更低，成人安全带和l a t c h 装置的松弛对儿童乘员的损伤影响很大。从本文看出，对于柔性连接，顶部栓带 对减少儿童损伤具有很大作用；综合考虑误用几率和对儿童损伤影响，i s o f i x 具 有很大的优越性。 关键词：c r s 固定系统；成人安全带；l a t c h ；i s o f i x ：损伤风险分析 硕士学位论文 a b s t r a c t i nc h i n a , t h en u m b e ro fp r i v a t ec a r si sr a p i d l yg r o w i n g ，b u ti td o e sn o ti n c r e a s ep u b l i c a t t e n t i o nt oc h i l ds a f e t y t h i si sm a i n l yd u et ot h a tt h er e s e a r c ho ns a f e t yp r o t e c t i o nf o r c h i l do c c u p a n ti sn o tw i d e l yc a r r i e do u t t h es a f e t ys t a n d a r df o rc h i l do c c u p a n ts a f e t yh a s n o tb e e ne s t a b l i s h e d s i n c et h e7 0 s ，e u r o p ea n do t h e rd e v e l o p e dc o u n t r i e sb e g a nt or e s e a r c h p r o t e c t i o no ft h ec h i l dr e s t r a i n t s ；m o s td e v e l o p e dc o u n t r i e sh a v eb u i l ts t r i c tr e g u l a t i o n sa n d i n d u s t r yg u i d e l i n e sf o rt h e i rp r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，l e a r nm a t u r ee x p e r i e n c ef r o md e v e l o p e d c o u n t r i e sa n di m p r o v et h el e v e lo fd o m e s t i cr e s e a r c ho nc h i l dr e s t r a i n ts y s t e mi so fg r e a t s i g n i f i c a n c e i na d d i t i o nt ot h ec h i l ds e a ti t s e l fc a np r o v i d ea d e q u a t ep r o t e c t i o nf o rc h i l d r e n , w h e t h e r t h ec h i l ds e a tc a nc o r r e c t l ya n ds t a b l yb ei n s t a l l e di nt h ec a rs e a ti st h ek e yo ft h ec h i l ds a f e t y i nt h i sp a p e r , s e v e r a lc o m m o nc h i l ds e a tf i x t u r e so nt h em a r k e ta r es i m u l a t e d f o ra n a l y s i sa n d e v a l u a t i o n ：f i r s t l y , b a s e do nt h ee c er 4 4f r o n t a li m p a c ts l e dt e s t ，ac h i l dr e s t r a i n ts y s t e m s i m u l a t i o nm o d e lo f3 - y e a r - o l dd u m m yw a se s t a b l i s h e da n dt h em o d e lw a sv a l i d a t e db yt e s t r e s u l t s o nt h i sb a s i s ，s i xc o m p u t e rs i m u l a t i o nm o d e l so fc h i l ds e a ti n s t a l l a t i o nw e r eb u i l t ：( 1 ) u s et h r e e p o i n ts e a tb e l t st oi n s t a l lc h i l ds e a t ，w i t h o u tt o pt e t h e r ；( 2 ) u s el a t c ht oi n s t a l l c h i l ds e a t ，w i t h o u tt o pt e t h e r ；( 3 ) u s ei s o f i xt oi n s t a l lc h i l ds e a t ，w i t h o u tt o pt e t h e r ；( 4 ) u s e t h r e e - p o ns e a tb e l t st oi n s t a l lc h i l ds e a t ，w i t ht o pt e t h e r ；( 5 ) u s el a t c h t oi n s t a l lc h i l ds e a t ， 谢m t o pt e t h e r ；( 6 ) u s ei s o f i x t oi n s t a l lc h i l ds e a t , 诹t l lt o pt e t h e r c o m p a r i n gt h ek i n e m a t i c s a n dd y n a m i cr e s p o n s e so ft h ed u m m yt oa n a l y z et h e e f f e c to ft h ed i f f e r e n tf i x t u r e st o c h i l d r e n si n j u r y ；s e c o n d l y , n i n em o d e l si nt h ec o n d i t i o no fm i s u s ew e r eb u i l tf o re v a l u a t i n g t h em i s u s er i s ko ft h ed i f f e r e n ti n s t a l l a t i o n ；f i n a l l y , t h ei n s t a l l a t i o no fc h i l ds e a tc o n t i n u e dt o b ea n a l y z e dw h e nt h ec h i l ds e a t sw e r ei n s t a l l e dt o w a r dr e a r t o f u r t h e ru n d e r s t a n dt h e i n f l u e n c eo ff i x e di n s t a l l a t i o n st oc h i l d r e n si n j u r y t h er e s u l t ss h o w e ds e a t su s i n gl a t c ha n da d u l t s s e a t b e l tw i t ht o pt e t h e rh a ds i m i l a r p r o t e c t i o ne f f e c to nc h i l d r e n i nt h ec a s eo fs e a tu s i n gl a t c hw i t h o u tt o pt e t h e rt h ei n j u r y r i s kw a sh i g h e s t t h es e a t su s i n gr i g i di s o f i xa n c h o r a g e sg e n e r a l l yp r o d u c e dl o w e rf o r w a r d h e a dm o v e m e n t ；t h eh e a dr e s u l t a n ta c c e l e r a t i o nw a sl o w e rt h a no t h e ra n c h o r a g et y p e s ，t h e i n j u r yr i s ka p p r e c i a b l yi n c r e a s e di nt h ec o n d i t i o n 、析n lt o pt e t h e rt h a nw i t h o u tt o pt e t h e r t h e m i s u s er a t eo fi s o f i xw a sl o w e s t f o rt h ef l e x i b l ec o n n e c t i o n ，t h et o pt e t h e rh a dg r e a te f f e c t o nt h ep r o t e c t i o no fc h i l ds e a t s c o n s i d e r i n gm i s u s er a t ea n dt h ep r o t e c t i o nf o rc h i l d r e n ， i s o f i xp e r f o r m e db e t t e r k e yw o r d s ：c r sa n c h o r a g es y s t e m ；s e a t b e l t ；l a t c h ；i s o f i x ；i n j u r ya n a l y s i s 正面碰撞中儿童约束系统正确应用及误用的仿真研究 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 研究的背景及意义1 1 2 本文研究的目的和内容3 第2 章儿童乘员乘车安全研究4 2 1 儿童乘员损伤机理4 2 2 儿童约束系统5 2 2 1 儿童约束系统组成及分类5 2 2 2 儿童约束系统法规标准9 2 3 儿童约束系统固定装置一l l 2 3 1 安全带固定方式1 1 2 3 2 美国标准的l a t c h 固定方式1 2 2 3 3 欧洲标准的i s o f i x 固定方式1 4 2 4 儿童约束系统误用讨论1 7 2 5 儿童约束固定装置国内外研究现状1 9 2 6 本章小结2 0 第3 章仿真模型的建立及验证2 l 3 1 汽车碰撞仿真理论2 l 3 1 1 有限元法2 1 3 1 2 多刚体理论2 2 3 2 仿真模型的建立2 4 3 2 1 台车座椅模型2 4 3 2 2 儿童座椅模型2 5 3 2 3 假人模型2 5 3 2 4 儿童安全带模型2 8 3 2 5 成人安全带模型2 9 3 3 仿真模型的验证3 0 3 4 本章小结3l 第4 章前向儿童约束系统固定方式的损伤分析3 2 硕卜学位论文 4 1 儿童座椅固定方式仿真模型的建立3 2 4 1 1l a t c h 系统3 2 4 1 2i s o f i x 系统3 3 4 2 儿童座椅固定方式仿真分析方案3 3 4 3 儿童乘员损伤参数选择3 4 4 4 仿真结果对比分析3 5 4 4 1 儿童乘员运动学响应结果分析3 5 4 4 2 儿童乘员动力学响应结果分析3 7 4 5c r s 误用情况分析41 4 5 1 儿童约束系统的误用。4 l 4 5 2 仿真结果分析4 2 4 6 本章小结4 4 第5 章后向式儿童约束系统固定方式的损伤分析一4 5 5 1 仿真模型的建立4 5 5 2 仿真分析4 6 5 2 1 运动学响应结果对比分析4 6 5 2 2 动力学响应结果对比分析4 8 5 3 本章小结4 9 结论与展望5 0 参考文献5 2 致谢5 6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 7 v 硕士学位论文 1 1 研究的背景及意义 第1 章绪论 2 0 0 9 年我国汽车产销量超过1 3 5 0 万辆大关，取代美国首次成为全球最大的汽 车消费市场【l 】，汽车已经走进越来越多的家庭中。汽车带给我们更多便捷的同时， 各种因素造成的交通事故也频频发生，据公安部交通管理局数据统计，2 0 0 9 年， 全国共发生道路交通事故2 3 8 3 5 1 起，造成6 7 7 5 9 人死亡、2 7 5 1 2 5 人受伤，直接财产 损失9 1 亿元【2 】。因此人们开始更多的关注安全这一话题。 随着汽车在家庭中的普及，儿童乘车的机会越来越多，乘车时，家长习惯把 孩子抱在怀中或者让孩子坐在自己腿上，或者让孩子坐在副驾驶位置上，或者给 身材矮小的孩子系上成人用的安全带，这都有可能给孩子带来致命伤害。儿童的 身体结构和特性与成年人差异很大，对于身体承受能力更弱的儿童，特别是婴儿， 要求束缚住的是身体的更多部分，所以儿童乘车时，需要使用专门的安全装置。 自从上世纪7 0 年代开始，欧美等发达国家就开始了对保护儿童乘车安全课题 的各项研究，开发出适用不同年龄段儿童的约束系统，在儿童约束系统( c h i l d r e s t r a i n ts y s t e m ，简称c r s ) 试验研究与计算机仿真方面做了大量卓有成效的工 作。 据介绍，汽车使用儿童专用的安全装置可有效地将儿童受伤害的几率降低7 0 左右，伤亡的比例从1 1 5 减少至3 5 3 1 ，很多国家都制定了相当严格的法律、法 规对其生产和使用进行指导和规范。1 9 2 5 年成立的德国机动车监督协会专门有对 厂家生产的儿童安全座椅进行安全性能的碰撞测试项目。在德国，儿童安全座椅 除了要通过国家检测机构的强制检测外，还要受到一些民间检测机构：如全德汽 车俱乐部( 简称a d a c ) 的监督，。他们会站在消费者的角度对市场上的儿童安全座 椅进行抽检，采用的碰撞标准比国家强制性检测标准还要高，最重要的是，这些 检测机构会定期在媒体上公布他们的检测结果，给消费者以实际的消费指导。美 国各州法律对4 岁以上儿童乘车安全的规定日趋严格。除了纽约市和纽约州的法律 仅规定4 岁以下的儿童才需要安全座椅外，目前全美2 2 个州以及华盛顿特区都针对 4 岁以上儿童通过了儿童增高型座椅的相关法案，将安全座椅规范年龄的上限从4 岁提高到6 9 岁。在从严立法的州，凡载有4 9 岁儿童的家长，如果驾驶汽车时， 车内没有儿童增高型安全座椅，即使儿童系了安全带，各州警察仍可按规定视驾 驶人员违规，罚款2 5 美元n 5 0 0 美元不等。瑞典在1 9 8 2 年就开始制订法规，要求7 岁以下儿童乘车时，车上应备有保护儿童安全的装置。到目前为止，这种安全装 置的使用率已上升到9 5 。澳大利亚在1 9 8 5 年就正式立法，规定儿童乘车必须使用 年龄段儿童乘员的伤亡风险高于9 1 5 岁年龄段儿童乘员，0 8 岁年龄段的伤亡儿 童占c i r e n 伤亡儿童总数的比率超过了6 0 。从中可以看出，正面碰撞中婴幼儿 儿童的保护依旧是个重点。 c r s 在汽车碰撞或紧急刹车时，能够约束儿童身体的移动，防止儿童被抛出 车外或与车内硬物发生二次碰撞，吸收和缓冲减速力的作用，减少儿童的伤亡风 险。根据n h t s a ( n a t i o n a lh i g h w a yt r a m cs a f e t ya d m i n i s t r a t i o n ) 2 0 0 3 年的调查： 正确使用c r s 能够使交通事故中l 岁以下儿童的死亡率减少7 1 ，1 4 岁之间儿 童的死亡率减少5 4 t 6 1 。与直接使用成人安全带相比，4 7 岁的适龄儿童使用增高 座椅能降低事故中5 9 的受伤风险【_ 7 1 。c r s 的防护效果与事故严重程度、车内位 置、座椅本体结构、是否正确安装等有关。目前，市场上主要有3 种比较常见的 儿童座椅固定方式：成人安全带，l a t c h 系统和i s o f i x 系统。l a t c h 和i s o f i x 是欧美等国制定的儿童座椅在车上的固定方式标准，其目的是增加座椅安装时的 便利性，使安全座椅的安装更加容易，但是它们对儿童座椅安全性的影响还有待 研究。据了解，目前只有广汽丰田、上海通用别克、上海大众、一汽大众、雪佛 兰、上海大众斯柯达、长安马自达、东风标致、一汽丰田等部分品牌的车型上配 备了儿童安全座椅固定装置，而国内市场很多热销车型中，专门配备儿童安全座 椅固定装置的车型为数不多，本土自主品牌更是几乎没有 s l 。 据调查，在北京、上海、成都、天津等几个私家车保有量较大的城市中，儿 2 硕士学位论文 童约束系统的平均使用率仅5 左右，正确使用率不超过2 i 9 1 。在这样的背景下， 急需制定我国的儿童乘车安全的法规标准，积极开展儿童乘车安全方面的研究。 因此，充分了解c r s 在国外的使用和误用情况，消化吸收、借鉴其成功经验，应 用于我国的c r s 研究和开发工作，结合我国儿童的特点和乘车的实际，研究儿童 安全座椅在正面碰撞中的运动学和动力学响应，对提高儿童座椅的安全性能和儿 童乘员的安全防护具有一定的现实意义。 1 2 本文研究的目的和内容 本文采用计算机仿真的方法评估了儿童乘员在正面碰撞中，儿童座椅不同固 定方式下的损伤风险，主要研究内容如下： 1 汽车碰撞中儿童乘员乘车安全的文献研究。总结了儿童的生物损伤机理及 损伤评价标准，总结了车内儿童乘员安全性的研究现状，重点分析儿童约束系统 固定装置的法规标准及儿童约束系统的误用类型。 2 用多刚体的方法建立了基于e c er 4 4 的前向式儿童座椅正面碰撞台车试 验仿真模型，座椅采用三点式安全带约束，整个仿真模型的有效性通过试验进行 了验证。在此模型基础上依据美标f m v s s 2 2 5 及欧标e c er 1 4 中对固定装置的规 定建立l a t c h 及i s o f i x 的仿真，以此对儿童座椅在不同固定方式下，儿童乘员 的损伤风险做出初步的评价，同时文章进一步对不同固定方式下几种常见的误用 类型进行了分析讨论。 3 研究分析后向式儿童座椅在不同固定装置下，儿童乘员的运动学及动力学 响应情况。 3 图2 1 儿童与成人的头、面部比例i 旧 l i l 2 ) 胸腔胸腔内的主要器官是肺和心脏，儿童心脏在其胸腔内占有的比例大 于成年人心脏在其胸腔内占有的比例【1 4 1 。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，因此儿童肋骨骨折比较少见，但儿童胸腔内 4 硕士学位论文 部器官的损伤风险却因此增加【i 引。 3 ) 腹部儿童的腹部与成年人的腹部相比较为凸起，肝、脾等重要器官位于 腹腔内，对儿童而言，一部分运动能量将分散在质量较小且较为凸起的腹部区域， 因此儿童将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【1 3 l 。由于两点式或三点式座椅带的腰带部分导 致的儿童腹部损伤的一个经典损伤模式叫做“座椅带症状 【1 5 】。儿童“座椅带症状” 的典型损伤部位是皮肤、腹部实体及空体器官、腰脊柱和骨盆。“座椅带症状”的 发生是相当有害的，座椅带的几何形状和座椅的外形设计都可能影响n ) l 童腹部、 骨盆和腰脊柱的损伤风险i l6 1 。 4 ) 四肢儿童四肢比较柔软，在弯矩的作用下易发生弯曲变形，骨折前可吸 收较多能量，儿童的骨膜比成人厚。与成人相比，开放性骨折发生概率低，容易 发生非骨折侧不分离的不完全骨折，即旁弯骨折。 2 2 儿童约束系统 轿车用现代儿童安全配备的开发始于2 0 世纪6 0 年代中期。第一把逆向儿童 安全座椅是在1 9 6 3 年由瑞典教授伯蒂尔奥尔德曼设计出来的。他的灵感来自美 国“吉米尼 号航天器上的宇航员座椅。宇航员在飞船上的仰卧姿势同加速度的 力量在方向上正好相反，这样可使他们尽量地承受住飞船起飞时的巨大力量，当 轿车受到正面撞击时，这个原因同样有利于保护儿童。调查表明，对于坐在逆向 座椅上的儿童来说，他们遭受严重或致命伤害的概率可整整降低9 0 ( 相比于坐 在毫无保护设施的车中而言) 1 1 7 j 。 继第一种儿童安全座椅后，v o l v o 又开发出了许多新产品，包括可与标准安全 带配套的安全坐垫，增加独立靠背的安全坐垫。1 9 9 0 年，组合式儿童安全座椅诞 生，现在这种座椅作为标准配备或选择配备安装在所有v o l v o 系列的轿车上。 2 2 1 儿童约束系统组成及分类 所谓“儿童乘员约束系统是指带有保护带扣的织带或相应柔软的部件、调 节装置、连接装置、以及辅助装置( 例如手提式婴儿床、婴儿携带装置、辅助座 椅和碰撞防护) ，且能将其稳固放置在机动车上的装置【l 引。 2 2 1 1 儿童约束系统的组成 儿童乘员约束系统由儿童安全座椅或坐垫、约束带系统和固定装置三部分组 成。 儿章安全座椅是为儿章乘员专门设计的座椅，将儿童座椅安装在汽车座椅上， 可为儿童乘员提供安全的乘坐空间。汽车碰撞过程中，儿童座椅的结构能够有效 5 适用范围为体重为0 15 k g ，年龄在0 - l8 个月的婴儿。安全提篮可分为分离式和整体 式两种，如图2 3 所示。分离式安全提篮本身不具有固定装置，它通过一个底盘固 定在汽车座椅上；整体式的安全提篮则可以直接与汽车座椅固定在一起。因为婴 儿头部占身体比例较大，很容易受到伤害，安全提篮在婴儿头部周围设计了弹性 6 硕七学位论文 面状结构，起到固定婴儿头部，缓解冲击力的作用，预防婴儿头部在紧急制动情 况下受伤。由于婴儿身体各部位还未发育完全，还比较脆弱，所以在安装安全提 篮时要将提篮的方向朝后安装，如图2 3c ) 所示，这样着力面大，受力分散，当 发生紧急制动时，婴儿身体各部位不会受太大伤害。 a ) 整体式 b ) 分离式c ) 后向安装 图2 3 安全提篮 幼儿型儿童安全座椅【2 2 1 适用范围是体重9 1 8 k g ，年龄在9 个月至4 周岁的幼儿。 由于每个儿童身材发育速度不同，家长在考虑为儿童更换下一个年龄段儿童安全 座椅时，可通过观察儿童坐在安全座椅里的头部高度是否超出座椅顶部的保护范 图2 4 幼儿型儿童安全座椅 围，并且参考年龄超过3 周岁以上。通常情况下，家长可以选择将儿童安全座椅安 装在后排位置，后向安装会更加安全。幼儿型儿童安全座椅在安装方向上，还是 尽量保持后向安装，尽量避免将儿童安全座椅安装在副驾驶位置上。但是在某些 7 安全坐垫的靠背可以根据儿童需要拆卸、调节。由于儿童安全坐垫利用车用成人 安全带束缚儿童身体及儿童座椅，所以在选择儿童坐垫时，要确保儿童的身高达 到使用安全坐垫的范围，避免成人安全带束缚在儿童胸部以上，从而造成碰撞时， 安全带勒住儿童颈部的伤害。对于既可以使用安全坐垫又可使用学童型儿章座椅 的儿童来说，要具体依据儿童身高判断，尽量使用学童型儿童安全座椅。 8 硕上学位论文 图2 6 儿重安全坐垫 2 2 2 儿童约束系统法规标准 儿童约束系统的性能和质量，直接关系到其对儿童乘员的保护作用。许多国 家，例如美国、德国、澳大利亚、英国、瑞典、加拿大等都已对儿童约束系统制 定了强制的检测标准。其中欧洲的法规主要是e c e r 4 4 、美国法规为f m v s s2 1 3 ， 欧洲和美国的法规是当今的两大体系，我国的儿童约束系统方面的法规主要依照 欧洲法规制定。本节主要介绍欧美的儿童约束系统方面的法规【l 引。 1 欧洲的e c e r 4 4 法规 e c e r 4 4 对儿童约束系统的要求主要从约束系统总成、约束带系统及假人损 伤评价标准3 方面展开： ( 1 ) 对约束系统总成的要求 主要包括盐雾试验、能量吸收性、滚翻试验、动态试验和耐温度性试验五部 分内容。约束系统总成在抗腐蚀试验后，不能有较大的腐蚀现象或削弱c r s 固有特 性的迹象发生。利用模拟头型坠落冲击c r s 靠背内表面的方法，测试靠背内表面的 吸能性，头型加速度6 0 0 m s 2 。翻转试验时，试验假人不应从试验装置中掉出， 当试验座椅处于颠倒的位置，假人头部从它的原始位置沿相对垂直于座椅的方向 移动的位移不超过3 0 0 r a m 。儿童约束系统进行动态试验时，测量的参数不得超过 规定限值。带扣装配、卷收器、调整装置和锁止装置在进行温度试验之后，不应 造成损坏或有可能削弱儿童约束系统固有特性的迹象。 ( 2 ) 约束带系统要求 约束带系统由带扣、调节装置、卷收器、织带和锁止机构组成，法规对每部分如带 扣颜色、带扣尺寸、带扣开启力、带扣耐久性、带扣强度，调节装置的调节力、微滑移 量、耐久性，卷收器的卷收力、紧急锁止性、耐久性能，织带宽度和强度，锁止机构的。 微滑移量都做了相应的要求。 9 正面碰掩中儿童约束系统正确戍用及误用的仿真研究 ( 3 ) 儿童假人损伤评价标准 对所有按照e c e r 4 4 法规中的要求进行的测试中的儿童假人( 新生的婴儿除 外) 均采用如下标准： 持续时间超过3 m s 胸部的合成加速度的值小于等于5 5 9 ； 持续时间超过3 m s 胸部的垂直加速度的值小于等于3 0 9 ； 在对儿童假人腹部贯穿力进行验证时，约束装置的任何部分都不能穿透粘土 人体模型的腹部； 对于前向儿童约束系统，正面碰撞时假人头部向前移动的最大位移不得超过 5 5 0 m m 。 2 美国f m v s s2 1 3 法规2 5 1 f m v s s2 1 3 法规对儿童约束系统提出的规定，主要包括以下内容： ( 1 ) 对动态性能的要求 动态试验后，应保证儿童约束系统的完整性。如其承载件不得出现完全脱离， 结构件不得出现较大裂纹和突起；假人伤害值，如头部h i c 值、胸部加速度不得大 于规定值；假人移动量不得超过规定范围。 ( 2 ) 对儿童施加载荷分布的要求。该要求主要对儿童约束系统中儿童头部支 撑面、躯干支撑面的材料、尺寸以及结构等方面提出了相应的规定。 ( 3 ) 对约束带系统的要求 主要是对织带的耐磨强度、耐光强度、耐微生物强度、织带宽度，带扣及调 节件硬度、抗盐雾性能、带扣开启力以及带扣开启面积等方面提出了相应的规定。 ( 4 ) 儿童乘员损伤评价标准 对所有按照f m v s s2 1 3 法规中的要求进行的测试中的儿童假人( 体重不超过 1 0 k g 的儿童除外) 均采用以下标准。 持续时间超过3 m s 的头部合成加速度的值不超过8 0 9 ； h i c 3 6 不超过1 0 0 0 ； 持续时间超过3 m s 的胸部合成加速度的值不超过6 0 9 ； 颈部轴向力的耐受极限为2 0 k n ； 颈部弯矩的耐受极限为2 0 n m 。 头部损伤耐受限度的计算公式h i c ( h e a di n j u r yc r i t e r i o n ) 如下所示： 册吡卅b 防卜邪 亿， 式中：r 一，。，s t e 期间，头部质心处的合成线性加速度( g ) ，i ，一碰撞起始时间( s ) 岛一碰撞终止时间( s ) l o 硕士学位论文 t j 、幻一使h i c 达到最大值的时间段的起始和终止时间( s ) h i c 的局限在于它仅考虑了头部的线性加速度而且只在硬接触发生时有效。 2 3 儿童约束系统固定装置 早期的儿童约束系统仅由一些钢管结构组成，简单的钩挂在汽车座椅靠背上， 如图2 7 所示。经过不断的发展，如今的儿童约束系统在结构和约束方式等方面已 经取得了显著的提高。 t i t 2 7 早期座椅原型【2 6 】 2 3 1 安全带固定方式 这种固定方式是使用汽车上的安全带，因此可用于世界上任何一个有安全带 配置车型，在国内销售的很多儿童安全座椅都只是支持这种固定方式，一般儿童 座椅上会标记成人安全带的缠绕路径，安全带的固定方式如图2 8 所示。 图2 8 成人安全带安装的儿童约束系统 但是，因为汽车安全带本来的目的并不是用来固定儿童安全座椅的，安全带 的形式、扣合方式也各不相同，安装儿童座椅时经常要先搞清楚其车上的安全带 应该用哪种方式固定儿童安全座椅，需不需要什么特别的技巧或工具，所以成人 安全带的安装方法比较复杂，容易出现安装不合适的现象。根据美国一项调查数 每一个汽车上的顶部栓带固定点必须位于法规要求的模板阴影区域内，区域 以“h 点为参考点设定。 2 下部固定点的设计及定位 下部固定点为两个横截面直径为( 6 0 1 ) m m 的水平刚性杆件组成，杆件长 1 2 硕士学位论文 度不小于2 5 r a m 且不大于5 0 m m ，如图2 1 0 所示。杆件刚性连接在车辆上，固定点受 到任何方向的1 0 0 n 的力，其变形不得超过5 r a m 。 图2 1 0 下部固定点 使用儿童约束固定模块c r f ( c h i l dr e s t r a i n tf i x t u r e ) 确定下固定的位置。当 c r f 利用下固定接口固定在汽车座椅上时，其底部相对于车辆的参考平面的角度应 包含在下列范围内：斜度1 5 。1 0 。，侧翻角0 。5 。，侧滑角0 。1 0 。 3 顶部栓带固定点强度 法规定义了一种试验装置s f a d ( s t a t i cf o r c e a p p l i c a t i o nd e v i c e ) 来验证固定 装置及其相关汽车座椅结构的强度。装置分为两种，s f a d l 适用于未配备下固定 点，使用成人安全带安装的座椅，s f a d 2 适用于配备了儿童约束下固定点的座椅。 两种装置如图2 1 1 和2 1 2 所示。将试验装置安装在车辆座椅上，装置方向与车辆纵 向中心线平行。首先在x 点处沿与水平线往上成1 0 。5 。的方向上施) j i l 5 0 0 n 的预 载荷，然后载荷在2 4 s 3 0 s 的时间内逐步线性的增加到1 5 0 0 0 n ，并保持1 s 的时间。 图2 1 1s f a d i 试验装置图2 1 2s f a d 2 试验装置 4 下部固定点的强度 ( 1 ) 前向力试验将s f a d 2 安装在车辆座椅的两个下固定点上，不连接顶部 栓带，在装置下部框架上施加一个1 3 5 1 5 n 的朝后力，使装置紧靠在车辆座椅上， 消除不必要的松弛和预紧。在s f a d 2 的x 点处施) j i l 5 0 0 n 的预载荷，将载荷在2 4 3 0 s 1 3 2 3 3 1 欧洲e c er 1 4 法规 图2 1 3i s o f l x 装置 欧洲经济委员会对于i s o f i x 没有单独的标准要求，只是把i s o f i x 的要求加在 安全带固定点e c er 1 4 1 2 9 1 中，同时欧盟对于i s o f i x 也没有强制性要求。 1 i s o f i x 下固定点系统 硕士学位论文 ( 1 ) i s o f i x 固定系统应为横截直径为6 m m + o 1 m m 的水平刚性杆件，并穿 过两个最小有效长度为2 5 m m ，且位于图2 1 4 所示的相同轴线上的两个区域。 2 5 n 2 5 加n 图2 1 4 两个下固定点之间的距离 ( 2 ) 安装在车辆乘坐位置的i s o f i x 固定系统应位于设计h 点后，且距离不 少于1 2 0 m m 。( 应水平测量且直到杆件的中心) 。 ( 3 ) 每个国际通用儿童约束系统固定装置下固定杆件或导向装置被看见时， 有一条直线与水平面成3 0 。角，该直线位于通过杆件或导向装置中点的纵向垂直 面。 2 i s o f i x 上栓带固定点系统 当固定装置位置不位于车辆座椅上时，采用下述方法确定上拉带固定点的位 置： l 气 lz 黝y ll - l ，- ：蚴喝 图中：1 固定模块的水平表面 3 与座椅靠背顶部相切的水平线 5 织带参考点 7 上栓带织带 2 固定模块的后部表面 4 2 与3 交点 6 固定模块的中心线 8 固定点区域 图2 1 5 利用固定模块确定上拉带固定点 1 5 正面碰撞中儿童约束系统正确应用及误用的仿真研究 上拉带固定点区域根据固定模块而确定，将固定模块位于配备有通用固定装 置下固定点的位置。上拉带固定点位于固定模块尾部表面的后面。 固定模块尾部表面与包含座椅靠背顶部最后刚性点的水平直线的交点确定位 于固定模块中心线上的参考点4 ( 图2 1 5 所示) 。在此参考点，与水平直线最大角 度成4 5 。而确定上拉带固定点区域的上限。在参考点4 ，俯视时向后、向侧面延 伸的最大为9 0 。的角与后视时最大角度为4 0 。的角而形成两个区域为上拉带固定 点区域。 上拉带织带的起点位于固定模块水平表面上方5 5 0 m m 的平面与固定模块中心 线的交点处。 当织带从座椅靠背到上拉带固定点拉紧时，沿着织带测量，从固定模块尾部 表面的织带起点到上拉带固定点的长度应大于2 0 0 m m 且不超过2 0 0 0 m m 。 3 i s o f i x 静态试验方法 ( 1 ) 正前向力试验在静载施加装置s f a d ( 图2 1 6 ) 的x 点处施加8 k n 0 2 5 k n 预载荷，x 点处的纵向水平位移限制在1 2 5 m m 之内，当规定的力在规定的 时间持续作用时，i s o f i x 下固定点及其周围的任何永久变形不应该造成失效。 ( 2 ) 斜向力试验在静载施加装置的x 点处施加5 0 2 5 k n 的预载荷，x 点沿 力的方向位移在1 2 5 m m 内，若在规定的时间维持了所要求的力，下固定点及其周 围区域不应失效。 ( 3 ) i s o f i x 固定点系统和i s o