（光学工程专业论文）具有环形腰带的四点式儿童安全带的设计及仿真研究.pdf

硕士学位论文 摘要 近年来，儿童乘车安全防护逐渐成为汽车碰撞安全领域研究的重要课题之一。 目前配备的儿童用安全带，如成人三点式、传统四点式和五点式儿童安全带均存 在一定的不足：由于儿童骨骼发育不完全，在碰撞过程中成人三点式安全带易对 儿童肩部和胸部产生局部伤害；佩戴传统四点式安全带的儿童在碰撞过程中容易 出现“下潜”；五点式儿童安全带的胯带会影响儿童乘坐的舒适性，且不便随着座 垫高度进行调整以适应不同年龄的儿童。 针对上述儿童安全带存在的不足，本文提出了一种能够配备在集成式儿童安全 座椅上的具有环形腰带的四点式儿童安全带，适用于3 1 0 岁儿童乘员，操作简 便，能有效避免误操作。该儿童安全带能随着座垫高度的变化进行调整以适应不 同年龄和体形的儿童，且环形腰带结构能有效防止儿童乘员在碰撞过程中出现“下 潜”。详细介绍了该儿童安全带的结构方案和工作原理，并试制了儿童安全带样件。 对该儿童安全带样件进行了正面台车碰撞试验，由于样件的强度刚度无法保证， 为安全起见，试验设置的碰撞速度为不超过3 0 k m h 。 利用多刚体动力学仿真软件m a d y m o 建立了基于6 岁儿童假人的具有环形 腰带的四点式儿童安全带的正面碰撞仿真模型，并根据试验数据对仿真模型进行 了有效性验证。在此基础上选取了对安全带保护效果影响较大的左右肩带滑环间 距w 和肩腰带连接件长度h 两个参数作为设计变量，并采用均匀设计方法、逐步 回归分析、遗传算法对该安全带结构参数进行了优化研究。 为了分析优化后儿童安全带对3 1o 岁儿童假人的保护效果，选取了3 岁、6 岁和1 0 岁三个儿童假人作为研究对象。根据上述仿真模型的建立过程，建立了基 于3 岁和1 0 岁儿童假人的正面碰撞仿真模型，并采用了基于5 0 k m h 碰撞速度的 符合e c er 4 4 法规的加速度时间曲线。对比了3 岁、6 岁、1 0 岁儿童假人在安全 带优化前后的损伤情况，并将损伤值与法规值进行了对比。 研究表明，左右肩带滑环间距w 和肩腰带连接件h 在最大值和最小值之间变 化时，存在一个中间值使得该安全带的保护性能最好；优化后的儿童安全带对6 岁儿童假人的保护效果得到了明显的提高，儿童假人的综合损伤值c i c 比优化前 下降了约1 2 ；在e c er 4 4 法规设置下，优化后的儿童安全带对3 岁、6 岁和1 0 岁儿童假人的保护效果也得到了改善，且儿童假人的损伤值都在法规范围内，证 明该安全带能为3 1 0 岁儿童乘员提供有效的保护。 关键词：环形腰带；四点式儿童安全带；参数优化；仿真研究；试验研究 具有环形腰带的四点式儿童安全带的设计与仿真研究 a b s t r a c t t h es a f e t yo fc h i l d o c c u p a n t sh a sb e e na ni m p o r t a n ts u b j e c ti nt h ef i e l do f v e h i c l ec r a s hs a f e t yg r a d u a l l y t h ec u r r e n te q u i p p e dt y p e so fc h i l ds a f e t yb e l ta r e 3 一p o i n tb e l t ，4 - p o i n t b e l ta n d5 - p o i n tb e l t h o w e v e r ，a l lo ft h e mh a v es o m e d i s a d v a n t a g e s t h et r a d i t i o n a l3 - p o i n tb e l ti sv e r ye a s yt oc a u s et h es h o u l d e ra n d t h o r a xi n j u r i e so fc h i l db e c a u s eo ft h ei n c o m p l e t eg r o w t ho fc h i l ds k e l e t o n t h e 4 - p o i n tb e l tc a nc a u s et h e “d i v i n g ”p r o b l e md u r i n gv e h i c l ec r a s h t h ef i v e p o i n tb e l t i sn o tc o n v e n i e n tt oa d j u s tt of i tt h ec h i l do c c u p a n t si nd i f f e r e n ta g e sa c c o r d i n gt ot h e h e i g h to ft h ec u s h i o n m e a n w h i l e ，t h eh i p - b e l to f5 - p o i n tb e l ti sn o tv e r yc o m f o r tf o r t h ec h i l d a i ma tt h ed i s a d v a n t a g e so fc h i l db e l ta d d r e s s e da b o v e ，af o u r p o i n tc h i l db e l t w i t ha l o o p e dw a i s t - b e l tw a sp r o p o s e di nt h i st h e s i s t h eb e l ti sm o u n t e di ni n t e g r a t e d c h i l ds a f e t ys e a t ，a n di sa p p l i c a b l ef o rt h ec h i l d r e na g e df r o m3t o10y e a r s t h ec h i l d b e l tc a nb eh a n d l e de a s i l yt oa v o i dt h em i s u s a g e t h eb e l tc a nb ea d j u s t e da c c o r d i n g t ot h eh e i g h to fs e a tc u s h i o nt om a t c hc h i l d r e ni nd i f f e r e n ta g e so rb o d ys h a p e s t h e “d i v i n g ”c a nb ep r e v e n t e de f f e c t i v e l yw i t ht h es t r u c t u r eo fl o o p e dw a i s t - b e l t a s t r u c t u r a l d e s i g n a n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e f o u r - p o i n tc h i l d b e l tw i t hl o o p e d w a i s t b e l tw a sc o n d u c t e di n t h i st h e s i s as p e c i m e no ft h eb e l ti sm a d e af r o n t a l i m p a c to fs l e dt e s to nt h es p e c i m e nw a sc o n d u c t e da n dt h ec r a s hv e l o c i t yw a ss e tt on o m o r et h a n30 k m hf o rt h es a k eo fs a f e t y t h em a d y m ow a su s e dt od e v e l o pt h ef r o n t a li m p a c tm o d e lw h i c hi n c l u d e st h e f o u r - p o i n tc h i l ds a f e t yb e l tw i t hl o o p e dw a i s t - b e l tb a s e do n6 - y e a r o l dc h i l dd u m m y t h em o d e lw a sv a l i d a t e db yt h er e s u l t so ft h es l e dt e s t b a s e do nt h ev a l i d a t e dm o d e l ， t h ep a r a m e t e r so ft h es t r u c t u r eo fc h i l ds a f e t yb e l t ，i n c l u d i n gt h ei n t e r v a lo ft h el e f t a n dr i g h ts l i pr i n g so fs h o u l d e r - b e l t ( w ) a n dt h eh e i g h to ft h ec o n n e c t i o nb e t w e e n s h o u l d e r b e l ta n dw a i s t - b e l t ( h ) ，w e r eo p t i m i z e db yt h eu n i f o r md e s i g n ，t h es t e p w i s e r e g r e s s i o na n a l y s i sa n dt h eg e n e t i ca l g o r i t h m i no r d e rt o a n a l y z et h ep r o t e c t i v ep e r f o r m a n c eo ft h eo p t i m i z e dm o d e lo n c h i l d r e na g e d3 - y e a r - o l dt o 10 - y e a r o l d ，3 - y e a r o l d ，6 一y e a r - o l da n d1o y e a r o l d c h i l d r e nd u m m i e sw e r ec h o s e nt ob er e s e a r c h e d a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so ft h e s i m u l a t i o nm o d e ld e v e l o p e da b o v e ，f r o n t a li m p a c ts i m u l a t i o nm o d e lb a s e do n 3 - y e a r o l da n d10 - y e a r o l dw e r ed e v e l o p e d t h ea c c e l e r a t i o n t i m eh i s t o r yb a s e do n i i i 坝士罕位论文 5 0 k m hc r a s hv e l o c i t yw h i c hm a t c h e st h ee c er 4 4 r e g u l a t i o nr e q u i r e m e n t sw a su s e d t h ei n j u r i e so f 3 - y e a r o l d ，6 - y e a r o l d ，10 y e a r o l dc h i l dd u m m i e sb e f o r ea n da r e rt h e o p t i m i z a t i o nw e r ec o m p a r e d ，a n dt h e i n j u r y v a l u e sw e r e c o m p a r e dw i t ht h e r e g u l a t i o n sv a l u e s i ti si n d i c a t e dt h a tt h e r ei sa ni n t e r m e d i a t ev a l u eb e t w e e nt t h em a x i m u ma n d m i n i m u mv a l u e so fwa n dht op r o v i d et h eb e s tp r o t e c t i v e p e r f o r m a n c e i ti sa l s o o b s e r v e dt h a tt h ec o m p r e h e n s i v ei n j u r yv a l u eo ft h ec h i l dd u m m i e si nt h eo p t i m i z e d m o d e li sr e d u c e db ya b o u t12 c o m p a r e dw i t ht ot h er e s u l t so f o r i g i n a lm o d e l t h e p r o t e c t i o nt ot h e6 - y e a r 。o l dd u m m yi si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y b a s eo nt h es e to fe c e r 4 4 ，t h ep r o t e c t i o nt o 3 - y e a r - o l d ，6 - y e a r o l d ，10 y e a r o l dc h i l dd u m m i e sa r ea l s o i m p r o v e da n dt h ei n j u r yv a l u e sa r ea l lm a t c ht h er e g u l a t i o nr e q u i r e m e n t sa n di ti s p r o v e dt h a te f f e c t i v ep r o t e c t i o nc a nb ep r o v i d e dt ot h ec h i l d r e no c c u p a n t sr a n g e d3t o 10y e a r so l db yt h ef o u r p o i n tc h i l db e l tw i t hl o o p e dw a i s t b e i t k e yw o r d s ：l o o p e dw a i s t - b e l t ；f o u r - p o i n tc h i l db e l t ；p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ；s i m u l a t i o n r e s e a r c h ；t e s ts t u d y i v 硕士学位论文 第1 章绪论 随着汽车的普及，儿童因交通事故伤亡的形势越来越严峻，儿童乘车安全也 越来越受到广泛的重视。 由于儿童生理上发育不完全，专为成人设计的约束系统并不能为儿童乘员提 供有效的保护，甚至可能导致儿童乘员的伤亡。儿童约束系统( c h i l dr e s t r a i n t s y s t e m ，c r s ) 的正确使用能显著减少儿童在交通事故中的伤亡。 国外的儿童约束系统已经相当普及，相应的法律法规和标准已趋于完善。而我 国在儿童乘员保护的研究上还处于起步阶段，但随着中国对儿童交通安全的重视， 儿童约束系统的研究与设计成为了汽车安全防护领域的重要课题。 本章首先介绍了儿童交通安全的研究背景，然后从国内外儿童乘员安全研究情 况、儿童乘员损伤的特殊性、儿童乘员损伤评价和儿童乘员约束系统等方面阐述 了儿童乘员保护研究的发展及现状，最后介绍了本论文研究的主要内容及意义。 1 1 儿童交通安全的研究背景 近年来，中国汽车市场高速发展，2 0 0 8 年中国汽车销量9 3 8 万辆，2 0 0 9 年， 这个数据猛增至超过1 3 0 0 万辆，2 0 1 0 年，更是一举跨越1 7 0 0 万辆，跃居全球第 一。2 0 1 1 年8 月1 6 日世界著名的美国汽车行业杂志w a r d s a u t o 公布，截至当日， 中国汽车拥有量为7 8 0 0 万辆，已经超过日本，成为仅次于美国的全球第二大汽车 拥有国。随着中国汽车保有量的激增以及车速的不断提高，汽车交通事故的发生 率也在逐年上升。中华人民共和国道路交通事故统计年报统计数据表明，2 0 1 0 年，中国发生道路交通事故共有2 1 9 5 2 1 起，分别造成6 5 2 2 5 人死亡和2 5 4 0 7 5 人 受伤，直接财产损失达9 3 亿元人民币【l j 。 随着汽车越来越普遍的进入人们的家庭生活，父母携带儿童乘车外出的情况 随之增加，发生儿童乘车交通事故的情况也越来越多。世界卫生组织统计数据表 明，2 0 0 2 年共有4 9 7 3 6 名0 - 4 岁的婴幼儿在交通事故中丧生，而5 1 4 岁儿童死于交 通事故的人数高达1 3 0 8 3 5 名，交通事故已仅次于溺水，成为造成5 1 4 岁儿童伤亡 的第二大原因【2 j 。美国国家公路交通安全局( n a t i o n a lh i g h w a yt r a f f i cs a f e t y a d m i n i s t r a t i o n ，n h t s a ) 的统计数据显示，2 0 0 6 年，美国共有5 6 8 名0 1 4 岁的儿童 在交通事故中受伤，同时有18 2 5 名儿童死于交通事故1 3 j 。 在中国，据交通管理局数据统计，2 0 0 6 年0 1 2 岁儿童乘员在交通事故中的死 亡数为4 1 6 7 人，占所有交通事故死亡人数的4 6 7 ，其中车内死亡儿童有6 8 3 人， 占儿童交通事故死亡人数的1 6 4 【4 j 。交通管理局提供的数据显示，中国每年超过 具有环形腰带的四点式儿童安全带的设计与仿真研究 1 8 5 0 0 名1 4 岁以下儿童死于交通事故，儿童交通事故死亡率高于欧美国家，交通事 故已经成为1 4 岁以下儿童的第一死因。 儿童乘员在交通事故中受伤死亡的主要原因是不正确的乘车习惯。由于缺乏 乘车安全观念，大多数中国家长在乘车时喜欢直接将儿童抱在怀里，或者直接为 儿童佩戴成人安全带，这些做法在交通事故中对儿童的危险性是致命的。实验表 明车辆在4 0 k m h 的速度下紧急制动，会使得一名体重为5 5 k g 的儿童产生当于一 个质量为1 1 0 k g 的物体的冲击力，任何家长都很难这种情况下控制住怀中的儿童。 而安全带和安全气囊等约束系统是专门为成人设计的，对儿童乘员并不会起到有 效的保护。由于儿童身体结构的特殊性，其身体比例以及骨骼的发育不全，在汽 车发生紧急制动或碰撞事故时，在巨大的冲击力下，成人安全带容易造成儿童乘 员的局部损伤，如胸部肋骨骨折、颈骨折断等。安全气囊的安装位置以及充分爆 开所到达的位置均是基于成人保护而设计的，由于儿童身材矮小，乘坐高度较低， 导致在碰撞过程中，爆开的安全气囊不仅对儿童乘员起不到保护作用，而且瞬间 爆开所产生的高热量和巨大冲击力甚至会对儿童造成严重的伤害。1 9 9 9 年美国的 统计数据显示由于安全气囊爆开致死的1 5 0 人中绝大多数是儿童【5 j 。 交通事故中儿童乘员的伤亡已经成为一个很严峻的问题。因此，设计和研究 针对儿童乘车安全保护的儿童约束系统( c h i l dr e s t r a i n ts y s t e m ，c r s ) 对提高儿 童乘车安全具有非常重要意义。国外大量研究和交通统计数据表明正确使用儿童 约束系统能够有效地减少交通事故中儿童乘员的伤亡。2 0 0 4 年世界卫生组织的 预防道路交通伤世界报告数据显示：在轿车碰撞事故中，儿童约束系统能大 幅降低1 岁以下婴儿死亡率，降幅约为7 1 ，同时1 4 岁儿童的死亡率降幅约为 5 4 【6 j 。根据美国高速公路安全管理局n h t s a 2 0 0 6 年的调查数据，1 9 7 5 年 2 0 0 6 年期间，儿童约束系统挽救了约8 3 2 5 名儿童乘员的生命r 7 1 。日本道路交通事故统 计数据表明，2 0 0 4 年使用了儿童约束系统的儿童乘员死亡率比未使用的降低了近 8 4 ，重伤率降低了约5 8 瞵j 。以上数据表明，儿童约束系统能很好的减轻或避 免儿童乘员在汽车交通事故中受到伤害。由此可见，研究和设计开发更好儿童约 束系统，并且正确使用儿童约束系统，能最大限度的降低儿童乘员在交通事故中 的伤亡。 1 2 国内9 b j l 童乘员安全研究概况 1 2 1 国9 1 ) l 童乘员安全研究概况 国外对儿童乘员的安全保护研究起步比较早，从2 0 世纪6 0 年代至今，国外对 儿童乘员安全保护的研究涵盖了儿童交通事故统计、儿童损伤机理研究、儿童保 护装置设计开发、儿童乘员法规标准的制定以及儿童假人的开发等方面。由于国 硕士学位论文 外发达国家颁布的强制性儿童安全法规，以及家长对儿童乘车安全意识的普遍增 强，儿童约束系统在发达国家的使用得到了极大的普及，从而大大减少了儿童乘 员在交通事故中的伤亡。欧洲车辆安全性委员会( e e v c ) 报告称1 9 9 6 年欧洲部 分国家儿童安全座椅的使用率分别为芬兰7 l 、德国5 2 、瑞典8 7 、法国7 5 ；美国2 0 0 2 年数据统计表明，2 岁以下、3 岁、4 岁儿童的儿童安全座椅使用率 分别为9 8 、9 5 和7 4 ；澳大利亚2 0 0 4 年调查数据显示，1 岁以下儿童安全座 椅使用率为1 0 0 ，l 2 岁为8 9 ，2 3 岁为9 7 ，3 4 岁为8 l 。大量数据 报告显示，儿童安全座椅的使用有效地减少了儿童在交通事故中的伤亡。 m d d e c k e r 等人1 9 8 4 年的数据报告显示，1 9 7 8 1 9 8 3 年儿童乘员在交通事故中得 死亡率降低了5 0 ；k j p h e l a n 等人2 0 0 2 年统计数据显示1 9 8 3 年1 9 8 8 年和1 9 9 1 年1 9 9 5 年的儿童交通事故死亡率减少了5 0 【9 1 。 1 2 2 国内儿童乘员安全研究概况 在中国，虽然儿童乘车安全保护研究起步较晚，但随着近几年儿童乘员在交通 事故中死亡率的增加，儿童的乘车安全逐渐受到广泛的重视。中国开始着手制定 儿童乘员保护法律法规，逐年加大对儿童乘车安全的宣传力度，汽车整车及零部 件厂商、研究机构和部分高校均开始加大力度设计开发儿童约束系统。我国标准 化协会于2 0 0 5 年4 月2 0 日颁布了汽车用儿童约束系统标准( c a s1 0 2 2 0 0 4 ) ；2 0 0 7 年1 0 月，我国首部机动车儿童约束系统国家标准公开征求意见稿，2 0 0 8 年6 月，征求意见阶段结束，该国家标准有望近两年正式实施。 但在中国，儿童座椅使用率还很低，只在北京、上海、广州等大中型城市有使 用，并没有得到普及。相比国外，中国有如下几个方面还需加大实施力度： 1 家长对儿童乘车安全意识不够。中国大部分家长都还没有意识到儿童正确 乘车的重要性，传统观念认为对孩子乘车最好的保护就是将孩子抱在怀里，其实 这是非常危险的，而且大部分家长对儿童约束系统的保护作用缺乏认识，甚至有 些家长还不知道有儿童约束系统。要提高家长对儿童乘车安全保护意识就需要社 会加大儿童安全宣传力度，以及政府部门制定相应的法律法规来敦促普及儿童约 束系统的使用； 2 目前中国自主研发儿童约束系统的整体能力较弱。由于国内对儿童交通事 故统计以及儿童损伤机理研究工作都还远远不够，没有形成一套完整的儿童损伤 数据体系，这样就使得国内缺少足够的数据作为依据来制定相应的技术法规，也 导致了在儿童约束系统研发的试验阶段没有相应的法规支撑。一部分厂商借助国 外技术和试验来生产儿童约束系统，不过由于国内缺乏儿童约束系统的法规标准 的约束，也有一部分厂商为了谋取利益，所生产的儿童约束系统在结构及强度方 面都不能给儿童乘车带来有效的保护，甚至可能会给儿童在乘车时带来安全隐患。 具有环形腰带的四点式儿童安全带的设计与仿真研究 这就需要中国政府及相关机构加大对儿童乘员保护的研究工作，制定相应的法规 标准，提升自身的试验、制造及计算机仿真能力，从整体上提高自主研发能力， 设计生产更加适合中国儿童乘员保护的儿童约束系统； 3 儿童安全座椅的价格较高。在中国，影响儿童安全座椅使用率的另一个重 要因素是价格。大部分儿童安全座椅的价格都在千元左右，超过了一般家庭的购 买能力，而且中国交通法规没有规定强制使用儿童安全座椅，这也大大降低了儿 童安全座椅的使用率。 4 儿童约束系统操作复杂，这也是影响儿童约束系统普及不可忽视的因素。 很多家长不会将儿童安全座椅固定在汽车座椅上，更多的是在使用儿童约束系统 时出现的误操作比较多，主要是固定儿童安全座椅的汽车安全带的松弛和儿童座 椅儿童约束带的松弛。由此可见，设计开发简单易操作的儿童约束系统对儿童约 束系统的普及和为儿童提供更全面的保护效果都非常重要。 1 3 儿童乘员损伤的特殊性 分析儿童乘员的损伤不能简单的从成人的损伤机理和损伤数据缩放而来，因为 儿童除了在身体尺寸比例上和成人有区别，更重要的是在解剖特征和损伤机理方 面与成人存在很大的差异。儿童的骨骼还比较柔软，在碰撞事故中很少出现骨折， 更多的是出现软组织损伤。因此，本节将着重介绍儿童易发生软组织损伤的头部、 颈部、胸部和腹部的解剖学特征和损伤机理。 5 移1 8 1 鑫冁矗 撰b 3 多矗岁成人 图1 1 不同年龄头部重量比例1 0 1 对比身体各部分的质量比例，儿童的头部质量占整个身体质量的比重较大，并 随着儿童年龄的增大和身体的发育，该比重逐渐下降，如图1 1 所示，婴儿的头重 占身体质量比重达到了5 0 ，从3 岁到6 岁，该比重分别下降至1 8 和1 6 ，而 成人的该比重只有6 。儿童头部质量大，儿童乘车的重心位置较高，导致儿童乘 员在碰撞事故中头部更容易受到伤害。由于婴儿的颅骨并不完整，颅骨比较薄且 硕士学位论文 富有弹性，颅骨块之间的连接比较灵活柔软，故在儿童乘员发生交通事故时，颅 骨骨折的几率较小，但是若颅骨受到钝器碰撞时，容易产生头骨凹陷和脑部挫伤。 儿童的头盖骨前部和中部较平坦，易发生因头部猛烈转动引起的弥漫性脑损伤。 在交通事故中，导致儿童头部损伤的原因通常有两个：接触和惯性力矩【l l 】。接触 主要是指儿童头部与汽车内饰件之间的接触；而惯性力矩或加速度则是导致儿童 头部软组织损伤的主要原因。 相对成人，儿童的颈部发育不成熟，肌肉不发达，韧带较松弛，在支撑较大 质量头部的情况下，儿童的颈部也容易受到损伤。由于儿童乘员的躯干被约束系 统约束，在汽车紧急制动或碰撞过程中，儿童的颈部会受到头部惯性的拉力作用， 容易导致正中环轴关节的覆膜损伤等颈部伤。另外，当头部与车内饰件发生撞击 时，产生的较大压力也容易导致颈部受伤。椎间关节的角度( 小关节平面和椎体 背部平面间的角度) 也随着年龄的增长而发生变化，1 岁幼儿与成人相比上位颈 椎的椎间关节角度相差约1 5 0 【l2 1 ，这也是幼儿颈部椎间关节易发生局部脱臼的原 因之一。儿童的颈椎骨较柔软，虽不易发生骨折，但很可能导致脊髓的拉伸伤害。 同时儿童乘员不正确的使用约束系统，也将可能增加的颈部损伤风险。 胸腔内主要包含人体的肺和心脏等器官，儿童的胸腔壁薄且肋骨富有弹性，不 易发生骨折。但是当胸部受压而产生过大压缩量时，压力和剪切力易导致肺和心 脏受损，尤其是肺挫伤【l3 1 。由于儿童约束系统防护下的儿童胸部损伤并不常见， 所以f m v s s2 1 3 和e c er 4 4 法规并没有对正面碰撞下儿童乘员胸部压缩量进行评 定。 。 肝、脾等重要器官位于腹腔内，且儿童的腹部较为凸起，由于儿童的腹部壁薄 且肌肉不发达，在外部压力下儿童易受到多个器官损伤的情况。在交通事故中， 儿童约束系统防护下的3 岁以下儿童的腹部受伤并不常见。而对4 岁以上儿童， 腹部受伤的概率非常高，仅次于头部，主要原因是4 岁以上儿童在乘车时通常使 用成人安全带。由于对腰带定位起重要作用的骨盆的髂骨上前骨棘直到1 0 岁左右 才发育成熟i l 引，腰带不能在儿童胯部进行很好的定位，在碰撞过程中，腰带容易 造成对腹部的压迫，从而导致腹部内的器官受伤，该损伤模式称为“安全带综合 症”【l 引，这对儿童是极大的安全隐患。经过研究表明，安全织带的几何外形和儿童 座椅的结构设计都易影响儿童乘员腹部的损伤风险【l 引。 1 4 儿童乘员损伤评价 1 4 1 儿童乘员损伤评价标准 儿童乘员的损伤评价标准通常是参考成人乘员的损伤评价标准来制定的，损 伤评价标准主要是用来评价人体损伤的严重程度。从解剖学、生理学和对社会经 具有环形腰带的四点式儿童安全带的设计与仿真研究 济的影响等方面出发，乘员损伤评价标准大体可分为三类： ( 1 ) 按解剖学尺度来评价 简明损伤标准a i s ( a b b r e v i a t e di n j u r ys c a l e ) 是由美国汽车医学协会( a a a m ) 按解剖学尺度制定的一个损伤评定标准，该标准已经被全世界普遍接受用来评估 交通事故中的损伤，该评定标准是用损伤本身而不是损伤产生的后果来衡量乘员 的受伤程度。a i s 共分为7 个等级，等级值越高则表明该级损伤对生命的危险性 越大。每个a i s 水平都有一个生物力学容限，这个力学容限是所定义水平伤害的 冲击作用在人体上时，人体的生物力学响应值。a i s 具体的分级标准如表1 1 所 示1 1 7 ： 表1 1 简明损伤标准a i s ( 2 ) 按生理学尺度来评价 该标准是通过描述人体某部位功能状况在事故损伤中所发生的变化来进行评 价，是对人体损伤部位更全面的评价。如格拉斯哥昏迷等级( g l a s g o wc o m as c a l e ， o c s ) 主要是通过对睁眼、语言和运动等三个方面的评分来对头部的损伤状况进行 评价，分为轻度昏迷、中度昏迷和重度昏迷三个等级。 ( 3 ) 按对社会造成的经济损失来评价 这种评价标准是评定事故对受伤人群造成的在经济上和生活上伤害以及因此 而造成的社会损失，而并没有对损伤状况本身进行评价，这类标准主要有i c s ( i n j u r yc o s ts c a l e ) 、i p r ( i n j u r yp r i o r i t yr a t i n g ) 等。 1 4 2 欧洲e c er 4 4 法规评价准则 对所有按照e c er 4 4 法规中的要求进行测试的儿童假人( 新生的婴儿除外) 均采用如下准则：胸部合成加速度峰值不超过5 5 9 ，但持续时间不超过3 m s 的值除 外；胸部的垂直加速度峰值不超过3 0 9 ，同样持续时间不超过3 m s 的值除外。 硕士学位论文 1 4 3 美国f m v s s2 1 3 法规评价准则 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： 1 头部损伤标准：头部合成加速度不大于8 0 9 ( 持续时间不超过3 m s 的值除 外) 和h i c 3 6 耐限值为1 0 0 0 。美国联邦机动车安全标准( f m v s s ) 提出了一种头 部损伤耐受限度h e a di n j u r yc r i t e r i o n ( h i c ) ： r1一， 2 5 h i c = ( t 2 一) l 击i 。2r ( t ) d tl t o 乞 - r e ( 1 1 ) l 。2 1 j 式中：r ( t ) 一头部在t o t _ t 。时间范围内质心处的线性合成加速度( g ) t o 一碰撞起始时刻( s ) t 。一碰撞结束时刻( s ) t l 、t 2 一h i c 达到最大值时时间间隔的起始和终止时刻( s ) 实际计算时，获得合理的h i c 值的最大时间间隔( t 2 t 1 ) 设定为3 6 m s ，由于 时间间隔会影响h i c 值的计算，所以为了限制h i c 值在头部严重接触碰撞中的使 用，时间间隔进一步缩短为15m s 。一种伤害准则及其相关的耐受值应与伤害严重 程度相关，h i c 的局限性是： ( 1 ) h i c 仅仅考虑了头部线性加速度的影响，并没有考虑也能引起头部伤害的 角加速度【1 8 】； ( 2 ) h i c 值仅适用于严重接触碰撞，因此限制了碰撞的持续时间。 尽管如此，h i c 值仍然是汽车研究领域头部损伤研究使用最广泛的头部损伤指 标，并且也被作为一种有效鉴别接触和非接触响应的方法。 2 胸部损伤标准：胸部合成加速度峰值不超过6 0 9 ，但持续时间不超过3 m s 的值除外。 3 颈部损伤标准：生物力学颈部损伤预测值n i i 是一种由于载荷由枕骨传到局 部引起损伤的测量方法，它结合了上颈部载荷元件测量的颈部轴向力( f z ) 和关于 通过假人枕髁的横轴的弯矩( m y ) 。n i i 中的i j 代表了颈部的四重伤害机制，对应 于不同的轴向力和弯矩组合的四种损伤预测，即n t e ( 拉伸力) 、n t f ( 弯曲力) 、 n c e ( 压缩力) 和n c f ( 压缩弯曲) 。计算n i i 的公式为： 。 f m 。j 2 玄+ 露 “2 式中：f ：为颈部轴向力( n ) ，m y 为关于枕骨节的弯矩( n m ) ，f i n t 为轴向力 的耐受极限值( n ) ，m i n 。为弯矩的耐受极限值( n m ) ；其中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 。 具有环形腰带的四点式儿童安全带的设计与仿真研究 1 5 儿童约束系统概况 1 5 1 儿童约束系统的定义 儿童约束系统又称为儿童汽车安全座椅。欧洲e c er 4 4 0 3 法规对儿童约束系 统的定义如下：一种由带有安全带扣的织带或其他柔性部件、调节装置和其他辅 助装置等组成的，而且能通过附件连接装置稳固地安装在机动车的儿童防护装置， 其保护作用主要是在汽车碰撞过程或紧急制动情况下，通过限制儿童乘员的身体 移动或者缓冲冲击力来对儿童乘员进行保护【l 引。 我国即将出台的机动车儿童乘员用约束系统国家标准对儿童约束系统也进 行了定义。儿童乘员约束系统就是由带有保护带扣的织带或相应柔软的部件、调 整装置、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【2 们。其作用是在车辆碰撞事故 或突然减速时，减小对儿童造成的伤害。 1 5 2 儿童约束系统的分类和组成 1 5 2 1 儿童约束系统的分类 儿童约束系统的分类标准有多种，目前具有代表性的分类标准分为欧洲分类标 准和美国分类标准两类，并衍生出多种其他的类型和规格。以下主要介绍欧洲儿 童约束系统的几种分类。 按照e c er 4 4 0 3 的分类标准，按照适用车型的不同，儿童约束系统分为全能 型、限制型、半全能型和特种型，不同类型儿童约束系统的具体说明如表1 2 所示。 表1 2 儿童约束系统按适用车型分类 2 1 , 2 2 通过乘用汽车构造一致性标准的审核；木宰由儿童约束系统生产商或汽车生产商指定 根据儿童的体重，汽车儿童约束系统分为五个组别：0 组、0 + 组、i 组、i i 组、 i i i 组，不同组别儿童约束系统所适用的儿童体重范围如表1 3 所示。 硕士学位论文 近几年，国内各大儿童约束系统生产商和汽车生产商设计开发了针对不同身高 和年龄的汽车儿童乘员约束系统。图1 2 列出了几种目前市场上常见的儿童约束系 统。 a ) 嬖歹l ，提篮b ) 可c ) 前向式歹l 耋安全座椅 d ) 安全薏定垃式增高痤掎e ) 缯毫座垫 n 舞成式儿童安全座掎 图1 2 市场上常见的几种汽车儿童约束系统( 网页图片) 1 5 2 2 儿童约束系统的组成 尽管目前市场上不同的儿童约束系统在形式、外形上不尽相同，但总结起来， 汽车儿童约束系统主要包括儿童乘卧空间、约束织带系统和固定装置等三部分。 乘卧空间主要是用来为儿童乘员提供乘坐或卧躺的空间，其形式的差别决定了 儿章约束系统之间外形的差异。如儿童提篮的乘卧空间形式如同小型的婴儿床； 前向或后向式儿章安全座椅的乘卧空间就设计成如同汽车座椅形式；还有坐垫式 笙笙 t 于1 亍。 约束织带系统的主要作用是将儿童乘员安全可靠地约束在儿童约束系统的乘 卧空间内，为儿童乘员提供有效的保护，主要是为4 岁以下儿童乘员设计的。传 统婴儿用儿童约束系统使用的是y 型三点式约束织带系统，这种织带系统能较好 的分散儿童乘员受到的碰撞冲击。目前大多数新型婴儿用儿童约束系统采用的是 五点式儿童安全带，该安全带系统为儿童乘员提供了更好的侧面碰撞保护。目前 可转向式儿童约束系统中安全带的类型主要有三种，如图1 3 ( a ) ( b ) ( c ) 所示，( a ) “五 9 一麟蛾 具有环形腰带的四点式儿童安全带的设计与仿真研究 点式”、( b ) 配有碟形防护扶手的“三点式”、( c ) t 形防护板与肩部织带的组合式2 3 1 。 a ) “五点式”b ) 配有碟形防护扶手的“三点式”c ) t 形防护板与肩部织带的组合式 图1 3 可转向式儿童约束系统座椅安全带的3 种形式 固定装置主要用于将汽车儿童约束系统安全可靠地安装在汽车座椅上。目前 国际固定装置标准主要分为欧洲的i s o f i x ( i n t e m a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o nf i x ) ( 图1 4 ) 和美国的l a t c h ( l o w e ra n c h o r sa n dt e t h e r sf o rc h i l d r e n ) ( 图1 5 ) 。i s o f i x 包括车辆座椅坐垫和靠背连接处的两个固定支座、c r s 上的两个刚性连接件和一 个可以限制c r s 向前旋转的构件；l a t c h 包括车辆上的两个底部固定支座、c r s 上相对应的两个连接件和一个顶部链绳【2 4 | 。 图1 4i s o f i x 系统( a ：汽车座椅靠背b ：j l 童座椅c ：刚性连接d ：i s o f i x 导向装置e 金属固定点) 图1 5l a t c h 系统 鸯一) l 。，殒丰学位论文 1 5 3 儿童约束系统的误用现状 大量研究和交通事故统计数据表明，正确使用儿童约束系统是最能有效防止 儿童乘员在交通事故中受到意外损伤的措施。有关数据显示，儿童约束系统能提 高儿童乘员8 0 的安全度，如果仅使用成人安全带，儿童乘车安全程度可以提高 6 0 【25 1 。如果儿童在乘车过程中使用了c r s ，但对c r s 的选购以及安装使用不 当也会严重影响c r s 在交通事故中对儿童乘员的保护效果，甚至会导致对儿童乘 员的伤害【2 3 。 根据第一章的介绍，儿童约束系统在国外发达国家的使用率较高，但是通过 对欧美等发达国家c r s 的使用情况进行调查发现，使用c r s 最突出的一个问题 就是误用和误操作，而且误使用率非常高【2 6 ，2 7 ，2 8 ，2 9 ，3 0 ，3 1 1 。美国2 0 0 2 年统计数据表 明，4 12 6 辆车中的5 5 2 7 名体重在3 6k g 以下的儿童乘员中，约有3 4 4 2 名( 7 2 6 ) 存在一处或多处严重的c r s 误使用情况，婴幼儿型c r s 的误使用情况尤为常见， 还有1 1 8 的儿童乘员不使用任何乘车约束装置【2 8 1 。据调查，德国的c r s 使用率 达9 0 以上，但有2 3 左右的使用者存在c r s 误使用的情况【2 引。据日本警察厅 及汽车联盟( j a f ) 2 0 0 7 年对其全国6 岁以下儿童乘车时c r s 使用状况的调查统计 发现，c r s 的使用率约为4 7 ，其中7 6 5 的幼儿型c r s 存在儿童约束系统固 定松弛现象，6 0 5 的c r s 在约束儿童乘员时过于松弛【3 0 】。据统计，c r s 最普遍 的误使用情况是c r s 在座椅上的固定很松弛和约束儿童乘员的c r s 背带很松弛。 通过大量c r s 使用情况的调查分析，总结起来，c r s 的误使用主要有以下6 种情况 2 7 , 2 8 , 2 9 】： ( 1 ) 选购使用的c r s 与儿童的年龄和体重不匹配； ( 2 ) 前向或后向c r s 混淆使用； ( 3 ) 将c r s 安装在设有安全气囊，且安全气囊没有常关按钮的座位； ( 4 ) c r s 没有与汽车座椅固定安装或者固定很松弛； ( 5 ) 约束儿童乘员的c r s 织带操作不正确或约束很松弛； ( 6 ) 所使用的c r s 本身有质量问题或破损。 1 5 4 集成式汽车儿童安全座椅现状 传统的儿童安全座椅对儿童乘员的乘车安全起到了较好的保护作用，但其也 存在一定的不足，如儿童约束系统的年龄适用范围较小，由于儿童随着年龄的增 大，身体结构变化较明显，这样就需要更换不同的儿童约束系统来保护儿童乘员； 儿童约束系统的固定使用操作繁琐，导致误用率较高，不能充分发挥儿童约束系 统的保护作用；目前市场上的儿童约束系统的价格普遍偏高，极大影响了儿童约 束系统的使用率。因此，目前汽车儿童约束系统正朝着更简便快捷、安全、适用 具有环形腰带的四点式儿童安全带的设计与仿真研究 范围广、更经济且多功能等方向发展。 集成式儿童安全座椅( i n t e g r a t e dc h i