毕业设计（论文）-儿童座椅市场调研及安全性研究.docx

北京林业大学本科毕业论文儿童座椅市场调研及安全性研究摘要儿童安全研究是汽车安全研究重要的组成部分。随着中国汽车保有量的增加，儿童乘员数量逐渐增加，儿童乘员安全问题逐步凸显。随着中国首个针对儿童安全乘坐标准机动车儿童乘员用约束系统的实施，儿童出行安全开始得到车企和消费者的关注。调查车辆拥有者对儿童安全的意识程度，改进儿童安全座椅设计，增强儿童座椅安全程度，具有很重要的社会意义。本论文通过问卷调研，深入调研，4S调研三个调研阶段，从儿童座椅使用者和销售者两端进行调研，总结出中国儿童乘车安全意识状况、儿童座椅在中国市场的使用购买状况、儿童座椅在设计上的问题、4S店销售儿童座椅状况等相关信息，为确定提高儿童乘车安全意识方式、制定销售儿童座椅方案、预测儿童座椅研究方向做铺垫。同时，根据调研总结出的研究方向，对中国市场上的一款儿童座椅进行仿真计算分析，采用多刚体动力学软MADYMO及Hybrid儿童假人模型，参照FMVSS213和ECE R44法规给定的儿童损伤准则，模拟分析正确使用增高座椅时，成人安全带系统的刚度系数和限力器限力值等相关参数对儿童乘员动力学和运动学响应的影响。本论文的研究结果可以为不同档次车企定位正确的儿童座椅销售方案提供相关数据依据，对提高人们儿童乘车安全意识起到积极意义；同时为儿童约束系统参数优化改进研究奠定基础。关键词：儿童约束系统，调研，儿童乘车安全，仿真，参数优化Market survey on child seat and collision security researchVehicle Engineering 09-1 Lang ChunyanSupervisor Tang LiangAbstractsChild safety research is an important part of the study of automobile safety. As the Chinese car parc increases, the number of child occupants increases gradually as well, and child occupant safety problem has progressively become prominent. With the implementation of Chinas first standard for child occupant safety, restraint system for motor vehicle child occupant”, childrens travel safety began to gain attention of car enterprises and consumers. Investigating vehicle owners awareness of child safety, improving child safety seat design and enhancement of child seat safety, has a very important social significance.This paper conducted three stages of research including questionnaire survey, in-depth research, 4S shop survey. The research object is the child seat users and sellers. The research summarizes the method to improve the awareness using the child safety seat in china, child seat in the Chinese market to buy status, child seat design problem, 4S shop sales child seat status. The Research is important to determine the child occupant safety consciousness, improve the way of making sales plan, forecast the direction of the child safety seat study.At the same time, a simulation and analysis on a child seat from the Chinese market will be conducted, using the multi-body dynamics software MADYMO and Hybrid child dummy model, and the stiffness coefficient and load limiter of adult safety belt system on child occupant response kinetics and kinematics will be influence when using the booster seat, consulting child injury criteria given by FMVSS213 and ECE R44 regulations. The results of this paper can provide relevant data foundation for different grades of car enterprises to correct positioning of the child seat sales plan, with a positive significance to raise peoples awareness of childrens car safety; at the same time as a foundation of the child restraint system optimization and improvement research.Keyword: child restraint system, survey, child occupant safety, simulation, parameter optimization目录1绪论11.1 儿童交通事故现状11.2儿童乘车安全意识状况以及儿童约束系统研究状况11.2.1 儿童乘车安全意识状况11.2.2 儿童约束系统研究状况11.3研究的方法、目的及重点21.3.1 研究的方法21.3.2 研究的目的21.3.3 研究的重点31.4论文的结构32 儿童约束系统概述42.1 儿童约束系统定义及组成42.1.1 儿童约束系统的定义42.1.2 儿童约束系统的组成42.2 儿童约束系统的分类52.2.1 欧洲分类52.2.2 北美分类52.3 儿童约束系统的固定方式62.3.1 ISOFIX固定方式72.3.2 LATCH固定方式72.3.3 安全带捆绑方式82.4 约束系统的工作原理82.5 目前国内外儿童约束系统使用现状92.5.1 国外儿童约束系统使用状况92.5.2 中国儿童约束系统使用状况103 儿童约束系统研究基础123.1 儿童身体特征及损伤机理123.1.1 儿童身体特殊性123.1.2 儿童伤害级别123.1.3 大龄儿童损伤机理133.2 儿童约束系统法规133.2.1美国FVMSS 213法规143.2.2 欧洲ECE R44法规143.2.3 中国机动车儿童乘员用约束系统153.2.4 欧美两大法规对比153.3 儿童约束系统保护效果153.4 汽车碰撞仿真技术174 中国儿童乘车安全意识以及儿童约束系统使用状况调研184.1 整体调研思路184.2 问卷调研184.2.1 调查内容184.2.2 调查对象194.2.3 问卷设计194.2.4 调查实施及结果194.2.5 调查样本分析194.2.6 调查结果分析224.3 深入调研324.3.1 深入调研对象324.3.2 深入调研内容及目的324.3.3 深入调研访谈实录324.3.4 访谈调研总结354.4 4s店调研354.4.1 调研内容及目的354.4.2 调研初期准备354.4.3 调研方案确定364.4.4 高档车系调研结果分析364.4.5 中档车系调研结果分析424.4.6 低档车系调研结果分析474.4.7 4S店调研总结485 儿童座椅市场推广及儿童座椅研究建议505.1 儿童乘车安全知识推广的重要性及方式505.1.1 儿童乘车安全知识推广的重要性505.1.2 儿童乘车安全知识推广方式505.2 儿童座椅市场推广建议505.2.1 儿童座椅市场潜力505.2.2 儿童座椅销售量影响因素505.2.3 4S店推广儿童座椅建议515.3 儿童座椅研究相关建议516 增高垫儿童座椅CAE仿真平台搭建及仿真研究536.1 增高垫儿童座椅CAE仿真平台搭建536.1.1 增高垫有限元模型建立536.1.2 汽车座椅模型建立536.1.3 儿童假人模型536.1.4 成人安全带约束系统的建立546.1.5 加速度场556.1.6 儿童假人模型建立及初始定位556.1.7 模型输出556.2 儿童座椅设计参数仿真研究566.2.1 研究参数选定566.2.2儿童座椅安全带刚度对儿童成员响应的影响586.2.3 肩带限力值对儿童成员响应的影响616.2.4 仿真总结68结论69致谢71参考文献72附录A：74V1绪论1.1 儿童交通事故现状世界卫生组织统计，每年约有18万以上的15岁以下儿童死于道路交通事故，数10万的儿童致残。交通事故在青少年发生意外伤害死亡中占首位原因。在步行交通事故中，危险人群为59岁儿童；在驾车事故中，危险人群是1014岁儿童和1524岁青少年。在中低收入国家，道路交通伤害造成的儿童死亡人数占儿童死亡总数的96%。最安全国家与风险最高的国家存在很大差距：在最安全的瑞典，平均每10万个儿童中只有1.5个15岁以下的儿童死亡，而在最危险的国家韩国，平均每10万个儿童中就有7.5个死亡1。中国每年超过1.85万名14岁以下儿童死于交通安全事故，死亡率是欧洲的2.5倍、美国的2.6倍。中国每年因交通事故造成中小学生及学前儿童伤亡人数超过万人，其中2011年中国共发生涉及中小学生及学前儿童的道路交通事故12320起，造成2670人死亡、11417人受伤2。交通事故成为中国14岁以下儿童的第一死因3。1.2儿童乘车安全意识状况以及儿童约束系统研究状况1.2.1 儿童乘车安全意识状况正确的使用约束系统能够大大降低儿童伤亡几率，当小轿车发生碰撞时，儿童固定座椅能使婴儿的死亡率降低71%，幼儿的死亡率降低54%4。大部分发达国家都制定了强制使用儿童安全座椅法律法规，并且对儿童使用安全座椅的年龄都有明确限制。在中国，刚刚于2012年7月1日颁布实施了第一部关于机动车儿童座椅约束装置的强制性国家标准机动车儿童乘员用约束系统国家标准，但中国并没有强制实施儿童约束系统的明文规定。中国除了法制不完善，人们对于儿童乘车安全也意识不够，并在一些“抱着是最安全的，系安全带就安全等等”的传统思想的影响下，导致儿童乘车处于很不安全的状态。中国75.66%的汽车内没有安装儿童安全座椅，39.95%的家长曾让孩子坐在副驾驶位置，而43.12%的家长选择在乘车时怀抱儿童，10.05%的家长则认为安全气囊能有效保护儿童3。这些数据显示，人们对于儿童乘车安全最基本知识缺乏了解，我们应该加大宣传力度，提高人们对儿童乘车安全的意识，改善儿童乘车安全状态。1.2.2 儿童约束系统研究状况国外对儿童约束系统的研究从上世纪60年代就开始了。1964年，BERTIL ALDMAN9提出了儿童在转弯、制动、碰撞和滚翻中需要额外的支持，由于身体比例的不同，成人安全带不适合16岁儿童。素以“最安全的汽车”著称的Volvo汽车公司于1963年开发了第一套儿童安全座椅。美国的Stapp10,11通过人体试验验证了人体对来自不同方向冲击的承受能力各不相同，人体对来自胸背向的冲击相比于其他方向的冲击承受能力较强12。因此返回舱的航天员座椅背向均为冲击面，这也是后向式儿童座椅的雏形。1972年，Volvo汽车公司推出了世界上第一款后向式儿童安全座椅13。Arnberg, Peter W.提出412岁儿童不适用与儿童座椅，并为该年龄段的儿童提供了一种专门设计的坐垫，分发给50个家庭。结果显示，增高坐垫能够保护大龄儿童安全，并且使用方便14。上世纪八十年代，MADYMO作为一款受害者模拟软件被引入汽车被动安全设计领域。1979年 Wismans, J. 和Maltha, J.进行了儿童尸体与3岁儿童假人的台车试验，对比了两者间的运动学响应，并率先使用MADYMO建立了儿童约束系统的数学模型，得出了使用数学模型比假人试验能更好的模拟尸体实验15。在此之后，由于采用模拟软件来开发儿童约束系统，成本低，周期快，很快成为儿童约束系统的研究主流。并且，模型不断精确化，从最初的多刚体模型到后来的有限元模型，儿童伤害指标与实际试验的准确度也在不断提升。近年来，儿童约束系统的研究主要集中在以下几个方面：开发出易用、可靠的安装方式，与整车兼容；与试验相吻合的准确的模拟仿真手段，包括在不同的碰撞形式下的兼容保护；儿童伤害指标的建立。国内清华大学汽车碰撞试验室在国内首先进行了儿童安全的研究。李可瑞等16根据欧洲ECE R44法规的相关标准和规定，设计了儿童安全座椅动态试验的台车系统总成和波形发生器，进行了国内第一次ECE R44的法规试验，为今后国内法规和座椅研究提供了试验基础；罗萌等17依据ECE R44法规的边界条件，在MADYMO环境下建立了儿童约束系统仿真模型，并在P3和P3/2等多种工况下验证了模型的有效性，研究了成人安全带特性和儿童安全带刚度对正面碰撞儿童乘员保护的影响；唐亮等18采用粒子群算法对增高坐垫进行了优化；林喆等19应用乘员约束系统的车体缓冲理论分析方法系统地研究了增高垫约束系统控制参数和构型的影响，发现了不同年龄（6岁、8岁和10岁）儿童碰撞响应的特点和差异。1.3研究的方法、目的及重点1.3.1 研究的方法本论文采用问卷调查和实地访谈方式，完成对中国市场（北京）儿童乘车安全意识、儿童座椅购买及使用状况的调研，现场访谈儿童座椅使用过程中有关设计的问题，同时对4S店销售儿童座椅座椅状况进行调研。然后，根据调研中确定的一些研究方向，搭建出基于真车环境的儿童增高垫约束系统仿真平台，并利用MADYMO软件对其进行求解，主要是针对安全带中安全带刚度，安全带限力器等参数修改，分析这些参数变化后，儿童乘员在汽车正面碰撞过程中的运动学和动力学响应的变化趋势，最终确定合适的参数值。1.3.2 研究的目的对儿童乘车安全意识在中国（北京区）认知程度有一个比较明确的统计，以便确定儿童乘车安全的宣传力度，普及儿童乘车安全知识。调研儿童约束系统使用及购买情况，确定准确的市场定位，有非常重要的意义；对儿童座椅进行现场安装及评价的调研，便于从消费者的角度审视儿童座椅的不足之处，确定某些相关的研究方向，这使得研究具有明确性；调研4S店儿童座椅销售状况，了解儿童座椅在4S店销售中的问题，确定4S店销售儿童座椅的可行性。同时采用计算机仿真的方法，搭建增高垫儿童座椅平台，针对调研中受访者提出的安全带刚度问题进行研究，主要是安全带织带物刚度系数、安全带限力器限力值改变时对6岁儿童伤害值的影响。本论文的调研工作目的，为儿童座椅市场推广提供相关参考数据，以便确定正确的市场定位；研究工作目的，为进一步研究学龄儿童乘车安全保护奠定了基础，可望对我国全面开展儿童乘车安全保护研究起到积极的推动作用。1.3.3 研究的重点本论文研究的重点：（1）对中国（北京）儿童座椅使用等状况进行问卷调研，并对结果进行分析。（2）对中国（北京）儿童座椅设计问题进行现场访谈调研，并对结果进行分析。（3）对高、中、低档车4S店进行儿童座椅销售相关调研，并对结果进行分析。（4）安全带织带物刚度系数、安全带限力器限力值等参数改变时，儿童乘员在汽车正面碰撞过程中的运动学和动力学响应的变化趋势，以确定合适的参数值。1.4论文的结构这篇论文第二章将介绍介绍了儿童座椅相关的基本知识，让读者对于儿童座椅的组成、儿童座椅的分类、儿童座椅的固定方式、儿童座椅的使用状况，让读者对于儿童座椅在形体上有一个比较全面的了解。第三章介绍了儿童座椅研究时的相关理论知识，包括儿童成员身体特殊性，儿童约束系统法规，儿童约束系统保护效果，儿童约束系统研究相关仿真技术简介等。第四章主要是介绍了中国（北京）儿童乘车安全知识了解状况，儿童座椅使用及购买状况进行问卷调研；对儿童座椅使用时出现的问题进行现场深入调研；对4S店销售儿童座椅进行调研，并分析调研结果。第五章，对第四章调研分析结果进行深入探讨，对于儿童座椅销售及儿童座椅相关研究提出一定建议。第六章介绍了仿真平台的搭建过程和方法，并用仿真平台对增高垫约束系统的安全性进行了初步的仿真研究。最后部分是对本文的一个总结和展望。希望通过这篇论文，能使人们意识使用儿童座椅的重要性和开展儿童乘员的正面碰撞安全性研究的必要性和现实意义，为我国儿童乘车安全研究积累经验，愿我国在成为汽车大国的同时，早日成为真正的汽车强国。2 儿童约束系统概述儿童约束系统对儿童在汽车碰撞中起到很重要的保护作用，因成人安全带是针对成人身高等参数设计的，儿童使用非但保护不了儿童的安全，还会对儿童造成严重的伤害。儿童约束系统，是为儿童乘车安全设计的专门座驾。2.1 儿童约束系统定义及组成2.1.1 儿童约束系统的定义儿童约束装置或者儿童安全座椅，是车辆中用来约束,限制体重不超过22.68Kg（50磅）儿童的所有装置的总称20。由儿童安全座椅，安全带和定位装置组成的儿童约束系统，通过将儿童束缚在约束系统上，将碰撞过程或者突然减速过程中儿童所受到的冲击力分散到儿童身体上最耐撞的部分，避免中央神经系统受到伤害，从而起到保护儿童的作用。2.1.2 儿童约束系统的组成儿童约束系统有很多种类，大部分儿童约束系统由儿童安全座椅或座垫、连接固定系统和安全带系统三部分组成。儿童安全座椅或座垫包括座椅支撑、儿童支撑和调节装置，连接固定系统包括约束定位装置和连接装置，安全带系统包括织带、卷收器、锁扣和长度调整机构21。其组成示意图如图2.1所示。图2.1 儿童约束系统的组成图Fig.2.1 Diagram of child restraint system2.2 儿童约束系统的分类2.2.1 欧洲分类根据儿童的体重，CRS分为5个质量组，具体情况如下表2.1所示：表2.1 按儿童体重分类22Table.2.1 According to the classification of the weight of children22年龄体重（Kg）分类新生儿00组（09Kg）0+组（013Kg）9个月9组（918Kg）1岁半13组（1525Kg）4岁186岁25组（2236Kg）11岁36根据所适用的车辆类型，CRS分为4种类型，具体情况如下表2.2所示：表2.2 按所使用车辆类型分类2324 Table.2.2 According to the classification of vehicle types2324类型适用车型说明安装位置全能型多数乘用汽车座椅车用成人安全带要符合ECER16标准前后座椅均可安装限制型特种车型的指定座椅半全能型大多数乘用汽车座椅车用成人安全带要符合ECER14标准且需要有附加定位装置特种型针对特殊车型设计集成设计与汽车成人成员约束系统安装所有乘坐位置上，包括行李箱2.2.2 北美分类北美地区将常用的CRS分为:后向式CRS、前向式CRS、婴儿提篮、增高座垫和内置型CRS(直接安装于车辆座椅中，不能拆卸，一般很少使用)，具体情况如表2.3所示。表2.3 北美地区儿童座椅分类22Table.2.3 The classification of the CRS in America22年龄体重（磅）分类新生儿0婴儿提篮（422磅）后向及前向通用式（565磅）9个月20前向式（2280磅）1岁半29增高坐垫（30100磅）4岁406岁5511岁79几种常见的儿童座椅图片： 图2.2 儿童提篮 图2.3 后向式儿童座椅Fig.2.2 Basket for children Fig.2.3 Rear-facing child seat 图2.4 前向式儿童座椅 图2.5 增高垫儿童座椅Fig.2.4 Front-facing child seat Fig.2.5 Booster seat2.3 儿童约束系统的固定方式2.3.1 ISOFIX固定方式 ISOFIX(International Standards Organization FIX)儿童安全座椅固定系统，是欧洲国家从1990年开始设计的一种儿童安全座椅接口的标准。ISOFIX包括车辆座椅座垫和靠背连接处的两个固定支座，CRS上面的两个刚性连接件，同时还有一个防止CRS向前旋转的构件。ISOFIX安装比较简单，人们比较容易接受，这种方式能够将儿童座椅很牢固地固定在座椅上，安装的正确率也比较高。同时，因为是刚性连接，可以提前通过车辆减速而不是通过安全带进行间接减速，能够很好的保证儿童的安全。目前，在欧洲销售的车型上都将这个接口作为标准配置，现在中国很多厂家，无论是合资还是国产车系上，都将这个接口作为标准配置。 图2.6 ISOFIX标志 图2.7 ISOFIX固定方式的儿童座椅Fig.2.6 The ISOFIX Fig.2.7 The child seat using the ISOFIX2.3.2 LATCH固定方式LATCH(Lower Anchors and Tethers for Children)包括车辆上的两个底部固定支座、CRS上相对应的两个连接件和一条顶部链绳。其中CRS上的连接件有可变形连接件和刚性连接件两种。根据美国和加拿大的相关规定，在2002年9月之后生产的乘用车(在北美地区使用) ,在规定的座椅位置处必须配有LATCH装置。LATCH固定方式实际上形成了三点固定式，这样ISOFIX规格的座椅也可以安装在LATCH系统上。现在大部分车型使用的是ISOFIX固定方式，而规格为LATCH的儿童座椅不能安装在这样的车型上，因而采用LATCH系统的儿童座椅兼容性差。 图 2.8 LATCH接口标志 图2.9 LATCH固定方式的儿童座椅Fig.2.8 The LATCH Fig.2.9 The child seat using the LATCH2.3.3 安全带捆绑方式安全带捆绑式的儿童座椅是使用汽车上三点式安全带固定的，因此可以在全世界上任何一个有三点式安全带配置车型使用。但是安装复杂，安装错误率高，会出现安全带不够长以至于无法安装的问题。 图2.10 三点式安全带 图2.11 安全带固定的儿童座椅Fig.2.10 Three-point belt Fig.2.11 The child seat fixed by the safety belt2.4 约束系统的工作原理车辆发生撞车事故，实际上是一系列的碰撞。从能量的角度，汽车碰撞过程发生三种类型的碰撞：（1）“一次碰撞”，即车辆与障碍物的碰撞，乘员的一部分动能即通过车体缓冲效应被车辆结构吸收，所吸收的能量就是车体缓冲能（Ride-down energy）。（2）“二次碰撞”，即乘员和车辆内饰（约束系统）的碰撞，该过程中约束系统吸收部分乘员动能，同时影响乘员的加速度响应。（3）“三次碰撞”，即乘员内脏（软组织）在自身惯性和约束系统作用下产生损伤，人体内脏（软组织）吸收能量越多，损伤越严重，在假人中通过压缩量损伤指标反应。图2.12经典二自由度车辆-乘员理论模型Fig.2.12 Two degrees of freedom vehicle occupant classical theory model图2.12为描述车辆缓冲概念的经典二自由度车辆-乘员理论模型，考虑两种极端的情况：（1）如果车身为刚体，没有结构变形发生，那么车体缓冲效率为0，乘员动能都被约束系统吸收；（2）如果约束系统为刚性，乘员相对车辆静止，那么车体缓冲效率为100%，乘员动能都被车辆吸收。由该理论模型可知，乘员的减速度峰值与乘员相对车辆的最大位移成正比，即约束系统吸收的能量直接影响乘员减速度峰值。对于好的车身结构和布置，正面碰撞过程中，汽车前部会被压碎变形从而吸收大量的能量来保证车内的乘员有更长的时间（距离）来减速。通过有效舒适的约束系统将乘员牢牢的固定在乘客舱内，乘员将和车身一起减速，减速时间越长，所受冲击就越小。对于成人来说，乘员通过安全带和车辆联系在一起。对于儿童成员通常会有安全带或者其他固定装置（比如ISOFIX装置）将儿童约束装置和车辆固定在一起，再由儿童约束装置将儿童固定。安全带本身不会吸收很多能量，但当安全带将乘员固定的越紧，身体相对与安全带的初始间隙就越小，约束系统等效刚度越大，车体缓冲效率越高，身体受到伤害越少，而碰撞的能量则将由填料和安全气囊所吸收。控制身体的减速度不但可以减小身体与外界的碰撞，而且减小身体内部器官以及骨骼之间的碰撞。然而松弛的约束系统或者坚硬的内饰表面都会在最终接触受力的瞬间给身体更大的冲击。所以基本上所有的儿童约束系统的设计原则都是尽可能紧的将儿童的身体和车辆固定在一起25。不过还需要考虑一个问题，那就是人体各部分对冲击的忍耐程度是不同的，所以约束的部位显得非常重要，剩下的能量我们希望尽可能的消耗在人体最强硬的部位上，对于成人来讲，比如肩膀，盆骨，其次是胸部。2.5 目前国内外儿童约束系统使用现状 2.5.1 国外儿童约束系统使用状况目前世界上已经有40多个国家对儿童安全座椅立法，强制其使用。在比较发达的欧美地区，有关于儿童约束系统使用有明确的规定。以美国，瑞典，加拿大为例：美国法律规定，儿童乘车时必须使用儿童安全座椅，如果汽车前座安装有双安全气囊，则必须把儿童安全座椅安装在后座上，违例者会被罚款100美元300美元；瑞典早在1982年就开始制定法规，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；加拿大法律要求，体重在18千克以下的儿童，乘车时必须坐在儿童安全座椅上，较重的儿童，则需扣上安全带，如果汽车前座安装有双安全气囊，切勿将儿童放在前排座位，违例者会被罚款。除此之外，发达的国家，还对儿童进行了儿童乘车安全知识的教育：在美国，一些学校将交通安全知识与课程结合起来；在英国，从1970年开始，各地中小学校开展儿童、学生交通安全教育行动，由学校向学生讲授安全思想和避免交通事故伤害的方法；在瑞典，在幼儿2周岁时就开始对他们进行交通安全教育，使他们掌握交通法规最初步、最基本的知识。进行这些基本安全知识的教育，让儿童了解乘车安全知识，为从小养成乘坐儿童座椅的好习惯奠定基础。在发达国家，正是在立法和教育的双重推动下，儿童安全座椅使用率才能够达到很高的水平。在欧洲，据1996年欧洲车辆安全性委员会 (EEVC) 报道，儿童安全座椅的使用率德国为52%，芬兰为71%，法国为75%，瑞典为87%；在北美地区，加拿大1997年调查，加拿大小于1岁儿童安全座椅使用率为95.3%，14岁儿童安全座椅使用率为 87.6% 26；在美国,1974年一项调查显示10岁以上儿童乘员只有7%在乘车时使用了约束装置 ,而从1978年田纳西州首先推出强制儿童乘车使用CRS开始，CRS的使用率直线上升,1995年NHTSA的一份报告就表明大于1岁的儿童乘车使用儿童约束系统的比例已经达到88% 5；美国 2002 年一项调查研究，02岁儿童安全座椅使用率为98%，3岁儿童95%，4岁儿童为74% 26。2.5.2 中国儿童约束系统使用状况中国儿童座椅使用相比国外普及率比较低。中国刚刚于2012年7月1日颁布实施了第一部关于儿童乘车安全的机动车儿童成员约束系统国家强制性标准。这部法律颁布在某些意义上促进了儿童座椅使用率的提高。在2011年，调查显示我国儿童安全座椅的使用率还不到1%3。2012年汽车之家进行了儿童座椅使用率调查，样本数量为2537个，样本为有车有孩子，孩子在12岁以下的用户，调查得出，中国儿童座椅使用率为30%左右，一线城市能够达到37%左右，其他城市为32%左右27。 图2.13 中国儿童座椅使用率 图2.14 不同级别城市儿童座椅使用率 Fig.2.13 The child seat using rate in china Fig.2.14 The child seat using rate in different cities另外，2012年，据从腾讯汽车与新华信共同推出“儿童乘车安全，您关注了吗？”的网络调查中显示数据，涉及被访问者数量为5783名，其中39.6%的被访者携带儿童出行时，会在后排放置专门的儿童安全座椅供孩子乘坐28，统计结果如图2.15所示。图2.15 新华信调研的儿童座椅使用率Fig.2.15 The survey of Xinhuaxin to the child seat using rate 总体来看，在儿童安全乘车法规未颁布之前，儿童座椅使用率是比较低的，到了2012年，法规颁布之后，儿童座椅使用率明显提高，目前粗略估计，中国儿童座椅使用率在城市地区能够达到30%左右，法规颁布，很好地促进儿童座椅的使用，但是相比发达国家90%以上的使用率，我们还有很长一段时间努力。3 儿童约束系统研究基础3.1 儿童身体特征及损伤机理3.1.1 儿童身体特殊性儿童不是成年人身材的简单缩小29。儿童生理解剖学特征儿童头部大而重，体干长、腿短，这是与成人明显不同的生理解剖学比例特征，婴儿时可达到50%以上，并且在不同的年龄阶段，头部占身体的比重有很大的差别，而成人头部的重量只占身体重量的6%30。具体如图3.1所示。图3.1 不同年龄头部所占身体比重图Fig.3.1 The head of the body proportions in different age体干长度占身体长度的比例也是随年龄的增长而发生变化的。儿童出生时的体干长度占身长的比例约为70%，3岁时约为57%，女孩13岁或男孩15岁时约为 50%。新生婴儿身长的中点略高出肚脐，到2岁时在肚脐的下方，16岁时身长的中点接近耻骨31，如图3.2所示。图3.2 儿童头部与身体长度比例关系图Fig.3.2 Proportional relationship graph with the head and the body3.1.2 儿童伤害级别儿童乘员的损伤评价方式通常参照成人乘员的损伤评价方式，按解剖学尺度说明受伤位置、损伤类型和该部位的相应伤害严重程度。该方法主要是对损伤自身进行评价，而非对其所产生的影响进行评价。被全世界普遍接受的解剖学上的标准是简明损伤标准（AISAbbreviated Injury Scale）。AIS31是一种对生命威胁程度的分级（见表3.1），AIS 值越高则表明对生命的威胁程度越高。每个AIS水平都有一个生物力学容限，这个生物力学容限是产生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。表3.1 简明损伤标准AISTable.3.1 AIS-Abbreviated Injury ScaleAIS伤害级别伤害级别描述0没有伤害（No Injury）1轻微伤害（Minor）2中度伤害（Moderate）3严重伤害（Serious）4强烈伤害（Severe）5致命伤害（Critical）6最大伤害（Maximum）3.1.3 大龄儿童损伤机理Adekoya et al通过美国国家卫生统计中心（NCHS, The National Center for Health Statistics）数据统计表明，19岁以下儿童头部致命伤中62%来自汽车交通事故8。Parenteau和Viano统计表明，对于4岁12岁儿童，头部是主要损伤部位，头部损伤来自头部与汽车座椅靠背、车身结构及内饰的碰撞，头部与前座靠背碰撞最常见33。Thompson et al.临床诊断中16岁以下的191名儿童患者中，71名（38%）患者为脑部损伤，包括颅骨断裂、硬膜血肿、脑出血以及鼻窦和面部骨折34。Brown和Bilston统计了27名8岁16岁儿童的脊柱损伤，其中8岁12岁儿童脊柱损伤最严重，损伤模式包括脊髓损伤、脊椎骨折和错位以及主韧带损伤35。由于儿童骨骼较软，所以颅骨损伤较少见，而脑干和脊髓的撕裂伤以及寰枕关节错位较常见36。脊椎损伤比例较小，但会导致麻痹或瘫痪，更严重的会致命。儿童不同部位脊椎损伤的动力学机理不同，颈椎和胸椎由肩带不良贴合引起，肩带滑出肩部导致颈部和胸部前向弯曲过大，引起颈椎脊髓拉伤；腰椎由腹带不良贴合或只使用腹带引起，腹带滑过骨盆侵入腹部导致骨盆前向转角过大，引起腰椎损伤，而腰椎、内脏和腹部损伤往往相互关联。Arbogast et al.通过统计交通事故中16岁以下儿童的伤害情况，得出4岁到8岁儿童的腹部损伤比例最高，是9岁16岁儿童的2.6倍，3岁以下儿童的24.5倍37。大龄儿童（6岁12岁）腹部和骨盆的损伤主要由腹带引起，其损伤机理为乘员发生“下潜”，腹带侵入腹部引起内脏伤害。3.2 儿童约束系统法规交通事故中，大部分人体伤害都是由于人体受到外力冲击所致，人体对外力的冲击有一定的承受能力。表示人体耐冲击性的物理量。一般采用加（减）速度、负荷、压力及位移（变形量），尤其是加速度，能准确地表示冲击大小的尺度，测量和数据处理也比较容易。3.2.1美国FVMSS 213法规美国是最早开始机动车被动安全性研究的国家，美国联邦机动车安全法规（FMVSS）提出了关于事故防止、碰撞伤害保护、伤害后的保护及其他能帮助提高汽车碰撞安全性的规则10。由于儿童约束系统与成人约束系统之间的显著差异，美国制定了FVMSS 213法规。该法规规定了包括碰撞性能、几何关系、说明书和标签、持久性能、易燃性以及产品注册的标准。与ECE R44一致，动载荷试验也是最为重要的评价内容。FMVSS 213尚没有引入尾撞的相关规定20。对所有按照 FMVSS 213 法规中的要求进行的测试中的儿童假人（体重没超过10Kg的儿童除外）均采用以下标准。1.头部损伤标准：采用头部合加速度不超过80g（持续时间不超过3ms的值除外）和极限值为1000的HIC36标准（有专家建议HIC36值应该更低些）。美国FMVSS提出的头部损伤耐受度的计算公式HIC为：HIC=maxT0t2t1T1 1t2-t1t1t2adt2.5t2-t1 3.1其中a是合成的加速度（g），T0为模拟的起始时刻，T1为模拟的结束时间；t1和t2分别为积分时间间隔内的起始时刻和结束时刻，这段时间间隔内HIC值最大。在1986年FMVSS法规中，用于计算HIC值的时间间隔限制为36ms，目前，在最终版本中这个时间间隔为15ms。2.胸部损伤标准：胸部合成加速度不超过 60g，但累积持续时间不超过 3ms的值除外。3.颈部损伤标准：NIJ是颈部损伤预测值，它是基于上颈部载荷元件测量的颈部轴向力（Fz）和关于通过假人枕髁的横轴的弯矩（My）的线性组合，目前 NIJ还没有被编入 FMVSS。NIJ 中的IJ代表了四重伤害机制，即 NTE（拉伸力）、NTF（弯曲力）、NCE（压缩力）和 NCF（压缩弯曲）。具体计算公式如下：Nij=FzFint+MyMint 3.2式中：Fz为颈部轴向力（N），My为关于枕骨节的弯矩（Nm），Fint为轴向力的耐受极限值（N），Mint为弯矩的耐受极限值（Nm）；其中颈部轴向力的耐受极限为2.0KN，颈部弯矩的耐受极限为20 Nm。3.2.2 欧洲ECE R44法规欧洲经济委员会（ECE）于1958年开始制定统一的汽车法规，其中ECE法规由成员国任意自选，被大多数成员国所接受，引入本国的法规体系。ECE R44的全称是机动车儿童乘员的约束保护装置认证的统一规定。ECE R44对儿童约束系统的结构及材料方面、整体性能方面、主要部件性能、CRS安装及固定要求方面、动态试验性能方面等都做了一些规定。其中最为重要的评价指标都是动态试验，这是儿童座椅在碰撞中必须达到的性能指标。动态试验部分规定了CRS应该具有的动态性能，并制定了详细的试验规程37。ECE R44除了正面碰撞之外，也对尾撞进行了较为详细的规定38。（1）胸部加速度。持续时间超过3ms的胸部合成加速度不超过55g。持续时间超过3ms从腹部到头部的垂直加速度不得超过30g。（2）腹部穿透性。试验过程中，不能有约束装置的任何部分穿透粘土人体模型的腹部的迹象。（3）人体模型的位移。3.2.3 中国机动车儿童乘员用约束系统在我国，中国汽车技术研究中心标准所已于2003年开始起草我国汽车用儿童约束系统的相关标准，机动车儿童乘员用约束系统标准已经在2012年7月1日正式出台，该项法规对儿童安全座椅本身的安全性，以及车辆如何正确安装儿童座椅都有具体规定，同时推荐使用儿童安全座椅专用接口。该标准以欧洲ECE R44标准为基础并按照我国国情进行适当修订，是强制性的国家标准。其对动态试验规定的内容与ECE R44无太大的差别，动态试验中儿童假人伤害指标也与ECE R44一致。3.2.4 欧美两大法规对比欧美两大法规体系具有很大的相似性。他们在台车的速度上面的要求一致，都是4850km/h，另外美国法规还有其他的配置。在台车加速度的波形上面，美国法规要求宽松一些，在对待假人的头部位移上面，美国法规也相对宽松，但欧洲法规没有把HIC值或者脖子受力作为判断标准，美国法规还对膝部的位移有自己独有的规定。详细对比参考表 3.2。总体来讲在可重复性和操作性上，欧洲法规比较可取。表3.2 欧美法规CRS动态性能评价指标对比2023Table.3.2 Comparison of European and America regulations index2023欧洲美国头部HIC值无不超过1000颈部Nij值/Fz无不同年龄段指标不同胸部合成加速度（g）5560加速度垂直分量（g）30无腹部不能存在明显穿透现象无位移X向（mm）（头部）前向式：550后向式：600有顶部固定：720无顶部固定：813Z向（mm）800（头部）915（膝部）注：1. 美国关于儿童颈部的伤害标准在FMVSS208法规中，而不是FMVSS213。2. 胸部加速度持续时间少于3ms的情况不在考虑范围。3. 欧洲后向式儿童座椅若以仪表板支撑X向位移极限值为700mm。4. 位移以座椅Cr点为基准点进行测量。3.3 儿童约束系统保护效果儿童座椅的保护效果目前来讲，最能有效防止交通事故造成乘车儿童意外伤害的方法是在车上安装儿童安全座椅。根据相关数据显示，不使用任何约束系统时儿童的损伤风险最高，儿童坐在增高座椅上，安全程度可以提高80%，如果只是使用成人座椅安全带，安全程度可以提高 60%40。儿童增高座垫可以减少碰撞中对儿童腹部的伤害。当儿童被垫高后，就可以使用成人安全带，便可保护儿童的胸部和头颈部。调查研究证明，使用增高座垫可将损伤风险降低 60%42。Kate de Jager等人指出对于增高约束和成人座椅带约束，头部仍是首要保护的部位，腹部保护的重要性逐渐增加，胸部的保护也相当重要41。对于大龄儿童乘员增高垫约束下的安全性，研究者从人体工学的角度进行了探讨