張學(xué)榮,何 娟,王海燁,吳 淼

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013； 2.好孩子兒童用品有限公司,昆山 215300；3.無錫出入境檢驗(yàn)檢疫局,無錫 214000)

前言

2014年7月機(jī)動車兒童乘員用約束系統(tǒng)試驗(yàn)比對工作組發(fā)布了《實(shí)驗(yàn)室間機(jī)動車兒童乘員用約束系統(tǒng)試驗(yàn)比對總結(jié)報告》，該工作組選擇11家測試機(jī)構(gòu)對兩款好孩子品牌的兒童座椅進(jìn)行比對試驗(yàn)[1]，依據(jù)為GB27887—2011《機(jī)動車兒童乘員用約束系統(tǒng)》[2]。報告結(jié)果顯示，各實(shí)驗(yàn)室動態(tài)測試中存在很多差異和問題，導(dǎo)致各實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)結(jié)果離散性較大[3]。由于兒童約束系統(tǒng)的仿真已有較多的研究，但對于其各影響因素的系統(tǒng)研究較少[4-6]，尤其是結(jié)合試驗(yàn)的研究較少。針對上述報告結(jié)果，本文中通過仿真模型的計算和試驗(yàn)驗(yàn)證，定量研究兒童約束系統(tǒng)測試流程中各因素對測試數(shù)據(jù)離散性的影響，制定出有效的控制方法與措施，用以減少測試偏差和保證測試數(shù)據(jù)的一致性。

1 兒童約束系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h2>

選取3款已通過GB27887法規(guī)試驗(yàn)的兒童安全座椅進(jìn)行研究，模擬仿真假人均采用TNO P系列3歲兒童[7]，約束方式分為兩大類，即通用類與半通用類。其中通用類又分為兩種，分別為類型A和類型B，如圖1所示。

圖1 不同約束類型的兒童安全座椅模型

依據(jù)GB27887法規(guī)，在MADYMO軟件中建立兒童約束系統(tǒng)臺車仿真模型[8]。經(jīng)過正碰臺車模型的搭建、兒童安全座椅模型的搭建及定位、材料參數(shù)的試驗(yàn)獲取及輸入、假人的定位、三點(diǎn)式安全帶及五點(diǎn)式兒童約束帶系統(tǒng)(Harness)的固定預(yù)模擬等過程，并定義正確的碰撞波形、接觸關(guān)系，完成整個臺車試驗(yàn)兒童約束系統(tǒng)仿真模型的建立。不同約束類型的兒童安全座椅見圖1。

2 仿真模型與試驗(yàn)的一致性驗(yàn)證

根據(jù)國標(biāo)要求，仿真模型的驗(yàn)證主要包括兒童測試假人模型的胸部合成加速度和胸部垂直加速度時間歷程曲線、頭部位移和兒童假人傷害指標(biāo)等動態(tài)響應(yīng)與試驗(yàn)的對比，從而評價仿真模型的有效性。模型均經(jīng)過驗(yàn)證，僅以類型B為例，圖2和圖3所示為仿真與試驗(yàn)中兒童測試假人胸部合成加速度和胸部垂直加速度曲線對比。圖4為頭部水平位移達(dá)到最大時仿真與試驗(yàn)一致情況比較，可見具有良好吻合度。假人主要傷害指標(biāo)具體數(shù)值對比見表1。

圖2 胸部合成加速度曲線

圖3 胸部垂直加速度曲線

圖4 頭部水平位移最大時刻

表1 仿真與試驗(yàn)指標(biāo)對比

從表中可以看出，仿真與試驗(yàn)中兒童假人損傷評價指標(biāo)數(shù)值的誤差范圍控制在10%以內(nèi)，誤差范圍滿足仿真精度要求；仿真得到兒童假人胸部合成加速度、胸部垂直加速度以及上拉帶張力時間歷程曲線與碰撞臺車試驗(yàn)所得的相應(yīng)曲線吻合較好，曲線形狀、升降趨勢、脈寬以及峰值對應(yīng)時刻等較為接近，說明該碰撞仿真模型的動力學(xué)響應(yīng)是準(zhǔn)確的，可以用于后續(xù)的研究工作。

3 檢測結(jié)果一致性影響因素研究

根據(jù)兒童約束系統(tǒng)碰撞測試試驗(yàn)的基本過程，定量研究各因素對動態(tài)測試偏差的影響顯著程度，從而減少測試結(jié)果的離散性。本文中主要從下列4個因素進(jìn)行定量分析：碰撞波形差異、臺車坐墊泡沫剛度衰減系數(shù)、安全帶導(dǎo)向件摩擦因數(shù)和支撐腿初始安裝角度。

其中，基準(zhǔn)模型為：減速型臺車碰撞波形是后面3個因素研究的基礎(chǔ)，泡沫剛度是以衰減15%為基礎(chǔ)模型，導(dǎo)向件摩擦因數(shù)以0.2為基礎(chǔ)模型，支撐腿角度是以中間值86°為基礎(chǔ)模型。在研究每個因素時，其他因素均為基礎(chǔ)模型，以研究各因素對結(jié)果的影響趨勢。

3.1 碰撞波形差異影響分析

選擇具有兒童約束系統(tǒng)測試3C資質(zhì)的11個測試機(jī)構(gòu)中的4(A，B，C，D)，對測試波形進(jìn)行比較分析。各自測試設(shè)備產(chǎn)生的碰撞波形曲線如圖5所示。碰撞波形均符合GB27887—2011規(guī)定的上、下限范圍。

圖5 4家測試機(jī)構(gòu)碰撞波形疊加分析

4個使用測試機(jī)構(gòu)中，一個使用減速型碰撞臺車，其余3個使用加速型碰撞臺車，碰撞速度在49.67～50.85km/h范圍內(nèi)，加速度峰值在22.02～24.19g之間，加速型臺車在碰撞加速度大于20g的持續(xù)時間相同，碰撞加速度大于15g時間接近，但測試機(jī)構(gòu)B的碰撞波形與測試機(jī)構(gòu)A和C的實(shí)驗(yàn)室碰撞波形存在較大差異，主要表現(xiàn)在碰撞早期階段，測試機(jī)構(gòu)B的試驗(yàn)波形存在較大的波峰。測試機(jī)構(gòu)D的減速型臺車在加速度峰值與持續(xù)時間上較加速型臺車偏大，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。

同一款兒童安全座椅在上述4種碰撞臺車類型和碰撞波形的仿真作用下，其胸部合成加速度、胸部垂直加速度、頭部合成加速度時間歷程對比如圖6～圖8所示。對于4個測試機(jī)構(gòu)的不同碰撞波形，P3兒童假人頭部均在98ms左右達(dá)到最大水平位移(圖9)。

表2 碰撞波形匯總分析

圖6 胸部合成加速度時間歷程

圖7 胸部垂直加速度時間歷程

圖8 頭部合成加速度時間歷程

圖9 兒童座椅及兒童頭部運(yùn)動到最大位移的位置

測試指標(biāo)的差異性如表3所示?？梢钥闯?，由于碰撞波形的不同，導(dǎo)致相應(yīng)的兒童假人動態(tài)響應(yīng)的差異。測試機(jī)構(gòu)B測得的胸部合成加速度的第一個波峰明顯小于A和C，胸部垂直加速度在最大峰值處也與A和C有明顯的差異，而頭部合成加速度峰值也小于其他兩種加速型臺車測得的加速度峰值，其峰值時刻也較晚。對于測試機(jī)構(gòu)D的加速度曲線結(jié)果，其胸部合成加速度和垂直加速度在第二大峰值處，較其他3種加速型臺車測得的結(jié)果大；頭部合成加速度峰值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他3種。同時，從表3可以看出，各碰撞波形的差異導(dǎo)致兒童假人的損傷值有較大的偏差，其中頭部損傷值的最大偏差達(dá)到了15.9%，胸部3ms合成加速度偏差也達(dá)到了14.6%；相比較而言，胸部垂直加速度和頭部位移的偏差較小，分別為4.2%和2.3%。

表3 碰撞波形差異對乘員損傷和頭部位移的影響

3.2 臺車坐墊泡沫剛度衰減系數(shù)影響分析

兒童安全座椅測試臺車坐墊與靠背泡沫剛度會隨著測試次數(shù)的增加而衰減，且每相鄰兩次測試應(yīng)間隔足夠的時間，等待泡沫剛度的恢復(fù)，或直接在多塊泡沫之間進(jìn)行輪換，且在泡沫經(jīng)過一定的測試次數(shù)之后，泡沫剛度衰減到一定程度后需要進(jìn)行淘汰。根據(jù)新臺車泡沫測試數(shù)據(jù)的分析，通常會比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的泡沫剛度略高，因此綜合確定下面4個因素水平研究臺車泡沫剛度影響：(1)標(biāo)準(zhǔn)要求的新臺車泡沫剛度減少15%；(2)標(biāo)準(zhǔn)要求的新臺車泡沫剛度；(3)標(biāo)準(zhǔn)要求的新臺車泡沫剛度增加15%；(4)標(biāo)準(zhǔn)要求的新臺車泡沫剛度減少30%。

針對圖1中的類型B約束工況，進(jìn)行仿真計算和分析，輸出胸部3ms合成加速度和垂直加速度曲線，及相應(yīng)的兒童假人損傷值，統(tǒng)計結(jié)果如表4、圖10和圖11所示。

表4 臺車泡沫剛度對乘員損傷和頭部位移的影響(類型B)

圖10 類型B胸部垂直加速度時間歷程

圖11 類型B胸部合成加速度時間歷程

可以看出，臺車泡沫剛度對胸部垂直加速度的影響最顯著，4個因素水平產(chǎn)生的最大偏差為8.6%。對頭部水平位移和胸部合成加速度影響較小。

同樣采用上述4個因素水平，研究采用圖1中類型A三點(diǎn)式汽車座椅安全帶固定兒童安全座椅及五點(diǎn)式約束帶固定P3兒童的工況。臺車泡沫剛度變化對兒童頭部水平位移、胸部合成加速度、胸部垂直加速度的影響，如表5、圖12和圖13所示。

表5 臺車泡沫剛度對乘員損傷和頭部位移的影響(類型A)

圖12 類型A胸部合成加速度時間歷程

圖13 類型A胸部垂直加速度時間歷程

針對上述兩種采用不同約束方式的工況分析，臺車泡沫剛度影響最顯著的是胸部垂直加速度，最大偏差達(dá)到22.8%，且出現(xiàn)在臺車泡沫剛度衰減30%的情況下。因此需要嚴(yán)格控制臺車泡沫剛度的范圍，規(guī)定測試一定次數(shù)后，必須強(qiáng)制更換。

3.3 安全帶導(dǎo)向件摩擦因數(shù)影響分析

不同的兒童約束系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)室，采用的三點(diǎn)式安全帶導(dǎo)向件結(jié)構(gòu)和材質(zhì)也有差異，因此在安全帶和導(dǎo)向件間的摩擦因數(shù)也不同，本研究設(shè)定該摩擦因數(shù)為4個因素水平，分別為0.1，0.2，0.3，0.4，研究該摩擦因數(shù)對乘員頭部水平位移和胸部加速度損傷的影響。

對采用三點(diǎn)式安全帶僅綁定兒童座椅的工況(類型A)，其安全帶導(dǎo)向件摩擦因數(shù)的影響如表6所示。

表6 D環(huán)、帶扣摩擦因數(shù)對頭部水平位移和胸部加速度的影響(類型A)

從表中可以看出，安全帶導(dǎo)向件不同摩擦因數(shù)對P3假人的胸部垂直加速度的影響最顯著，4個因素水平產(chǎn)生的最大偏差為4.6%，對頭部水平位移和胸部合成加速度影響較小。

對采用三點(diǎn)式安全帶同時綁定兒童座椅和P3兒童假人的工況(類型B)，仿真計算后，其安全帶導(dǎo)向件摩擦因數(shù)的影響如表7所示。

對于上述兩種分別采用三點(diǎn)式汽車座椅安全帶同時綁定兒童座椅和假人及僅綁定兒童座椅的工況分析，安全帶導(dǎo)向件摩擦因數(shù)影響最顯著的是胸部垂直加速度，最大偏差達(dá)到21.0%，且類型B約束方式與類型A的損傷值差異較大；導(dǎo)向件摩擦因數(shù)對類型B假人的胸部垂直加速度影響較大。另外，導(dǎo)向件摩擦因數(shù)在0.2～0.3的范圍內(nèi)，可以維持在平均損傷值水平。特別在對類型B的試驗(yàn)工況下，要注意導(dǎo)向件摩擦因數(shù)的影響，避免產(chǎn)生較大的試驗(yàn)偏差。

表7 D環(huán)、帶扣摩擦因數(shù)對頭部水平位移和胸部加速度的影響(類型B)

3.4 支撐腿初始安裝角度影響分析

對于采用ISOFIX及支撐腿固定方式，如圖1中類型C，測試時支撐腿的初始角度存在較大的變化范圍，有的呈現(xiàn)向內(nèi)傾斜，有的接近垂直，有的向前傾斜。本研究支撐腿傾角變化4°時產(chǎn)生的影響，如表8、圖14和圖15所示。

表8 支撐腿初始角度變化影響分析

圖14 支撐腿角度對胸部合成加速度的影響

可以看出：支撐腿初始安裝角度對胸部垂直加速度影響最大，偏差值達(dá)到6.4%，對頭部位移和胸部合成加速度的影響較小，偏差值分別為1.7%和0.5%；支撐腿與水平線夾角88°的最傾斜初始角度，測得的頭部位移和胸部垂直加速度值最小，且該工況下胸部加速度曲線較其他兩種角度平穩(wěn)，采用此種工況可以減小試驗(yàn)偏差。

圖15 支撐腿角度對胸部垂直加速度的影響

4 影響因素試驗(yàn)研究

綜合分析上述各影響因素的結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：兒童假人頭部相對Cr點(diǎn)水平位移總體不敏感，其中影響最顯著的是僅采用三點(diǎn)式安全帶固定安全座椅和假人時的導(dǎo)向件摩擦因數(shù)，其最大偏差4.2%；對兒童胸部合成加速度影響最顯著的是碰撞波形的差異，最大偏差14.6%，其他因素均小于5%；胸部垂直加速度對臺車坐墊泡沫剛度、安全帶導(dǎo)向件摩擦因數(shù)最為敏感，數(shù)據(jù)過于離散，偏差大于20%，支撐腿初始角度次之，偏差為6.4%。

對各因素進(jìn)行了定量分析，但各因素的變化范圍設(shè)定不同，因此最大偏差不代表該因素的絕對靈敏度。

在對上述4個方面的影響因素進(jìn)行模擬研究的基礎(chǔ)上，選擇一款兒童安全座椅分別在上述3個測試機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)際測試。具體數(shù)據(jù)見表9，具體測試錄像如圖16所示。

表9 同一款兒童安全座椅試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)對比分析

在該測試中，考慮了碰撞波形、坐墊泡沫剛度、導(dǎo)向件摩擦因數(shù)和支撐腿初始安裝角度這4個方面的影響因素。對試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，完全符合上述模擬研究的結(jié)論，最大差異依然出現(xiàn)在胸部垂直方向加速度上，最大的偏差達(dá)到22.6%，其次為胸部合成加速度最大偏差為6.6%，頭部相對Cr點(diǎn)水平位移最大偏差為3.3%，且不同的測試機(jī)構(gòu)出現(xiàn)最大位移的時刻也不一致。

圖16 3個測試機(jī)構(gòu)不同時刻對比分析

根據(jù)上述仿真模擬與試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)分析，要控制兒童安全座椅動態(tài)測試結(jié)果的一致性，需要在現(xiàn)有法規(guī)措施的基礎(chǔ)上采取如下控制措施，進(jìn)一步提高測試結(jié)果的一致性，減少離散程度。

(1)動態(tài)測試過程中增加對安全帶導(dǎo)向件摩擦因數(shù)范圍的規(guī)定，控制在0.2±0.05或0.3±0.05范圍內(nèi)，避免范圍過大；

(2)嚴(yán)格執(zhí)行試驗(yàn)坐墊的標(biāo)定制度(以每50次動態(tài)試驗(yàn)后或者至少每個月，以先到的時間為準(zhǔn))，相鄰兩次測試間隔時間很短時，必須建立試驗(yàn)坐墊的輪換制度，確保坐墊每次標(biāo)定記錄的峰值與初始值偏差不應(yīng)超過15%；

(3)標(biāo)準(zhǔn)需增加支撐腿初始安裝角度的要求，為使測試數(shù)據(jù)更加保守，測試過程中應(yīng)使支撐腿接地部位為最前位置，從而使支撐腿擺放于最斜立位置；

(4)根據(jù)國內(nèi)測試機(jī)構(gòu)設(shè)備水平，對加速型臺車縮小碰撞波形的上、下限，提高胸部合成加速度的一致性，且目前已具備相應(yīng)的執(zhí)行條件。

5 結(jié)論

通過對通用類與半通用類的兒童約束系統(tǒng)正面碰撞臺車模型的仿真與試驗(yàn)分析，定量研究了碰撞波形、坐墊泡沫剛度、導(dǎo)向件摩擦因數(shù)和支撐腿初始安裝角度這4個方面的因素對動態(tài)測試偏差的影響顯著程度，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真研究的結(jié)論。研究結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)室間碰撞波形差異對P3兒童假人頭部損傷值和胸部合成加速度影響最顯著；對于三點(diǎn)式汽車安全帶同時固定兒童座椅及兒童的工況來說，導(dǎo)向件摩擦因數(shù)對兒童胸部垂直加速度影響最顯著，坐墊泡沫剛度次之；對于三點(diǎn)式汽車座椅安全帶固定兒童安全座椅及5點(diǎn)式約束帶固定兒童的工況，坐墊泡沫剛度對胸部垂直加速度影響最顯著，而導(dǎo)向件摩擦因數(shù)對兒童各項(xiàng)損傷指標(biāo)影響不明顯；對于ISOFIX及支撐腿固定方式，支撐腿初始安裝角度對P3兒童假人的胸部垂直加速度影響最顯著。

依據(jù)本文中提出的控制措施，各實(shí)驗(yàn)室可以通過控制相關(guān)的試驗(yàn)條件，減少實(shí)驗(yàn)室間測試結(jié)果的偏差，提高測試的一致性，從而改善我國機(jī)動車兒童乘員用約束系統(tǒng)檢測能力的整體水平。