集成式儿童约束系统的研发*

张君媛，周 剑，李幸福，邱少波，李红建，唐洪斌

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025;2.第一汽车集团技术中心，长春 130011)

前言

目前广泛使用的分体式儿童安全座椅是一种儿童乘车时需要使用的独立装置，其种类和固定方式多样，安装操作过程较为复杂，使用时存在很高的误用风险，这是造成儿童座椅使用率低的主要原因。此外，现有的儿童乘员法规仅对儿童座椅本身进行考量，缺少对整车碰撞工况和与整车匹配的考虑。欧洲儿童乘员法规(ECER44)也只是对儿童座椅本身的性能进行考核，未考虑其在整车碰撞过程中的表现，在台车正面碰撞试验中，脉冲加速度峰值平均不超过25g，而据统计实际交通事故中汽车的平均减速度在30g左右。欧洲研究机构对儿童相关的交通事故数据调查也表明，满足ECER44法规标准的儿童安全座椅，在实际交通事故中体现的保护性能并不理想［1－4］。欧洲新车评价规程(EURO-NCAP)最早将儿童保护与整车碰撞联系到一起，在2009年开始执行的新方案中，要求整车进行碰撞安全性星级评价时，儿童保护性能成为整车必检项目［5］。

1 工作模式和初始结构设计

为安全起见，分体式儿童座椅都要求安装在汽车后排(婴儿座椅可以安装在前排，但须反向安装，并要求乘员侧的安全气囊处于不触发状态)，本文中选择某轿车后排座椅中间位置安装嵌入式儿童约束系统，由于1.5岁以下的儿童乘员需要使用后向式儿童安全座椅，考虑到结构设计的复杂程度，将2～10岁年龄范围内的儿童乘员作为保护对象，开发两种工作模式。

(1)将后排座椅中间位置的靠背部分向下翻折出来，放在成人座椅的坐垫上，露出隐藏在座椅靠背中的五点式安全带供2～5岁的儿童乘员使用。该工作模式通过靠背可翻折结构来实现，翻折结构与后排座椅的靠背骨架柔性连接。安全带肩带可调机构设计有穿槽和穿孔的机构，肩部安全带从穿孔中穿过，机构可上下滑动实现肩带位置的调节，五点式安全带的肩带与卷收器相连，可根据不同身高和体质量的儿童乘员，进行肩带位置的高度和长度的调节。安全带锁扣设计在可翻折的机构中，并通过机构与座椅靠背相连，工作模式和结构如图1(a)所示。

(2)将后排座椅中间位置的坐垫部分向上抬起至锁止位置，配合成人安全带供6～10岁的儿童乘员使用。坐垫举升机构采用四连杆的机构原理，通过锁止钩卡住滑动杆进行锁止。坐垫举升机构与整车后排座椅下方的地板通过螺栓固紧，工作模式和结构如图1(b)所示。

所设计的集成式儿童保护系统嵌入于整车后排座椅之中，坐垫和靠背的型面均受到已有的目标车整车后排座椅结构和后排空间的限制，为了能在不使用时将其隐藏，利用原整车后排座椅的型面，而未单独设计儿童座椅的型面。从这个意义上说，其乘坐舒适性逊于分体式儿童座椅。

2 集成式儿童约束系统的CAE分析

本文中以B级轿车作为约束系统的搭载车型。考虑该轿车以EURO-NCAP四星级安全评价为目标，故集成式儿童约束系统动态性能在满足ECER44法规的基础上，按EURO-NCAP整车正面碰撞四星级儿童保护性能的相应要求进行设计开发。EURO-NCAP要求在整车碰撞过程中，儿童约束系统自身结构没有大的变形与破坏，同时儿童假人的头部综合加速度、胸部综合加速度和胸部Z向加速度的限定值分别设置为72g～88g、41g～55g和23g～30g。小于最小限值可获得相应评分项的满分，大于最大限值则该项评为零分，伤害值处于最小值与最大值之间则按照一定的标准通过积分计算得分。

为预测集成式儿童约束系统在正面碰撞过程中结构强度及其对儿童的保护性能，通过对系统的初始结构进行动态强度和儿童假人伤害响应的CAE分析，对初始设计的集成式儿童约束系统的结构和系统参数进行相应改进和优化。考虑该车型以下面的4种正面碰撞工况:ECER44法规、某轿车50km/h刚性墙碰撞、56km/h－40%ODB碰撞和64km/h－40%ODB，其碰撞波形如图 2所示。其中由于50km/h－刚性墙碰撞波形的峰值最大，载荷条件最为苛刻，故选取该碰撞脉冲作为集成式儿童约束系统的强度分析和儿童假人伤害分析的目标工况。

2.1 系统的结构强度分析与改进

在整车碰撞过程中，儿童乘员由于惯性和车体减速度的作用整体向前运动，在安全带的约束和坐垫的支撑与接触作用下，其运动能量得以缓冲分散。该过程儿童约束系统的受力情况由假人的运动响应决定。假人的运动响应和集成式儿童约束系统结构变形是两个相对复杂的过程，目前常采用的方法是将两者综合在一起建立耦合模型进行分析，其建模过程和计算时间较长［6－8］。

本文中所采用的方法是先建立集成式儿童约束系统的儿童假人运动响应模型，模拟正面碰撞进行仿真计算，获得主要结构在碰撞过程中的受力情况(即力的时间历程曲线)，以此作为强度分析的加载条件，建立主要结构件的有限元模型，进行结构强度分析，并根据结果进行相应的修改，更新结构的有限元模型，重新进行仿真计算验证修改后的结构强度是否满足要求。该方法在节省建模和计算时间的同时，也能获得较准确的计算结果。所建立的两种工作模式的儿童假人运动响应模型，包括翻折坐垫、成人座椅中间位置的靠背、坐垫、安全带和P系列儿童假人(3岁、10岁儿童假人)，其中坐垫和靠背等均按照实际结构与尺寸进行设定。

以50km/h刚性墙碰撞波形为目标工况，进行两种工作模式儿童假人运动响应模型的正面碰撞仿真，获得碰撞过程中主要结构的受力情况，两种工作模式的仿真动画如图3所示。

仿真分析发现，第一种工作模式在碰撞过程中主要的受力位置集中在五点式安全带相应的固定位置，通过仿真计算输出安全带的受力情况，以此作为后续安全带固定结构强度分析的加载条件。第二种工作模式在碰撞过程中主要受力部件是坐垫举升机构，通过儿童假人运动响应模型的仿真，输出假人盆骨和左右大腿的受力情况，假人与坐垫的受力关系是相互作用的，通过计算假人受到的接触力，以此为基础将作用力叠加，作为坐垫举升机构强度分析的加载条件。输出的两种工作模式的主要结构加载条件如图4所示。

通过儿童假人运动响应仿真计算输出的力均是沿x、y、z 3个方向分力的合力，而在后续作为结构强度加载条件时考虑到工程安全系数，将力扩大到原有的1.2倍;加载时载荷垂直于坐垫举升机构上板结构的主平面。建立主要结构件的有限元模型，根据加载条件对系统主要部件进行结构强度分析。

分析发现第一种工作模式在肩部和腿部安全带的固定结构没有出现大变形，可以满足加载条件。第二种工作模式通过坐垫举升机构的强度分析，发现在加载过程中，其锁止部件发生破坏导致整个机构失效，并且坐垫举升机构上端中间位置由于应力集中发生明显的变形，如图5所示。

针对仿真分析结果，对坐垫举升结构进行修改，对结构的锁止部件进行重新设计，对坐垫上端进行结构加强。重新建立强度分析模型，分析结果如图6所示。

修改后的坐垫举升机构在力的加载过程中锁止可靠，上板结构没有发生大变形，机构整体满足加载工况的强度要求。

2.2 系统的参数优化设计

在保证儿童约束系统动态强度足够的同时，系统自身的一些参数对儿童假人的伤害也有较大的影响。本文中参考分体式儿童安全座椅的参数设计［2］，建立了集成式儿童约束系统两种工作模式的假人伤害响应模型，并选取坐垫摩擦因数、安全带刚度、坐垫刚度和安全带摩擦因数等作为优化参数进行DOE(design of experiments)优化设计。

将整车50km/h刚性墙碰撞波形作为加载条件，分别计算两种工作模式下儿童假人的伤害值，结果见表1。

表1 基础模型中儿童假人伤害值

为便于优化，将儿童假人头部综合加速度、胸部综合加速度和胸部Z向加速度3项指标加权取和，提出一个儿童约束系统的评价函数S:

式中:Head3ms为头部综合加速度最大值;Chest-R3ms为胸部综合加速度最大值;Chest-Z3ms为胸部Z向加速度最大值;下标3ms为持续时间。

S值越小，说明约束系统的保护性能越好。因此，以S作为目标函数，进行使目标函数最小的优化。以第一种工作模式为例，通过该种工作模式4参数3水平的正交试验，得到最优参数组合:安全带刚度降低12%，安全带摩擦因数为0.4，坐垫刚度增加20%，坐垫摩擦因数为0.5。计算模型在最优参数组合下3岁儿童伤害值，头部、胸部和胸部Z向加速度的最大值分别为63.2g、36.4g和15.6g，较优化前的伤害值有了明显改善。将求得的系统最优参数组合带入到ECER44、整车56km/h偏置和64km/h偏置等3种碰撞工况进行系统仿真，结果表明:最优参数组合使这3种碰撞工况下儿童假人的伤害值均有明显的降低。

考虑到DOE优化设计过程中的试验不能覆盖全局，求得的仅是理论上的最优组合，为保证优化结果对实际生产更具指导意义，将优化参数进行一定幅度的调整，生成各个区间内随机数据表，随机选择30组数据，进行稳定性试验，结果如图7所示。

图中直线为DOE中寻得的优化解。由图可见，儿童约束系统评价函数的最大值和最小值与基准相比差异区间宽度为5.98%，小于10%，由随机模拟的计算结果可知，优化设计点对于整个系统具有稳定性，该优化设计点可以采用。同样也对第二种工作模式的基础模型进行参数优化，求得其参数的最优组合，并通过稳定性分析验证了优化结果的合理性。

3 系统的台车碰撞试验

为验证所设计集成式儿童约束系统的性能，试制了两种模式的儿童约束系统物理样件，并进行了不同工况的8次正面台车碰撞模拟试验。图8为50km/h刚性墙碰撞的台车试验。儿童假人伤害试验结果如表2所示。

表2 儿童假人伤害试验结果

由表2可见，集成式儿童约束系统两种工作模式下的正面台车碰撞试验中，3岁和10岁儿童假人的伤害值满足ECER44法规要求，按照EURO-NCAP标准进行评分，3岁儿童假人可获得儿童保护的满分，而10岁儿童假人也可获得高分评价。

碰撞试验中获得的儿童假人伤害值与仿真优化结果的误差在10%以内，这也验证了优化设计对约束系统的试制具有良好的指导作用。

4 结论

针对目前儿童安全座椅存在的操作复杂、误用率高等问题，以某B级轿车为搭载车型，设计了一款使用操作简便，能够供不同年龄段儿童乘员使用的集成式儿童约束系统。并且从最初的概念设计到最终性能验证的整个研究流程中，以整车恶劣工况50km/h刚性壁碰撞为目标工况，运用CAE仿真技术，进行了虚拟设计和仿真，并根据分析结果对儿童约束系统进行了结构改进与参数优化，保证了该系统各项性能满足目标约束，减少了后期试验的反复过程。所开发的集成式儿童约束系统使用操作方便，能有效地避免误用，并且其动态保护性能可以满足ECER44法规要求，并在整车正面碰撞工况下能够获得EURO-NCAP儿童保护的高分评价。

［1］胡佳，钟志华，水野幸治.儿童座椅正确使用和误使用的正面碰撞台车试验仿真［J］.汽车工程，2009，31(1).

［2］张君媛，毕莹，周剑.面向欧洲新车评价的汽车正面碰撞儿童座椅参数设计［J］.中国机械工程，2010(8).

［3］张金焕，杜汇良，马春生，等.汽车碰撞安全性设计［M］.北京:清华大学出版社，2010.

［4］Trosseille X，Schrooten M.Child Restraint System for Children in Cars-CREST Results［C］.The 18th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles，Japan:Nagoya，2003.

［5］Euro-NCAP:Child Protection Assessment Protocol Version Limited RearSpace［S/OL］.［2009 － 03 － 24］.http://www.euroncap.com/Content-web-page/fb5e236e-b11b-4598-8e20-3eced15ce74e/protocols.aspx.

［6］Weber S，Johannsen H，Schindler V.Protection for the Smallest Occupant-Status Quo and Potentials Concerning the Development of Child Restraint Systems［C］.The 20th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles Conference.France:Lyon，2007.

［7］Joshua A，William W.FMVSS Child Occupant Protection Regulations［C］.SAE Paper 2006 －01 －1138.

［8］Tanner B，John F.Response of the 6-Month-Old CRABI in Forward Facing and Rear Facing Child Restraints to a Simulated Real World Impact［C］.SAE Paper 2002 －01 －0026.