乘员碰撞保护装置和系统研究综述

汽车制造商和相关研究者非常重视开发乘员保护的装置和系统，这些装置和系统可以极大提高乘员的安全性。文中主要介绍了汽车安全气囊、安全带、儿童约束系统（FCRS）的相关研究。

文献[1]对汽车正碰进行试验测试，证明了方向盘中安全气囊对驾驶员的保护作用；文献[2]对汽车碰撞过程中安全带的作用进行研究，证明了安全带对乘员的保护作用，同时也证明了美国联邦法规的不合理性；文献[3]对汽车侧面碰撞过程进行了研究，证明了侧面安全气囊对乘员的保护作用，也验证了将乘员牵引到气囊保护区域装置的作用，并对该装置提出了设计要求；文献[4]在欧盟NCAP法规规定下，开发了一款儿童安全座椅装置，可保护儿童乘员的安全；文献[5]对美国联邦法规不建议2岁以下儿童使用RFCRS进行验证，结果可以证明建议的正确性，但是可用的分析数据较少，不能强有力的支撑结论。

1 安全气囊对驾驶员的保护作用研究[1]

为了加强对坐在座椅上的驾驶员在碰撞事故中的保护，密歇根大学运输研究所（UMTRI）最近使用中型男性和小型女性拟人化测试设备，进行了面包车在48公里/小时车速下的正面碰撞试验。

在测试过程中，进行了多组试验，包括使用或不使用安全带、使用或不使用安全气囊共4种组合情况，从而可以对在汽车碰撞过程中，安装在汽车方向盘内安全气囊，对驾驶员产生的影响进行研究。

经实际测试表明，安装在方向盘中的安全气囊，在其展开过程通常不会对驾驶员造成伤害，相反，安全气囊可以防止驾驶员可能发生的与方向盘和仪表板的接触，从而降低了驾驶员受伤的风险。

为了进一步验证研究结果的正确性，UMTRI对两辆2015款道奇，进行了48公里/小时下的碰撞测试，证明了之前的研究结果，表明装在方向盘内的安全气囊通常不会对驾驶员造成严重伤害，而且能增强在汽车正面碰撞事故中，对驾驶员的保护作用。

2 安全带在碰撞过程中对乘员保护的作用[2]

美国的联邦法规对汽车系安全带和未系安全带乘客的安全性提出了相应要求。这项法规，会让汽车生产厂家按照法规要求，进行安全带结构设计，从而满足法规要求的乘员保护规定，或许会鼓励厂家增加汽车上安全带的部属，因为保护未系安全带乘客的安全性难度比保护系安全带乘客安全难度大。

文中通过计算机模拟碰撞过程，并对仿真结果进行分析，比较了未系安全带乘员对系安全带乘员安全性造成的影响，同时也选择了联邦法规规定的10～12个设计参数，对其进行计算。

研究中，使用了2个汽车（中型轿车和中型SUV）和乘员有限元（FE）模型，在标准的碰撞条件下（USNCAP和FMVSS208），进行了碰撞仿真。利用响应面法（RSM）和遗传算法相结合的方法，计算出所选择的设计参数。2辆汽车中，中型轿车满足联邦法规，对安全带系统做出的相关规定，中型SUV未按照联邦法规进行设计。

结果表明：按照联邦法规规定要求进行设计的汽车中，系安全带乘员总体受伤害的风险增多，未系安全带乘员总体受伤害的风险降低；相反未按照规定设计的汽车中，系安全带乘员总体受伤害的风险会降低。研究证明了安全带对乘员的保护作用，同时也表明联邦法规的不合理性。将来，还需要进一步对研究结果进行证明。

3 汽车侧碰过程中安全气囊对乘员的保护[3]

许多研究已经证明了侧面安全气囊对乘员保护的重要性。然而，有些碰撞事故中尽管部署了侧面安全气囊，乘员仍受到伤害。这有两方面原因：一是碰撞的严重程度超出了预期的设计条件；二是乘客在碰撞时不在侧面安全气囊保护区域内，所以不能得到适当的保护

Yuki Maebo主要对碰撞事故中，侧面安全气囊对乘员的保护性能进行研究，研究了侧面安全气囊对保护区域外的乘员保护性能的影响，及在汽车发生侧面碰撞之前牵引乘员，将其拉到侧面气囊保护区域装置的要求。

研究结果表明，侧面碰撞时侧面气囊对保护区域内的乘员具有较好的保护作用，但对保护区域外乘员的保护作用较小。

同时研究表明：汽车侧面碰撞时，通过牵引装置将乘员拉到安全气囊保护区域，其肋骨区域受到的最大冲击力，相比未被拉回，减小了约44%，这证明了拉回牵引装置的有效性；同时也得到了拉回牵引装置的要求，其需要很大的能量才能在短时间内将乘员拉回保护区。

4 汽车碰撞过程中后排儿童乘员的保护[4]

自从2003年欧盟NCAP引入儿童保护协议以来，研究者对汽车中儿童保护系统进行了大量的研究。当时直接使用安全带，将儿童假人模型安装在汽车中，进行汽车正面和侧面碰撞测试，研究儿童模型受到的伤害。

2016版欧洲新车评价规程（E-NCAP）对汽车安全性提出了新的要求，将后排Q系列6岁儿童假人的损伤值作为儿童保护部分的评分依据，它将有助于进一步提高后排座椅上非儿童乘员的安全性，同时提高通过儿童安全座椅固定的儿童乘员的安全。

在新规程下，汽车的安全带系统起着重要的作用。新规程中增加了假人Q6和Q10，并增加了性能评价标准。Q6假人用于检验后排非儿童乘客在汽车碰撞过程中受到的伤害，而Q10被固定在安全座椅上，可以检验儿童在汽车碰撞过程受到的伤害。Q10假人的引入，可以鼓励汽车制造商创新乘员约束系统，不仅保护成年人，也可以更好地保护儿童。

文中在满足新规程要求下，新开发了一款儿童安全座椅，其椅垫可拆卸，可用于年龄较大的儿童，并配备有用于汽车肩带安全带导向的装置。采用CAE分析方法，进行了碰撞仿真，验证了新开发座椅的安全性。

5 儿童约束系统使用的研究[5]

美国国家公路交通安全管理局和美国儿童科学会建议，儿童至少要等到2岁以后才能放置在汽车后排儿童约束系统（RFCRS）中，2岁以前可放在前排儿童约束系统（FFCRS）。这些建议是基于实验室生物力学测试和现场数据分析。为了验证这些结论的正确性，文中使用全国汽车取样系统耐撞性数据库（NASS-CDS）重新评估了关于RFCRS的现场数据。

从NASS-CDS数据库中，选择年龄从0岁至2岁（0-23个月）儿童，发生的汽车碰撞事故进行分析，对事故中儿童的伤害率进行分析。为了验证美国联邦的建议的正确性，Mcmurry分析了1988-2003年（当时没有RFCRS）NASS-CDS中数据，及2003-2015年，出现RFCRS后NASS-CDS中的数据。

NASS-CDS数据中1988-2015年共包含1107起，0-2岁儿童碰撞事故，其中有47名儿童受到重伤。结果表明，使用RFCRS的0岁至2岁儿童的受伤率，会高于使用FFCRS的0-2岁儿童。但是可用的样本量太小，无法获得合理的统计学意义。

研究表明美国相关机构根据美国现场数据和实验室测试，做出的2岁以下儿童最好不使用RFCRS建议有一定依据，但是美国NASS-CDS现场数据太少，无法作为这些建议的有力统计基础。

[1]Christopher Wiacek,Douglas Weston,et al.ASSESSING THE PERFORMANCE OF STEERING WHEEL AIR BAGSFOR DRIVERSSEATED INWHEELCHAIRSDURINGFRONTAL CRASH TESTS[J].2017.

[2]Hu J,Klinich K D,Manary M A,et al.Does Unbelted Safety Requirement Affect Protection For Belted Occupants?[J].Traffic Injury Prevention,2017.

[3]Yuki Maebo,Ryo Maekawa.Study of the effect of precrash seatbelts in side impact and the necessary work load of pre-crash seatbelts[J].Procedia Engineering,2017,173：1390-1398.

[4]F Bendjella,R Frank,M Haas.Child occupant protection in rear seats：an example of CRSdevelopment with respect to Euro NCAP2016 protocol requirements[J].2017.

[5]TL Mcmurry,KB Arbogast,CPSherwood.Rear-facing versus forward-facing child restraints：an updated assessment[J].2017.