崔東輝，張氫

（1.寧波環(huán)球娃娃嬰童用品有限公司，浙江 寧波 315100；2.同濟大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 200092）

ECE R129(階段1)標(biāo)準(zhǔn)分析及其對兒童約束系統(tǒng)設(shè)計的影響

崔東輝1，張氫2

（1.寧波環(huán)球娃娃嬰童用品有限公司，浙江 寧波 315100；2.同濟大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 200092）

文章根據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(UNECE)針對汽車兒童約束系統(tǒng)制定的ECE R129最新標(biāo)準(zhǔn)，分析了該兒童約束系統(tǒng)的定義，包括質(zhì)量劃分，安裝方式，尺寸定義，測試假人，測試方式等方面。通過研究ECE R129標(biāo)準(zhǔn)，以實際研發(fā)的產(chǎn)品為例，著重討論了標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的新的要求以及其對兒童約束系統(tǒng)設(shè)計的影響；研究表明，其中新的質(zhì)量劃分方式，安裝方式以及新啟用Q系列假人對兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計影響有限，而新增的尺寸要求以及側(cè)碰要求對兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計影響較大，尤其是新增的支撐腿的尺寸要求以及側(cè)面碰撞傷害指標(biāo)的要求對兒童約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度，頭部吸能等方面的設(shè)計提出了更高的要求。

ECE R129；兒童約束系統(tǒng)；設(shè)計開發(fā)

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-80-07

1、背景

兒童安全座椅起源于歐美，率先在歐美地區(qū)發(fā)展并普及。從1968年英國制定了世界上第一個關(guān)于兒童乘員保護的法規(guī)BS 3254開始，至今已經(jīng)有40多年，有效降低了兒童乘員在交通事故中的死亡率及受嚴(yán)重傷害的幾率，特別是在防止兒童乘員在交通事故中發(fā)生頭部撞擊和胸部重要器官受到壓迫損傷方面的幾率明顯降低。

然而通過各類交通事故兒童乘員損傷的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)車輛發(fā)生正面碰撞工況時發(fā)生的兒童乘員的頸椎、頭部非接觸損傷、四肢損傷、腹部侵害以及在側(cè)碰碰撞工況下兒童假人頭部接觸和非接觸損傷成為主要的傷害。另一方面隨著生物技術(shù)、測量技術(shù)、汽車工業(yè)的發(fā)展，使得ECE R44法規(guī)在技術(shù)和測量手段上有了一定的提升和改善空間。

因此在2013年7月9日，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(UNECE)正式發(fā)布了針對機動車用兒童約束系統(tǒng)的新法規(guī)，第129號法規(guī)(ECE R129)第一階段，主要針對增強型兒童約束系統(tǒng)(ECRS)，俗稱I-SIZE。ECE R129標(biāo)準(zhǔn)的頒布和實施勢必對兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)產(chǎn)生重大影響，本文將 著重介紹ECE R129第一階段標(biāo)框架求下的I-SIZE兒童約束系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)要求。

2、ECE R129標(biāo)準(zhǔn)

ECE R129標(biāo)準(zhǔn)全名為《關(guān)于批準(zhǔn)機動車上使用的增強型兒童約束系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)定》，總共分為三個階段：第一階段針對整體式并僅采用ISOFIX接口及抗翻轉(zhuǎn)裝置固定的兒童約束系統(tǒng)；第二階段針對非整體式，采用車用安全帶結(jié)合ISOFIX接口固定的兒童約束系統(tǒng)；第三階段針對所有僅采用三點式車用安全帶固定的兒童約束系統(tǒng)；三個階段的劃分及大致時間表見圖表1。

表1 ECE R129 三階段實施時間表

ECE R129的三個階段分別對應(yīng)三類不同的兒童約束系統(tǒng)，不再允許任何單一型號的一款兒童約束系統(tǒng)集成其中的兩種或者三種類型。

本文主要研究已經(jīng)實施的ECE R129第一階段標(biāo)準(zhǔn)，對還未正式實施的第二階段和第三階段的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容不做討論。

ECE R129第一階段的標(biāo)準(zhǔn)是在ECE R44基礎(chǔ)上，將原先定義的ISOFIX類兒童約束系統(tǒng)進行補充升級所形成的一套新的標(biāo)準(zhǔn)，其主要在組別定義，尺寸類型，設(shè)計要求，測試方式等方面做了新的規(guī)定。ECE R129第一階段標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的兒童約束系統(tǒng)全稱為整體式通用型兒童約束系統(tǒng)，簡稱I-SIZE兒童約束系統(tǒng)。下面針對新增或者影響較大的改變內(nèi)容進行簡述。

1）規(guī)定了I-SIZE兒童約束系統(tǒng)與車輛的安裝固定方式只能是ISOFIX接口加抗翻轉(zhuǎn)裝置(上拉帶或者支撐腿)，并且該類兒童約束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式為整體式；

2）重新定義的人兒童約束系統(tǒng)質(zhì)量組的劃分，采用兒童身高結(jié)合最大允許使用體重的定義方式替代單一的質(zhì)量組的定義方式；

3）新增了乘坐兒童在15個月前必須背向車輛行駛方向乘坐的要求；

4）整合了ISOFIX外形尺寸類別，僅保留了正向座椅的ISO/F2X類別和反向座椅的ISO/R2類別，進一步統(tǒng)一了產(chǎn)品的尺寸設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；

5）增加座椅內(nèi)尺寸測量要求，坐高，坐寬，肩寬和肩高尺寸均需滿足設(shè)計所對應(yīng)兒童身高95%人群的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，即增加了乘坐兒童的匹配性要求；

6）增加支撐腿高度方向調(diào)節(jié)范圍和深度方向調(diào)節(jié)范圍要求，為I-SIZE歸入通用性提供技術(shù)支持，解決ISOFIX兒童約束系統(tǒng)與車輛的適配性問題；

7）引入側(cè)面碰撞臺車模擬測試要求，增強了兒童約束系統(tǒng)側(cè)面碰撞的保護性能；

8）增加頭部傷害值指標(biāo)要求，測量頭部傷害指數(shù)（15ms）和頭部合成加速度值（3ms）。同時監(jiān)控頸部傷害指標(biāo)；

9）啟用生物仿真度更高的Q系列假人。

新標(biāo)準(zhǔn)在產(chǎn)品的標(biāo)識，說明書，包裝、認(rèn)證方式、生產(chǎn)一致性控制、證書的批準(zhǔn)與撤銷、E-MARK認(rèn)證標(biāo)識的規(guī)范，動態(tài)測試正碰和反碰測試項目、靜態(tài)測試項目等方面的要求與ECE R44并無太大差別。

3、ECE R129標(biāo)準(zhǔn)新增要求對兒童約束系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的影響

3.1 安裝方式與兒童約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

申請ECE R129第一階段標(biāo)準(zhǔn)所適用的兒童約束系統(tǒng)的安裝方式必須采用ISOFIX接口加抗翻轉(zhuǎn)裝置的方式，另外此類兒童約束系統(tǒng)必須是整體式，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品設(shè)計要求如下：

1）兒童約束系統(tǒng)安裝方式的設(shè)計上只需要考慮ISOFIX接口加翻轉(zhuǎn)裝置的形式，抗翻轉(zhuǎn)裝置可以是支撐腿或者上拉帶，不需要考慮兒童約束系統(tǒng)的安全帶穿帶路徑，穿帶限位裝置以及相應(yīng)的鎖緊裝置的設(shè)計。也就是說此類兒童約束系統(tǒng)上不再允許出現(xiàn)任何跟車用安全帶安裝相關(guān)的部件、結(jié)構(gòu)或標(biāo)識；

2）此類兒童約束系統(tǒng)必須是整體式，兒童約束系統(tǒng)對乘坐兒童的約束只能采用兒童約束系統(tǒng)自身的部件，不允許借助車輛的任何部件對兒童進行約束。一般的我們認(rèn)為此類兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計上只能考慮自身安全帶系統(tǒng)或者整體式前置護體結(jié)構(gòu)。通常的當(dāng)前可認(rèn)證的2，3組帶ISOFIX接口兒童約束系統(tǒng)以及常規(guī)的借助三點式車用安全帶固定的前置護體類兒童約束系統(tǒng)將不被標(biāo)準(zhǔn)ECE R129第一階段所接受。

表2 表述了符合ECE R129的兒童約束系統(tǒng)圖例以及常見的不符合標(biāo)準(zhǔn)的座椅結(jié)構(gòu)及圖例。

表2 I-SIZE兒童約束系統(tǒng)圖例說明

3.2 質(zhì)量組劃分

I-SIZE兒童約束系統(tǒng)不再采用單一的質(zhì)量組劃分兒童約束系統(tǒng)的組別，而是采用兒童身高結(jié)合體重的方式來定義I-SIZE兒童約束系統(tǒng)的適用兒童范圍；

對產(chǎn)品質(zhì)量組的重新定義主要影響兒童約束系統(tǒng)的內(nèi)部尺寸的設(shè)計和頭枕機構(gòu)調(diào)節(jié)范圍的設(shè)計。

I-SIZE兒童約束系統(tǒng)適用兒童的范圍主要根據(jù)兒童身高確定，同時規(guī)定兒童約束系統(tǒng)加上乘坐兒童的體重不得超過33kg。因此在I-SIZE兒童約束系統(tǒng)設(shè)計時首先需要確定適用兒童的身高，根據(jù)試用兒童身高對應(yīng)的95%的兒童的體重確定兒童約束系統(tǒng)的最大設(shè)計重量，兒童約束系統(tǒng)的內(nèi)部 尺寸也需要依據(jù)最大適用兒童的坐高、坐寬、肩寬以及肩高范圍進行設(shè)計，具體的設(shè)計尺寸依據(jù)見章節(jié)3.4描述；另外由于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定乘坐兒童在15月之前必須采用背向前的乘坐方式，因而嬰兒提籃或者可換向式兒童約束系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)計尺寸必須滿足身高87cm的兒童(15個月兒童對應(yīng)的95%身高)的所有尺寸要求，否則該嬰兒提籃或者兒童約束系統(tǒng)將不被接受。

I-SIZE兒童約束系統(tǒng)設(shè)計身高范圍的確定同時還需要考慮動態(tài)測試對應(yīng)的假人大小，ECE R129定義了Q0、Q1、Q1.5、Q3、Q6、Q10共六個人偶，根據(jù)不同的兒童約束系統(tǒng)所設(shè)計的適用身高對應(yīng)的測試人偶大小對應(yīng)表見表3.2。如果設(shè)計身高尺寸超出對應(yīng)人偶的身高尺寸則選用較大一級假人進行碰撞測試，一般的根據(jù)I-SIZE兒童約束系統(tǒng)的定義及安裝要求前向使用的兒童約束系統(tǒng)多將兒童身高設(shè)計至105cm。

表3 兒童身高與測試假人身高對應(yīng)表

3.3 外部尺寸要求

為了解決I-SIZE兒童約束系統(tǒng)與車輛匹配性問題，標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格定義了I-SIZE兒童約束系統(tǒng)總成的最大輪廓尺寸，其主要通過外部總成尺寸檢查治具VSF(Vehicle Seat Fixture)來定義：

1）反向安裝兒童約束系統(tǒng)總成尺寸類別定義為ISOFIX SIZE CLASS D，必須滿足總成尺寸檢查治具ISO/R2 匹配要求（圖1）；

2）正向安裝兒童約束系統(tǒng)總成尺寸類別定義為ISOFIX SIZE CLASS B1，必須滿足總成尺寸檢查治具ISO/F2X 匹配要求（圖2）；

實施到具體的兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計，可以在設(shè)計之初生成虛擬尺寸檢查治具數(shù)據(jù)模型，在虛擬尺寸檢查治具框架內(nèi)完成產(chǎn)品的外輪廓設(shè)計和造型，考慮到設(shè)計數(shù)據(jù)上不進行體現(xiàn)的紡織覆蓋物以及實際產(chǎn)品不可控的收縮變形，因此在設(shè)計時建議做大外輪廓尺寸與檢查治具尺寸之間保留一定的設(shè)計余量。圖1-圖5為虛擬尺寸檢查治具框架外輪廓設(shè)計示例以及實際兒童約束系統(tǒng)外部尺寸檢查實例。

圖1 總成檢查治具VSF（ISO/R2）

圖2 總成檢查治具VSF（ISO/F2X）

圖3 虛擬尺寸檢查治具框架外輪廓設(shè)計示例

圖4 兒童約束系統(tǒng)外部 尺寸檢查實例

3.4 內(nèi)部尺寸要求

ECE R129標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定兒童約束系統(tǒng)的座高，肩寬，臀寬尺寸和肩高調(diào)節(jié)尺寸必須滿足對應(yīng)身高兒童的相應(yīng)尺寸數(shù)據(jù)，該尺寸數(shù)據(jù)分別對應(yīng)最大身高兒童和最小身高兒童的統(tǒng)計數(shù)據(jù)的95%尺寸和5%尺寸。

根據(jù)上述要求，兒童約束系統(tǒng)設(shè)計上需要關(guān)注的內(nèi)部尺寸分別為本體乘坐空間對應(yīng)的臀寬尺寸、肩寬尺寸，坐高尺寸、肩寬尺寸和肩高調(diào)節(jié)范圍，其中臀寬尺寸、肩寬尺寸需大于最大適用身高兒童對應(yīng)的95%人群的相應(yīng)尺寸，考慮到乘坐舒適性以及兒童約束系統(tǒng)面套和乘坐兒童衣服厚度，改尺寸應(yīng)至少大于理論要求尺寸20mm以上，坐高尺寸一般是指可調(diào)節(jié)頭枕調(diào)節(jié)至最高位置的尺寸，改尺寸應(yīng)大于最大適用身高兒童對應(yīng)的95%人群的相應(yīng)尺寸，肩高調(diào)節(jié)尺寸是指頭靠多肩帶位置相對本體底部的高度尺寸，理論上該尺寸當(dāng)頭枕調(diào)節(jié)至最低位置時不應(yīng)大于最小適用身高兒童對應(yīng)的5%人群的肩高尺寸，實際上兒童約束系統(tǒng)處于嬰兒使用模式時，底部往往會加墊較厚的內(nèi)襯緩沖墊，此時該肩高調(diào)節(jié)的最小尺寸可以是最小適用身高兒童對應(yīng)的5%人群的肩高尺寸加上內(nèi)襯緩沖墊的厚度尺寸，內(nèi)襯緩沖墊的厚度尺寸可以自行設(shè)定。

以下依據(jù)通常可以接受的可轉(zhuǎn)向使用的I-SIZE兒童約束系統(tǒng)對應(yīng)的最小適用身高和最大適用身高分別取45cm和105cm進行具體設(shè)計對應(yīng)尺寸實例說明圖5兒童相應(yīng)部位尺寸示意圖，表4為45cm身高兒童和105cm身高兒童5%和95%人群的尺寸統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖5 內(nèi)部尺寸測量部位示意圖

表4 兒童身高統(tǒng)計表

根據(jù)上述要求，在產(chǎn)品設(shè)計時需要依據(jù)上表紅色加粗顯示的尺寸進行兒童約束系統(tǒng)本體乘坐空間的相應(yīng)尺寸設(shè)計，兒童約束系統(tǒng)內(nèi)部尺寸設(shè)計及測量檢查表見表5。尺寸測量設(shè)備見圖6：

圖6 內(nèi)部尺寸測量裝置

表5 內(nèi)部尺寸設(shè)計及測量檢查表

3.5 支撐腿尺寸要求

在標(biāo)準(zhǔn)ECE R44中安裝方式為ISOFIX加支撐腿類型的兒童約束系統(tǒng)只能被定義為半通用型，主要是由于支撐腿的尺寸與車輛之間無法完全匹配。而在標(biāo)準(zhǔn)ECE R129中，ISOFIX加支撐腿類型的兒童約束系統(tǒng)被定義為通用型，為此標(biāo)準(zhǔn)ECE R129對支撐腿的尺寸做出了全新的定義以提高同車輛的匹配性。圖7為支撐腿尺寸要求示意圖，具體尺寸要求如下：

支撐腿寬度方向尺寸不得超過200mm；長度方向距離ISOFIX錨點距離調(diào)節(jié)尺寸范圍為 585mm-695mm；深度方向尺寸要求：支撐腿最上端距離兒童約束系統(tǒng)底平面不得超過80mm，支撐下端必須高度方向可調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)范圍為支撐腿腳部底平面與兒童約束系統(tǒng)底平面之間的距離至少為275mm-525mm。

圖7 支撐腿尺寸要求示意圖

ECE R129標(biāo)準(zhǔn)對支撐腿尺寸要求的變動對兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計無論在結(jié)構(gòu)強度設(shè)計上還是在調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計上增加了較大難度：

1）支撐腿長度方向距離ISOFIX錨點距離調(diào)節(jié)尺寸范圍要求為585mm-695mm，當(dāng)兒童約束系統(tǒng)處于使用狀態(tài)時，支撐腿外側(cè)距離ISOIFX錨點的距離最大為695mm。根據(jù)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)計的ISOFIX兒童約束系統(tǒng)該尺寸一般都不超過600mm。當(dāng)兒童約束系統(tǒng)處于正碰工況時，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力圖(圖8)可以明顯發(fā)現(xiàn)，支撐腿長度方向尺寸加大后對結(jié)構(gòu)整體設(shè)計剛度要求更高，因此設(shè)計時需要考慮支撐腿與ISOFIX鋼架組成的ISOFIX系統(tǒng)剛度能否滿足動態(tài)碰撞載荷的要求。目前校驗兒童約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度最有效的方式為模擬碰撞試驗，模擬碰撞試驗的驗證方式雖然最為直接，驗證效果最好，但是改方式同樣存在驗證周期長，驗證費用高，一旦驗證效果不佳，修改成本高，修改困難甚至造成前期的模具投入報廢等缺陷。因此引入計算機仿真分析技術(shù)進行前期結(jié)構(gòu)設(shè)計強度驗證可以取得較好效果，圖7的實例結(jié)構(gòu)可以分析校驗其在Q3假人正面碰撞工況下結(jié)構(gòu)強度，采用動態(tài)載荷的靜態(tài)等效方式進行結(jié)構(gòu)靜態(tài)強度分析，靜態(tài)載荷加載強度可以依據(jù)Q3假人所能承受的額最大載荷55g或模擬碰撞臺車最大加載加速度28g進行計算所得，具體的加載分析不在本文討論。

圖8 ISOFIX 鋼架系統(tǒng)受載分析圖

2）支撐腿下段調(diào)節(jié)尺寸要求為70mm-525mm。將當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)下常規(guī)的支撐腿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品設(shè)計的示意圖如圖9，可以明顯得出，此類結(jié)構(gòu)支撐腿上段和支撐腿下段之間的配合尺寸過小，無法滿足結(jié)構(gòu)的承載要求，因此ECE R129標(biāo)準(zhǔn)下的支撐腿結(jié)構(gòu)需要尋求新的解決方案，一般的可以考慮以下兩種解決方案，如圖10所示。

圖9 支撐腿調(diào)節(jié)尺寸示意圖

圖10 支撐腿結(jié)構(gòu)解決方案

解決方案1通過將支撐腿的2段式設(shè)計改為3段式設(shè)計，在達(dá)成支撐腿下段調(diào)節(jié)范圍要求的同時，保證了各段之間的配合強度。該解決方案的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)剛性較好，調(diào)節(jié)范圍可以設(shè)計的更大；其缺點是：結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜，成本較高。

解決方案2是通過盡可能的利用底座底平面以上支撐腿設(shè)計限制尺寸所允許的85mm高度的空間。理論上可以將支撐腿伸長后上下段之間的配合長度由原來的20mm增加至105mm，從而滿足支撐腿結(jié)構(gòu)承載的要求。為了盡可能多的利用底座底平面以上部分的空間，支撐腿結(jié)構(gòu)往往需要設(shè)計成外管套內(nèi)管的結(jié)構(gòu)，即支撐腿上段固定段采用截面面積較大的套管，下段可調(diào)節(jié)段采用截面較小的套管。由于支撐腿上段需要與兒童約束系統(tǒng)的底座或者ISOFIX鋼架需要采用連接機構(gòu)進行連接，因而如果采用截面較小的套管作為支撐腿上段的固定管，則需要去除連接機構(gòu)的尺寸，因而無法很好的利用底座平面以上85mm的空間尺寸。

另外針對使用支撐腿作為抗翻轉(zhuǎn)裝置的兒童約束系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)還對正面碰撞時支撐腿的使用做出了規(guī)定。ECE R129標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，除非兒童約束系統(tǒng)上所適用的支撐腿為固定不可調(diào)節(jié)并且不可拆卸的，否則本標(biāo)準(zhǔn)所定義的所有兒童約束系統(tǒng)都應(yīng)該進行誤使用測試，即僅使用兩個ISOFIX下固定點與測試設(shè)備進行連接的狀態(tài)下進行正面碰撞測試。在改測試條件下，如果兒童約束系統(tǒng)的支撐腿為可拆卸的，那么該測試進行前應(yīng)該將支撐腿整體拆除；如果支撐腿部件不可拆卸，但可折疊收納，且折疊后支撐腿的任何部件都可藏于底座內(nèi)部，不高出底座底平面，則該測試進行前應(yīng)先將支撐腿調(diào)節(jié)至收納位置；其它情況則將支撐腿調(diào)節(jié)至距離測試臺面最遠(yuǎn)位置。

3.6 側(cè)面碰撞要求

當(dāng)前ECE R44標(biāo)準(zhǔn)并未對側(cè)面碰撞做成規(guī)定，因而在兒童約束系統(tǒng)設(shè)計上并不會過多的考慮側(cè)面碰撞的保護性能。由于考慮道路交通事故統(tǒng)計中側(cè)面碰撞工況所占比例較高，因而ECE R129標(biāo)準(zhǔn)在動態(tài)碰撞試驗中引入側(cè)面碰撞測試的要求。

側(cè)面碰撞通過固定門板模擬汽車車門，在碰撞過程中從90度方向?qū)⒐潭ㄩT板直接侵入撞擊兒童座椅的側(cè)面。典型的側(cè)面碰撞測試臺見圖11，該撞擊方式模擬將兒童安全座椅放置在靠近碰撞側(cè)車門時發(fā)生的碰撞事故。側(cè)面碰撞臺車設(shè)備與兒童約束系統(tǒng)ISOFIX接口配合的錨固鋼軸被加長，在兒童約束系統(tǒng)受到撞擊時，可以整體延著碰撞方向滑動。側(cè)面碰撞的侵入速度范圍要求如圖12，時間和速度控制上下軌閾值見表6。

圖11 側(cè)面碰撞測試設(shè)備

圖12 側(cè)碰侵入速度控制圖

表6 時間和速度控制上下軌閾值

考慮側(cè)面撞擊時，ISOFIX連接處可自由滑動，同時側(cè)面撞擊的侵入速度最大為7.25m/s約26km/h，因此和正面碰撞相比較，側(cè)面碰撞對兒童約束系統(tǒng)和ISOFIX鋼架系統(tǒng)的強度要求不如正面碰撞苛刻，通過多款I(lǐng)-SIZE兒童約束系統(tǒng)產(chǎn)品的實際測試也得到了驗證。實際測試結(jié)果表明：側(cè)面碰撞試驗對兒童損傷最嚴(yán)重的為頭部區(qū)域的傷害，而且越小兒童，傷害值越高，以下以I-SIZE兒童約束系統(tǒng)在側(cè)面碰撞實驗中試驗結(jié)果為例說明側(cè)面碰撞試驗對兒童安全座椅設(shè)計的影響；圖13所示為其中一款I(lǐng)-SIZE兒童約束系統(tǒng)在側(cè)面碰撞實驗中Q0兒童假人的測試數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果表明改款兒童約束系統(tǒng)在受到側(cè)面撞擊過程中兒童約束系統(tǒng)對乘坐兒童假人的頭部保護性能不佳，頭部傷害指數(shù)接近限制要求，頭部加速3ms合成值超出限值要求。我們再來觀察改款兒童約束系統(tǒng)撞擊前兒童正常乘坐姿態(tài)時Q0兒童假人頭部狀態(tài)(圖14)以及撞擊過程中兒童頭部最大加速度值發(fā)生時刻Q0兒童假人頭部狀態(tài)(圖15)可以發(fā)現(xiàn)，Q0兒童假人頭部加速度值最大發(fā)生時刻為兒童約束系統(tǒng)保護測試受到側(cè)面臺車撞擊后快速擊打至兒童假人頭部的時刻。通過進一步分析可以發(fā)現(xiàn)撞擊前兒童約束系統(tǒng)對Q0假人頭部的包裹區(qū)域兩側(cè)間隙過大，造成測試臺車侵入瞬間造成的撞擊力直接作用在兒童約束系統(tǒng)側(cè)面并快速擊打至兒童假人頭部。因此我們在兒童約束系統(tǒng)設(shè)計時可以考慮采用以下方案改善側(cè)面撞擊性能。

圖13 側(cè)碰試驗Q0假人傷害

圖14 撞擊前Q0兒童假人頭部狀態(tài)

圖15 Q0兒童假人頭部受到擊打狀態(tài)

I-SIZE兒童約束系統(tǒng)在產(chǎn)品設(shè)計時一般可以考慮采用以下幾種解決方案：

1）兒童假人頭部接觸區(qū)域采用吸能性能較好的材料，如PU、EPP、EPS、高密度慢回彈海綿等；

2）增加兒童假人頭部的包裹性，減小兒童約束系統(tǒng)頭部接觸區(qū)域側(cè)面與兒童假人頭部之間的間隙，防止兒童假人頭部甩出包裹區(qū)域與汽車內(nèi)飾發(fā)生接觸以及減小兒童約束系統(tǒng)側(cè)面內(nèi)側(cè)對兒童假人頭部的沖擊載荷；

3）兒童約束系統(tǒng)與測試臺車侵入門板接觸區(qū)域設(shè)置吸能裝置，吸收部分侵入門板帶來的沖擊力。

上述兒童約束系統(tǒng)側(cè)面碰撞Q0假人頭部傷害值過大問題通過增加兒童約束系統(tǒng)兩側(cè)對兒童假人頭部的包裹性，并且將頭部側(cè)翼材料更換為吸能性能較好的PU材料后解決，更改后的Q0假人頭部狀態(tài)見圖16。改進后的側(cè)面碰撞頭部傷害指數(shù)測值明顯得到改善，具體見圖17：

圖16 改進后Q0兒童假人頭部狀態(tài)

圖17 改進后Q0兒童假人側(cè)碰頭部傷害值

3.7 傷害指數(shù)

ECE R129標(biāo)準(zhǔn)取消了胸部加速度Z向3ms合成值得要求，而增加了監(jiān)控頸部傷害指標(biāo)頸部張力和頸部扭矩。主要是因為之前技術(shù)手段無法直接測量兒童假人頸部傷害值，因而采用胸部Z向加速度值來替代胸部傷害。隨著新一代Q系列假人的問世，對假人頸部傷害值的測量不再成為技術(shù)難題，同時研究也表明胸部Z向加速度并不能有效反應(yīng)頸部傷害值。雖然對頸部傷害的測量技術(shù)手段得以解決，然而對頸部傷害限制的定義由于缺乏經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫和理論依據(jù)，因而ECE R129標(biāo)準(zhǔn)實施的前3年對頸部傷害值只作為監(jiān)控指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)正式實施3年后納入測試指標(biāo)值。

除了頸部傷害指數(shù)，還增加了頭部傷害指標(biāo)，分別取頭部3ms合成加速度、頭部傷害指數(shù)HPC15作為頭部傷害指標(biāo)。

通過測試研究表明，頸部傷害指標(biāo)在正面碰撞和反向反碰的測試條件下傷害值較大；頭部傷害指標(biāo)在正碰和側(cè)碰條件下傷害值較大。

從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計上，有效降低頭部傷害值和頸部傷害值的方法一般有增加限力裝置、緩沖部件或者預(yù)緊裝置等方法。典型的限力裝置有齒片式金屬卡槽限力器，崩塌式安全帶系統(tǒng)等，圖18為一種典型的齒片式金屬卡槽限力器。緩沖裝置一般通過在兒童乘坐空間增加緩沖坐墊，支撐腿系統(tǒng)增加吸能裝置等方式在碰撞過程中吸收一部分的沖擊動能，以減小乘坐兒童所受沖擊動能。另外還可以通過在自身harness系統(tǒng)上增加預(yù)加載裝置的方式消除兒童假人同harness系統(tǒng)之間的間隙，從而消除碰撞過程中因自身安全帶系統(tǒng)未完全束縛兒童引起的瞬間沖擊載荷。

圖18 齒片式金屬卡槽限力器

3.8 Q系列假人

P系列假人是上世紀(jì)79年代末80年代初主要由TNO公司研制，覆蓋0歲到12歲兒童的假人模型，一直沿用至今。目前的ECE R44標(biāo)準(zhǔn)和我國的GB27887標(biāo)準(zhǔn)仍然采用P系列假人進行碰撞測試，在長達(dá)30年的使用過程中P系列假人也暴露出了生物仿真度不高，測量通道不足，使用耐久性不夠，拆裝維修不便等缺陷。因而Q系列假人應(yīng)運而生。

Q系列假人相比P系列假人主要具備了以下優(yōu)點：

1）Q系類假人具有更高的仿真度，設(shè)計尺寸數(shù)據(jù)基于CANDAT數(shù)據(jù)庫所提供的近年兒童尺寸測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計；

2）Q系列假人可以裝備更多的如加速度計，角加速度計，測力傳感器，位移傳感器等各種測量儀器，有助于獲得更多更精確的數(shù)據(jù)；

3）Q系類假人的設(shè)計使拆裝更加方便，可重復(fù)性更好；

4）設(shè)計上能更好的固定和保護測量設(shè)備和線纜，并且將傳感器本身的影響降至最低。

Q系列假人所能測定的各項數(shù)據(jù)見表7：

表7 Q系列假人檢測數(shù)據(jù)表

Q系列假人在假人尺寸，質(zhì)量上與P系列假人差異并不大，因而對兒童約束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計影響不大 。

4、結(jié)束語

我國的兒童約束系統(tǒng)發(fā)展較晚，我國國家標(biāo)準(zhǔn)目前任然沿用的是ECE R44標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，并未引入ECE R129的要求。本文初步分析了ECE R129標(biāo)準(zhǔn)相對ECE R44以及我國當(dāng)前國家標(biāo)準(zhǔn)GB27887所提出的一些新的要求以及其對兒童約束系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的影響，希望對我國兒童約束系統(tǒng)生產(chǎn)廠家在新一代I-SIZE兒童約束系統(tǒng)的開發(fā)過程有所幫助。

本文研究表明當(dāng)前實施的歐洲最新標(biāo)準(zhǔn)ECE R129第一階段在多個方面做出了全新規(guī)定，其目的是加強兒童約束系統(tǒng)對兒童乘員的乘車保護性能，其中較為重要的加強項目如只接受ISOFIX加抗翻轉(zhuǎn)裝置對兒童約束系統(tǒng)進行安裝、15個月以下兒童乘車必須乘坐被向前的兒童約束系統(tǒng)、新啟用的Q系列假人并且更加全面的監(jiān)控傷害指標(biāo)以及增加側(cè)面碰撞試驗工況等

另外，本文研究還表明ECE R129第一階段標(biāo)準(zhǔn)新增規(guī)定一定程度上對兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高的要求，特別是對支撐腿在X方向上位置尺寸的規(guī)定對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強度提出更高要求；支撐腿自身高度的大范圍調(diào)節(jié)要求使支撐腿的設(shè)計結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，之前較為常用的支撐腿結(jié)構(gòu)設(shè)計方案將不再適用；而側(cè)面碰撞測試工況的引入對兒童約束系統(tǒng)側(cè)裝保護性能提出了更高的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。因此，依據(jù)ECE R129第一階段標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的兒童約束系統(tǒng)具有以下特征：

1）安裝方式簡便單一，錯誤安裝率低；

2）車輛適配性高，支撐腿調(diào)節(jié)范圍大；

3）整體式harness系統(tǒng)或者整體式前置護體，具備頭枕及肩帶隨動調(diào)節(jié)功能；

4）如果是嬰兒提籃，則內(nèi)部乘坐空間大，能容納15月以下兒童乘坐；

5）兒童約束系統(tǒng)頭部側(cè)翼包裹性好，兩側(cè)緩沖材料吸能性能好；

6）一般為可換向使用，適用于105cm以下兒童乘坐。

[1] Regulation No.129 《Uniform provisions concerning the approval of enhanced Child Restraint Systems used on board of motor vehicles (ECRS) 》[S]. 9 Jul 2013-07-09.

[2] 張金煥, 楊帆等. 基于ECER129法規(guī)的兒童座椅側(cè)面碰撞臺車試驗系統(tǒng)[J]. 汽車安全與節(jié)能學(xué)報 2015年：第6卷 第3期.

[3] i-Size:全球最權(quán)威的兒童安全座椅標(biāo)準(zhǔn). http://bj.xcar.com . cn/ 201407/news_1626479_1.html 2014-07-11.

[4] Regulation No.16《UNIFORM PROVISIONS CONCERNING THE APPROVAL OF: I SAFETY-BELTS, RESTRAINT SYSTEMS, CHILD RESTRAINT SYSTEMS AND ISOFIXCHILD REST -RAINT SYSTEMS FOR OCCUPANTS OF POWER-DRIVEN VEHICLES .

[5] 楊斌, 趙淑華. 歐洲最新兒童安全座椅標(biāo)準(zhǔn)ECE R 129解讀[J].標(biāo)準(zhǔn)科學(xué) 2014年09期.

[6] 聯(lián)合國i-Size或?qū)⑷〈鷼W洲標(biāo)準(zhǔn)[J]. 中外玩具制造2015年04期.

[7] 于峰. 機動車兒童乘員用約束系統(tǒng)發(fā)展趨勢研究[J]. 質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化 2015.03.

Study on ECE R129 (phase 1) and it’s influence for CRS design

Cui Donghui1, Zhang Qing2
（1. Ningbo Global KidsBaby Product Co., Ltd, Zhejiang Ningbo 315100; 2. School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092）

This paper discusses the definition of CRS, as well as its weight grouping, installation, dimension, dummy and testing according to new regulation of ECE R129 made by UNECE(United Nations Economic Commission for Europe). Along with our new CRS product design, this paper pays more attention on new requirement and influence of design of New I-SIZE CRS.

CRS; Design; ECE R129

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-80-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.028

崔東輝，工程碩士，中級職稱，就職于寧波環(huán)球娃娃嬰童用品有限公司。研究方向：汽車兒童安全座椅的研發(fā)。

張氫，教授，博士生導(dǎo)師，就職于上海同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院。研究領(lǐng)域：產(chǎn)品快速與智能優(yōu)化設(shè)計、機械控制與信息處理的理論和方法及其關(guān)鍵技術(shù)，以及工程結(jié)構(gòu)與設(shè)備研究開發(fā)。在機械動態(tài)設(shè)計與動力修改、大型機械抗震、機械產(chǎn)品三維設(shè)計與數(shù)字樣機及仿真、智能優(yōu)化設(shè)計、大型建筑的機械結(jié)構(gòu)、大型施工工程裝備及新工藝等方面取得了一定成果。