兒童約束系統(tǒng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)安全帶峰值張力規(guī)律研究

張曉龍,胡經(jīng)國,魏聚周,杜志豪

(1.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；2.卡達(dá)克機(jī)動(dòng)車質(zhì)量檢驗(yàn)中心(寧波)有限公司，浙江寧波 315336)

兒童約束系統(tǒng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)安全帶峰值張力規(guī)律研究

張曉龍1,胡經(jīng)國2,魏聚周2,杜志豪2

(1.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；2.卡達(dá)克機(jī)動(dòng)車質(zhì)量檢驗(yàn)中心(寧波)有限公司，浙江寧波 315336)

對采用汽車安全帶固定的兒童座椅動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，研究碰撞過程中安全帶峰值張力的大小及規(guī)律。首先，根據(jù)假人質(zhì)量及安全帶路徑規(guī)律對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，然后對各類試驗(yàn)的安全帶峰值張力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到如下結(jié)論：安全帶峰值張力不超過7 kN；0和0+組后碰試驗(yàn)中肩帶峰值張力小于腰帶峰值張力，但是張力水平較小；正碰試驗(yàn)中肩帶峰值張力均大于腰帶峰值張力，且隨著假人質(zhì)量的增大，安全帶張力水平也逐漸增大。此研究成果可以為兒童約束系統(tǒng)導(dǎo)向件的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

兒童約束系統(tǒng)；安全帶張力；導(dǎo)向裝置；動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

0 引言

隨著國內(nèi)外法律法規(guī)的健全以及人們行車安全意識(shí)的提高，兒童約束系統(tǒng)作為保護(hù)兒童乘員[1]、從而有效減輕甚至免受汽車碰撞事故傷害的保護(hù)裝置，得到越來越多學(xué)者的關(guān)注。目前對于兒童座椅的研究主要借助有限元工具，并集中在以下幾個(gè)方面：(1)針對某款兒童座椅的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使得碰撞過程中假人頭部位移以及假人損傷值降低[2-3]；(2)對兒童座椅誤使用安全性進(jìn)行分析[4-6]，為兒童座椅易用性評價(jià)提供依據(jù)；(3)進(jìn)行基于整車碰撞的兒童假人傷害研究，通過改善某些結(jié)構(gòu)的形狀及剛度，實(shí)現(xiàn)兒童座椅與整車的匹配[7-8]。

采用有限元分析方法對兒童座椅進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而滿足法規(guī)的各項(xiàng)要求，可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用[9]。但是目前兒童座椅制造商多為微型企業(yè)，科研實(shí)力欠缺，不得不依靠經(jīng)驗(yàn)或主觀判斷進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，從而造成市場上的兒童座椅產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。作者立足于大量試驗(yàn)案例，挖掘試驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，總結(jié)出普適性規(guī)律，以期對兒童座椅的設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用，具有較現(xiàn)實(shí)的意義。文中主要針對利用汽車安全帶固定的兒童約束系統(tǒng)進(jìn)行研究，重點(diǎn)關(guān)注碰撞過程中安全帶(包括肩帶及腰帶)峰值張力對兒童座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 安全帶峰值張力對兒童座椅結(jié)構(gòu)的影響分析

目前中國市場上流行的兒童座椅產(chǎn)品主要有兩種：(1)采用汽車ISOFIX固定點(diǎn)外加抗翻轉(zhuǎn)裝置，實(shí)現(xiàn)對兒童約束系統(tǒng)的固定；(2)采用汽車安全帶約束兒童座椅(或者兒童)[10-11]。文中主要研究第二種情況。

在對采用三點(diǎn)式安全帶進(jìn)行約束的兒童座椅進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，需按照廠家提供的安全帶走向示意圖，并在腰帶及肩帶處安裝張力傳感器，將張力預(yù)緊至(50±5)N的水平，完成座椅及假人的安裝。兒童座椅產(chǎn)品上經(jīng)常會(huì)設(shè)置一些安全帶通過裝置，如圖1—3所示，根據(jù)GB27887-2011規(guī)定，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過程中，該結(jié)構(gòu)不應(yīng)發(fā)生斷裂破壞[10]。

圖1 導(dǎo)向鉤 圖2 導(dǎo)向裝置 圖3 B類鎖止裝置

在碰撞瞬間，安全帶張力達(dá)到數(shù)千牛，如果這些導(dǎo)向或鎖止裝置強(qiáng)度不足以抵抗安全帶張力突變帶來的沖擊，則會(huì)斷裂，造成試驗(yàn)不通過。由于兒童座椅碰撞模型是一個(gè)高度非線性的系統(tǒng)，采用理論計(jì)算方法來獲得碰撞瞬間的峰值張力非常困難。因此，通過分析大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到安全帶峰值張力的大小規(guī)律，不失為一種行之有效的辦法。

2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)安全帶峰值張力分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分類

選取了359次試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由于在0和0+組試驗(yàn)中，座椅及假人需要后向安裝，假人質(zhì)量較小且差別不大，歸為一類進(jìn)行分析。通過對大量試驗(yàn)樣品研究發(fā)現(xiàn)，Ⅱ、Ⅲ組的安全帶走向大多一致，因此將Ⅱ、Ⅲ組的P6假人試驗(yàn)也歸為一類，其余按假人及組別進(jìn)行分類。分類完成后共有0和0+組、Ⅰ組P3/4、Ⅰ組P3、Ⅱ組P3、Ⅱ/Ⅲ組P6、Ⅲ組P10共6種情況，各類情況樣本數(shù)量如圖4所示。

圖4 各類情況樣本數(shù)量

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖5為全部試驗(yàn)樣本安全帶峰值張力分布，可以看出，大多數(shù)試驗(yàn)中，肩帶峰值張力大于腰帶峰值張力，但不超過7 kN，因此可以將7 kN作為兒童座椅導(dǎo)向裝置材料的選取指標(biāo)。

圖5 全部試驗(yàn)的峰值張力分布

從圖6—11中可以看出:正碰時(shí)肩帶峰值張力普遍大于腰帶峰值張力，這是由于在正碰過程中，假人臀部除受腰帶約束外，還受到座椅坐墊的摩擦[12]，而假人骨盆以上的部位僅受到肩帶的約束，假人胸部及頭部相對下肢發(fā)生較大的前向位移，因此肩帶的拉伸變形也更大一些。但從圖12中可以看出：后碰時(shí)這種情況剛好相反，腰帶峰值張力處于較高水平，但峰值張力水平總體較小，這是由于在假人后向安裝后碰試驗(yàn)中，座椅及假人由于慣性會(huì)產(chǎn)生向試驗(yàn)座椅靠背方向的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，假人及座椅上半部分靠近座椅靠背，而下半部分遠(yuǎn)離，導(dǎo)致肩帶松弛，甚至完全松弛，而腰帶張緊。在后期反彈的過程中，肩帶張力才會(huì)達(dá)到峰值水平。

圖6 0和0+組正碰安全帶峰值張力分布

圖7 Ⅰ組P3/4正碰安全帶峰值張力分布

圖8 Ⅰ組P3正碰安全帶峰值張力分布

圖9 Ⅱ組P3正碰安全帶峰值張力分布

圖10 Ⅱ/Ⅲ組P6正碰安全帶峰值張力分布

圖11 Ⅲ組P10正碰安全帶峰值張力分布

圖12 0和0+組后碰安全帶峰值張力分布

表1所示為不同情況的安全帶平均峰值張力，可以看出：隨著假人質(zhì)量的增大，峰值張力平均水平也逐漸增大。根據(jù)能量守恒定律可知，假人及座椅的動(dòng)能應(yīng)等于兒童座椅本體變形儲(chǔ)存的彈性勢能、安全帶繃緊所產(chǎn)生的彈性勢能以及各部件之間的摩擦消耗等之和。假人質(zhì)量增加導(dǎo)致碰撞總體能量的增加，因此安全帶需要產(chǎn)生更大的張力用于抵抗假人的運(yùn)動(dòng)。

表1 安全帶平均峰值張力 kN

2.3 試驗(yàn)案例分析

在對某款兒童座椅進(jìn)行Ⅲ組P10假人動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，其肩帶處安全帶導(dǎo)向鉤斷裂 ，如圖13所示，碰撞過程中肩帶峰值張力為5.584 kN。廠家根據(jù)此峰值張力制定導(dǎo)向鉤材料的選用原則，在換用耐沖擊強(qiáng)度更高的塑料后，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)后的表現(xiàn)優(yōu)異(見圖14)。

圖13 第一次試驗(yàn)高的塑料后的試驗(yàn) 圖14 更換為耐沖擊強(qiáng)度更

3 結(jié)論

在分析359次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得到了如下結(jié)論：

(1)碰撞試驗(yàn)過程中，安全帶峰值張力不會(huì)超過7 kN，該結(jié)論可作為導(dǎo)向裝置的設(shè)計(jì)選取依據(jù)；

(2)0和0+組后碰試驗(yàn)中肩帶峰值張力小于腰帶峰值張力，但是張力水平較小；

(3)正碰試驗(yàn)中，肩帶峰值張力大于腰帶峰值張力，且隨著假人質(zhì)量的增大，安全帶張力水平也逐漸增大。

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ResearchonSafetyBeltPeakTensionofChildRestraintSystemDynamicTest

ZHANG Xiaolong1,HU Jingguo2,WEI Juzhou2,DU Zhihao2

(1.China Automobile Technology & Research Center，Tianjin 300300，China；2.CATARC Automotive Quality Ispection Center (Ningbo)Co.,Ltd.，Ningbo Zhejiang 315336，China)

The safety belt peak tension was studied based on dynamic test data of child restriant system fixed by car safety belt.Firstly, the test data were classified according to weight of dummy and safety belt path, then each kind of belt peak tension was analyzed.The conclusions are that the safety belt peak tension is not more than 7 kN;shoulder belt peak tension is smaller than the lap belt peak tension in the rear impact of 0 and 0+group, but the tension level is low;oppositely the shoulder belt peak tension is greater than the lap belt peak tension in the frontal impact, and safety belt tension level increases gradually with the increase of dummy weight.The research results can provide guidance for the design of child restraint system.

Child restraint system;Safety belt tension;Guiding device; Dynamic test

2017-06-12

張曉龍(1978—)，男，研究生，高級工程師，研究方向?yàn)槠嚤粍?dòng)安全。E-mail：zhangxiaolong@catarc.ac.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.10.015

U467.3

B

1674-1986(2017)10-063-04