面向CRS 的不同车型车门特征波形提取方法研究

徐哲 郑玉玉 高冠宇 娄磊 刘灿灿

中汽研汽车检验中心（天津）有限公司 天津市 300300

1 前言

交通事故统计表明，侧面碰撞对儿童乘员的伤害致死率达到30%以上，根据医院监控系统的数据，发现儿童乘员 MAIS2+级的损伤有41%是发生在侧碰撞中[1]-[4]。侧面碰撞已成为继正面碰撞之后造成儿童乘员伤亡的主要原因[5]。国外一些国家已经将儿童约束系统侧面碰撞试验纳入标准法规中。但是目前我国对于儿童约束系统并没有侧面碰撞法规或者评价方法。

台车试验是一种重要的测试手段，与实车试验相比，能够有效缩短开发周期，降低开发成本。针对儿童约束系统产品的测试，台车试验尤为适合。通过研究发现：假人的损伤特性主要由车门速度、车门与座椅相对速度的波形和峰值决定[6]。目前国际上已经有了一些关于儿童约束系统侧面碰撞的台车测试方法，如澳大利亚AS1754 及CREP 中车门与座椅相对固定，但无法实现车门的侵入[7]；欧洲ISO/TRL 中采用类似铰链门作为模拟门板，可以实现侵入，但控制精度和一致性是难以解决的关键问题[8]；美国NHTSA 试验方法是用吸能铝块实现座椅和门板间的侵入[9]，ECE R129 法规中规定了车门速度、以及车门相对座椅的相对速度，但这两种方法也只能实现门板的平动和单一自由度侵入，不能模拟真实工况下车门不同部位的侵入情况。

为此，本文面向儿童约束系统进行车门区域划分，通过采集多款车型车门的不同区域的实车碰撞加速度波形，提取出不同车型车门的三个关键部位的特征波形，并验证波形及方法的有效性，为模拟真实的碰撞工况下车门不同部位的侵入情况奠定基础，也为我国儿童约束系统侧面碰撞法规或评价方法的制定提供参考。

2 面向CRS 的车门划分方式

儿童约束系统（以下简称CRS）根据安装方向可以分为正向安装、后向安装、以及侧向安装[10]。侧向安装一般适用于婴儿睡床，日常使用率极低，本文暂不考虑。根据儿童的体重，CRS 又可以分为0+组，一般为婴儿用（0-13kg）、I 组，一般为幼儿用（9-18kg）、II+III组，一般为学童用（15-36kg）[10]。Johannsen 等人[11]通过研究分析欧洲的交通事故，得出侧面碰撞中儿童需要保护的是儿童乘员头、胸和腹部。因此，可以将车门划分为头部、胸部、骨盆（或腹部）三个关键区域，CRS 在不同安装方向下车门位置划分示意图如图1-2 所示。

图1 CRS 正向安装时车门位置划分示意图

图2 CRS 后向安装时车门位置划分示意图

本文对国内多款车型后车门形状尺寸进行统计，并参考ECE R129 法规[12]，获得车门平均高度为CR 点向上500mm。同时，根据CRS 的组别划分，分别对不同年龄的儿童在乘坐不同组别的CRS 时，胸部、骨盆（或腹部）两个关键部位相对于车门的CR 点的高度进行了统计，如表1 所示。不同年龄的儿童用对应的儿童假人来模拟。

根据表1 的统计结果，以胸部和骨盆区域相对CR 点高度的平均值作为车门划分的依据，将车门划分为上、中、下三个部分。骨盆区域高度位置为CR 点向上235mm 区间内，胸部区域高度位置为CR 点向上235mm至435mm 区间内，头部区域高度位置为435mm 至500mm 区间范围内。面向CRS 的车门关键位置尺寸划分如图3 所示。

表1 胸部、骨盆区域相对于CR 点的高度

图3 面向CRS 的车门关键位置尺寸划分图

3 不同车型车门的特征波形提取

3.1 不同车型车门的关键部位实车波形采集

选取14 款不同的车型进行侧面碰撞试验，车辆信息如表2 所示。在每款车的左后车门内部各贴3 个传感器，传感器的位置为头部、胸部、骨盆三个关键区域的质心附近，如图4所示。侧面碰撞的试验设置依据《C-NCAP管理规则（2018 年版）》[13]，移动壁障行驶方向与试验车辆垂直，移动壁障中心线对准试验车辆R 点向后250mm 位置，碰撞速度为50-51km/h（试验速度不得低于50km/h）。试验后，分别获得不同车型车门上三个关键部位的碰撞加速度曲线，如图5-7 所示。

表2 车辆信息

图4 传感器位置

图5 不同车门头部区域（传感器1 位置）加速度曲线

3.2 不同车型车门的特征波形提取

通过实车碰撞试验已获得14 款车型的车门头部、胸部、骨盆三个关键区域的加速度曲线，以加速度曲线的平均值作为该区域的特征波形。以头部区域为例，计算方法如下：

图6 不同车门胸部区域（传感器2 位置）加速度曲线

图7 不同车门骨盆区域（传感器3 位置）加速度曲线

式中：a1，a2，...，an为不同车型车门的头部区域加速度曲线；a 为加速度曲线的平均值。

同时，计算得到14 组加速度曲线的标准差，计算公式如下：

式中：a 为加速度曲线的平均值；σ 为加速度曲线的标准差。

以平均值和标准差计算得到特征波形的上下限曲线，计算公式如下：

由此，获得的头部、胸部、骨盆特征波形以及其上下限曲线如图8-10 所示。

图8 头部特征波形及上下限

图9 胸部特征波形及上下限

图10 骨盆特征波形及上下限

按照如上方法也可获得实车碰撞非碰撞侧特征波形曲线及上下限，如图11 所示。

图11 实车非碰撞侧特征波形曲线及上下限

4 试验验证

对于CRS 来讲，目前使用的比较广泛的侧面碰撞方法是ECE R129 中的测试和评价方法，通过控制整个车门的侵入速度，以及车门与座椅的相对速度来实现侧面侵入。本文为了更真实的模拟侧面工况中，车门不同部位的侵入情况，采用不同部位输入不同特征波形的多点侵入的台车侧面碰撞方法，将上文中获得的头部、胸部、以及骨盆的特征波形分别输入到三个侧碰活塞中，每个活塞位置根据上文中的门板划分区域进行调节，将实车碰撞非碰撞侧特征波形输入到主活塞中，来实现三点侵入的侧面碰撞，如图12 所示。

图12 多点侵入台车示意图

采用ECE R129 的测试方法和输入特征波形的测试方法各进行1 次试验，试验中使用同一款CRS，使用Q3 儿童假人，CRS 的安装方式为ISOFIX+支撑腿，安装方向为正向，角度为直立。两次试验的照片如图13-14 所示。试验后，获得假人头、颈、胸部的伤害数据，如表3 所示。可以看到，ECE R129 和特征波形的测试方法下，假人伤害均满足R129 法规的限值要求。特征波形测试方法下，头部和胸部伤害指标下略小于R129 测试方法，是因为R129 试验中门板速度为6.8m/s，而特征波形测试方法下，输入的头部和胸部速度均小于6.8m/s，如图15 所示。特征波形测试方法下，颈部伤害指标下略大于R129 测试方法，是因为车门头胸两个部位输入的波形不一致，造成颈部较大的移位，从而导致颈部拉伸力和转矩比较大。综上，特征波形测试方法合理可行，且更能真实的模拟出侧面碰撞中不同部位的侵入情况。

图13 ECE R129 测试方法

图14 特征波形测试方法

图15 特征波形的速度曲线

表3 假人伤害对比

5 结论

本文分别对不同假人在乘坐不同CRS 时，头部、胸部、骨盆（或腹部）三个关键部位相对于车门的CR 点的高度进行了统计，面向CRS 对车门进行了关键区域的位置划分；同时，通过14 款不同车型的实车侧面碰撞试验，采集车门中头部、胸部以及骨盆三个位置的加速度数据，利用平均加速度与标准差的方法提取出三个部位的特征波形以及其上下限值；最后，进行了试验验证。与ECE R129 的测试方法进行比对，特征波形的测试方法下的假人伤害值与ECE R129 的测试方法差异不大，且均符合R129 法规的限值。试验结果合理可靠，试验方法可行，且能更真实的模拟侧面碰撞的侵入情况。本文的研究成果为我国儿童约束系统侧面碰撞法规或评价方法的制定提供参考，也对儿童约束系统产品的设计和改进具有一定的指导意义。