汽车设计---儿童乘员约束系统的设计与应用

儿童乘员约束系统的应用
文/上海泛亚汽车工程技术中心
【摘要】近年来，越来越多的汽车进入普通家庭, 我国汽车保有量大幅增加。

汽车对儿童乘员保护的要求也随之受到重视。

本文描述了儿童座椅的应用及儿童约束固定系统ISOFIX的设计规范，重点阐述如何通过儿童座椅约束系统来减少儿童乘员在碰撞事故等紧急情况出现时受到的伤害。

【关键词】儿童、约束系统、安全
【Abstract】Recently for more and more private cars appearing in the families in China, to look after the security of child becomes more and more important. This article showed the design rules for child seat and the child restraint system named ISOFIX, which is used to reduce the possibility of injury to child when we encounter the abrupt car accidents
【Key words】Children, Restraint System, Security
0 前言
汽车安全问题一直是社会广泛关注的焦点。

近年来，车辆安全方面的研究得到了世界各国的广泛重视，其中欧美国家已将儿童乘员的保护纳入到当地的强制法规中。

根据测试，当汽车以每小时40公里行驶时突然紧急刹车，此时5.5公斤婴儿体重相当于110公斤。

在这种情况下，如果把儿童放在普通座位上或者成人怀抱中，儿童的安全将得不到保证。

并且儿童将会是事故的最先受害者，即使不发生任何事故，强烈的晃动也会影响儿童大脑的发育，另外不正确的坐姿也会影响儿童的正常呼吸。

近几年，中国汽车行业在对儿童乘员的保护方面也做了大量的研究开发工作，同时还以征求意见稿的形式开展了大量的儿童保护方面的技术标准、法规的立法征询工作，该项法规不久将实施。

该法规详细规定了专门为儿童乘员提供约束保护系统的汽车安全儿童约束系统，以保证在车辆碰撞事故发生时，为儿童提供安全保护，从而减少对儿童的伤害程度。

儿童安全约束系统由两部部组成：儿童安全座椅和与儿童安全座椅相匹配的接口。

儿童安全约束法规中规定了各汽车厂商只有在汽车座椅配有儿童安全座椅装卸辅助装置或者ISOFIX（国际通用的儿童安全座椅专用连接装置），才能获得上市资格。

另外，要求有关厂家生产合格的儿童安全座椅配合使用。

今后，新车座椅上的儿童安全座椅安装辅助装置将成为新车出厂的标准配置，儿童安全座椅则可选配。

1儿童约束系统的分类
儿童约束系统是指为12岁以下儿童提供的约束保护系统。

基于儿童的生理特点，不论是体重还是体型等方面，不同年龄段差异较大。

从总体来讲，约束保护系统按照不同年龄分为4大类：
即0～1岁用约束系统、1～4岁用约束系统、4～8岁用约束系统、8～12岁用约束系统。

对于不同类别的儿童安全约束系统，他们的结构、在车上的固定座位及固定方式等各有不同。

各类别特点如下
1.1 0～1岁用儿童约束系统
该类儿童约束系统也叫婴儿用约束系统，它主要适用于0～1岁儿童（用于体
重小于13kg的儿童）。

按照结构又分为婴儿床和婴儿椅。

这类儿童约束系统只能安装在车辆的后排座位上。

对于婴儿床，约束系统横向安装，保证儿童横卧于车中。

对于婴儿
椅，约束系统为纵向安装，保证儿童在车中处于向后的状态。

这类座椅用一根车上的成年安全带进行固定，儿童在座椅上用儿童座椅自身安全带进行固定，这样可以轻松固定及取出座椅。

1.2 1～4岁儿童用约束系统
该类儿童约束系统的核心结构为儿童座椅，它主要适用于1～4岁儿童（体重9kg～18kg的儿童），此类儿童约束系统只能安装在车辆后排座位上。

在车上的安装方式可以是后向的，也可以是前向的。

对于体型较小的儿童，多采用后向安装，该型式也适用于不到1岁但体重超过9千克的儿童。

对于体型较大的儿童则采用前向安装方式。

1.3 4～8岁儿童用约束系统
该类儿童约束系统也称为支撑垫式儿童约束系统，主要适用于4～8岁儿童。

此类儿童约束系统可以安装在车辆后排座位上和乘员侧座位上。

但是，在前面乘员侧装有安全气囊，并处于工作状态的情况下，则不能安装在乘员侧座位上。

该类儿童约束系统不需要任何连接而直接安放在车辆座位上，由坐垫与靠背组合而成的。

对儿童乘员的约束系统的主要作用是改变儿童乘员的乘坐状态以满足与成人用汽车安全带的佩带。

1.4 8～12岁儿童用约束系统
该类儿童约束系统是直接采用成人用汽车安全带约束系统，但对儿童的乘坐位置提出了限制。

儿童乘员只能在车辆座位前方无安全气囊的座位上乘坐，通常指后排座位，它由坐垫组成。

这类儿童座椅用车上成人安全带将儿童和坐垫一起固定在座位上。

2儿童约束系统的组成
根据以上介绍，可以看出，不同种类的儿童约束系统其组成是不一样的。

总体上讲是由为儿童提供乘坐或卧躺空间的座椅或床、将儿童约束在其中的约束带系统以及将整个约束系统安放在车辆上的固定装置等三大部分组成。

2.1 乘卧空间
主要有座椅型式、婴儿床式、支撑垫式。

婴儿床式和支撑垫式变化较为简单。

而对于座椅式，型式变化较多，如靠背角度可调，前后向安装方向可调，还有椅垫和骨架组合式、附带保护横栏式等。

2.2 约束带系统
约束带系统是将儿童可靠地约束在乘卧空间内的一套系统（如图1所示）。

适用于4岁以下儿童乘员。

其主要组成部分
图1约束带系统
1）约束带肩带出口
一般有2～3对出口，以适用于不同身高的儿童，同时为儿童提供肩部约束。

2）肩带夹
用于限制肩带外滑可能造成的儿童乘员从约束带系统中滑出，同时能够调整约束带与乘员儿童的佩带关系。

3）约束带
为儿童乘员提供约束。

该约束带通常采用鞍马式结构，对儿童肩部、腰部以及胯部提供约束。

在保证一定强度的同时，还应保证能为儿童提供均衡的约束。

4）约束带带扣
用于打开或锁住约束带系统，以便儿童的出入或约束。

5）约束带松开锁止机构
用于松开约束带系统，以便调整约束带的长度来适应不同身高的儿童，并在调整合适后，锁住织带。

6）约束带调节机构
用于调节儿童约束系统的长度，以适应不同身高儿童的需要。

可以由卷收器组成。

2.3、固定装置
固定装置是指将儿童约束系统即儿童约束座椅和婴儿用约束系统连接在车身上指定座位的固定系统。

该固定装置可以采用儿童约束固定系统即ISOFIX，也可直接适用成人
汽车安全带。

1）儿童约束固定系统ISOFIX
该儿童约束固定系统由两个下固定点和一个上固定点组成（见图2、图3、图4、图5所示），它由车辆制造商直接设计在车辆指定座位上。

能安装不同型式的儿童约束系统，便于提高儿童约束系统的通用性。

该类儿童约束固定系统的结构、在车上的安装位置以及其强度在相应的标准法规中给予了规定。

图2儿童下部的固定方式（刚性支架连接）
图3儿童下部的固定方式（柔性织带连接）
图4 ISOFIX下固定点及其标识
图5 ISOFIX上固定点及其标识
ISOFIX接口是国际上专门针对儿童座椅的标准接口，ISOFIX系统可以让儿童座椅与汽车成为一体，可以提前随汽车减速而不是通过安全带间接减速，极大提高了儿童的安全。

在国外，家用轿车基本上都支持ISOFIX 接口而且销售的汽车安全座椅也都必须具备ISOFIX接口。

不过在国内这方面就存在着很大的差别了，国内只有部分车型的座椅具备ISOFIX接口，从而可以安装具备ISOFIX接口的儿童汽车安全座椅。

1.1）上部固定点区域的定义：
上部固定点的区域在ECE R14附录9中图3~10中有详细规定，同样在美标FMVSS 225的图3~7中有详细规定。

两法规对儿童座椅上部固定点区域的规定是完全相同的（见图6、图7、图8所示）。

理论上只要上部固定点位于该区域内都是满足法规要求的。

按照要求，分别建立R点，W点，V点（见图6所示）。

图6基准点
图7参照欧标，区域为90°
图8 参照美标，区域为45°
1.2）下部固定点（Lower Anchorage ）：
下部固定点主要靠两个固定支架来安装儿童座椅，见图9所示
图9下部固定点
下部固定支架为一段断面直径为D的圆柱形刚性支架，D为支架经过油漆或抛光后的直径。

该支架可以是焊接在车身上，也可以焊接在座椅骨架上。

图中蓝色区域为固定支架的有效固定区域段A。

长度为L1，见图10所示。

D、L1的尺寸定义在后面Check List 中给出欧标与美标的不同定义，后面出现的尺寸同理。

图10下部固定点尺寸1
下部固定点尺寸
两个固定支架的有效固定区域必须是同轴，且轴线B必须平行于Y轴。

从后座椅的设计H点（SgRP）到通过固定支架轴线A且平行于YOZ平面的平面C的X方向距离为L2。

从CRF的Z点到平面B的距离为L3，见图11所示。

图11下部固定点尺寸2
两个固定支架在Y方向的相对尺寸，两支架有效固定段内部间距为L4，外部间距为L6，中心面间距为L5，见图12、表1所示。

两个固定支架的中心面必须对称，过座椅SgRP的纵向中心面。

图12下部固定点尺寸3
1.3）ISO FIX 系统的试验
Static Force Application Device (SFAD)：用来验证ISOFIX 系统及与其相关汽车或座椅结构强度的一种试验装置。

这种装置在ECE R14 附录9的图1~图2，FMVSS 225的图12~图18中做了形状及尺寸的定义，见图13所示。

图13 SFAD 1.4） ISOFIX 试验方法 前向力试验
在对SFAD X 点(预加载后)施加8KN ±0.25kN 力期间纵向水平位移应小于125mm ，允许永久变形和部分开裂。

如果在规定的时间维持了所要求的力，ISOFIX 下固定点或周围的区域不应失效。

斜向力试验
对SFAD 的X 点施加5kN ±0.25kN 的力期间，沿加力方向位移应小于125mm ，允许永久变形和部分开裂，如果在规定的时间维持了所要求的力，ISOFIX 下固定点或周围的区域不应失效。

ISOFIX 固定点系统和ISOFIX 上固定点的试验。

在SFAD 和上固定点之间进行50N ±5N 的预加载，再施加8KN ±0.25KN 的力，X 点的位移应小于125mm ，ISOFIX 下固定点和上固定点及周围区域不应失效，允许永久变形和部分裂纹。

如果在规定的时间维持了所要求的力，ISOFIX 下固定点和上固定点及周围的区域不应失效。

1.5） CAE 分析结果 模拟概述
以M11项目ISOFIX 固定点模拟为例： 分析用车身地板和儿童约束系统板件材料： B170P1
FeP04 σR= 350MPa εR=16.0% 有限元模型见图14所示
图14有限元模型
前向力试验
加载条件见图15
图15 前向力加载
前向力试验分析结果，见图16、图17、图18。

图16前向力ISOFIX 固定点位移
图17侧板应变
图18 ISOFIX 固定点应变 分析结果显示：
ISOFIX 固定点最大位移为19mm,最大变形为6％
斜向力试验 加载条件见图
19
图19斜向力加载
侧向力试验分析结果，见图20、图21、图22。

图20斜向力ISOFIX固定点位移
图21斜向力侧板应变
图22斜向力ISOFIX固定点应变
分析结果显示：
ISOFIX固定点最大位移为86mm,最大变形为13％
结论：ISOFIX固定点满足静强度法规要求。

2）利用成年人用汽车安全带系统：用于固定儿童约束系统的成年人用汽车安全带主要采用带自锁式卷收器的安全带型式，该型式的安全带带扣一旦扣上织带就再不会拉出，以防止车辆行驶过程中儿童约束系统的移动。

用于约束儿童系统的成人用汽车安全带及其固定点都必须满足相应的标准法规。

4、结论
儿童安全座椅及儿童约束固定系统ISOFIX在欧美发达国家已经得到了普遍使用，这些国家都制定了相当严格的法规对其生产和使用进行指导和规范。

在我国，预计在2012年颁布儿童约束系统的法规。

随着汽车保有量的迅猛增加，尽管人们采取了种种先进的技术和措施，但目前交通事故造成的儿童伤亡还是要远远高于其它任何原因对儿童造成的意外伤害。

因此，正确地设计儿童约束固定系统ISOFIX及正确使用儿童安全座椅最能有效防止交通事故造成儿童意外伤害。

参考文献
[1]ECE R14 August 6, 2007 SAFETY-BELT ANCHORAGES, ISOFIX
[2]FMVSS 225 Standard No. 225; Child restraint anchorage sys。