乘員碰撞保護裝置和系統(tǒng)研究綜述

汽車制造商和相關(guān)研究者非常重視開發(fā)乘員保護的裝置和系統(tǒng)，這些裝置和系統(tǒng)可以極大提高乘員的安全性。文中主要介紹了汽車安全氣囊、安全帶、兒童約束系統(tǒng)（FCRS）的相關(guān)研究。

文獻[1]對汽車正碰進行試驗測試，證明了方向盤中安全氣囊對駕駛員的保護作用；文獻[2]對汽車碰撞過程中安全帶的作用進行研究，證明了安全帶對乘員的保護作用，同時也證明了美國聯(lián)邦法規(guī)的不合理性；文獻[3]對汽車側(cè)面碰撞過程進行了研究，證明了側(cè)面安全氣囊對乘員的保護作用，也驗證了將乘員牽引到氣囊保護區(qū)域裝置的作用，并對該裝置提出了設(shè)計要求；文獻[4]在歐盟NCAP法規(guī)規(guī)定下，開發(fā)了一款兒童安全座椅裝置，可保護兒童乘員的安全；文獻[5]對美國聯(lián)邦法規(guī)不建議2歲以下兒童使用RFCRS進行驗證，結(jié)果可以證明建議的正確性，但是可用的分析數(shù)據(jù)較少，不能強有力的支撐結(jié)論。

1 安全氣囊對駕駛員的保護作用研究[1]

為了加強對坐在座椅上的駕駛員在碰撞事故中的保護，密歇根大學運輸研究所（UMTRI）最近使用中型男性和小型女性擬人化測試設(shè)備，進行了面包車在48公里/小時車速下的正面碰撞試驗。

在測試過程中，進行了多組試驗，包括使用或不使用安全帶、使用或不使用安全氣囊共4種組合情況，從而可以對在汽車碰撞過程中，安裝在汽車方向盤內(nèi)安全氣囊，對駕駛員產(chǎn)生的影響進行研究。

經(jīng)實際測試表明，安裝在方向盤中的安全氣囊，在其展開過程通常不會對駕駛員造成傷害，相反，安全氣囊可以防止駕駛員可能發(fā)生的與方向盤和儀表板的接觸，從而降低了駕駛員受傷的風險。

為了進一步驗證研究結(jié)果的正確性，UMTRI對兩輛2015款道奇，進行了48公里/小時下的碰撞測試，證明了之前的研究結(jié)果，表明裝在方向盤內(nèi)的安全氣囊通常不會對駕駛員造成嚴重傷害，而且能增強在汽車正面碰撞事故中，對駕駛員的保護作用。

2 安全帶在碰撞過程中對乘員保護的作用[2]

美國的聯(lián)邦法規(guī)對汽車系安全帶和未系安全帶乘客的安全性提出了相應要求。這項法規(guī)，會讓汽車生產(chǎn)廠家按照法規(guī)要求，進行安全帶結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而滿足法規(guī)要求的乘員保護規(guī)定，或許會鼓勵廠家增加汽車上安全帶的部屬，因為保護未系安全帶乘客的安全性難度比保護系安全帶乘客安全難度大。

文中通過計算機模擬碰撞過程，并對仿真結(jié)果進行分析，比較了未系安全帶乘員對系安全帶乘員安全性造成的影響，同時也選擇了聯(lián)邦法規(guī)規(guī)定的10～12個設(shè)計參數(shù)，對其進行計算。

研究中，使用了2個汽車（中型轎車和中型SUV）和乘員有限元（FE）模型，在標準的碰撞條件下（USNCAP和FMVSS208），進行了碰撞仿真。利用響應面法（RSM）和遺傳算法相結(jié)合的方法，計算出所選擇的設(shè)計參數(shù)。2輛汽車中，中型轎車滿足聯(lián)邦法規(guī)，對安全帶系統(tǒng)做出的相關(guān)規(guī)定，中型SUV未按照聯(lián)邦法規(guī)進行設(shè)計。

結(jié)果表明：按照聯(lián)邦法規(guī)規(guī)定要求進行設(shè)計的汽車中，系安全帶乘員總體受傷害的風險增多，未系安全帶乘員總體受傷害的風險降低；相反未按照規(guī)定設(shè)計的汽車中，系安全帶乘員總體受傷害的風險會降低。研究證明了安全帶對乘員的保護作用，同時也表明聯(lián)邦法規(guī)的不合理性。將來，還需要進一步對研究結(jié)果進行證明。

3 汽車側(cè)碰過程中安全氣囊對乘員的保護[3]

許多研究已經(jīng)證明了側(cè)面安全氣囊對乘員保護的重要性。然而，有些碰撞事故中盡管部署了側(cè)面安全氣囊，乘員仍受到傷害。這有兩方面原因：一是碰撞的嚴重程度超出了預期的設(shè)計條件；二是乘客在碰撞時不在側(cè)面安全氣囊保護區(qū)域內(nèi)，所以不能得到適當?shù)谋Ｗo

Yuki Maebo主要對碰撞事故中，側(cè)面安全氣囊對乘員的保護性能進行研究，研究了側(cè)面安全氣囊對保護區(qū)域外的乘員保護性能的影響，及在汽車發(fā)生側(cè)面碰撞之前牽引乘員，將其拉到側(cè)面氣囊保護區(qū)域裝置的要求。

研究結(jié)果表明，側(cè)面碰撞時側(cè)面氣囊對保護區(qū)域內(nèi)的乘員具有較好的保護作用，但對保護區(qū)域外乘員的保護作用較小。

同時研究表明：汽車側(cè)面碰撞時，通過牽引裝置將乘員拉到安全氣囊保護區(qū)域，其肋骨區(qū)域受到的最大沖擊力，相比未被拉回，減小了約44%，這證明了拉回牽引裝置的有效性；同時也得到了拉回牽引裝置的要求，其需要很大的能量才能在短時間內(nèi)將乘員拉回保護區(qū)。

4 汽車碰撞過程中后排兒童乘員的保護[4]

自從2003年歐盟NCAP引入兒童保護協(xié)議以來，研究者對汽車中兒童保護系統(tǒng)進行了大量的研究。當時直接使用安全帶，將兒童假人模型安裝在汽車中，進行汽車正面和側(cè)面碰撞測試，研究兒童模型受到的傷害。

2016版歐洲新車評價規(guī)程（E-NCAP）對汽車安全性提出了新的要求，將后排Q系列6歲兒童假人的損傷值作為兒童保護部分的評分依據(jù)，它將有助于進一步提高后排座椅上非兒童乘員的安全性，同時提高通過兒童安全座椅固定的兒童乘員的安全。

在新規(guī)程下，汽車的安全帶系統(tǒng)起著重要的作用。新規(guī)程中增加了假人Q6和Q10，并增加了性能評價標準。Q6假人用于檢驗后排非兒童乘客在汽車碰撞過程中受到的傷害，而Q10被固定在安全座椅上，可以檢驗兒童在汽車碰撞過程受到的傷害。Q10假人的引入，可以鼓勵汽車制造商創(chuàng)新乘員約束系統(tǒng)，不僅保護成年人，也可以更好地保護兒童。

文中在滿足新規(guī)程要求下，新開發(fā)了一款兒童安全座椅，其椅墊可拆卸，可用于年齡較大的兒童，并配備有用于汽車肩帶安全帶導向的裝置。采用CAE分析方法，進行了碰撞仿真，驗證了新開發(fā)座椅的安全性。

5 兒童約束系統(tǒng)使用的研究[5]

美國國家公路交通安全管理局和美國兒童科學會建議，兒童至少要等到2歲以后才能放置在汽車后排兒童約束系統(tǒng)（RFCRS）中，2歲以前可放在前排兒童約束系統(tǒng)（FFCRS）。這些建議是基于實驗室生物力學測試和現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析。為了驗證這些結(jié)論的正確性，文中使用全國汽車取樣系統(tǒng)耐撞性數(shù)據(jù)庫（NASS-CDS）重新評估了關(guān)于RFCRS的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

從NASS-CDS數(shù)據(jù)庫中，選擇年齡從0歲至2歲（0-23個月）兒童，發(fā)生的汽車碰撞事故進行分析，對事故中兒童的傷害率進行分析。為了驗證美國聯(lián)邦的建議的正確性，Mcmurry分析了1988-2003年（當時沒有RFCRS）NASS-CDS中數(shù)據(jù)，及2003-2015年，出現(xiàn)RFCRS后NASS-CDS中的數(shù)據(jù)。

NASS-CDS數(shù)據(jù)中1988-2015年共包含1107起，0-2歲兒童碰撞事故，其中有47名兒童受到重傷。結(jié)果表明，使用RFCRS的0歲至2歲兒童的受傷率，會高于使用FFCRS的0-2歲兒童。但是可用的樣本量太小，無法獲得合理的統(tǒng)計學意義。

研究表明美國相關(guān)機構(gòu)根據(jù)美國現(xiàn)場數(shù)據(jù)和實驗室測試，做出的2歲以下兒童最好不使用RFCRS建議有一定依據(jù)，但是美國NASS-CDS現(xiàn)場數(shù)據(jù)太少，無法作為這些建議的有力統(tǒng)計基礎(chǔ)。

[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.