儿童安全座椅关键技术开发及发展趋势

  • 好孩子 汽车安全座椅总工程师 张学荣
  • 2019-03-15 14:21:19
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好孩子 汽车安全座椅总工程师 张学荣先生于3月14日在2019中国国际汽车座椅峰会上的精彩演讲!

张学荣博士,副教授,好孩子的汽车安全座椅总工程师 CAE技术总监,=从事儿童安全座椅研究20年,并且有大量的学术论文和专利



 (说明:本文为现场速记,未经演讲嘉宾审核。禁止任何渠道转载,否则将追究相关责任。


各位朋友,大家下午好,我是第一次参加这个会议,非常感谢希迈的邀请。我给大家介绍一些儿童安全座椅我们是怎么做的。那么好孩子公司是一家地道中国民营企业,目前在欧洲我们收购了德国最顶级的Goodbaby儿童座椅。在美国我们收购了百年儿童用品公司叫Evenflo,也就是现在我们公司在中国美国和欧洲有三个子公司,那么每年我们公司的产值大概是150亿人民币左右。

主要部分是推车,另外一块是我们的儿童安全座椅。我们公司总共有四台碰撞动态测试的线,也就是我们每年大概做儿童安全座椅碰撞测试的次数大概是5000次,通过这些大量的碰撞测试数据我们获得了很多工程设计的经验。

今天我给大家分享四个方面的内容:

第一个就是儿童安全座椅测试大数据的分析。

第二个是我们公司最近开发的两款比较新的安全座椅,一种叫基于能量吸收式的安全座椅,它可以显著减少儿童的损伤。再下面一个叫前挡块式儿童安全座椅,安全气囊的开发,我们是把安全气囊引入到儿童安全座椅上面去了。

第三个是我们虚拟仿真技术的应用,在我们公司应用的非常好。

我们来看一下,我们把儿童安全座椅的分类从大类上分成这么四个,第一种就是1.5岁以下,我们是加以儿童在乘车的时候使用这种提篮,而且它是后向乘坐,就是脸朝着汽车行驶的反方向这种方式是更安全的。

第二种是9个月到4岁的,我们把它叫做5点安全带,这种束缚方式的儿童安全座椅,第三种也是9个月到四周岁,这个是在欧洲卖的比较好的儿童安全座椅叫前挡块式,在其他市场这种儿童安全座椅应该是很少的。

再下面就是一个增高座椅,是4-12岁,其他的儿童安全座椅可能就是在这些组别里面做各种组合,我可能从9个月一直用到12岁,通过变化的方式去应用它。下面我们给大家看的就是儿童安全座椅测试的分析,我们在我们的实验室总共把我们市场上主流这种儿童安全座椅,总共152款,我们把它们我们的实验室里面都做的一些测试。测试我这个地方拿出来仅仅看了一下,P3假人,也就是3岁的儿童他在50公里正面碰撞的时候胸部加速度指标,那么它的分布是什么样的。

我们可以看到在整个这152次碰撞是里面,我们可以看到它的胸部加速度基本上平均值大概在40G这样一个水平,我们就在想我们公司开发的产品能不能把这胸部加速度向下降,因为标准的要求是55G,可以看到,所有的产品都不能超过55G。那么大部分的水平是在40G,我们想把它降下去,我们的目标是把它降低到30G附近。

目前我们做的最好是27.5G,我们目标还要再向下降2G,大概能降到25G。这个是在欧洲的,现在欧洲出现一个新的标准叫ECER129,而且假人他也更新了,采用的是Q系列的假人,我们上一个PPT用的是什么?用的是P3系列的假人,P系列的假人,3岁的。在新的标准已经实施了,就是129号这个标准。他用的是Q假人,我们把Q1.5Q3,我们把它的损伤都拿出来了,那么Q假人的它的损伤指标会更多,包含头部的,包含颈部的,包含胸部的,包含腹部压力的。这些所有的指标都提出来这种更高的要求,要求所有的损伤相对老的标准来说都要求全方面去保护。

我们把它这些竞争对手产品,包括我们自己的产品全部测完了之后,我们想在市场上开发一个最安全的产品。

现在给大家看是我们公司开发的,这个产品已经上市了。它是一种能力吸收式的儿童安全座椅,它跟普通的儿童安全座椅主要区别是什么呢?它增加了额外的能量吸收装置,那么在这个动画上可以看到,整个座椅的底座,相对于我支撑的骨架,我们说这种产品在整个儿童座椅里面它的附加值是高的,它是通过ISO 费克斯(音译)连接到汽车座椅的骨架上,然后通过支撑在汽车地板上,形成三点稳固的这种支撑系统,我是希望在这个运动的过程当中,我的底座可能相对于我固定的系统,它有一定形成的滑动。

我们里面装了一个专门能量吸收的装置,我们在整个汽车座椅的底部,我们在这个位置可以通过滑轨系统在骨架上面进行滑动,在滑动的过程当中,这边红色是一个蜂窝铝块,我们大概有140毫米的长度,我们希望在碰撞过程当中这个是能够自己亏缩。

我们在专门做大量的实验匹配和仿真研究工作,我们希望这个蜂窝铝块是能够满足50公里,同时在更高速74公里IDIC标准碰撞里面也能够起到保护的作用。

我们后面还有一个展示就是说,我们的儿童安全座椅从50公里再把能量提高71公里,然后提高到74公里。现在我们的儿童座椅可以经过公司自己标准80公里这种速度的碰撞,它的安全指标依然是符合要求。

另外蜂窝铝块用完了以后,我们现在弄了一种叫膨胀管式的。通过这种实验室专门有台车叫减速性台车,靠这个橄榄头在管子里面扩张的时候进行性能。现在蜂窝铝块也可以变成什么?膨胀管。

这边给出就是我们这个前后的比对,在这个产品早期的时候是没有蜂窝铝块,它的胸部加速度大概是四十二点几G,我们后面把蜂窝铝块加上去,让底座往前滑动,而且配合另外一个技术。

在整个支撑腿上,我是带了一个气阻力弹簧。向下压的过程中,这个气阻力才能达到亏缩等级的时候,我这个支撑腿也可以向下缩小一段。我可以采用这两个技术使胸部加速度,从42G降到30G的水平。

这边是为了满足这个新产品的开发,我做了很多技术的研究和储备工作。我们需要知道就是在这个碰撞过程当中,我初始的能量去了哪?我们为了把这个搞清楚,我们把这个儿童安全座椅所有的东西做了仔细研究,每一部分能量到底去了哪?

刚才只给提示了一个就是说,胸部加速度尽可能越低越好,但是其中里面还有一个约束条件,就是你的头部位移不能超过500毫米,就是你头从一个基准点调CR点,我们向前移动的时候,你移动的距离不能超过500毫米,如果你超过500毫米表示什么概念呢?就是你这个儿童的头部可能跟前排的座椅或者跟车内部件发生了二次撞击,那么我利用了蜂窝铝使它溃缩,增大了形成,减缓了加速度。但是你又不能让位移超标,这时候我们做了很多工作。

我们做的第一个工作,比如说5点安全带到底怎么样的步子,走动的角度到底是什么样的角度,我们把它稍微做一些改进,我就可以让我的盆骨的位移首先它下降,然后我通过我的预警器,我也可以让我的头部位移也下降,那么可以看到下面这个图,我通过一点点预警就可以让我的头部位移下降30个毫米。

再下面一个,我们是把我的5安全系统,安全带系统是5点式的,有肩带,有腰带,前面的跨带。这三根安全带是直接固定儿童的,你这三根安全带的力越大,代表这个儿童所受到的约束就会越强,它的加速度就越大,我是希望尽可能减少他这方面的力。

那么我们把所有的这些力也都给它提取出来了,包括支撑腿,角落上的曲线支撑腿带吸能和不带吸能,支撑腿力的变化曲线。这时候我们把我们这样一个产品做了一个非常详细的分析,在整个碰撞过程当中,所有受到的力,我们把它做的分解。也就是说,碰撞的能量,初始能量是一样的,但是这个能量有一部分是被儿童座椅吸收了,有一部分是转化在人体的损伤了,还有一部分是在碰撞结束以后它反弹的能量。

我们是希望在碰撞达到最前位置的时候,整个约束系统作用在儿童身上的能量尽可能减少,真正被耗掉的能量要越多越好,那么我们把它做了各种各样的分解,因为我本身是搞技术的,详细不去介绍了,后面如果感兴趣可以会后找我交流一下。

我们把每一部分的能效都给它提取出来了,比如说底座带蜂窝铝的,在这个碰撞过程中他吸收的能量曲线,有蜂窝铝没有蜂窝铝,蜂窝铝溃缩的等级不一样。它吸收的能量会有什么样的差异,再下面一个,我整个座椅的坐壳,坐兜是塑料的,塑料在碰撞过程中它也会变形,它也会能量的吸收。

再下面一个是5.3哈尼斯(音译)系统,它在碰撞过程中,它要伸长,伸长过程中它有一部分能量也会被吸收掉。再下面一个是我的气阻力弹簧的支撑腿,它在向下溃缩的过程当中,它也要吸收能量。

下面就是我抬车的泡沫,你在向下压的过程当中,泡沫压缩的程度不一样,它所吸收的能量也不一样,但是这个能量随着你的碰撞结束它会慢慢反弹。有一部分能量是真的吸收掉了,有一部分能量暂时是弹性的,但是后期还会恢复过来。

我们可以看到,我通过这个产品,通过大量的优化最后开发出来这样一个产品,比如说第一项,是底座吸能。没有蜂窝铝也没有气阻力弹簧的时候,它吸收了290焦耳的能量,那么我有一个蜂窝铝,但是我蜂窝铝溃缩的力是4000牛,气弹簧是3.8000牛最后吸收的能量是334焦耳。

那么再下面一个,如果蜂窝铝是3.5,软一点那溃缩量会更大一点。气弹簧是3.8,这时候它吸收的能量是455。那么我们把每一部分的能量都给他写在这个表上,最后我们能看出来,这款儿童安全座椅,从早期的能量吸收是437焦耳,最后变成我这个增加能量吸收的变成626焦耳,那么我们说通过我这个蜂窝铝和气弹簧能量的吸收,就可以使我的损伤向下进行显著的降低,打一个最简单的比喻,为什么起作用了?也就是相当于我这个儿童座椅在碰撞之前它的蜂窝铝相当于就是一脚刹车,让你的碰撞速度先降下去了,本来你是50公里,别人的车子都是直接50公里做了这个模型,但是我是50公里先是蜂窝铝加上这个人一起,把蜂窝铝压溃,维持一个恒定能力溃缩,那么它往前滑一段,之后压到最大行程的时候,这个时候这个波形才真正作用在人的身上,我们说他的损伤就会下降。这个后面就是他具体能量的分解,这个是仿真就不看了。这个是最后损失出来的结果,就是说蜂窝铝块亏缩的量不一样,从蜂窝铝块是亏缩32494和亏缩67。最后我需要经过大量的优化匹配,来确立合适支撑腿亏缩力,才能应用在我这个产品上。

我通过加速度的下降带来的好处是什么?这个我们搞被动安全,搞人体损伤研究大家都非常关注,叫简略损伤等级(AIS3)或者是(AIS4),它表示在碰撞过程当中这个人受重伤。我如果胸部加速度是40G,它代表重伤概率40%,受重伤而导致死亡的概率是17%。但是如果降到30G,这时候我受重伤的概率只有25%,我受重伤死亡的概率是9%,我们现在目标还要降低一点。希望儿童在碰撞过程当中损伤概率越低越好。

下面PPT是我们把同样的产品应用更高速度的碰撞,50公里、71公里、80公里。我们说71公里是欧洲ADIC它的评价标准,在欧洲的话,你这个儿童座椅要想卖得好是要经过ADIC消费者测试,你是顶级安全的。这个跟中国比较近似。

我们这个产品,我们说做了不同速度的去比较,我们发现一个好处是什么?我们可以看一下,我们跟其他品牌去比,我们在50公里的时候,这个指标跟大家差不多,或者比大家低一点。但是我往更高速度上走的时候,这时候我的增长非常缓慢。你可能其他的产品50公里指标都是好的,但是在更高速度的时候,这个指标很快就上去了,但是我这个产品由于我有这两个效能专门的地方,所以在更高速度的时候上升非常缓慢。

下面给大家展示是我们公司开发另外一款产品,就是在欧洲主推是前档快式儿童安全座椅,可能在美国、中国市场非常少。这种座椅的好处就是小孩坐在里面束缚感,没有安全带那么强烈。

我们公司会在明年5月份,会在欧洲市场推出一个挡块带安全气囊这种最安全的产品。我本身原来做安全气囊,现在做儿童安全座椅。我们说安全气囊保护原理,我们简单介绍一下。它的主要目的避免你的头部跟车内部件发生二次撞击,这是保护头部最主要的目的。

我说挡块气囊与人体作用的部委就是头部,我现在就是要让儿童的头部不要撞着挡块上表面去,虽然我的挡块上表面是一个非常软的材料,即使撞上去做实验的时候也是安全,但是希望这个损伤还要小。

这个挡块上用的材料是什么呢?实际上就是EPP。紧接着可能真正做安全会知道,你把安全气囊装在挡块可能会存在一个风险,如果小孩儿爬在睡着了,这个时候你的气囊点爆,你可能就会担心这个小孩的安全,但是我们解决了这个问题。

我们有两种,一种是火药,一种就是纯二氧化碳,这两种方式来实现即使你趴在这个板块上睡着了,我们打出来损伤指标也是满足相关法规的要求。

那么,我们在设计这个板块上面的安全气囊的时候,我们也有开发准则。就是我希望当我这个气囊,我们首先第一个碰撞时刻是零时刻,那么紧接着是我的气囊触发时刻是T1时刻,然后我整个气囊充满气所需要的时间假设是DT的话,那么我T1加上这个DT的时候就是我头部所到达的位置。

当我T1加上DT,头部达到这个位置的时候,我希望我这个气囊刚好攒满,攒到这个位置紧接着就是头部向前运动,我这个气囊开始排气。把它的头部动能全部耗散掉,最后让我的头部不要砸在这个上表面,那么这个红色箭头就是我真正吸能的行程,我希望把这个能量给它吸收掉。这个是我们做实验的一个视频,这边这条线就是我们气囊触发点火的引爆线。

通过带气囊和不带气囊的比较,那么我们把它的损伤做了一个比较,我们说第一个好处,头部的X方向加速度,踏这个地方走的非常平坦,有了气囊之后你会发现,这条曲线基本上维持一个恒定的水平在走,那么再下面一个,我的颈部所受到的拉伸力,就FZ方向的力,那么他这个数值也下降我们等会会有一个有和没有的对比的,再下面一个就是我们颈部的MY,就是弯距,你向前弯曲的角度和向后鞭打伤害的时候,这种损伤那么我们都下降。

那么这个曲线实际上就是我们给出来的,叫气囊内部的压力跟头部加速度他们之间的关系,就是说我这个气囊内部的压力已经测出来了,就是我们红颜色的线。它的水平是20几千帕,我头部S方向的加速度是绿色的线,我头部的合成加速度是这样一线。

这边给出来的是有气囊跟没气囊,这些曲线的比较。我们说,他最大的好处,这个头部避免了跟档块的二次撞击,然后我的头部Z方向的加速度,这个粗颜色的线是我们有气囊的,细线是我们没有气囊的。我们会发现粗颜色的线比细线基本上都是下降的,那么颈部的MY也是一样的,显著下降。包括最后我们匹配出来最优的蓝颜色线,颈部的MY大概从原来的15,现在降下去大概还有10UM

这个地方是我们把实验做完之后,有气囊和没气囊,伤害最大的那个时刻我们把它拿出来比较了一下。我们可以看到,有气囊的话,这个头部整个人体姿态相对于没有气囊的来比较的话,这个成C字形,成弯曲会更厉害一点,但是我这个头部,有气囊支撑,并没有向下有那么大一个弯曲的角度,所以我的FZ和我的MY前向的时候都见效。另外一个,由于我这个气囊把人的头部动能给它吸收掉了,在反弹的过程当中,实际上我们儿童头部也存在一个鞭打的伤害,如果你这个头部动能是撞在EPP上,反弹之后它吸收的少,反弹的时候MY也会大。

这个是我们给出来一个损伤的比较,最后我们可以看到,我们最早的时候这个产品是没有的,386400多是没有这个气囊的。但是最后我们把它做成带气囊了之后,HIC值从380几,400几,降到308,我们的MY1618然后降到11.5,这是合成的。这是FZ1366我们给它降到874,目前这个气囊只是我们现在做出来的,但是我们在20205月份我们要投产的气囊,比这个损伤指标还要有20-30%的下降,我们气囊部位,整个形状跟这个又有了一些大的改进。

我们现在只是一个头部的,但是我们下一代的气囊除了头部,胸部,腹部和腿部一体化的,那么保护的会更加好。

再下面一个,因为我在研发中心,做的工作一个是先进技术的研究,一个就是仿真技术的研究,我们现在是所有儿童安全座椅的开发,都必须要经过仿真技术验证。我们去年总共开发了六块儿童安全座椅,在经过我们验证以后,直接去开模的时候,在第一工程叫所有的产品一致性通过测试,就直接上市,就不需要去改进等等这些工作了。

我们公司本身是有四个碰撞实验室的,我们所有的物理假人我们全有。美标的,混合三型的假人,欧洲的Q系列的假人,包括老的标准P系列的假人,在我们实验室我们全部都有,物理假人也有。在我们公司我们还有虚拟仿真的假人,目前来说在我们这个部门总部有13个假人,儿童的假人我们有13个,P系列5个,Q系列5个,混合三型系列我们有三个,少了一个解决混合三型十岁,这种产品稍微开发的少一点。

像中间刚才动画的那个,我们通过CAE最大的好处他可以告诉你,你这个产品开发了有可能会失败,在很多时候失败的时候,我去找原因的时候,很多工程师只看失效的部位去看,说这个地方坏了我去改这个地方。

但是我们通过CIE分析会告诉他,你这个地方坏了,实际上并不是你这个地方的问题,实际上其他地方没有设计好而导致它坏掉了。我们这个地方就典型了一个,这个螺栓跟这个地方接触,强度不够导致脱掉了。我们后来发现做实验一直没有找到这个问题,真正弱是因为这块板扭转刚度不够,我把这块板给它改进,最后这个螺栓头地方就不脱落了。

另外,我们现在也通过这种优化,比如说这个塑料结构,这个主承载塑料骨架是从这个地方拿出来的。我们这个塑料骨架到底应该怎么设计它?我可以做优化让材料分布到最好的位置,以最轻的重量来实现它。

另外也是使用复合材料,比如说我们有PA6+玻纤,我们现在也在开发一款全塑料的儿童安全座椅,这里面所有的骨架都是塑料,几乎没有金属,我们实现它的轻量化。这就是我给大家介绍的儿童安全座椅的产品,谢谢。


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