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[摘 要]正确使用汽车儿童安全座椅，能够在交通事故中有效的保护儿童。依据10kg以下儿童生理特征，从底部减震、背部靠垫减震和侧边保护减震三部分设计儿童安全座椅减震装置。该装置从材料、设计方案、尺寸上显示出更加合理、更加人性化及低成本的特点。
[关键词]汽车 儿童安全座椅 减震 设计
引言
在如今的机动车交通事故中，儿童安全座椅对降低儿童的死亡或严重受伤发挥着很大的作用。据美国高速公路管理局2006的调查显示，在美国，1975-2006年间，儿童约束系统挽救了约8325名儿童的生命。而中国，作为全世界人口最多的国家，却始终没有一个儿童安全座椅的强制标准，据调查，在北京、上海、成都、天津等几个私家车保有量较大的城市中，汽车儿童安全座椅的使用率仅为5％左右，而正确的使用率不超过2％，据了解，有很大一部分儿童甚至在使用安全座椅的情况下依然因为急刹车所带来的冲击力在交通事故中发生危险。再加上如今国内市场上汽车儿童安全座椅质量种类鱼龙混杂，而进口商品价格昂贵，可见，我国应加大研发汽车儿童安全座椅的研发力度，相应的国家标准也应尽快出台。
1汽车儿童安全座椅简述
汽车儿童安全座椅也称儿童约束系统CRS （child restraint system），是一种专为不同年龄（或体重）儿童设计、安装在汽车内、能有效提高儿童乘车安全性的座椅。
汽车儿童安全座椅首先在欧美等发达国家得到发展，特别是80年代以来，欧美等国相继出台相关的法规，强制儿童乘车必须使用汽车儿童安全座椅，汽车儿童安全座椅得以迅猛发展及快速普及。产品也逐步从泡沫制品向多元化新材料制品发展。新的法规及生产和检测标准的出台，对汽车儿童安全座椅的发展产生了巨大的推动作用。
这些标准的颁布与实施，有力地保障和促进了汽车儿童安全座椅的发展。目前世界上主要有以下几大标准：欧洲ECE R44/03标准、美国JPMA/ASTM、加拿大CMVSS 213、日本JIS等。还有澳大利亚、台湾等也都相继颁了相应的标准。其中以欧洲对汽车儿童安全座椅的要求最为严格。人们使用汽车儿童安全座椅由自发转向强制使用,其发展追求方向也越来越明确。
2011年中央电视台对中国的儿童座椅现状进行了报道，引起了各部门的高度重视，预计在2012年前后能推出中国自己的儿童座椅标准《机动车儿童乘员用约束系统》，同时通过法规强制性要求所有的乘用车安装ISOFIX儿童座椅安装装置。
法规仅仅是发展儿童保护的一个推动力，更重要的是对儿童保护的重视和儿童必须使用儿童座椅的法律要求。目前中国儿童座椅市场存在太多问题，必须通过强制性法规来进行监管，提高儿童座椅行业的准入门槛，防止出现“儿童座椅等同儿童沙发”的开发模式。
2 新型儿童汽车安全座椅减震装置系统设计
本文仅就体重小于10kg的儿童进行汽车安全座椅减震装置的设计。
针对儿童及其座椅尺寸，本文设计的安全座椅的总体尺寸及规格参见图1所示，本设计主要针对座位底部、背部靠垫和侧边保护位置的减震设计。
2.1 座位底部减震设计
由于机动车原有的汽车座椅已经有着非常良好的减震机构，所以我们设计底座就比较简单，所使用的填充材料是由欧洲ECE-R44/04认证的EPS(非软体泡沫)材料，底部面料内层为经过阻燃处理的聚酯纤维棉，使婴幼儿拥有良好的舒适度，底座设计总厚度为180mm、长度400mm，宽度为300mm，EPS材料长350mm，宽250mm，高100mm，这样可更有效避免婴儿与较硬的EPS发生棱角碰撞。如图2所示。
2.2 背部靠垫减震设计
根据婴儿的人体工学原理，我们所设计的背部靠垫和底部减震靠垫的夹角定为160°，长600mm，厚200mm，宽300mm，采用适合婴儿的流线体型靠背设计。
2.2.1减震装置
在高速公路上急速刹车的汽车上，一个十公斤以下重的婴儿如没有安全座椅的保护，将会承受400N-3000N左右的力，这无疑会给婴幼儿造成致命的伤害，为了抵消汽车急刹车时所产生的向前的400-3000N的力。单一的EPS材料和五点式绑带系统，很难做到可以牢靠的保护住婴儿，更何况，如今isofix系统（固定安全座椅系统）还未在我国普及，汽车儿童安全座椅还不能有保障的固定在车座上。
本设计利用弹性材料配合空气减震系统以机械的方式进行减震。原理如图3所示。
图3 靠背气缸减震原理简图
本设计采用气压式减震，橡胶活塞头与缸体相匹配，中间充盈着空气，当受到冲击时空气被压缩，根据大气压强原理再恢复，通过橡胶活塞头和缸壁的摩擦吸收能量达到柔和减震的目的。
如图所示的各项参数，其材料及尺寸分别为聚酯纤维棉材料厚度150mm，刚性材料厚度20mm，活塞直径200mm，活塞高度100mm，缸体内径=橡胶活塞头210mm，缸体高度120mm，静止状态下气缸总体高度保持在220mm左右。橡胶支座厚度20mm，与其上方刚性材料连为一体。
采用空气减震的好处为可以吸收因突然急刹车而产生的强大冲击力，与如今市场上多用的金属弹性元件制作的安全座椅减震系统相比更加稳定。如果使用弹簧减震的话，在受冲击变形后还要恢复原来形状，会出现震摆现象，呈现不稳定状态，就像酒后走步，影响婴儿的睡眠和骨骼发育，而使用气压式减震可以有效的使得震动减轻减缓，吸收大部分冲击力。[3]
为了使得上层纤维材料不会因气缸挤压而突出变形，所以在材料为不锈钢的气缸和纤维棉材料中间增加了一层刚性材料。同时，为了防止漏气，在缸体顶部设置了一个气阀，可以在漏气的时候进行充气，而气缸体周围则选用一般的纤维材料如塑性一般的海绵等纤维材料。
2.2.2头背结合设计
头背设计采用头颈躺板装置，如图4所示，当汽车发生急刹车等紧急情况时，会产生较大冲击力F，而头颈躺板和活塞相连，此时，便会产生一个N1使得活塞受力，而因为座椅底座是和活塞相连，而刚性材料和底座是一体的，所以相对运动的是缸体，缸体向下运动，则与之连接的刚性材料连接的整个靠背都会向下运动。这样便能有效的防止让婴儿的背部遭受冲击，从而较好的保护婴儿脆弱的颈部和脊柱骨骼，如图4。
图4安全座椅整体简化图
图中，头颈躺板的材质为纤维材料包裹内层聚酯纤维棉材料，顶为宽300mm、上底200mm、下底300mm、厚度120mm的直角台体。下方填充物依然为塑性一般的海绵等纤维材料。
2.3 侧边保护减震设计
目前国内企业制造产品普遍不完善的侧边保护系统同样会给婴幼儿造成不小的伤害。
本设计侧边保护采用内层聚酯纤维棉材料减缓冲击力，底层塑性材料同样为刚性材料，是气缸上方刚性材料的延伸，分为上下两部分旨在保护头部、肩部、肘部等位置，所使用聚酯纤维棉厚度100mm，上方与底层呈110°夹角，下方与底层呈100°夹角，使之可以在汽车急转弯时较缓和的减少冲击力。
3结论
本文主要进行了10kg以下儿童安全座椅减震装置的设计，包括座位底部减震设计、背部靠垫减震设计和侧边保护减震设计，与其他同类产品相比较，最大的特点就在于他的减震模式设计的更加合理，更加人性化，缸体和活塞中存在的摩擦力能最大限度的减少婴儿背部所受的颠簸。而头背联合设计则能有效避免发生意外时，婴儿头颈部和脊椎部受到冲击。它的侧边保护同座椅本身的侧边保护对婴儿起了双保险的作用。作为辅料的强化泡沫，可减轻冲击力，当椅体受到外部冲击时，所用椅体的材料可以吸收外部冲击力，从而减轻对座椅上儿童的冲击，有效的保护儿童。
基金项目：
上海工程技术大学 大学生创新活动计划项目cx1106003,项目编号A-0800-10-076
[关键词]汽车 儿童安全座椅 减震 设计
引言
在如今的机动车交通事故中，儿童安全座椅对降低儿童的死亡或严重受伤发挥着很大的作用。据美国高速公路管理局2006的调查显示，在美国，1975-2006年间，儿童约束系统挽救了约8325名儿童的生命。而中国，作为全世界人口最多的国家，却始终没有一个儿童安全座椅的强制标准，据调查，在北京、上海、成都、天津等几个私家车保有量较大的城市中，汽车儿童安全座椅的使用率仅为5％左右，而正确的使用率不超过2％，据了解，有很大一部分儿童甚至在使用安全座椅的情况下依然因为急刹车所带来的冲击力在交通事故中发生危险。再加上如今国内市场上汽车儿童安全座椅质量种类鱼龙混杂，而进口商品价格昂贵，可见，我国应加大研发汽车儿童安全座椅的研发力度，相应的国家标准也应尽快出台。
1汽车儿童安全座椅简述
汽车儿童安全座椅也称儿童约束系统CRS （child restraint system），是一种专为不同年龄（或体重）儿童设计、安装在汽车内、能有效提高儿童乘车安全性的座椅。
汽车儿童安全座椅首先在欧美等发达国家得到发展，特别是80年代以来，欧美等国相继出台相关的法规，强制儿童乘车必须使用汽车儿童安全座椅，汽车儿童安全座椅得以迅猛发展及快速普及。产品也逐步从泡沫制品向多元化新材料制品发展。新的法规及生产和检测标准的出台，对汽车儿童安全座椅的发展产生了巨大的推动作用。
这些标准的颁布与实施，有力地保障和促进了汽车儿童安全座椅的发展。目前世界上主要有以下几大标准：欧洲ECE R44/03标准、美国JPMA/ASTM、加拿大CMVSS 213、日本JIS等。还有澳大利亚、台湾等也都相继颁了相应的标准。其中以欧洲对汽车儿童安全座椅的要求最为严格。人们使用汽车儿童安全座椅由自发转向强制使用,其发展追求方向也越来越明确。
2011年中央电视台对中国的儿童座椅现状进行了报道，引起了各部门的高度重视，预计在2012年前后能推出中国自己的儿童座椅标准《机动车儿童乘员用约束系统》，同时通过法规强制性要求所有的乘用车安装ISOFIX儿童座椅安装装置。
法规仅仅是发展儿童保护的一个推动力，更重要的是对儿童保护的重视和儿童必须使用儿童座椅的法律要求。目前中国儿童座椅市场存在太多问题，必须通过强制性法规来进行监管，提高儿童座椅行业的准入门槛，防止出现“儿童座椅等同儿童沙发”的开发模式。
2 新型儿童汽车安全座椅减震装置系统设计
本文仅就体重小于10kg的儿童进行汽车安全座椅减震装置的设计。
针对儿童及其座椅尺寸，本文设计的安全座椅的总体尺寸及规格参见图1所示，本设计主要针对座位底部、背部靠垫和侧边保护位置的减震设计。
2.1 座位底部减震设计
由于机动车原有的汽车座椅已经有着非常良好的减震机构，所以我们设计底座就比较简单，所使用的填充材料是由欧洲ECE-R44/04认证的EPS(非软体泡沫)材料，底部面料内层为经过阻燃处理的聚酯纤维棉，使婴幼儿拥有良好的舒适度，底座设计总厚度为180mm、长度400mm，宽度为300mm，EPS材料长350mm，宽250mm，高100mm，这样可更有效避免婴儿与较硬的EPS发生棱角碰撞。如图2所示。
2.2 背部靠垫减震设计
根据婴儿的人体工学原理，我们所设计的背部靠垫和底部减震靠垫的夹角定为160°，长600mm，厚200mm，宽300mm，采用适合婴儿的流线体型靠背设计。
2.2.1减震装置
在高速公路上急速刹车的汽车上，一个十公斤以下重的婴儿如没有安全座椅的保护，将会承受400N-3000N左右的力，这无疑会给婴幼儿造成致命的伤害，为了抵消汽车急刹车时所产生的向前的400-3000N的力。单一的EPS材料和五点式绑带系统，很难做到可以牢靠的保护住婴儿，更何况，如今isofix系统（固定安全座椅系统）还未在我国普及，汽车儿童安全座椅还不能有保障的固定在车座上。
本设计利用弹性材料配合空气减震系统以机械的方式进行减震。原理如图3所示。
图3 靠背气缸减震原理简图
本设计采用气压式减震，橡胶活塞头与缸体相匹配，中间充盈着空气，当受到冲击时空气被压缩，根据大气压强原理再恢复，通过橡胶活塞头和缸壁的摩擦吸收能量达到柔和减震的目的。
如图所示的各项参数，其材料及尺寸分别为聚酯纤维棉材料厚度150mm，刚性材料厚度20mm，活塞直径200mm，活塞高度100mm，缸体内径=橡胶活塞头210mm，缸体高度120mm，静止状态下气缸总体高度保持在220mm左右。橡胶支座厚度20mm，与其上方刚性材料连为一体。
采用空气减震的好处为可以吸收因突然急刹车而产生的强大冲击力，与如今市场上多用的金属弹性元件制作的安全座椅减震系统相比更加稳定。如果使用弹簧减震的话，在受冲击变形后还要恢复原来形状，会出现震摆现象，呈现不稳定状态，就像酒后走步，影响婴儿的睡眠和骨骼发育，而使用气压式减震可以有效的使得震动减轻减缓，吸收大部分冲击力。[3]
为了使得上层纤维材料不会因气缸挤压而突出变形，所以在材料为不锈钢的气缸和纤维棉材料中间增加了一层刚性材料。同时，为了防止漏气，在缸体顶部设置了一个气阀，可以在漏气的时候进行充气，而气缸体周围则选用一般的纤维材料如塑性一般的海绵等纤维材料。
2.2.2头背结合设计
头背设计采用头颈躺板装置，如图4所示，当汽车发生急刹车等紧急情况时，会产生较大冲击力F，而头颈躺板和活塞相连，此时，便会产生一个N1使得活塞受力，而因为座椅底座是和活塞相连，而刚性材料和底座是一体的，所以相对运动的是缸体，缸体向下运动，则与之连接的刚性材料连接的整个靠背都会向下运动。这样便能有效的防止让婴儿的背部遭受冲击，从而较好的保护婴儿脆弱的颈部和脊柱骨骼，如图4。
图4安全座椅整体简化图
图中，头颈躺板的材质为纤维材料包裹内层聚酯纤维棉材料，顶为宽300mm、上底200mm、下底300mm、厚度120mm的直角台体。下方填充物依然为塑性一般的海绵等纤维材料。
2.3 侧边保护减震设计
目前国内企业制造产品普遍不完善的侧边保护系统同样会给婴幼儿造成不小的伤害。
本设计侧边保护采用内层聚酯纤维棉材料减缓冲击力，底层塑性材料同样为刚性材料，是气缸上方刚性材料的延伸，分为上下两部分旨在保护头部、肩部、肘部等位置，所使用聚酯纤维棉厚度100mm，上方与底层呈110°夹角，下方与底层呈100°夹角，使之可以在汽车急转弯时较缓和的减少冲击力。
3结论
本文主要进行了10kg以下儿童安全座椅减震装置的设计，包括座位底部减震设计、背部靠垫减震设计和侧边保护减震设计，与其他同类产品相比较，最大的特点就在于他的减震模式设计的更加合理，更加人性化，缸体和活塞中存在的摩擦力能最大限度的减少婴儿背部所受的颠簸。而头背联合设计则能有效避免发生意外时，婴儿头颈部和脊椎部受到冲击。它的侧边保护同座椅本身的侧边保护对婴儿起了双保险的作用。作为辅料的强化泡沫，可减轻冲击力，当椅体受到外部冲击时，所用椅体的材料可以吸收外部冲击力，从而减轻对座椅上儿童的冲击，有效的保护儿童。
基金项目：
上海工程技术大学 大学生创新活动计划项目cx1106003,项目编号A-0800-10-076