中華民國第二十二屆車輛工程學術研討會，國立台北科技大學車輛工程系，台北，2017 年 11 月 24 日The 22nd National Conference on Vehicle Engineering, National Taipei University of Technology, Taipei, Taiwan. Nov. 24, 2017, F–31--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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前(後)向安裝與 CRS 織帶張力對於兒童安全座椅之安全性分析

郭晉誠,邱麒勳,詹英敏,黃秀棓車輛研究測試中心

E-mail: gzc@artc.org.tw

摘要

本研究探討一般使用者在使用兒童保護裝置

（Child Restraint System，以下簡稱 CRS，俗稱兒童安全座椅）安置兒童時，因未瞭解及未正確地安裝 CRS，故當遭受撞擊時是否會因此降低其安全性?本研究以 9個月之小孩人偶模擬乘坐之兒童，利用加速型動態衝擊

測試設備進行一系列之動態測試。選用由 ISOFIX 固定之 CRS，探討前向安裝、後向安裝與 CRS 織帶張力之鬆緊，影響人偶在衝擊時之頭部、胸部傷害與頭部位移。

關鍵詞：兒童保護裝置、兒童安全座椅、動態衝擊測試。

1. 前言 開車幾乎是現代人每天必要的生活方式。根據NHTSA 2015 年資料統計[1]，交通事故造成 9 歲以下兒童的致死率為 3.4 %，5 歲以下兒童的致死率為 5.1 %，5 歲以下包含頸椎尚未發育完全且身體脆弱的小嬰兒，其發生交通事故時之死亡率較高。交通事故不外乎

車輛碰撞，碰撞發生時，只靠車上安全帶並無法將兒童

有效束縛，兒童乘坐汽車必須使用 CRS。 未能有效提供兒童保護之原因分析，如圖 1 所示。許多家長安裝 CRS 方法不正確:車用安全帶繞法錯誤、前向安裝與後向安裝之混淆、本體織帶太鬆…等，皆會影響 CRS 對於兒童之保護。 歐盟為CRS制定許多規定: ECE R44[2]規定 9公斤(大約 9 個月)以上兒童可以使用前向安裝之 CRS。在2013 年新的標準 ECE R129[3]，也稱為”i-Size”，卻規定 15 個月以上兒童才可以使用前向安裝之 CRS。R129標準將前向安裝使用年齡延後到 15 個月，主要目的是保護 15 個月以下兒童脆弱的頸椎。 不同年齡或體重的兒童對應不同規格的 CRS，並有相對的安裝方式[4]。市面上有些 CRS，可以針對不同體重的兒童，其安裝方式可以兼具前向與後向設定。

頸椎尚未發育完全之兒童，當使用前向安裝的 CRS 遭受到衝擊時，因慣性造成頭部甩動的力量將對頸部及頭

部造成較大的傷害。而使用後向安裝的 CRS，當發生碰撞時，是以整個椅背來支撐兒童，能量會由面積較大

的軀幹來分擔，減少頭頸部的受力以降低傷害。美國

PMC 資料提到[5]，前面衝擊時，使用前向安裝之安全座椅相對於後向安裝，小孩所受的傷害較嚴重。

基於市面上新車座椅大部份配有 ISOFIX 固定裝置，本研究選用坊間通過 CNS 11497 國家標準[6]認可

之 CRS，兼具前向與後向安裝功能，適用於 0〜4 歲之兒童乘坐，對應重量為出生嬰兒~18 公斤以下兒童使用，固定方式為 ISOFIX。測試人偶使用 P3/4，其可適用該 CRS 之後向安裝和前向安裝，以便討論前向與後向安裝之不同，並對應不同 CRS 本體織帶鬆緊之傷害與位移分析。

圖 1 未能有效提供兒童保護之原因分析

2. 研究設備2.1 動態衝擊測試設備

測 試 所使 用之 動 態衝擊 測 試設 備為 SESA ServoSled 加速型模擬碰撞試驗機，位於 ARTC 實車碰撞實驗室內，CRS 動態衝擊測試時之架設方式，如圖 2所示。另有搭配動態衝擊測試所使用的輔助系統:人偶、感測器、資料擷取系統及高速攝影系統等…。

圖 2 CRS 動態衝擊測試設定

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2.2 人偶、感測器及資料擷取系統本研究使用 TNO P3/4 (9 個月)小孩人偶，並透過

小孩人偶所裝配的感測器進行訊號擷取，以利後續的分

析比對。所使用之感測器分別為頭部及胸部三軸加速規

(Endevco 7264)，以分析 9 個月小孩人偶之運動狀況。量測裝置之裝配位置及頻率特性符合 CNS 13060，頭部重心位置之頻率級 1000 Hz (CFC 1000)，在胸部重心位置之頻率級 180 Hz (CFC 180)。動態衝擊測試設備則裝置單軸加速規，量測衝擊加速度，其頻率級為 60 Hz (CFC 60)。張力計之頻率級亦為 60 Hz (CFC 60) 。

感測器所使用之資料擷取設備為 32 頻道之KYOWA DIS-3000B，依據 SAE J211-1[7]之規範使用DIAdem 軟體進行訊號後處理。

2.3 高速攝影系統在動態衝擊之高速運動下，藉由高速攝影機所拍攝

之高速影像，可輔助分析各測試條件下 9 個月小孩人偶之運動行為。本研究在地面(Off-board)架設 NAC HX-5高速攝影系統，以每秒 1,000畫面之拍攝速度進行拍攝。

3. 試驗條件3.1 測試規範

本研究以經濟部標檢局之 CNS 標準－CNS 11497汽車用兒童保護裝置之動態衝擊波形，如圖 3 所示。

圖 3 測試台車加速度波形規範

3.2 測試設定本研究測試方式為前面衝擊，以車行方向為前方，

模擬車輛行駛時發生前面碰撞，如圖 4 所示。本研究以CRS 安裝方向與 CRS 之織帶張力作為本實驗之操縱變因，CRS 安裝方向可分為前向安裝與後向安裝，如圖 5所示。CRS 織帶張力以一般家長實際安裝來區分，CRS織帶狀態在安裝後可分為:鬆弛、平貼與緊繃，對應之CRS 織帶張力為 5 N、20N 與 250N，實驗設計如表 1所示，實驗規劃如表 2 所示；其它參數如 CRS 傾斜段位、小孩人偶、人偶乘坐姿態、支撐腳長度及肩帶段

等…，則固定不變。

圖 4 衝擊方向示意圖

圖 5 前向與後向安裝設定示意圖

表 1 實驗設計表

實驗因子 水準一 水準二 水準三

CRS 安裝方向 前向 後向 -

CRS 織帶張力 5 N(鬆弛) 20 N(平貼) 250 N(緊繃)註:250 N 為 CNS11497 標準規定之 CRS 織帶張力設定值。

表 2 實驗規劃表

NO 編號 CRS 安裝方向 CRS 織帶張力

1 F5 前向(F) 5 N(5)

2 F20 前向(F) 20 N(20)

3 F250 前向(F) 250 N(250)

4 R5 後向(R) 5 N(5)

5 R20 後向(R) 20 N(20)

6 R250 後向(R) 250 N(250)

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4.人偶之頭部傷害指數頭部傷害指數(Head Injury Criteria，HIC) [6]：一

般頭部傷害形式可分為兩類：

4.1 直接效應頭部直接撞擊或碰觸硬物造成傷害。物理現象來

說，會產生較大之線性加速度。以本研究為例，其碰觸

物體為測試用標準座椅。

4.2 間接效應頭部突然移動，因為慣性改變會造成傷害。其係

因身體重心的運動方向改變，再經由頸關節傳遞至頭部

造成較大之角加速度所致。其計算式如下。

1m12

2

112

5.2 t

tttadt

ttaxHIC

(1)

其中， a為頭部重心 x、y、z 方向之合成加速度；

1t 、 2t 為紀錄開始至結束之任意 2 時間點，而 HIC 值即為此時間間距內，上述計算式之最大值，一般使用之

HIC 時間為 36 毫秒，此時間可獲得較適當的頭部加速度相對頭部傷害的 HIC 值。

5. 結果與討論5.1 動態衝擊加速度波形

將 6 次測試所得之台車加速度波形重疊比對，本研究中各次測試之台車加速度波形，如圖 6 所示。可見各測試之波形趨勢皆相同、差異不大，說明台車加速度波

形在良好之控制下，提供穩定的測試條件。

圖 6 台車加速度波形圖

5.2 頭部感測器本研究設定頭部感測器方向，如圖 7 所示，不同條

件對應不同軸向之加速度圖，X 軸如圖 8 所示，Y 軸如圖 9 所示，Z 軸如圖 10 所示。不同測試條件所量測之胸部最大合成加速度，如圖 11 所示。

圖 7 頭部感測器方向示意圖

圖 8 頭部感測器 Ax 方向波形圖

圖 9 頭部感測器 Ay 方向波形圖

圖 10 頭部感測器 Az 方向波形圖

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圖 11 頭部合成加速度比較圖

頭部合成最大加速度之比較，如圖 12 所示。前向安裝時，當織帶張力由 5 N 提高至 20 N 時，頭部合成最大加速度由 71.3 g 降為 62.3 g(降低 12.6 %)；而張力再提高至 250 N 時，頭部合成最大加速度降為 54.0 g(比原本 71.3 g 降低 24.3 %)。 後向安裝時，當織帶張力由 5 N 提高至 20 N 時，頭部合成最大加速度由 48.0 g 升為 51.0 g(升高 6.3 %)；而張力再提高至 250 N 時，頭部合成最大加速度沒有變化。

綜合以上可得知:前向安裝時，織帶張力越大，頭部加速度越小。後向安裝時，織帶張力對於頭部加速度

影響不明顯。比較前向與後向安裝，後向安裝對應之頭

部加速度較小。

圖 12 頭部合成最大加速度比較圖

5.3 頭部傷害指數 不同測試條件下人偶所受之頭部傷害指數(Head Injury Criterion，HIC)，如圖 13 所示。前向安裝時，當織帶張力由 5 N 提高至 20 N 時，頭部傷害指數由 542.2降為 485.6(降低 10.4 %)；當織帶張力再提高至 250 N時，頭部傷害指數降為420.4(比原來 542.2降低22.5 %)。 後向安裝時，當織帶張力由 5 N 提高至 20 N 時，頭部傷害指數由 316.0 降為 314.0(降低 0.6 %)；當織帶張力再提高至 250 N 時，頭部傷害指數降為 299.1(比原來 316.0 降低 5.3 %)。

綜合以上可得知:前向安裝時，織帶張力越大，頭部傷害指數越小。後向安裝時，織帶張力對於頭部傷害

指數影響不明顯。比較前向與後向安裝，後向安裝對應

之頭部傷害指數較小。

圖 13 頭部傷害指數(HIC36)比較圖

5.4 胸部感測器本研究設定胸部感測器方向，如圖 14 所示，不同

條件對應不同軸向之加速度圖，X 軸如圖 15 所示，Y軸如圖 16 所示，Z 軸如圖 17 所示。不同測試條件所量測之胸部最大合成加速度，如圖 18 所示。

圖 14 胸部感測器方向示意圖

圖 15 胸部感測器 Ax 方向波形圖

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圖 16 胸部感測器 Ay 方向波形圖

圖 17 胸部感測器 Az 方向波形圖

圖 18 胸部合成加速度比較圖

胸部合成最大加速度比較如圖 19 所示，前向安裝時，當織帶張力由 5 N 提高至 20 N 時，胸部合成最大加速度由 56.2 g 降為 40.9 g(降低 27.2 %)；而張力再提高至 250 N 時，胸部合成最大加速度降為 39.0 g(比原來 56.2 g 降低 30.6 %)。 後向安裝時，當織帶張力由 5 N 提高至 20 N 時，胸部合成最大加速度由 40.7 g 降為 40.5 g(降低 0.5 %)；而張力再提高至 250 N 時，胸部合成最大加速度降為39.8 g(比原來 40.7 g 降低 2.2 %)。 綜合以上可得知:前向安裝時，織帶張力越大，胸部加速度越小。後向安裝時，織帶張力對於胸部加速度

影響不明顯。比較前向與後向安裝，織帶張力同為 5 N時，後向安裝對應之胸部加速度較小。

圖 19 胸部合成最大加速度比較圖

5.5 頭部位移衝擊瞬間由於慣性原理，人偶會持續往前位移，

經由 CRS 織帶束縛人偶使頭部無法再向前位移。綜合不同條件動態衝擊影像之最大位移量比較圖，如圖 20所示，此為前向安裝衝擊時之人偶最大位移。左側圖為

原始狀態(T=0 ms)，右側圖為頭部向前最大位移狀態。前向安裝時，當織帶張力為 5 N(F5)時，頭部最大

位移量為 400 mm (T=98 ms)；織帶張力為 50 N(F20)時，頭部最大位移量為 359 mm (T=94 ms)；織帶張力為 250 N(F250) 時，頭部最大位移量為 337 mm(T=98 ms)。不同張力對應頭部最大位移比較如圖 21 所示，可得知:織帶張力越大，人偶於動態過程中最大頭部位移量有減少之趨勢。

後向安裝時， CRS 椅背可提供人偶頭部支撐，故不進行位移評估。

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圖 20 前向頭部最大位移量示意圖

圖 21 前向頭部最大位移比較圖

6. 結論 本研究以安裝方向與本體織帶張力作為本實驗之操縱變因。根據本研究所設定之參數，前向安裝之實驗

結果彙整如表 3 所示，後向安裝之實驗結果彙整如表 4所示。前向實驗結果比較圖如圖 22 所示，後向實驗結果比較圖如圖 23 所示。

表 3 前向安裝實驗結果彙整表F5 F20 F250

頭部合成

加速度

測試結果(g) 71.3 62.3 54.0

改善率 0 % 12.6 % 24.3 %

頭部傷害

指數

測試結果 542.2 485.6 420.4

改善率 0 % 10.4 % 22.5 %

胸部合成

加速度

測試結果(g) 56.2 40.9 39.0

改善率 0 % 27.2 % 30.6 %

頭部位移測試結果(mm) 400 359 337

改善率 0 % 10.3 % 15.8 %

註：改善率為針對 F5 之結果進行比較。底線為該項目最佳之結果。

表 4 後向安裝實驗結果彙整表

R5 R20 R250

頭部合成

加速度

測試結果(g) 48.0 51.0 51.0

改善率 0 % -6.3 % -6.3 %

頭部傷害

指數

測試結果 316.0 314.0 299.1

改善率 0 % 0.6 % 5.3 %

胸部合成

加速度

測試結果(g) 40.7 40.5 39.8

改善率 0 % 0.5 % 2.2 %

註：改善率為針對 R5 之結果進行比較。底線為該項目最佳之結果。

圖 22 前向安裝實驗結果比較圖

圖 23 後向安裝實驗結果比較圖

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綜觀上述之實驗結果統整如下:1. 對於人偶頭部傷害(頭部合成加速度)而言，前向安

裝時，當織帶張力由 5 N 提高至 20 N 時，改善率為 12.6 %；當織帶張力由 20 N 提高至 250 N 時，改善率為由 12.6 %提高至 24.3 %。後向安裝時，織帶張力影響並不明顯。後向安裝時之頭部合成加

速度低於前向安裝。

2. 對於人偶頭部傷害(頭部傷害指數)而言，前向安裝時，當織帶張力由 5 N 提高至 20 N 時，改善率為10.4 %；當織帶張力由 20 N 提高至 250 N 時，改善率由 10.4 %提高至 22.5 %。後向安裝時，織帶張力影響並不明顯。後向安裝時之頭部傷害指數低

於前向安裝。

3. 對於人偶胸部傷害(胸部合成加速度)而言，前向安裝時，當織帶張力由 5 N 提高至 20 N 時，改善率為 27.2 %，當織帶張力由 20 N 提高至 250 N 時，改善率由 27.2 %提升至 30.6 %。後向安裝時，織帶張力影響並不明顯。織帶張力為 5 N 時，後向安裝時之胸部合成加速度低於前向安裝。

4. 對於頭部位移而言，前向安裝時，當織帶張力由 5 N 提高至 20 N 時，改善率為 10.3 %，當織帶張力由 20 N 提高至 250 N 時，改善率由 10.3 %提升至15.8 %。

7. 未來發展 民國 90 年以來，道路交通管理處罰條例就已經規定 12 歲以下兒童在搭乘小客車需使用 CRS。如今，一般民眾已建立兒童乘坐汽車時須使用 CRS 的觀念。但如何正確的安裝 CRS，才能提供兒童最佳的安全防護，卻是一般民眾較常忽略的問題。

市面上 CRS 種類眾多且安裝方法都不同，若家長使用前未依使用手冊進行安裝，可能因 CRS 之設定條件不同，造成誤安裝或誤使用，反而降低了 CRS 提供予兒童之保護能力。

目前台灣 CNS 11497 主要根據歐盟 ECE R44，而最新 ECE R129 不同於 ECE R44，可歸納以下幾點:1. R44 根據兒童體重來區分不同等級；R129 根據兒

童身高或年齡來區分不同等級。

2. R44 規定 9 個月以上兒童可以使用前向安裝之CRS；R129 強制規定 15 個月以下兒童必須使用後向安裝之 CRS。

3. R44 規定 CRS 之固定方式可以是車用安全帶或ISOFIX；R129 規定固定方式只能是 ISOFIX。

4. R44 測試包含前方衝擊與後方衝擊；i-size 測試包含前方衝擊、後方衝擊與側方衝擊，來確認 CRS是否有提供側方衝擊之保護能力。

以上幾點是未來進一步研究可作延伸的部份。另

外提供下列幾點參考，期望能再擴展 CRS 在各種不同之使用條件下，能獲得更安全之 CRS 安裝方法，以有效降低對兒童造成傷害的程度：

1. 本研究選用之 9 個月小孩人偶，目前除安裝頭部及胸部三軸向之加速規外，未來仍可增加頸部荷重元

感測器，以分析對於兒童頸椎之受力及傷害程度。

2. 本研究針對前方衝擊，未來可增加後方衝擊及側方衝擊，以討論不同方向力量對兒童造成頸部、頭部

與胸部的傷害分析。

3. 本研究之 CRS 皆安裝於標準汽車座椅，進行前面衝擊測試，未來可嘗試增設車殼(含內裝飾板)、安全帶預負荷裝置、實車座椅等，甚至以實車進行相

關碰撞測試，以獲取更擬真之實驗結果。

8. 參考文獻[1] “Traffic Safety Facts 2015”, NHTSA-DOT HS

812384, 2015.[2] “Uniform provisions concerning the approval of

restraining devices for child occupants of power-driven vehicles(Child Restraint Systems)”, ECE R44, 2014.

[3] “Uniform provisions concerning the approval of enhanced Child Restraint Systems used on board of motor vehicles (ECRS)”, ECE R129, 2013

[4] “Car Seat by Child’s Age and Size”, https://www.safercar.gov/parents/CarSeats/Right-Seat-Age-And-Size-Recommendations.htm?view=full.

[5] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2598309, “Car safety seats for children: rear facing for best protection”,

[6] “ 經濟部標準檢驗局 - 車用兒童保護裝置 ”,CNS-11497, 2010.

[7] “Instrumentation for Impact Test-Part 1-Electronic Instrumentation”, SAE J211-1, 2003.