李幸福 張君媛 陸善彬 劉曉春

（1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.長(zhǎng)春萬榮汽車改裝有限公司）

1 前言

集成式汽車兒童安全座椅，又稱內(nèi)置型兒童座椅，是針對(duì)某款具體汽車，開發(fā)出將兒童座椅集成在成人座椅之中的兒童約束系統(tǒng)。與目前市場(chǎng)能買到的兒童座椅相比，其具有操作簡(jiǎn)便節(jié)省、誤用率低、與整車匹配性好等特性。自1991年開始，沃爾沃開始在后排座椅上使用集成兒童座椅，后來又推出了一體雙階段增高座椅，座椅可逐級(jí)升高[3]。這種整體式兒童座椅在大眾、福特和菲亞特等家用型汽車中都有一定應(yīng)用。

本文提出一種整車集成式汽車兒童增高座椅，對(duì)其座墊舉升機(jī)構(gòu)、鎖止機(jī)構(gòu)及開啟裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了臺(tái)車試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 整車集成式增高座墊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般來說，對(duì)于2～5歲兒童乘員，其身高、體重都較小，骨骼和肌肉有一定程度的發(fā)育，但不能承受某些局部約束，需要約束的點(diǎn)越多越好，推薦使用五點(diǎn)式安全帶；對(duì)于5～10歲兒童乘員，其骨骼和肌肉發(fā)育較好，身體能承擔(dān)三點(diǎn)式安全帶[4]，但是其身高條件不適合單獨(dú)使用三點(diǎn)式安全帶。

兒童增高座椅通過墊高兒童乘員來改善座椅成人安全帶在兒童身體上的定位，一方面使安全帶腰帶部分能夠定位在兒童跨部，另一方面可以使成人安全帶肩帶部分較好地定位在兒童肩部和胸部，避免碰撞過程中安全帶勒住兒童脖子的現(xiàn)象[5]。

由于汽車前排座椅安裝有安全氣囊，碰撞發(fā)生時(shí)可能對(duì)兒童導(dǎo)致致命傷害。相關(guān)研究表明，兒童乘員乘坐在后排座椅較為安全，而后排中間位置最安全[6]，且側(cè)面碰撞安全性好。因此，本文在汽車后排座椅的中間位置設(shè)計(jì)了兒童約束裝置，采用舉升機(jī)構(gòu)用于舉升后排座椅的中間部分，供5～10歲兒童乘員使用。一般5～10歲兒童乘員臂部下側(cè)至肩部的高度范圍在403～483 mm，在不改變后排座椅安全帶固定點(diǎn)位置前提下，設(shè)計(jì)時(shí)的升高高度能保證兒童乘員適合使用成人安全帶，即兒童乘員處于正確的乘坐狀態(tài)。該款集成式兒童增高座墊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，新型約束裝置與汽車座椅設(shè)計(jì)為一體，能夠改善常規(guī)使用的兒童座椅與整車安裝和兼容性問題。

該款集成式兒童增高座墊位于汽車后排座椅中間位置，主要包括增高坐墊的舉升機(jī)構(gòu)與泡沫結(jié)構(gòu)，在使用時(shí)配合成人安全帶使用。該舉升機(jī)構(gòu)主要由四連桿機(jī)構(gòu)、鎖止機(jī)構(gòu)及其開啟裝置和助力件組成。兒童座椅的舉升機(jī)構(gòu)根據(jù)國(guó)內(nèi)某車型后排座椅建立，后排座椅尺寸為 1 300 mm×550 mm×650 mm，座墊傾角為12°，靠背傾角為25°。

2.1 舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

舉升機(jī)構(gòu)主要用于調(diào)節(jié)座墊的升高位置，按調(diào)節(jié)方式可以分為座墊整體水平上、下平行升降機(jī)構(gòu)和座墊前、后單獨(dú)升降機(jī)構(gòu)兩種，按結(jié)構(gòu)可以分為絲桿式、螺旋彈簧式、油缸式和四連桿式4種。各結(jié)構(gòu)形式的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成及特點(diǎn)如表1所示[7]。

表1 舉升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式及其特點(diǎn)

絲杠式、螺旋彈簧式及油缸式都適合座墊整體水平上、下平行升降，考慮到兒童臂部后側(cè)至膝蓋彎曲處的距離比成人小得多，不宜采用整體水平上、下升降，而比較適合采用座墊前、后單獨(dú)升降結(jié)構(gòu)，即采用四連桿機(jī)構(gòu)?？紤]到車輛可能在路面上受到正面碰撞、側(cè)面碰撞，不僅兒童座墊舉升機(jī)構(gòu)的前、后方向強(qiáng)度應(yīng)滿足要求，其側(cè)面方向也要有較大強(qiáng)度，因此四連桿機(jī)構(gòu)前、后臂都采用了整體式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2.2 鎖止機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)使用功能，要求增高座墊的舉升機(jī)構(gòu)能夠在使用時(shí)保持在升高狀態(tài)，并能在承受一定碰撞載荷時(shí)不會(huì)發(fā)生變形；不使用時(shí)要求能夠保持為閉合狀態(tài)，供成人乘員乘坐使用，不會(huì)自動(dòng)回彈。為此，對(duì)舉升四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩套鎖止機(jī)構(gòu)。一套采用鎖止桿與鎖止鉤結(jié)構(gòu)，如圖3所示，考慮到鎖止強(qiáng)度問題，該鎖止結(jié)構(gòu)采用雙邊鉤，中間用銷軸聯(lián)動(dòng)，同時(shí)上面安裝復(fù)位彈簧，保證鎖止桿滑進(jìn)卡槽頂端后能自動(dòng)鎖止；另一套采用滑塊與凸起結(jié)構(gòu)配合，如圖4所示，上板滑塊能在上板上沿著滑槽滑動(dòng)，當(dāng)沒有外力時(shí)，可以在彈簧拉力作用下拉回，同時(shí)滑塊的鉤狀結(jié)構(gòu)與底板上的凸起結(jié)構(gòu)相互鉤緊，實(shí)現(xiàn)鎖止功能。

2.3 開啟裝置設(shè)計(jì)

考慮到操作方便、可接近性強(qiáng)等功能，開啟裝置應(yīng)該設(shè)置在座椅前端。結(jié)構(gòu)中采用的鎖止機(jī)構(gòu)有兩套，相應(yīng)的開啟裝置也有兩套。鎖止裝置1的開啟裝置如圖5所示，往外扣動(dòng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)，開關(guān)的旋轉(zhuǎn)通過軟繩聯(lián)動(dòng)，帶動(dòng)鎖止鉤繞其軸銷轉(zhuǎn)動(dòng)，鎖止鉤與鎖止桿解除鎖止；鎖止裝置2中的滑塊結(jié)構(gòu)可以沿著滑槽滑動(dòng)，在外力作用下，使滑塊朝A方向運(yùn)動(dòng)即可解除鎖止，如圖6所示。

2.4 輔助件的布置

為使操作方便、省力，設(shè)置了助力彈簧。在解除閉合鎖止時(shí)，助力彈簧能使結(jié)構(gòu)彈起，如圖7所示。結(jié)構(gòu)中還有幾處用到了復(fù)位彈簧，設(shè)計(jì)時(shí)都要求彈簧安裝的兩固定點(diǎn)位置大于彈簧原來長(zhǎng)度，使彈簧處于拉伸狀態(tài)。在操作力撤銷之后，結(jié)構(gòu)件能在彈簧拉力的作用下恢復(fù)到初始狀態(tài)。

3 運(yùn)動(dòng)仿真

兒童乘坐時(shí)，座椅裝置處于升高狀態(tài)，機(jī)構(gòu)的工作原理為：按壓開關(guān)1（圖8），解除上板滑塊與底板凸起機(jī)構(gòu)鎖止，機(jī)構(gòu)靠助力彈簧的彈力彈起，升高到一定高度，同時(shí)前臂聯(lián)動(dòng)帶動(dòng)鎖止桿在滑槽結(jié)構(gòu)中滑動(dòng)，到最后位置時(shí)擠壓進(jìn)鎖止鉤，鎖止鉤在彈簧拉力作用下往下拉回，實(shí)現(xiàn)鎖止鉤與鎖止桿的鎖止。

兒童不乘坐時(shí)，座椅裝置處于閉合狀態(tài)，增高坐墊可恢復(fù)到與兩邊坐墊同一高度，供成人乘坐。具體的工作過程與兒童乘坐時(shí)相反，先往外拉開關(guān)2，軟繩帶動(dòng)鎖止鉤旋轉(zhuǎn)，解除鎖止鉤與鎖止桿的鎖止?fàn)顟B(tài)；在外力作用下，將上板往下壓，上板滑塊與底板凸起結(jié)構(gòu)鎖止。

考慮到舉升機(jī)構(gòu)中用到的運(yùn)動(dòng)副多，為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)各部件之間干涉問題，對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了DMU（Digital Mock-Up）運(yùn)動(dòng)仿真，圖9所示為機(jī)構(gòu)由工作狀態(tài)到閉合狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)情況。

該舉升機(jī)構(gòu)集成在后排座椅的中間位置，設(shè)計(jì)要求閉合時(shí)結(jié)構(gòu)占用空間盡量小，因此，采用了前、后支座平行錯(cuò)開的結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)能達(dá)到閉合目的，如圖10所示。

考慮到舉升機(jī)構(gòu)上板需要加裝泡沫，因此對(duì)泡沫切面也進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)計(jì)，以保證機(jī)構(gòu)在升起過程中不會(huì)與其他部件干涉。圖11為整個(gè)增高座椅的集成示意，靠背結(jié)構(gòu)尺寸僅為目標(biāo)車后排座椅的60%。

4 結(jié)構(gòu)試制與臺(tái)車測(cè)試試驗(yàn)

考慮到工藝和成本問題，結(jié)構(gòu)部件均采用較常用的45#鋼材料，對(duì)表面進(jìn)行了發(fā)藍(lán)工藝處理，使其能夠防蝕。

通過集成式兒童增高座墊的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和保護(hù)性能進(jìn)行驗(yàn)證。在進(jìn)行臺(tái)車試驗(yàn)時(shí)，選用了50km/h FRB試驗(yàn)車體加速度作為臺(tái)車加載的加速度曲線（圖12），選用的兒童假人為10歲Hybird III假人。將設(shè)計(jì)的座墊舉升機(jī)構(gòu)安裝在目標(biāo)車型的白車身上，舉升機(jī)構(gòu)上放置好座墊泡沫進(jìn)行試驗(yàn)。

臺(tái)車碰撞試驗(yàn)后，坐墊舉升機(jī)構(gòu)未發(fā)生明顯的變形破壞，鎖止機(jī)構(gòu)仍可正常工作。碰撞過程中，10歲兒童假人的頭部和胸部綜合加速度曲線如圖13和圖14所示。

兒童假人的主要傷害指標(biāo)值如表2所列。

表2 兒童假人的傷害指標(biāo)情況

試驗(yàn)結(jié)果表明，碰撞過程中，在臺(tái)車加速度作用下，10歲兒童假人有向前運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)，在增高座墊和成人安全帶約束作用下，假人向前運(yùn)動(dòng)的能量得以緩沖分散，兒童假人的各項(xiàng)傷害指標(biāo)均在ECE R44法規(guī)規(guī)定的范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

提出了一款新型的一體式汽車兒童座椅，對(duì)其座墊舉升機(jī)構(gòu)、鎖止機(jī)構(gòu)及其開啟裝置等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行了樣件試制，并利用臺(tái)車試驗(yàn)驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和對(duì)兒童乘員的保護(hù)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，在50 km/h的實(shí)車碰撞下，該座椅能滿足強(qiáng)度要求，對(duì)兒童乘員能起到良好的保護(hù)效果。后續(xù)研究有必要對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)、多工況下的兒童保護(hù)效果進(jìn)行。

1 The National Highway Traffic Safety Administration’s 2003 Traffic Safety Facts Sheet:Children.http://www－nrd.nhtsa.dot.gov/pdf/nrd－30/NCSA/TSF2003/809762.pdf.

2 畢瑩.汽車兒童約束系統(tǒng)的CAE分析及其設(shè)計(jì)要求的初步研究：[學(xué)位論文].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009，6.

3 Lotta Jakobsson， Henrik Wiberg， Irene Isaksson Heliman.J?rgen Gustafsson Real Seat Safety for the Growing Child a New 2－stage Integrated Booster Cushion.Proc of 20th Int ESV Conf， Paper no.07－0322， Lyon， France， 2007.

4 楊杏梅.汽車前碰撞中6歲兒童乘員約束系統(tǒng)的仿真研究：[學(xué)位論文].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué).2006，6.

5 任錫娟，曹立波，歐陽(yáng)志高.集成式汽車兒童安全座椅的設(shè)計(jì)與仿真.汽車工程，2009（31），12.

6 Katarina Bohman，Ola Bostr?m，Anna－Lisa Osvalder，Maria Eriksson.Frontal impact protection of children seated on boosterCushions－ an attitude， handling and safety approach， Proc of 20thInt.ESV Conf.， Paper no.07－0268，Lyon， France， 2007.

7 谷正義.轎車車身.北京：人民交通出版社，2002：176～177.