馬國清，周 勇，湯 易，張 軍

（1.煙臺大學(xué) 機電汽車工程學(xué)院，山東 煙臺 264005；2.汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084）

兒童乘車安全如今得到越來越多關(guān)注，同時兒童安全座椅的使用率也逐漸提高[1].我國在2012年7月1日正式實施《機動車兒童成員用約束系統(tǒng)》國家標準，國家標準的實施使得各企業(yè)生產(chǎn)的兒童安全座椅產(chǎn)品有了統(tǒng)一的批準認證標準.各種款式類型的兒童安全座椅在上市前必須經(jīng)過國家標準環(huán)境下的各項檢測以及試驗.

由于《機動車兒童乘員用約束系統(tǒng)》國家標準采標于歐洲經(jīng)濟委員會的ECER44法規(guī)，在進行兒童安全座椅動態(tài)試驗時使用的試驗臺與ECER44法規(guī)的試驗臺也是保持一致的[2-3].而ECER44標準在歐洲應(yīng)用已30余年，近年來歐洲經(jīng)濟委員會成員國消費者對ECE R44法規(guī)多個方面的不足提出批評，由此促使了新法規(guī)ECER129的誕生[4-5].在新法規(guī)中試驗臺的改動很大，改變的項目很多，為了對新法規(guī)下兒童安全座椅批準認證條件進行深入的研究，必須進行新試驗臺的開發(fā).

1 新法規(guī)試驗臺的變化內(nèi)容

相對于 ECE R44法規(guī)，新法規(guī)中試驗臺的靠背座椅外形輪廓由矩形變?yōu)橥剐?，靠背角?0°增加到25°，靠背和座墊由接觸變?yōu)榱粲虚g隙，如圖1所示.

同時，新法規(guī)還增加了側(cè)面碰撞試驗，在進行側(cè)撞試驗時ISOFIX連接件之間應(yīng)力集中，為了保護連接件和測試設(shè)備，法規(guī)要求ISOFIX下方固定點可以沿著 方向移動，移動距離為250mm，因此需要為ISOFIX下方固定點設(shè)計獨立的滑塊機構(gòu).側(cè)撞門以及側(cè)撞門支架共同組成側(cè)撞試驗臺.

除了試驗臺的結(jié)構(gòu)上有改變，座墊以及靠背墊的聚氨酯泡沫特性也有變化，具體內(nèi)容見表1.因此靠背和座墊的材料也需要更換.

2 試驗臺設(shè)計

在試驗臺中 線是一條非常重要的基準線，試驗臺的各個結(jié)構(gòu)都以 為定位基準，試驗臺的固定點系統(tǒng)也是圍繞 線展開.在進行試驗臺的整體設(shè)計時，首先確定了 線的位置，以此為中心，試驗臺的各部分結(jié)構(gòu)位置得以確定，整個試驗臺化整為零，拆解為座墊靠背墊部分、坐墊靠背剛性支架部分、底座部分、固定點系統(tǒng)部分，由于在新法規(guī)側(cè)面碰撞試驗中下固定點 1、 2有沿 軸移動250mm的要求，因此將滑塊機構(gòu)單獨從固定點系統(tǒng)分解出來，與此同時側(cè)撞門支架系統(tǒng)也單獨作為一部分[6-7].

圖1 ECER44法規(guī)試驗臺靠背、座椅墊示意圖Fig.1 The sketch of testbench backrest and seatcushion according to ECER44

表1 ECER129法規(guī)聚氨酯泡沫材料特性改動情況Tab.1 Modifications of properties of polyurethane foam material

使用 UG對試驗臺進行設(shè)計，在設(shè)計過程中首先根據(jù)圖1對座墊和靠背墊進行建模，并找到Cr和H1、，Cr與坐標Y軸重合，如圖2所示．在建模過程中要把座墊和靠背背面的鋁板厚度計算在內(nèi)，在本試驗臺中使用的鋁板厚度為3mm（本論文中提到的坐標系軸方向都同圖2）．

對于使用支撐腿作為抗翻轉(zhuǎn)裝置的兒童座椅，新法規(guī)規(guī)定了在進行動態(tài)試驗時支撐腿的安裝要求，同時也設(shè)定了試驗臺上與支撐腿底面相接觸的最高面和最低面，在垂直方向上以H1H2（ISOFIX兒童座椅下部連接件）進行定位，最高面距離，最低面距離，結(jié)合圖1中座墊長度485mm，可以計算出座墊最高面與最低面的距離為，以此確定座墊、靠背剛性支架的尺寸，座墊、靠背以及剛性支架設(shè)計如圖3所示．

試驗臺底座的設(shè)計是以現(xiàn)有臺車的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，固定方式以及打孔數(shù)量、位置、孔徑尺寸都與現(xiàn)有臺車相配合，使得現(xiàn)有的臺車既可以使用舊法規(guī)試驗臺進行兒童座椅碰撞研究，又可以更換新試驗臺進行ECE R129法規(guī)下的兒童座椅安全性研究.試驗臺與臺車的連接方式為螺栓連接，更換試驗臺方便快捷.此階段設(shè)計情況如圖4所示.

圖2 座墊及靠背墊Fig.2 Seatcushion and backrest

圖3 座墊、靠背及剛性支架Fig.3 Seatcushion,backrestand rigid frame

ECE R129法規(guī)適用于整體式通用型ISOFIX兒童約束系統(tǒng)（i-Size）和整體式特殊車輛ISOFIX兒童約束系統(tǒng).在i-Size兒童約束系統(tǒng)中利用腰帶進行固定的兒童約束系統(tǒng)使用點A和點B固定點；使用腰帶和肩帶進行固定的兒童約束系統(tǒng)使用點A、點B0和點C固定點；使用ISOFIX固定裝置的兒童約束系統(tǒng)使用H1、H2固定點.ECER44法規(guī)和 ECE R129法規(guī)中固定點系統(tǒng)都是按照相應(yīng)法規(guī)進行布置的，各個固定點與Cr線的相對位置沒有改變，使用Cr線作為基準，設(shè)計各個固定點.由于G2設(shè)計在臺車上面，圖5中沒有表示G2點[8].

圖4 未添加固定點系統(tǒng)的試驗臺Fig.4 Testbenchwithout fixed pointsystem

圖5 固定點系統(tǒng)圖Fig.5 The sketch of fixed pointsystem

為了滿足新法規(guī)側(cè)面碰撞試驗中對H1、H2沿Y軸移動250mm的要求，為此設(shè)計了滑塊機構(gòu)，如圖6所示.固定點H1、H2用螺栓連接在滑塊上，滑塊間有縫隙，在進行側(cè)撞試驗時定位銷放松，滑塊可以沿著導(dǎo)桿在Y向移動，移動250mm時有橡塑海綿作為緩沖墊防止滑塊與立柱碰撞，在進行正面或后面碰撞試驗時可將定位銷擰緊限制滑塊在Y向的移動.完成滑塊機構(gòu)設(shè)計之后的試驗臺已可以進行新法規(guī)的正面、后面碰撞試驗.

為了進行新法規(guī)側(cè)面碰撞試驗，尚需對試驗臺進行輔助構(gòu)件的設(shè)計，即側(cè)撞門和側(cè)撞門支架.結(jié)合實驗室實際場地及波形發(fā)生器的位置，對側(cè)撞門支架進行設(shè)計，設(shè)計的預(yù)期是支架可以進行長度調(diào)節(jié)、支架安裝拆卸方便、支架承受沖擊能力強.在進行支架長度設(shè)計之前，按照新法規(guī)要求對側(cè)撞試驗速度波形進行了大量的試驗，對停車位置、停車距離、最深插入量進行分析，確定了支架長度的范圍.最終設(shè)計完成側(cè)撞門以及支架系統(tǒng)[9-10]，如圖7所示.

3 試驗驗證

圖6 滑塊機構(gòu)Fig.6 Slidermechanism

圖7 ECER129試驗臺Fig.7 The testbench according to ECER44

在清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，按照ECER129法規(guī)的要求對新試驗臺進行了標準側(cè)面碰撞試驗.試驗采用47.0 mm橄欖頭和25.0 km/h初速度的組合進行波形調(diào)試，調(diào)試結(jié)果如圖8所示，此波形符合法規(guī)要求.在調(diào)試重復(fù)試驗中進行測量及計算可得座椅從開始減速（此時令初始位移為0）到位移最大時的平均位移為240mm，滿足最大入侵量小于250mm的要求，因此在橄欖頭開始接觸PU管進行減速時，可以設(shè)置為碰撞時刻 0.

將ISOFIX滑塊裝置至于中間位置，將兒童座椅與ISOFIX固定點連接，將支撐腿調(diào)至最長位置，與座椅前端支撐腿固定平面牢固接觸，將兒童假人和5點式兒童安全帶按照試驗流程要求放置妥當并進行預(yù)緊后，取出模擬脊柱，座椅與假人安裝完畢，貼好標記點，如圖9所示.

使用每秒1000幀的高速攝像機對碰撞過程進行記錄.從高速攝像圖像中可以找到側(cè)撞門板的最大侵入量，在新法規(guī)中規(guī)定側(cè)撞門板的最大侵入量不得超過圖10所示 線，圖中 線為試驗座椅中線， 線與 線之間距離為100mm.圖10所示的位置是試驗中側(cè)撞門板的最大侵入位置.通過高速攝像可以看出側(cè)撞支架的長度以及試驗臺在臺車上的位置都符合法規(guī)要求.滑塊機構(gòu)的 向移動距離也滿足法規(guī)要求.

圖11為試驗過程中兒童假人頭部加速度曲線圖，圖12為試驗過程中兒童假人胸部加速度曲線圖，從圖中數(shù)據(jù)可知，本文所設(shè)計的兒童安全座椅試驗臺在進行安全碰撞試驗時，其上的兒童假人的頭部及胸部加速度值滿足法規(guī)要求.

圖8 試驗臺與側(cè)撞門板相對速度曲線圖Fig.8 Relative velocity between testbench and side impactdoor

圖9 帶兒童假人的試驗臺照片F(xiàn)ig.9 The practicalphoto of testbenchw ith Child dummy

圖10 側(cè)撞門板最大侵入位置試驗照片F(xiàn)ig.10 The photo ofmaximum intrusion location of side impactdoor

4 總結(jié)

ECER44新法規(guī)對兒童座椅安全性提出了更高要求，同時還增加了側(cè)面碰撞安全性要求.為了適應(yīng)新法規(guī)的要求，兒童安全座椅動態(tài)試驗用的試驗臺也必須重新設(shè)計.在設(shè)計試驗臺的過程中最重要的依據(jù)是Cr線的確立，在此基礎(chǔ)上確定試驗臺其它各部分結(jié)構(gòu)的位置.為了滿足新增加的側(cè)撞試驗要求，試驗臺要設(shè)計獨立的滑塊機構(gòu)，以及側(cè)撞門、側(cè)撞門支架組成的側(cè)撞裝置.剛性支架下面的底座與臺車是通過螺栓固定的，在碰撞試驗中螺栓受到的剪應(yīng)力特別大，底座與臺車之間的固定務(wù)必要安全可靠.進行固定點系統(tǒng)的設(shè)計時主要是保證各固定點與Cr的位置關(guān)系，同時也需保證固定點與試驗臺結(jié)合牢固.側(cè)撞門支架的設(shè)計重點在于支架長度以及支架在X、Z向的穩(wěn)定性，這樣設(shè)計出的試驗臺才能滿足新法規(guī)的要求.經(jīng)過真實試驗檢驗，新試驗臺在性能及穩(wěn)定性方面都達到了滿意的效果.

圖11 試驗假人頭部加速度曲線圖Fig.11 Theacceleration of Child dummy head door

圖12 試驗假人胸部加速度曲線圖Fig.12 Theacceleration of Child dummy chest

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