馬國(guó)清，周 勇，湯 易，張 軍

（1.煙臺(tái)大學(xué) 機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005；2.汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

兒童乘車安全如今得到越來(lái)越多關(guān)注，同時(shí)兒童安全座椅的使用率也逐漸提高[1].我國(guó)在2012年7月1日正式實(shí)施《機(jī)動(dòng)車兒童成員用約束系統(tǒng)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)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(zhǔn)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn).各種款式類型的兒童安全座椅在上市前必須經(jīng)過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的各項(xiàng)檢測(cè)以及試驗(yàn).

由于《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采標(biāo)于歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)的ECER44法規(guī)，在進(jìn)行兒童安全座椅動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)使用的試驗(yàn)臺(tái)與ECER44法規(guī)的試驗(yàn)臺(tái)也是保持一致的[2-3].而ECER44標(biāo)準(zhǔn)在歐洲應(yīng)用已30余年，近年來(lái)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)成員國(guó)消費(fèi)者對(duì)ECE R44法規(guī)多個(gè)方面的不足提出批評(píng)，由此促使了新法規(guī)ECER129的誕生[4-5].在新法規(guī)中試驗(yàn)臺(tái)的改動(dòng)很大，改變的項(xiàng)目很多，為了對(duì)新法規(guī)下兒童安全座椅批準(zhǔn)認(rèn)證條件進(jìn)行深入的研究，必須進(jìn)行新試驗(yàn)臺(tái)的開發(fā).

1 新法規(guī)試驗(yàn)臺(tái)的變化內(nèi)容

相對(duì)于 ECE R44法規(guī)，新法規(guī)中試驗(yàn)臺(tái)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(shí)，新法規(guī)還增加了側(cè)面碰撞試驗(yàn)，在進(jìn)行側(cè)撞試驗(yàn)時(shí)ISOFIX連接件之間應(yīng)力集中，為了保護(hù)連接件和測(cè)試設(shè)備，法規(guī)要求ISOFIX下方固定點(diǎn)可以沿著 方向移動(dòng)，移動(dòng)距離為250mm，因此需要為ISOFIX下方固定點(diǎn)設(shè)計(jì)獨(dú)立的滑塊機(jī)構(gòu).側(cè)撞門以及側(cè)撞門支架共同組成側(cè)撞試驗(yàn)臺(tái).

除了試驗(yàn)臺(tái)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(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)臺(tái)中 線是一條非常重要的基準(zhǔn)線，試驗(yàn)臺(tái)的各個(gè)結(jié)構(gòu)都以 為定位基準(zhǔn)，試驗(yàn)臺(tái)的固定點(diǎn)系統(tǒng)也是圍繞 線展開.在進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)的整體設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定了 線的位置，以此為中心，試驗(yàn)臺(tái)的各部分結(jié)構(gòu)位置得以確定，整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)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(diǎn)系統(tǒng)部分，由于在新法規(guī)側(cè)面碰撞試驗(yàn)中下固定點(diǎn) 1、 2有沿 軸移動(dòng)250mm的要求，因此將滑塊機(jī)構(gòu)單獨(dú)從固定點(diǎn)系統(tǒng)分解出來(lái)，與此同時(shí)側(cè)撞門支架系統(tǒng)也單獨(dú)作為一部分[6-7].

圖1 ECER44法規(guī)試驗(yàn)臺(tái)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(dòng)情況Tab.1 Modifications of properties of polyurethane foam material

使用 UG對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中首先根據(jù)圖1對(duì)座墊和靠背墊進(jìn)行建模，并找到Cr和H1、，Cr與坐標(biāo)Y軸重合，如圖2所示．在建模過(guò)程中要把座墊和靠背背面的鋁板厚度計(jì)算在內(nèi)，在本試驗(yàn)臺(tái)中使用的鋁板厚度為3mm（本論文中提到的坐標(biāo)系軸方向都同圖2）．

對(duì)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(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)支撐腿的安裝要求，同時(shí)也設(shè)定了試驗(yàn)臺(tái)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(jìn)行定位，最高面距離，最低面距離，結(jié)合圖1中座墊長(zhǎng)度485mm，可以計(jì)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(jì)如圖3所示．

試驗(yàn)臺(tái)底座的設(shè)計(jì)是以現(xiàn)有臺(tái)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(tái)車相配合，使得現(xiàn)有的臺(tái)車既可以使用舊法規(guī)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行兒童座椅碰撞研究，又可以更換新試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行ECE R129法規(guī)下的兒童座椅安全性研究.試驗(yàn)臺(tái)與臺(tái)車的連接方式為螺栓連接，更換試驗(yàn)臺(tái)方便快捷.此階段設(shè)計(jì)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(jìn)行固定的兒童約束系統(tǒng)使用點(diǎn)A和點(diǎn)B固定點(diǎn)；使用腰帶和肩帶進(jìn)行固定的兒童約束系統(tǒng)使用點(diǎn)A、點(diǎn)B0和點(diǎn)C固定點(diǎn)；使用ISOFIX固定裝置的兒童約束系統(tǒng)使用H1、H2固定點(diǎn).ECER44法規(guī)和 ECE R129法規(guī)中固定點(diǎn)系統(tǒng)都是按照相應(yīng)法規(guī)進(jìn)行布置的，各個(gè)固定點(diǎn)與Cr線的相對(duì)位置沒有改變，使用Cr線作為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)各個(gè)固定點(diǎn).由于G2設(shè)計(jì)在臺(tái)車上面，圖5中沒有表示G2點(diǎn)[8].

圖4 未添加固定點(diǎn)系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)Fig.4 Testbenchwithout fixed pointsystem

圖5 固定點(diǎn)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(yàn)中對(duì)H1、H2沿Y軸移動(dòng)250mm的要求，為此設(shè)計(jì)了滑塊機(jī)構(gòu)，如圖6所示.固定點(diǎn)H1、H2用螺栓連接在滑塊上，滑塊間有縫隙，在進(jìn)行側(cè)撞試驗(yàn)時(shí)定位銷放松，滑塊可以沿著導(dǎo)桿在Y向移動(dòng)，移動(dòng)250mm時(shí)有橡塑海綿作為緩沖墊防止滑塊與立柱碰撞，在進(jìn)行正面或后面碰撞試驗(yàn)時(shí)可將定位銷擰緊限制滑塊在Y向的移動(dòng).完成滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)之后的試驗(yàn)臺(tái)已可以進(jìn)行新法規(guī)的正面、后面碰撞試驗(yàn).

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

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖6 滑塊機(jī)構(gòu)Fig.6 Slidermechanism

圖7 ECER129試驗(yàn)臺(tái)Fig.7 The testbench according to ECER44

在清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，按照ECER129法規(guī)的要求對(duì)新試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)側(cè)面碰撞試驗(yàn).試驗(yàn)采用47.0 mm橄欖頭和25.0 km/h初速度的組合進(jìn)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(yàn)中進(jìn)行測(cè)量及計(jì)算可得座椅從開始減速（此時(shí)令初始位移為0）到位移最大時(shí)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(jìn)行減速時(shí)，可以設(shè)置為碰撞時(shí)刻 0.

將ISOFIX滑塊裝置至于中間位置，將兒童座椅與ISOFIX固定點(diǎn)連接，將支撐腿調(diào)至最長(zhǎng)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(diǎn)式兒童安全帶按照試驗(yàn)流程要求放置妥當(dāng)并進(jìn)行預(yù)緊后，取出模擬脊柱，座椅與假人安裝完畢，貼好標(biāo)記點(diǎn)，如圖9所示.

使用每秒1000幀的高速攝像機(jī)對(duì)碰撞過(guò)程進(jìn)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(guò)圖10所示 線，圖中 線為試驗(yàn)座椅中線， 線與 線之間距離為100mm.圖10所示的位置是試驗(yàn)中側(cè)撞門板的最大侵入位置.通過(guò)高速攝像可以看出側(cè)撞支架的長(zhǎng)度以及試驗(yàn)臺(tái)在臺(tái)車上的位置都符合法規(guī)要求.滑塊機(jī)構(gòu)的 向移動(dòng)距離也滿足法規(guī)要求.

圖11為試驗(yàn)過(guò)程中兒童假人頭部加速度曲線圖，圖12為試驗(yàn)過(guò)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(jì)的兒童安全座椅試驗(yàn)臺(tái)在進(jìn)行安全碰撞試驗(yàn)時(shí)，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(yàn)臺(tái)與側(cè)撞門板相對(duì)速度曲線圖Fig.8 Relative velocity between testbench and side impactdoor

圖9 帶兒童假人的試驗(yàn)臺(tái)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(yàn)照片F(xiàn)ig.10 The photo ofmaximum intrusion location of side impactdoor

4 總結(jié)

ECER44新法規(guī)對(duì)兒童座椅安全性提出了更高要求，同時(shí)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(dòng)態(tài)試驗(yàn)用的試驗(yàn)臺(tái)也必須重新設(shè)計(jì).在設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)的過(guò)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(yàn)臺(tái)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(yàn)要求，試驗(yàn)臺(tái)要設(shè)計(jì)獨(dú)立的滑塊機(jī)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(tái)車是通過(guò)螺栓固定的，在碰撞試驗(yàn)中螺栓受到的剪應(yīng)力特別大，底座與臺(tái)車之間的固定務(wù)必要安全可靠.進(jìn)行固定點(diǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)主要是保證各固定點(diǎn)與Cr的位置關(guān)系，同時(shí)也需保證固定點(diǎn)與試驗(yàn)臺(tái)結(jié)合牢固.側(cè)撞門支架的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于支架長(zhǎng)度以及支架在X、Z向的穩(wěn)定性，這樣設(shè)計(jì)出的試驗(yàn)臺(tái)才能滿足新法規(guī)的要求.經(jīng)過(guò)真實(shí)試驗(yàn)檢驗(yàn)，新試驗(yàn)臺(tái)在性能及穩(wěn)定性方面都達(dá)到了滿意的效果.

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

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

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