兒童約束系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

張慧云，楊 斌，姜曉來，陳 琳，柳立志

（國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽），441004）

兒童約束系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

張慧云，楊 斌，姜曉來，陳 琳，柳立志

（國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽），441004）

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種通用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、整體輕便、移動(dòng)方便、功能完善、安全性高、故障率低的兒童約束系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)。本文首先對(duì)兒童約束系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了分析，其次對(duì)該試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與電控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后通過實(shí)際試驗(yàn)，驗(yàn)證了該試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的正確性及其工作的可靠性；并總結(jié)出了此試驗(yàn)臺(tái)的創(chuàng)新點(diǎn)，對(duì)同類型試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)具有很好的參考價(jià)值。

通用性強(qiáng)；兒童約束系統(tǒng)；翻轉(zhuǎn)；試驗(yàn)臺(tái)

張慧云

吉林大學(xué)碩士研究生畢業(yè)，現(xiàn)任國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽）工程師，主要從事安全試驗(yàn)技術(shù)研究，已發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文近10篇。

1　前言

汽車兒童乘員約束系統(tǒng)是專門為兒童乘員提供的一種約束保護(hù)系統(tǒng)，以保證在車輛碰撞事故發(fā)生時(shí)，為兒童提供安全保護(hù)，從而減少兒童的死亡數(shù)量及傷亡程度［1-3］。自2012年7月1日起，GB 27887-2011《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》納入《公告》檢驗(yàn)項(xiàng)目。為了減少在汽車碰撞事故中兒童的傷亡，借鑒國外法規(guī)，開展我國兒童約束系統(tǒng)的研究和相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)能力的形成是十分必要的。我們項(xiàng)目組通過兩年的不斷努力，對(duì)兒童約束系統(tǒng)試驗(yàn)全球法規(guī)進(jìn)行了研究，并研制完成相應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備，兒童約束系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)是兒童約束系統(tǒng)中的檢測(cè)設(shè)備之一。

目前國內(nèi)外的一些汽車檢測(cè)機(jī)構(gòu)和兒童座椅廠家根據(jù)ECE44-04《關(guān)于批準(zhǔn)機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)（兒童約束系統(tǒng)）的統(tǒng)一規(guī)定》先期研制了兒童約束系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)。部分試驗(yàn)臺(tái)有如下不足——研制成本較高（如一些單軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的臺(tái)架）；無臺(tái)體旋轉(zhuǎn)角度顯示裝置；座椅總成在安裝臺(tái)面上換向和定位比較繁瑣，試驗(yàn)效率較低；無法準(zhǔn)確測(cè)量不同旋轉(zhuǎn)位置的兒童假人位移數(shù)據(jù)等。本文研制的試驗(yàn)臺(tái)就是為了解決以上問題并且能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求而設(shè)計(jì)的。

2　本試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

兒童約束系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)是測(cè)試機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)在座椅發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)乘員的安全保護(hù)性能的檢測(cè)設(shè)備［4］，主要用于在模擬實(shí)車翻轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)測(cè)量兒童約束系統(tǒng)及假人位移數(shù)據(jù)［5-6］。根據(jù)GB27887-2011中5.1.3、6.1.2條及附錄M之規(guī)定設(shè)計(jì)制造［7］。實(shí)現(xiàn)如下兩種翻轉(zhuǎn)測(cè)試：

（1）座椅整體繞座椅縱向中心平面內(nèi)水平軸線做360°正反向翻轉(zhuǎn)測(cè)試；

（2）座椅整體繞處于水平面內(nèi)、且與上述測(cè)試（1）中旋轉(zhuǎn)軸垂直的軸做360°正反向翻轉(zhuǎn)測(cè)試；

設(shè)計(jì)時(shí)要求此試驗(yàn)臺(tái)的整體臺(tái)架可以正反360°翻轉(zhuǎn)；試驗(yàn)臺(tái)中的兒童座椅可以左右90°旋轉(zhuǎn)，從而完成縱向和橫向360°旋轉(zhuǎn)，此功能轉(zhuǎn)換方便、操作簡(jiǎn)單。

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的兒童約束系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，由底座總成A、翻轉(zhuǎn)支架總成B、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)C和座椅及支座總成D組成。翻轉(zhuǎn)支架總成B安裝在底座總成A之上，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以使座椅及支座總成D整體繞座椅13縱向中心平面內(nèi)水平軸線做360°正反向翻轉(zhuǎn)測(cè)試，并且可以利用電氣控制箱5和角度顯示機(jī)構(gòu)（圖5），實(shí)現(xiàn)在0°～360°任意角度測(cè)試；座椅及支座總成D通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)C安裝在翻轉(zhuǎn)支架總成B之上，利用回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)C能使座椅及支座總成D整體可以在翻轉(zhuǎn)支架總成B平臺(tái)上±90°旋轉(zhuǎn)，并能夠在0°、+90°、-90°位置鎖止。

在此試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)中，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)C是本設(shè)備的重點(diǎn)部分，其剖視圖如圖6所示，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)C通過定位銷29實(shí)現(xiàn)兩種狀態(tài)。當(dāng)定位銷控制手柄34處于自然狀態(tài)下時(shí)，下固定板24與上旋轉(zhuǎn)板26為指定設(shè)定的相對(duì)位置；當(dāng)拉出定位銷控制手柄34時(shí)，定位銷29處于脫離鎖緊狀態(tài)，下固定板24與上旋轉(zhuǎn)板26可以發(fā)生相對(duì)角度位置的轉(zhuǎn)動(dòng)。定位銷29通過彈簧32和圓柱銷33在定位銷安裝座31和上旋轉(zhuǎn)板26內(nèi)，實(shí)現(xiàn)定位銷29相對(duì)于上旋轉(zhuǎn)板26有3個(gè)鎖緊位置。3個(gè)鎖緊位置的相距90°，即0°、+90° 、-90°可以調(diào)整，從而可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，此功能轉(zhuǎn)換方便、操作簡(jiǎn)單。定位銷29是利用有一定預(yù)緊力的彈簧32，作為自然狀態(tài)永久有效可靠的鎖緊力。使用定位銷29，使得本裝置鎖緊可靠。定位銷29上端采用菱形機(jī)構(gòu)，菱形的最大邊由于受到固定方向定位銷29的制約，使定位銷29的菱形最大邊永遠(yuǎn)與回轉(zhuǎn)圓周線平行，所以定位銷29鎖緊精度高。

2.2電控部分設(shè)計(jì)

此試驗(yàn)臺(tái)的電控部分：電氣控制箱內(nèi)安裝有電動(dòng)機(jī)控制器、電源，電氣原理圖如圖5所示。電氣柜的前面板安裝有空氣斷路器、指示燈；電氣控制柜的后面板布置有電源的進(jìn)出插座。試驗(yàn)臺(tái)通過0.55 kW交流電動(dòng)機(jī)和兩極減速機(jī)控制翻轉(zhuǎn)速度。當(dāng)操作電控系統(tǒng)時(shí)，交流電動(dòng)機(jī)開始按照電氣控制方向以1 500轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過第一級(jí)減速機(jī)（第一級(jí)減速機(jī)型號(hào)是，R47-Y-037-4P-52.69-M1，減速比為52.69：1）減速后再經(jīng)過第二級(jí)減速機(jī)（第二級(jí)減速機(jī)型號(hào)是，CWU125-50，減速比為50：1）減速，第二級(jí)減速機(jī)的輸出的轉(zhuǎn)數(shù)是0.569 ［1500÷（52.69×50）=0.569 r/min］。每秒鐘達(dá)到了3.416o/s［360o×0.569÷60=3.416o /s］（標(biāo)準(zhǔn)要求翻轉(zhuǎn)速度2°～5°/秒）。

我們?cè)谠O(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)和選擇電機(jī)型號(hào)時(shí)不僅要保證臺(tái)架的旋轉(zhuǎn)速度，同時(shí)還要保證電機(jī)經(jīng)過減速后的最終扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于座椅及支座總成產(chǎn)生的扭矩，以便即能滿足試驗(yàn)要求又能確保試驗(yàn)的安全性。

計(jì)算過程如下：

根據(jù)電機(jī)輸出扭矩：T1=（60/2π）×（P/n） ，其中：P為電機(jī)輸出的功率0.55 kW；n為經(jīng)過減速后的轉(zhuǎn)速0.569 r/min，則最終扭矩

設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)扭矩：T2=F×L，其中F為翻轉(zhuǎn)支架、座椅總成以及帶假人（最大和最小）的兒童約束系統(tǒng)的總重力F=mg；L為旋轉(zhuǎn)軸到質(zhì)心的垂直距離；且70kg≤m≤100kg（由不同組別的兒童約束系統(tǒng)及假人決定），L≤0.6m（0.6 m為此翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)臂的設(shè)計(jì)長度）；則T2=mgL≤100×9.81×0.6=588.6（N·m）最后可知：T1≥T2，從而即能滿足試驗(yàn)要求又能確保試驗(yàn)的安全性。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

利用本試驗(yàn)臺(tái)對(duì)某ISOFIX型兒童約束系統(tǒng)座椅總成進(jìn)行翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)GB 27887-2011中的要求，試驗(yàn)過程中：試驗(yàn)假人不應(yīng)從裝置中掉出來，并且當(dāng)試驗(yàn)座椅處于翻轉(zhuǎn)的位置，沿著垂直于座椅的方向，假人的頭部從它的原始位置產(chǎn)生的位移應(yīng)不超過300 mm［7］。已知該ISOFIX型兒童約束系統(tǒng)座椅總成所屬組別為I組，所以翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)只需對(duì)該組別中的最小假人（9個(gè)月的假人）和最大假人（3歲的假人）進(jìn)行，其試驗(yàn)照片如圖6和圖7所示。

3.1 試驗(yàn)步驟

翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)的具體步驟如下：

第1步：將翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)固定鎖止在水平的地面上，使翻轉(zhuǎn)支架總成處于水平位置（即角度顯示器指示在0°位置），把回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定銷插好；

第2步：將兒童約束系統(tǒng)按照GB 27887-2011附錄U的要求安裝在翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)座椅上；

第3步：將假人放置在安裝好的約束系統(tǒng)中，并按6.1.3.7的規(guī)定處于標(biāo)準(zhǔn)的松弛狀態(tài)（該組別中的最小和最大的兩個(gè)假人）；

第4步：試驗(yàn)前，在測(cè)量桿上標(biāo)記沿著垂直于座椅方向假人頭部的原始位置；

第5步：先打開總電源，再打開控制箱面板上的斷路器開關(guān)，電源指示燈亮；

第6步：利用電氣控制箱遙控盒上的“上”“下”按鈕，點(diǎn)動(dòng)控制使整個(gè)座椅繞著座椅縱向中心平面內(nèi)的水平軸線，以設(shè)計(jì)的速度分別“順時(shí)針旋轉(zhuǎn)”與“逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)”勻速旋轉(zhuǎn)360°；在試驗(yàn)座椅翻轉(zhuǎn)過程中，沿著垂直于座椅方向，記下假人頭部從它的原始位置產(chǎn)生的最大位移處（經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，可知當(dāng)假人的頭部垂直向下時(shí)產(chǎn)生的位移最大）；

第7步：將翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)恢復(fù)水平位置，通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將試驗(yàn)座椅旋轉(zhuǎn)90°并鎖止，用第6步相同的方法，記下假人頭部從它的原始位置產(chǎn)生的最大位移處；

第8步：分別計(jì)算出假人頭部產(chǎn)生的位移量（利用臺(tái)架的橫桿水平移動(dòng)測(cè)量位移量，即安全又可靠）。

3.2試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)假人均未從裝置中掉出來，具體數(shù)據(jù)如表1所示，可以看出，產(chǎn)生的位移均未超過300 mm；通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能夠順利地完成座椅縱向和橫向正負(fù)360°的翻轉(zhuǎn)；試驗(yàn)座椅的翻轉(zhuǎn)平均速度為3.416°/秒，與設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)速度非常吻合，并且在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程的2°～5°/秒范圍內(nèi)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的正確性及其工作的可靠性。

表1　試驗(yàn)結(jié)果

4　本試驗(yàn)臺(tái)的創(chuàng)新點(diǎn)

此兒童約束系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)，能夠滿足GB27887-2011《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》中5.1.3、6.1.2的技術(shù)要求，同時(shí)此試驗(yàn)臺(tái)具體有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）試驗(yàn)臺(tái)中的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過有一定預(yù)緊力的彈簧，實(shí)現(xiàn)了自然狀態(tài)下具有永久有效可靠鎖緊力的功能。

（2）試驗(yàn)臺(tái)中的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)定位銷采用菱形機(jī)構(gòu)，菱形的最大邊受到固定方向定位銷的制約，使定位銷的菱形最大邊永遠(yuǎn)與回轉(zhuǎn)圓周線平行；從而使得此設(shè)備具有鎖緊精度高和可靠性強(qiáng)的功能。

（3）此試驗(yàn)臺(tái)中的座椅及支座總成D拆卸下來后，能夠完成GB18296-2001《汽車燃油箱安全性能要求和試驗(yàn)方法［8］中M類汽車燃油箱蓋的密封性試驗(yàn)。

（4）此試驗(yàn)臺(tái)通用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、整體輕便、移動(dòng)方便、設(shè)計(jì)美觀，有足夠的剛度，安全性高、故障率低。

5　結(jié)論

此試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)，真實(shí)有效地模擬了機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)在座椅發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)兒童約束系統(tǒng)及假人的運(yùn)動(dòng)狀況；滿足了GB 27887-2011《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》中翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)項(xiàng)目的要求，彌補(bǔ)我們單位在兒童約束系統(tǒng)研究方面的空白，使得我們檢測(cè)中心具有了兒童約束系統(tǒng)相關(guān)試驗(yàn)的檢測(cè)能力。此試驗(yàn)臺(tái)自投入工作以來，性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，有效地支持了試驗(yàn)項(xiàng)目的研發(fā)及試驗(yàn)任務(wù)的完成，為我們單位帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

［1］方園，吳光強(qiáng).兒童乘員約束系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與展望［J］.中國工程科學(xué)，2006，8（8）：81-85.

［2］周孔亢，張文娜，揭琳峰，等.汽車兒童約束系統(tǒng)的誤用討論［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，17（2）：30-34.

［3］張金換，李志剛，胡敬文，成波.汽車兒童安全保護(hù)的歐美法規(guī)對(duì)比及未來研究方向［J］.《汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)》，2011，2（3）：185-191.

［4］魏哲，強(qiáng)毅.汽車兒童約束系統(tǒng)技術(shù)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量， 2008（12）：28-31.

［5］葛如海，苗強(qiáng).車用兒童約束裝置綜述［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)， 2006， 16 （4）： 42-47.

［6］李可瑞，王步康，杜匯良，張金換.基于汽車兒童約束系統(tǒng)法規(guī)碰撞試驗(yàn)的試驗(yàn)方法研究［J］.汽車技術(shù)，2006（S1）：78-80.

［7］GB 27887-2011《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》［S］.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2012.

［8］GB18296-2001《汽車燃油箱安全性能要求和試驗(yàn)方法》［S中］. 國標(biāo)注出版社， 2001.

專家推薦

印炯：

作者在學(xué)習(xí)和消化GB27887-2011及全球相關(guān)法規(guī)，調(diào)研國內(nèi)外兒童約束系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上自行設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)裝置，并通過樣件測(cè)試進(jìn)行了合標(biāo)性驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果一致性好，其性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠完成兒童約束系統(tǒng)的抗翻轉(zhuǎn)測(cè)試。

Design of Child Restraint System Flip Test Rig

ZHANG Hui-yun， YANG Bin， JIANG Xiao-lai， CHEN Lin， LIU Li-zhi
（National Automobile Quality Supervision Test Center［Xiangyang］， Xiangyang 441004， China）

To overcome the shortcomings of the prior art， it provided a versatile， easy to operate，the overall lightweight， easy to move， perfect function， high security， low failure rate of the child restraint system flip test rig. This paper analyzed the design requirements of the flip test rig， and secondly designed the mechanical structure and electric control system. Finally， through practical test， it verified the correctness of the test rig design and the reliability of its work， and summed up the innovation of this test rig. And it has the reference value for the same type test rig.

Versatile； Child restraint system； Flip； Test rig

U467.5

A

1005-2550（2015）03-0057-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.03.012

2014-12-03