兒童約束系統(tǒng)側(cè)面碰撞試驗(yàn)側(cè)撞門填充材料的研究

張巖，安夢(mèng)妮，蔡蕾

（青島工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266300）

兒童約束系統(tǒng)側(cè)面碰撞試驗(yàn)側(cè)撞門填充材料的研究

張巖，安夢(mèng)妮，蔡蕾

（青島工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266300）

兒童約束系統(tǒng)側(cè)面碰撞試驗(yàn)是ECE R129法規(guī)針對(duì)通用完整ISOFIX接口兒童約束系統(tǒng)和汽車專用ISOFIX接口兒童約束系統(tǒng)增加的試驗(yàn)流程并有相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在其規(guī)定的側(cè)面碰撞試驗(yàn)中，與兒童約束系統(tǒng)發(fā)生碰撞的側(cè)撞門安裝有法規(guī)規(guī)定性能指標(biāo)的填充材料。由于ECE R129法規(guī)尚沒有完全取代現(xiàn)行的ECE R44法規(guī)，兒童約束系統(tǒng)側(cè)面碰撞試驗(yàn)在國內(nèi)還處于起步階段，試驗(yàn)中側(cè)撞門填充材料依賴進(jìn)口，還沒有國產(chǎn)替代材料。作者根據(jù)法規(guī)要求，設(shè)計(jì)并建立了側(cè)撞門填充材料測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)多種材料進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試的同時(shí)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，推測(cè)出滿足法規(guī)要求的性能曲線。

ECE R129；側(cè)面碰撞；填充材料

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.048

CLC NO.:TH145 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-141-04

引言

隨著兒童乘車安全問題逐漸被社會(huì)關(guān)注，兒童約束系統(tǒng)的應(yīng)用率越來越高，世界各發(fā)達(dá)國家都對(duì)兒童約束系統(tǒng)做出強(qiáng)制性要求，并建立了各自的法規(guī)。在各國使用的兒童約束系統(tǒng)法規(guī)中，影響力較大的有美國美國高速公路安全管理局National Highway Traffic Safety Administration（NHTSA）發(fā)布的美國汽車安全技術(shù)法規(guī)Federal motor vehicle safety standards（FMVSS）213兒童約束系統(tǒng)法規(guī)，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)Economic Commission of Europe（ECE）使用的ECE R44兒童約束系統(tǒng)法規(guī)，我國現(xiàn)行的國標(biāo)《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》，其中《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》是以ECE R44為主要參考，試驗(yàn)內(nèi)容與其一致。以上這些關(guān)于兒童約束系統(tǒng)的法規(guī)當(dāng)中，均沒有將側(cè)面碰撞保護(hù)納入其中。[1][2]

2013 年8 月歐洲推出了新的兒童約束系統(tǒng)法規(guī)ECE R129，并將在未來兩年的緩沖期之后取代現(xiàn)行的ECE R44法規(guī)。新法規(guī)當(dāng)中增加了側(cè)面碰撞的試驗(yàn)流程和評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]。由于我國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均以歐洲標(biāo)準(zhǔn)一致，因此，在我國開展兒童約束系統(tǒng)側(cè)撞試驗(yàn)顯得十分迫切。未來我國新的兒童約束系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，必將納入側(cè)撞試驗(yàn)。為模擬交通事故中兒童約束系統(tǒng)與車輛側(cè)面門、窗碰撞，在側(cè)面碰撞試驗(yàn)中兒童約束系統(tǒng)將與側(cè)撞門填充材料進(jìn)行碰撞，因此填充材料的選用是試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性和準(zhǔn)確性的前提，然而到目前為止國內(nèi)在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)填充材料只能依賴進(jìn)口，對(duì)填充材料的研究也無公開發(fā)表的成果。

本文根據(jù)ECE R129法規(guī)的要求，構(gòu)建了一個(gè)填充材料測(cè)試系統(tǒng)，并使用該系統(tǒng)對(duì)多種材料進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)對(duì)加速度曲線進(jìn)行分析，逐步選取更加接近法規(guī)要求的材料。

1、測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建

R129法規(guī)對(duì)填充材料的評(píng)估測(cè)試程序要求如下：

測(cè)試裝置是一個(gè)直徑為150mm，重量為6（±0.1）Kg的球頭，對(duì)其進(jìn)行簡單的跌落試驗(yàn)。沖擊速度為4（±0.1）m/s。儀表應(yīng)允許的沖擊器和樣本之間以及頭部加速度在至少碰撞方向的第一次接觸的時(shí)間評(píng)估（Z方向）[4]。

測(cè)試系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括球頭，球頭釋放裝置，加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)包括設(shè)計(jì)軟件Siemens PLM Software公司的NX 8.0，數(shù)據(jù)采集器的操作軟件，數(shù)據(jù)處理軟件NI公司的Diadem,后期繪圖軟件MicroCal公司的Origin Pro。

1.1 球頭設(shè)計(jì)

球頭使用Q235結(jié)構(gòu)鋼，使用NX 8.0對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證直徑150mm的尺寸要求之后，主要是保證球頭的質(zhì)量要求，同時(shí)要對(duì)傳感器的安裝位置進(jìn)行優(yōu)化，使傳感器安裝方便、測(cè)量準(zhǔn)確，傳感器的線路容易伸出，不易損壞傳感器。綜合上述細(xì)節(jié)要求，最終設(shè)計(jì)的球頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為下部球體和上部端蓋兩部分。

利用NX 8.0的測(cè)量體的功能，Q235的密度為7.85g/cm,賦予材料密度屬性，可以得到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的重量，在設(shè)計(jì)時(shí)為減小制造尺寸誤差對(duì)重量的影響，可以將上端蓋加工的厚一些，留有超重余量，然后根據(jù)比例減小端蓋厚度，使其符合法規(guī)要求。最終加工完成之后，球頭整體的質(zhì)量（包括連接螺栓）為6.015Kg，如圖2，滿足法規(guī)6±0.1Kg的要求。加工完成后對(duì)其進(jìn)行表面處理，防止表面氧化影響測(cè)試結(jié)果。

圖2 球頭實(shí)物Fig 2 Spherical Head Form

1.2 球頭釋放裝置

圖3 電磁式釋放機(jī)構(gòu)Fig 3 Electromagnetic Release Mechanism

1.3 傳感器

本測(cè)試系統(tǒng)需要測(cè)量球頭與被測(cè)材料撞擊過程中的加速度，要求傳感器測(cè)量精準(zhǔn)，性能穩(wěn)定。使用美國恩德福克公司的Model 7264C-2000 型壓阻式傳感器，如圖4所示。恩德福克是具有60年歷史的高端傳感器及其各類電子儀器的研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)，是一個(gè)老牌的美國軍工企業(yè)，多年來一直領(lǐng)導(dǎo)著全世界這一領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，代表著世界傳感器/儀器技術(shù)的最高水平。

圖4 Model 7264cFig 4 Model 7264c

Model 7264C-2000型壓阻式加速度傳感器，其專門設(shè)計(jì)用于碰撞試驗(yàn)、顫振試驗(yàn)、粗糙路面試驗(yàn)及其它要求負(fù)載小、頻響寬之處。符合SAEJ211，具有機(jī)械式過程限止器，尺寸小，重量輕，結(jié)構(gòu)牢固，滿量程輸出400mV，無阻尼，直流響應(yīng)，全橋式結(jié)構(gòu)，環(huán)氧樹脂密封。[5]

1.4 數(shù)據(jù)采集器

本測(cè)試系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)采集器是MDR-82汽車碰撞數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 MDR-82數(shù)據(jù)采集器Fig 5 MDR-82 Data Collection

MDR-82數(shù)據(jù)采集器擁有實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，記錄的同時(shí)，進(jìn)行波形顯示?？梢赃M(jìn)行多次測(cè)量，存儲(chǔ)空間大，能夠滿足汽車碰撞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集所需參數(shù)，同時(shí)也滿足本次試驗(yàn)的采集要求[4]。測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)制造選擇好之后，配合相關(guān)軟件即可進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。

2、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

R129法規(guī)對(duì)于填充材料的厚度要求為55mm（可以是多種材料的組合），沖擊加速度性能指標(biāo)作出如下要求：

樣品材料與球頭第一次接觸的時(shí)間是0ms；

沖擊器加速度應(yīng)該不超過58g；

用于填充材料的通道加速度曲線應(yīng)滿足1,2,3,4曲線所規(guī)定的區(qū)間。如圖6所示。

圖6 填充材料加速度界限Fig 6 Corridor for the Padding Material

(1)上限是58g；

(2)下限的最大峰值是53g（11-12ms）；

(3)加速度下降的上限（從20.5ms的15g到21.5ms的10g）；

(4)加速的下降的下限（從20ms的10g到21ms的7g）[4]83。

2.1 測(cè)試氯丁橡膠

測(cè)試系統(tǒng)建立后首先對(duì)不同厚度的氯丁橡膠進(jìn)行測(cè)試，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果確定后續(xù)的研究材料，避免出現(xiàn)方向性錯(cuò)誤，減少研究過程中的問題。對(duì)30mm厚度的氯丁橡膠與40mm厚度的氯丁橡膠進(jìn)行測(cè)試，并分別選擇不同厚度的保溫材料與氯丁橡膠搭配，增加一層保溫材料之后被測(cè)材料的厚度為55mm。使用Diadem軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CFC（60）濾波，截取需要的部分?jǐn)?shù)據(jù)使用Origin Pro繪制加速度曲線圖。從圖7至圖9，可以獲得以下信息：

（1） 同種材料不同厚度的氯丁橡膠加速度最大值不同，加速度變化過程時(shí)間相近。（如圖7所示）

（2）增加保溫層后加速度最大值變小，加速度變化過程時(shí)間變長。（圖8、9所示）

圖7 30mm厚度與40mm厚度的氯丁橡膠加速度曲線圖Fig 7 Polychloropren Acceleration Curve

圖8 30mm厚度的氯丁橡膠與增加1層保溫材料后的加速度曲線圖Fig 8 30mm Polychloropren Match a Insulation Acceleration Curve

（3）氯丁橡膠的加速度最大值太大，脈寬過窄，加速度曲線距離3、4界限太遠(yuǎn)。

圖9 40mm厚度的氯丁橡膠與增加1層保溫材料后的加速度曲線圖Fig 9 40mm Polychloropren Match a Insulation Acceleration Curve

氯丁橡膠的測(cè)試加速度最大值超過法規(guī)的要求，在后續(xù)材料測(cè)試中應(yīng)該選擇硬度低的材料。

2.2 測(cè)試硫化橡膠

橡膠在硫化后硬度往往會(huì)降低，將硫化橡膠作為第二批測(cè)試材料[7]，氯丁橡膠與硫化橡膠厚度相同，保溫材料一致，使用該系統(tǒng)得到的加速度曲線與氯丁橡膠測(cè)得的加速度曲線進(jìn)行比較。從圖10可以看出硫化橡膠的加速度最大值小于氯丁橡膠的最大值，硫化橡膠的脈寬比氯丁橡膠更寬，加速度下降曲線更加接近法規(guī)的3、4界限。

雖然硫化橡膠的加速度最大值有所下降，但是仍然超出法規(guī)要求。在后面的測(cè)試中應(yīng)選擇硬度更低的橡膠。

圖10 氯丁橡膠與硫化橡膠加速度曲線Fig 10 Polychloropren and Perduren Match a Insulation Acceleration Curve

2.3 測(cè)試硅橡膠

硅橡膠即聚二甲荃硅氧烷，具有一種螺旋形分子構(gòu)型，其分子間力較小，因而具有良好的回彈性，同時(shí)指向螺旋外的甲荃可以自由旋轉(zhuǎn)，因而使硅橡膠具有獨(dú)特的表面性能，是橡膠中最柔軟的一類。[8]

圖11 氯丁橡膠、硫化橡膠與硅橡膠加速度曲線Fig 11 Polychloropren、Perduren and Silastic Acceleration Curve

在對(duì)硅橡膠進(jìn)行測(cè)試，其加速度特性曲線與氯丁橡膠、硫化橡膠相比較加速度最大值降低，脈寬變寬，加速度變化時(shí)間變長，更加接近法規(guī)要求的特性。如圖11所示。

通過對(duì)三種橡膠進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)硅橡膠更接近法規(guī)要求，如果能夠使用一種合適的附加層來降低球頭與橡膠撞擊產(chǎn)生的最大加速度值，那么我們可以推測(cè)滿足法規(guī)要求的材料組合加速度曲線圖應(yīng)如圖12所示。

圖12 推測(cè)滿足法規(guī)要求的加速度曲線Fig 12 Qualified Curve

3、其他材料的探究試驗(yàn)

為了降低最大加速度值，對(duì)多種硬度較低的材料進(jìn)行了測(cè)試，其中B1、B2、B3級(jí)的XPS擠塑板和不同厚度的橡塑海綿保溫板（圖13）測(cè)試曲線更加接近法規(guī)要求。

圖13 XPS擠塑板與橡塑海綿保溫板Fig 13 XPS and Rubber Sponge

圖14 XPS擠塑板加速度曲線Fig 14 XPS Acceleration Curve

圖15 橡塑海綿保溫板Fig 15 Rubber Sponge Acceleration Curve

XPS擠塑板滿足了法規(guī)中第一條 （上限是58g）和第二條（在11-12ms內(nèi)下限的最大峰值是53g）的要求，但是加速度變化時(shí)間太短，在加速度減小階段不能落入到法規(guī)第三條、第四條所規(guī)定的區(qū)域；橡塑海綿保溫板的測(cè)試曲線對(duì)于法規(guī)中第三條（在20.5ms-21.5ms內(nèi)加速度下降的上限）和第四條（20ms-21ms加速度下降的下限）吻合的比較好，但是加速度最大值超過了法規(guī)要求。測(cè)試曲線如圖14、15所示。

4、結(jié)束語

ECE R129法規(guī)發(fā)布接近兩年的時(shí)間，歐洲各大兒童約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)商和生產(chǎn)商對(duì)新法規(guī)要求的側(cè)面碰撞試驗(yàn)研究已經(jīng)很深入和成熟，歐洲使用35mm厚度的橡膠發(fā)泡聚氯丁烯CR4271與20mm厚的styrodur C2500組合進(jìn)行側(cè)撞試驗(yàn)[4]84。由于國內(nèi)法規(guī)還沒有強(qiáng)制進(jìn)行側(cè)撞試驗(yàn)，對(duì)于側(cè)撞填充材料也是鮮有研究。國內(nèi)開始進(jìn)行側(cè)撞試驗(yàn)的廠家使用的填充材料依賴于進(jìn)口，改變這種現(xiàn)狀我們?nèi)沃貐s不能道遠(yuǎn)。建立一個(gè)正確的測(cè)試系統(tǒng)，有方向的進(jìn)行大范圍材料組合與測(cè)試，早日尋得替代材料實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，對(duì)于縮短側(cè)撞試驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)和降低側(cè)撞試驗(yàn)成本大有裨益，也有利于兒童約束系統(tǒng)的安全生產(chǎn)、品質(zhì)提高、使用普及，從而降低交通事故對(duì)兒童的傷害。

[1] US Department of Transportation.Federal motor vehicle safety standard (FMVSS) No.213:Child Restraint Systems[s].Washington DC:National Highway Traffic Safety Administration,2002.

[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng),GB27887-2011[s].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[3] John Carlin, Charles Birdsong, Peter Schuster, William Thompson, Daniel Kawano. Child restraint systems-top tether effectiveness in side impact collisions. SAE Paper Number 2011-01-3578,2011.

[4] Economic Commission for Europe (ECE). Regulation No.R129：Uniform Provisions Concerning the Approval of Enhanced Child Restraint Systems Used on Board of Motor Vehicles.

[5] Model 7264c 產(chǎn)品說明書.

[6] 汽車碰撞數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)產(chǎn)品說明書.

[7] 傅政.橡膠材料及工藝學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,第一版.2013年11月1日, 273-279.

[8] 秋香345.PSGJR-D硅橡膠加熱帶硅橡膠特性. [E] .http://wenku. baidu.com/view/43b37d24a5e9856a5612608a.html.2011年7月26日.

[9] 張玉龍,張晉生.特種橡膠及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,第一版.2011年6月1日.

[10] 郭宏盛.國外特種橡膠的應(yīng)用現(xiàn)狀.[J].橡膠參考資料,1994年02期.

[11] 任文壇，張勇，張隱西.特種橡膠材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)及進(jìn)展[J].橡膠科技市場(chǎng)，2006.01.

Research of padding material for child restraint system lateral impact

Zhang Yan, An Mengni, Cai Lei
( School of Electromechanical Engineering, Qingdao Technology of University, Shandong Qingdao 266300 )

Latest Child restraint system regulation Economic Commission of Europe Regulation No.129 requires Integral Universal ISOFIX Child Restraint Systems and "Specific vehicle ISOFIX" Child Restraint Systems are performed lateral impact test,and the padding material is very important in the test.In order to find the substitute of imported-materials and Change the current situations of relying on foreign imports,the authors designed a material test system and conducted some tests .This paper introduce the system and test results.

ECE R129; lateral impact; padding material

TH145

A

1671-7988(2016)01-141-04

張巖，就職于青島工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，研究方向?yàn)閮和踩闻鲎苍囼?yàn)，汽車被動(dòng)安全與碰撞仿真。

汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（KF11 222）；山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012YD04039）。