兒童約束系統翻轉試驗臺設計

張慧云，楊 斌，姜曉來，陳 琳，柳立志

（國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽），441004）

兒童約束系統翻轉試驗臺設計

張慧云，楊 斌，姜曉來，陳 琳，柳立志

（國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽），441004）

為克服現有技術的不足而提供一種通用性強、操作簡單、整體輕便、移動方便、功能完善、安全性高、故障率低的兒童約束系統翻轉試驗臺。本文首先對兒童約束系統翻轉試驗臺的設計要求進行了分析，其次對該試驗臺的機械結構與電控系統進行了設計，最后通過實際試驗，驗證了該試驗臺設計的正確性及其工作的可靠性；并總結出了此試驗臺的創新點，對同類型試驗臺的設計具有很好的參考價值。

通用性強；兒童約束系統；翻轉；試驗臺

張慧云

吉林大學碩士研究生畢業，現任國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽）工程師，主要從事安全試驗技術研究，已發表相關學術論文近10篇。

1　前言

汽車兒童乘員約束系統是專門為兒童乘員提供的一種約束保護系統，以保證在車輛碰撞事故發生時，為兒童提供安全保護，從而減少兒童的死亡數量及傷亡程度［1-3］。自2012年7月1日起，GB 27887-2011《機動車兒童乘員用約束系統》納入《公告》檢驗項目。為了減少在汽車碰撞事故中兒童的傷亡，借鑒國外法規，開展我國兒童約束系統的研究和相關試驗檢測能力的形成是十分必要的。我們項目組通過兩年的不斷努力，對兒童約束系統試驗全球法規進行了研究，并研制完成相應試驗設備，兒童約束系統翻轉試驗臺是兒童約束系統中的檢測設備之一。

目前國內外的一些汽車檢測機構和兒童座椅廠家根據ECE44-04《關于批準機動車兒童乘員用約束系統（兒童約束系統）的統一規定》先期研制了兒童約束系統翻轉試驗臺。部分試驗臺有如下不足——研制成本較高（如一些單軸旋轉結構的臺架）；無臺體旋轉角度顯示裝置；座椅總成在安裝臺面上換向和定位比較繁瑣，試驗效率較低；無法準確測量不同旋轉位置的兒童假人位移數據等。本文研制的試驗臺就是為了解決以上問題并且能夠滿足標準的要求而設計的。

2　本試驗臺的設計

兒童約束系統翻轉試驗臺是測試機動車兒童乘員用約束系統在座椅發生翻轉時對乘員的安全保護性能的檢測設備［4］，主要用于在模擬實車翻轉狀態時測量兒童約束系統及假人位移數據［5-6］。根據GB27887-2011中5.1.3、6.1.2條及附錄M之規定設計制造［7］。實現如下兩種翻轉測試：

（1）座椅整體繞座椅縱向中心平面內水平軸線做360°正反向翻轉測試；

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

設計時要求此試驗臺的整體臺架可以正反360°翻轉；試驗臺中的兒童座椅可以左右90°旋轉，從而完成縱向和橫向360°旋轉，此功能轉換方便、操作簡單。

2.1機械結構設計

設計的兒童約束系統翻轉試驗臺機械結構如圖1和圖2所示，由底座總成A、翻轉支架總成B、回轉機構C和座椅及支座總成D組成。翻轉支架總成B安裝在底座總成A之上，通過傳動機構和旋轉機構可以使座椅及支座總成D整體繞座椅13縱向中心平面內水平軸線做360°正反向翻轉測試，并且可以利用電氣控制箱5和角度顯示機構（圖5），實現在0°～360°任意角度測試；座椅及支座總成D通過回轉機構C安裝在翻轉支架總成B之上，利用回轉機構C能使座椅及支座總成D整體可以在翻轉支架總成B平臺上±90°旋轉，并能夠在0°、+90°、-90°位置鎖止。

在此試驗臺的設計中，回轉機構C是本設備的重點部分，其剖視圖如圖6所示，回轉機構C通過定位銷29實現兩種狀態。當定位銷控制手柄34處于自然狀態下時，下固定板24與上旋轉板26為指定設定的相對位置；當拉出定位銷控制手柄34時，定位銷29處于脫離鎖緊狀態，下固定板24與上旋轉板26可以發生相對角度位置的轉動。定位銷29通過彈簧32和圓柱銷33在定位銷安裝座31和上旋轉板26內，實現定位銷29相對于上旋轉板26有3個鎖緊位置。3個鎖緊位置的相距90°，即0°、+90° 、-90°可以調整，從而可以滿足標準要求，此功能轉換方便、操作簡單。定位銷29是利用有一定預緊力的彈簧32，作為自然狀態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上端采用菱形機構，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的菱形最大邊永遠與回轉圓周線平行，所以定位銷29鎖緊精度高。

2.2電控部分設計

此試驗臺的電控部分：電氣控制箱內安裝有電動機控制器、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出插座。試驗臺通過0.55 kW交流電動機和兩極減速機控制翻轉速度。當操作電控系統時，交流電動機開始按照電氣控制方向以1 500轉/分的轉速轉動，經過第一級減速機（第一級減速機型號是，R47-Y-037-4P-52.69-M1，減速比為52.69：1）減速后再經過第二級減速機（第二級減速機型號是，CWU125-50，減速比為50：1）減速，第二級減速機的輸出的轉數是0.569 ［1500÷（52.69×50）=0.569 r/min］。每秒鐘達到了3.416o/s［360o×0.569÷60=3.416o /s］（標準要求翻轉速度2°～5°/秒）。

我們在設計試驗臺和選擇電機型號時不僅要保證臺架的旋轉速度，同時還要保證電機經過減速后的最終扭矩遠遠大于座椅及支座總成產生的扭矩，以便即能滿足試驗要求又能確保試驗的安全性。

計算過程如下：

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

設計的試驗臺旋轉扭矩：T2=F×L，其中F為翻轉支架、座椅總成以及帶假人（最大和最小）的兒童約束系統的總重力F=mg；L為旋轉軸到質心的垂直距離；且70kg≤m≤100kg（由不同組別的兒童約束系統及假人決定），L≤0.6m（0.6 m為此翻轉試驗臺旋轉臂的設計長度）；則T2=mgL≤100×9.81×0.6=588.6（N·m）最后可知：T1≥T2，從而即能滿足試驗要求又能確保試驗的安全性。

3　試驗驗證

利用本試驗臺對某ISOFIX型兒童約束系統座椅總成進行翻轉試驗測試，根據GB 27887-2011中的要求，試驗過程中：試驗假人不應從裝置中掉出來，并且當試驗座椅處于翻轉的位置，沿著垂直于座椅的方向，假人的頭部從它的原始位置產生的位移應不超過300 mm［7］。已知該ISOFIX型兒童約束系統座椅總成所屬組別為I組，所以翻轉試驗只需對該組別中的最小假人（9個月的假人）和最大假人（3歲的假人）進行，其試驗照片如圖6和圖7所示。

3.1 試驗步驟

翻轉試驗的具體步驟如下：

第1步：將翻轉試驗臺固定鎖止在水平的地面上，使翻轉支架總成處于水平位置（即角度顯示器指示在0°位置），把回轉機構固定銷插好；

第2步：將兒童約束系統按照GB 27887-2011附錄U的要求安裝在翻轉試驗臺的試驗座椅上；

第3步：將假人放置在安裝好的約束系統中，并按6.1.3.7的規定處于標準的松弛狀態（該組別中的最小和最大的兩個假人）；

第4步：試驗前，在測量桿上標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，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，點動控制使整個座椅繞著座椅縱向中心平面內的水平軸線，以設計的速度分別“順時針旋轉”與“逆時針旋轉”勻速旋轉360°；在試驗座椅翻轉過程中，沿著垂直于座椅方向，記下假人頭部從它的原始位置產生的最大位移處（經過多次試驗驗證，可知當假人的頭部垂直向下時產生的位移最大）；

第7步：將翻轉試驗臺恢復水平位置，通過回轉機構將試驗座椅旋轉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生的最大位移處；

第8步：分別計算出假人頭部產生的位移量（利用臺架的橫桿水平移動測量位移量，即安全又可靠）。

3.2試驗結果

試驗結果：試驗過程中，試驗假人均未從裝置中掉出來，具體數據如表1所示，可以看出，產生的位移均未超過300 mm；通過回轉機構能夠順利地完成座椅縱向和橫向正負360°的翻轉；試驗座椅的翻轉平均速度為3.416°/秒，與設計的翻轉速度非常吻合，并且在標準規程的2°～5°/秒范圍內。通過試驗驗證了該試驗臺設計的正確性及其工作的可靠性。

表1　試驗結果

4　本試驗臺的創新點

此兒童約束系統翻轉試驗臺，能夠滿足GB27887-2011《機動車兒童乘員用約束系統》中5.1.3、6.1.2的技術要求，同時此試驗臺具體有以下創新點：

（1）試驗臺中的回轉機構通過有一定預緊力的彈簧，實現了自然狀態下具有永久有效可靠鎖緊力的功能。

（2）試驗臺中的回轉機構定位銷采用菱形機構，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與回轉圓周線平行；從而使得此設備具有鎖緊精度高和可靠性強的功能。

（3）此試驗臺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方法［8］中M類汽車燃油箱蓋的密封性試驗。

（4）此試驗臺通用性強、操作簡單、整體輕便、移動方便、設計美觀，有足夠的剛度，安全性高、故障率低。

5　結論

此試驗臺的設計，真實有效地模擬了機動車兒童乘員用約束系統在座椅發生翻轉時兒童約束系統及假人的運動狀況；滿足了GB 27887-2011《機動車兒童乘員用約束系統》中翻轉試驗項目的要求，彌補我們單位在兒童約束系統研究方面的空白，使得我們檢測中心具有了兒童約束系統相關試驗的檢測能力。此試驗臺自投入工作以來，性能穩定，運行可靠，有效地支持了試驗項目的研發及試驗任務的完成，為我們單位帶來了可觀的經濟價值。

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

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

［3］張金換，李志剛，胡敬文，成波.汽車兒童安全保護的歐美法規對比及未來研究方向［J］.《汽車安全與節能學報》，2011，2（3）：185-191.

［4］魏哲，強毅.汽車兒童約束系統技術法規和標準研究［J］.機械工業標準化與質量， 2008（12）：28-31.

［5］葛如海，苗強.車用兒童約束裝置綜述［J］.中國安全科學學報， 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法規碰撞試驗的試驗方法研究［J］.汽車技術，2006（S1）：78-80.

［7］GB 27887-2011《機動車兒童乘員用約束系統》［S］.中國標準出版社， 2012.

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

專家推薦

印炯：

作者在學習和消化GB27887-2011及全球相關法規，調研國內外兒童約束系統翻轉試驗臺的基礎上自行設計了一套試驗裝置，并通過樣件測試進行了合標性驗證，試驗結果一致性好，其性能達到設計要求，能夠完成兒童約束系統的抗翻轉測試。

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