兒童約束系統側面碰撞試驗側撞門填充材料的研究

張巖，安夢妮，蔡蕾

（青島工學院機電工程學院，山東 青島 266300）

兒童約束系統側面碰撞試驗側撞門填充材料的研究

張巖，安夢妮，蔡蕾

（青島工學院機電工程學院，山東 青島 266300）

兒童約束系統側面碰撞試驗是ECE R129法規針對通用完整ISOFIX接口兒童約束系統和汽車專用ISOFIX接口兒童約束系統增加的試驗流程并有相應的評價指標。在其規定的側面碰撞試驗中，與兒童約束系統發生碰撞的側撞門安裝有法規規定性能指標的填充材料。由于ECE R129法規尚沒有完全取代現行的ECE R44法規，兒童約束系統側面碰撞試驗在國內還處于起步階段，試驗中側撞門填充材料依賴進口，還沒有國產替代材料。作者根據法規要求，設計并建立了側撞門填充材料測試系統，對多種材料進行測試，在測試的同時分析試驗數據，推測出滿足法規要求的性能曲線。

ECE R129；側面碰撞；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關注，兒童約束系統的應用率越來越高，世界各發達國家都對兒童約束系統做出強制性要求，并建立了各自的法規。在各國使用的兒童約束系統法規中，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）發布的美國汽車安全技術法規Federal motor vehicle safety standards（FMVSS）213兒童約束系統法規，聯合國歐洲經濟委員會Economic Commission of Europe（ECE）使用的ECE R44兒童約束系統法規，我國現行的國標《機動車兒童乘員用約束系統》，其中《機動車兒童乘員用約束系統》是以ECE R44為主要參考，試驗內容與其一致。以上這些關于兒童約束系統的法規當中，均沒有將側面碰撞保護納入其中。[1][2]

2013 年8 月歐洲推出了新的兒童約束系統法規ECE R129，并將在未來兩年的緩沖期之后取代現行的ECE R44法規。新法規當中增加了側面碰撞的試驗流程和評價指標[3]。由于我國的相關標準均以歐洲標準一致，因此，在我國開展兒童約束系統側撞試驗顯得十分迫切。未來我國新的兒童約束系統標準，必將納入側撞試驗。為模擬交通事故中兒童約束系統與車輛側面門、窗碰撞，在側面碰撞試驗中兒童約束系統將與側撞門填充材料進行碰撞，因此填充材料的選用是試驗數據有效性和準確性的前提，然而到目前為止國內在進行試驗時填充材料只能依賴進口，對填充材料的研究也無公開發表的成果。

本文根據ECE R129法規的要求，構建了一個填充材料測試系統，并使用該系統對多種材料進行測試，根據對加速度曲線進行分析，逐步選取更加接近法規要求的材料。

1、測試系統的構建

R129法規對填充材料的評估測試程序要求如下：

測試裝置是一個直徑為150mm，重量為6（±0.1）Kg的球頭，對其進行簡單的跌落試驗。沖擊速度為4（±0.1）m/s。儀表應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間評估（Z方向）[4]。

測試系統包括硬件系統和軟件系統。硬件系統包括球頭，球頭釋放裝置，加速度傳感器，數據采集系統。軟件系統包括設計軟件Siemens PLM Software公司的NX 8.0，數據采集器的操作軟件，數據處理軟件NI公司的Diadem,后期繪圖軟件MicroCal公司的Origin Pro。

1.1 球頭設計

球頭使用Q235結構鋼，使用NX 8.0對其進行結構設計，在保證直徑150mm的尺寸要求之后，主要是保證球頭的質量要求，同時要對傳感器的安裝位置進行優化，使傳感器安裝方便、測量準確，傳感器的線路容易伸出，不易損壞傳感器。綜合上述細節要求，最終設計的球頭結構如圖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，可以得到設計結構的重量，在設計時為減小制造尺寸誤差對重量的影響，可以將上端蓋加工的厚一些，留有超重余量，然后根據比例減小端蓋厚度，使其符合法規要求。最終加工完成之后，球頭整體的質量（包括連接螺栓）為6.015Kg，如圖2，滿足法規6±0.1Kg的要求。加工完成后對其進行表面處理，防止表面氧化影響測試結果。

圖2 球頭實物Fig 2 Spherical Head Form

1.2 球頭釋放裝置

圖3 電磁式釋放機構Fig 3 Electromagnetic Release Mechanism

1.3 傳感器

本測試系統需要測量球頭與被測材料撞擊過程中的加速度，要求傳感器測量精準，性能穩定。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生產企業，是一個老牌的美國軍工企業，多年來一直領導著全世界這一領域的技術發展，代表著世界傳感器/儀器技術的最高水平。

圖4 Model 7264cFig 4 Model 7264c

Model 7264C-2000型壓阻式加速度傳感器，其專門設計用于碰撞試驗、顫振試驗、粗糙路面試驗及其它要求負載小、頻響寬之處。符合SAEJ211，具有機械式過程限止器，尺寸小，重量輕，結構牢固，滿量程輸出400mV，無阻尼，直流響應，全橋式結構，環氧樹脂密封。[5]

1.4 數據采集器

本測試系統使用的數據采集器是MDR-82汽車碰撞數據記錄系統，如圖5所示。

圖5 MDR-82數據采集器Fig 5 MDR-82 Data Collection

MDR-82數據采集器擁有實時監控功能，記錄的同時，進行波形顯示。可以進行多次測量，存儲空間大，能夠滿足汽車碰撞試驗的數據采集所需參數，同時也滿足本次試驗的采集要求[4]。測試系統的硬件設計制造選擇好之后，配合相關軟件即可進行測試試驗。

2、動態試驗與數據處理

R129法規對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作出如下要求：

樣品材料與球頭第一次接觸的時間是0ms；

沖擊器加速度應該不超過58g；

用于填充材料的通道加速度曲線應滿足1,2,3,4曲線所規定的區間。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 測試氯丁橡膠

測試系統建立后首先對不同厚度的氯丁橡膠進行測試，對采集的數據進行分析，根據分析結果確定后續的研究材料，避免出現方向性錯誤，減少研究過程中的問題。對30mm厚度的氯丁橡膠與40mm厚度的氯丁橡膠進行測試，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材料的厚度為55mm。使用Diadem軟件對數據進行CFC（60）濾波，截取需要的部分數據使用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。

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

氯丁橡膠的測試加速度最大值超過法規的要求，在后續材料測試中應該選擇硬度低的材料。

2.2 測試硫化橡膠

橡膠在硫化后硬度往往會降低，將硫化橡膠作為第二批測試材料[7]，氯丁橡膠與硫化橡膠厚度相同，保溫材料一致，使用該系統得到的加速度曲線與氯丁橡膠測得的加速度曲線進行比較。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，但是仍然超出法規要求。在后面的測試中應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型，其分子間力較小，因而具有良好的回彈性，同時指向螺旋外的甲荃可以自由旋轉，因而使硅橡膠具有獨特的表面性能，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

在對硅橡膠進行測試，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，加速度變化時間變長，更加接近法規要求的特性。如圖11所示。

通過對三種橡膠進行測試，發現硅橡膠更接近法規要求，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生的最大加速度值，那么我們可以推測滿足法規要求的材料組合加速度曲線圖應如圖12所示。

圖12 推測滿足法規要求的加速度曲線Fig 12 Qualified Curve

3、其他材料的探究試驗

為了降低最大加速度值，對多種硬度較低的材料進行了測試，其中B1、B2、B3級的XPS擠塑板和不同厚度的橡塑海綿保溫板（圖13）測試曲線更加接近法規要求。

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擠塑板滿足了法規中第一條 （上限是58g）和第二條（在11-12ms內下限的最大峰值是53g）的要求，但是加速度變化時間太短，在加速度減小階段不能落入到法規第三條、第四條所規定的區域；橡塑海綿保溫板的測試曲線對于法規中第三條（在20.5ms-21.5ms內加速度下降的上限）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要求。測試曲線如圖14、15所示。

4、結束語

ECE R129法規發布接近兩年的時間，歐洲各大兒童約束系統設計商和生產商對新法規要求的側面碰撞試驗研究已經很深入和成熟，歐洲使用35mm厚度的橡膠發泡聚氯丁烯CR4271與20mm厚的styrodur C2500組合進行側撞試驗[4]84。由于國內法規還沒有強制進行側撞試驗，對于側撞填充材料也是鮮有研究。國內開始進行側撞試驗的廠家使用的填充材料依賴于進口，改變這種現狀我們任重卻不能道遠。建立一個正確的測試系統，有方向的進行大范圍材料組合與測試，早日尋得替代材料實現國產化，對于縮短側撞試驗系統建設和降低側撞試驗成本大有裨益，也有利于兒童約束系統的安全生產、品質提高、使用普及，從而降低交通事故對兒童的傷害。

[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量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.機動車兒童乘員用約束系統,GB27887-2011[s].北京:中國標準出版社,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 產品說明書.

[6] 汽車碰撞數據記錄系統產品說明書.

[7] 傅政.橡膠材料及工藝學[M].北京:化學工業出版社,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.特種橡膠及應用[M].北京:化學工業出版社,第一版.2011年6月1日.

[10] 郭宏盛.國外特種橡膠的應用現狀.[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中的應用技術及進展[J].橡膠科技市場，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，就職于青島工學院機電工程學院，研究方向為兒童安全座椅碰撞試驗，汽車被動安全與碰撞仿真。

汽車安全與節能國家重點實驗室開放基金項目（KF11 222）；山東省科技發展計劃項目（2012YD04039）。