摘要：通過各類傳感器、執(zhí)行元件的合理選型和應(yīng)用，設(shè)計構(gòu)建兒童座椅翻轉(zhuǎn)試驗測試設(shè)備, 形成對相關(guān)產(chǎn)品抗翻轉(zhuǎn)性能進(jìn)行檢驗的能力。研究解讀ECE R44和我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 27887-2011對兒童座椅翻轉(zhuǎn)試驗規(guī)定的差異，從功能設(shè)計等方面提供可適應(yīng)ECE R44*檢測需求的試驗實施方案，可滿足基于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實施檢驗的要求，并提供了試驗座椅90°自動旋轉(zhuǎn)方案，通過拉力傳感器和織帶張力傳感器的選用，闡述了兩類加載裝置的實現(xiàn)方法和力值測試方法。
關(guān)鍵詞：兒童座椅翻轉(zhuǎn)試驗拉力傳感器織帶張力傳感器測試
一、前言
汽車兒童座椅作為國家機(jī)動車輛當(dāng)前大量安裝、使用的強(qiáng)制性檢驗產(chǎn)品，其翻轉(zhuǎn)試驗用于評價動態(tài)條件下的座椅整體對兒童乘員的約束能力，是重要的性能測試環(huán)節(jié)。作為兒童座椅翻轉(zhuǎn)試驗實現(xiàn)裝置，兒童約束系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)試驗臺是一種專門用于檢測汽車兒童座椅抗翻轉(zhuǎn)性能的機(jī)電一體化裝置。此類設(shè)備通常應(yīng)包括試驗座椅、設(shè)備基座、翻轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、試驗座椅轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)等。
目前，國內(nèi)已獲資質(zhì)授權(quán)的汽車及零部件檢測實驗室對兒童座椅翻轉(zhuǎn)試驗實施方案的規(guī)定雖均滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，但在細(xì)化落實方面存在某些不一致之處。部分實驗室使用的兒童座椅翻轉(zhuǎn)試驗裝置翻轉(zhuǎn)動作實現(xiàn)方法、試驗座椅換向方法、監(jiān)測方法等尚不完善，直接或間接對設(shè)備檢測精度、可靠性等指標(biāo)產(chǎn)生不利影響。例如，翻轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)常釆用三相異步電機(jī)、減速機(jī)、變頻器等匹配實現(xiàn), 以開環(huán)控制居多，難于精確定位，速度精度不高，裝置整體體積較大。卷收器安裝板設(shè)計過于簡單，調(diào)節(jié)位置和角度略顯困難，不便于不同規(guī)格卷收器的安裝。兒童座椅安裝方式單一，有的只能使用安全帶作為幾童座椅固定方式，忽略了釆用ISOFIX接口的兒童約束系統(tǒng)。試驗座椅轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計不合理，國內(nèi)部分實驗室的此類設(shè)備體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能繁多，但操作不便捷，且試驗座椅 90°轉(zhuǎn)向嚴(yán)重依賴人力，定位不精準(zhǔn)，不停機(jī)狀態(tài)下無法自動旋轉(zhuǎn)換向，存在一定的安全隱患。
世界上有關(guān)兒童座椅的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)差異較大，國內(nèi)多數(shù)此類裝置未釆用模塊化設(shè)計理念，使得裝置后期改造、調(diào)整或者升級較為困難，如對美國FMVSS213、加拿大CMVSS 213等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性差。待檢樣品批量大時，工作效率較低。另外，行業(yè)實驗室內(nèi)部使用尚可，不便于技術(shù)推廣和設(shè)備轉(zhuǎn)讓。綜上所述，亟需一類精度較高、安全可靠、操作便捷、對人力依賴小的試驗設(shè)備。有鑒于此, 開發(fā)了一種自動換向型兒童座椅翻轉(zhuǎn)試驗設(shè)備，作為翻轉(zhuǎn)試驗方法的實現(xiàn)裝置，已獲授權(quán)國家發(fā)明 ⑴。該設(shè)備可作為實驗室在用的同類設(shè)備的替代產(chǎn)品，能夠同時滿足ECER44、ECE R129和 GB 27887-2011的相關(guān)要求。
國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)只有ECE R44涉及力值加載的要求⑵，即在假人隨試驗座椅翻轉(zhuǎn)至540°位置時，以4倍假人重量的力值施加于假人。設(shè)備引入織帶張力傳感器，用于加載力值判定；而在用設(shè)備釆用安裝有拉力傳感器的加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行加載力值的產(chǎn)生和判定。由于設(shè)備采用織帶 張力傳感器進(jìn)行力值判定,故力值加載機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和實現(xiàn)方式可以非常靈活，例如釆用雖碼方式、拉力機(jī)配合導(dǎo)向環(huán)方式、手動加載方式等，可極大簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)，使得設(shè)備更趨小型化。在用設(shè)備安裝有專用的絲杠加載機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致設(shè)備整機(jī)占用更大空間，結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜，不易實驗室內(nèi)搬運、轉(zhuǎn)移。
二、技術(shù)要求
1.標(biāo)準(zhǔn)要求
依據(jù)ECE R44條款7.1.3和8.1.2 “翻轉(zhuǎn)”的要求規(guī)定口：將約束有兒童假人的兒童座椅安裝在試驗座椅上，整個座椅繞著座椅縱向中心平面內(nèi)的水平軸線，以2°/秒?5°/秒的速度旋轉(zhuǎn) 540° ±5° ,在假人身上向下施加4倍假人重量的力值并保持30秒后測量假人下降的位移量。復(fù)原至初始位置后，反方向重復(fù)該試驗（如有必要，假人仍處于初始位置）。繞著位于水平面內(nèi)的且與上兩個試驗中旋轉(zhuǎn)軸垂直的軸旋轉(zhuǎn)，再重復(fù)進(jìn)行兩個方向的翻轉(zhuǎn)試驗。以上試驗均使用試驗樣品所 屬組別中的最小和最大的兩個兒童假人。要求試驗過程中兒童假人不從兒童座椅樣品中掉出來，且當(dāng)試驗座椅處于翻轉(zhuǎn)的位置時，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300mm。
另外，在GB 27887-2011、ECE R129等其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，只有翻轉(zhuǎn)的相關(guān)要求，未要求施加載荷。設(shè)備如能實現(xiàn)ECER44的翻轉(zhuǎn)試驗方法，則必然具備對應(yīng)的其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)試驗?zāi)芰Α?/span>
2.其他要求及實現(xiàn)
人因工程學(xué)是一門涉及人的生理和心理特點、作業(yè)能力、認(rèn)知能力、行為方式等方面的學(xué)科，側(cè)重于研究人、機(jī)器和環(huán)境的相互作用，其研究目的就是如何達(dá)到安全、健康、舒適和工作效率的優(yōu)化。兒童座椅翻轉(zhuǎn)試驗設(shè)備作為一種機(jī)械產(chǎn)品，其設(shè)計過程應(yīng)適度考慮人因工程學(xué)因素。該設(shè)備研發(fā)過程充分參考了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10000-88中國成年人人體尺寸，使得該設(shè)備操作部位的高度、設(shè)備短軸方向進(jìn)深等數(shù)值較適宜于中國普通成年人的操作。同時，通過調(diào)整伺服電機(jī)動態(tài)剛度參數(shù)、匹配減速機(jī)等措施，使設(shè)備整體噪聲不明顯。
CNAL-CL01: 2018（ISO-IEC17025：2017）檢測和校準(zhǔn)實驗室認(rèn)可準(zhǔn)則規(guī)定【3】，實驗室應(yīng) 具有正確開展實驗室活動所需可影響結(jié)果的設(shè)備。用于測量的設(shè)備應(yīng)能達(dá)到要求的準(zhǔn)確度和（或）測量不確定度,以提供有效結(jié)果。方案中兒童座椅翻轉(zhuǎn)試驗設(shè)備采用伺服電機(jī)匹配高精度編碼器, 可實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)動作的精確控制；電磁鐵、磁力表座、電磁鐵吸合板、磁力表座吸合板與各自的安裝部 件均設(shè)置成可增加墊片調(diào)整空間位置的模式，同時輔以機(jī)械結(jié)構(gòu)定位加以約束，可實現(xiàn)試驗座椅換向90°優(yōu)化方案及在用設(shè)備的力值測試釆用織帶張力傳感器、拉力傳感器，均為成熟的傳感器產(chǎn)品, 應(yīng)用工況適宜。
三、現(xiàn)有方案分析
在用設(shè)備實物圖如圖1所示，翻轉(zhuǎn)動作依靠三相異步電機(jī)的動力輸出，力值加載通過升降絲杠實現(xiàn)。約束于兒童假人上的約束裝置與拉力傳感器連接，在升降機(jī)構(gòu)上升時，約束裝置被加載，達(dá)到規(guī)定值時，拉力傳感器可識別，并反饋信號至上位機(jī)，上位機(jī)發(fā)出指令使升降機(jī)構(gòu)停止動作。在設(shè)備底部安裝有作為升降動力的電機(jī)。因設(shè)備整機(jī)重量很大，一旦升降機(jī)構(gòu)出現(xiàn)問題，很難從設(shè)備底部進(jìn)行維護(hù)或維修。因此，設(shè)備的方案不采用升降機(jī)構(gòu)作為力值加載的方式，可以極大簡化并結(jié)合實驗室條件靈活釆用加載方式。拉力傳感器實物見圖2。
如圖3、4所示，分別是兒童假人處于橫軸初始位置、繞橫軸翻轉(zhuǎn)540°位置以及縱軸初始位置、繞縱軸翻轉(zhuǎn)540°位置。由橫軸切換至縱軸時，需要停機(jī)換向，如傳動間隙過大，則需手動安裝固定塊對試驗座椅加以定位。優(yōu)化后的90°自動旋轉(zhuǎn)方案以設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)保證定位，定位精度可優(yōu)化至不高于±0.05°，在用方案如不安裝固定塊進(jìn)行定位，定位精度為±5°，加裝固定塊后可優(yōu)化至不高于±1°，但壘實施過程會相對復(fù)雜很多。故優(yōu)化方案定位精度和可靠性均高于原方案。
四、試驗方法實現(xiàn)及設(shè)備整體優(yōu)化方案構(gòu)建
汽車兒童座椅的翻轉(zhuǎn)試驗，涉及幾童座椅的安裝、兒童假人的約束、試驗座椅翻轉(zhuǎn)動作實現(xiàn)、試驗座椅90°換向、兒童假人頭部位移測量等環(huán)節(jié)。不同的過程均對應(yīng)不同的子系統(tǒng)或監(jiān)測儀器,
并由其實現(xiàn)作為技術(shù)方案中兒童座椅翻轉(zhuǎn)試驗臺的兩大核心子系統(tǒng),翻轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)動作的實施和精確調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了閉環(huán)控制；試驗座椅自動換向機(jī)構(gòu)用于實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)過程中無人力介入的情況下，安全、便捷、自動地實現(xiàn)試驗 座椅的90°轉(zhuǎn)向。其他子系統(tǒng)和輔件等，作為設(shè)備整機(jī)*的部分，也視實際需要進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)計。
設(shè)備機(jī)械部分三維圖及其二維主視圖分別如圖5、圖6 所示:
五、優(yōu)化方案中的設(shè)備構(gòu)成及試驗流程
1.機(jī)械部分構(gòu)成
方案中的兒童座椅自動換向翻轉(zhuǎn)試驗設(shè)備，包括試驗座椅、轉(zhuǎn)接架、設(shè)備基座、動力基座、翻轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、試驗座椅自動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和人機(jī)界面等部分。試驗座椅包括座椅架、坐墊、靠背、ISOFIX下固定點、安全帶固定點，其中座椅架由鋼質(zhì)方管焊接而成，其上安裝有安全帶上固定點、卷收器安裝固定點、安全帶下固定點、ISOFIX下固定點、坐墊、靠背。所用坐墊和靠背均由滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的聚氨酯泡沫、防曬布和鋁底板構(gòu)成。上述各類固定點均由螺栓聯(lián)接安裝于座椅架上。
翻轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括伺服電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、軸承座、旋轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)動臂、編碼器及其安裝座，其中伺服電機(jī)直接和減速機(jī)連接匹配，減速機(jī)安裝于動力基座上，并通過聯(lián)軸器和旋轉(zhuǎn)軸連接, 帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動傳輸至轉(zhuǎn)動臂，并由轉(zhuǎn)動臂帶動承載座實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)動作，編碼器通過聯(lián)軸器和一側(cè)旋轉(zhuǎn)軸連接，主要釆集轉(zhuǎn)動的速度信息，并將速度信息反饋至PLC。
試驗座椅自動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，由轉(zhuǎn)動基座、彈簧、磁力表座及其安裝座、電磁鐵及其安裝座、磁力表座吸合板、電磁鐵吸合板、24VDC可充電電源、光敏開關(guān)和繼電器模組、光源及電路輔件、安裝 輔件等部分組成，用于實現(xiàn)試驗座椅不借助人力，自動旋轉(zhuǎn)90°的動作。
設(shè)備控制系統(tǒng)和人機(jī)界面包括可編程邏輯控制器(PLC )、伺服驅(qū)動器、光電開關(guān)、各類按鈕、導(dǎo)線、觸摸屏以及其他電氣元件。除觸摸屏和按鈕安裝于控制柜上面板外,其余元器件均安裝于控制木巨內(nèi)部。
結(jié)構(gòu)整體布局簡潔、緊湊。
加載力值的測量裝置為一織帶張力傳感器，不單獨安裝于設(shè)備，只在試驗時安裝于假人約束裝 置上的織帶上，所測織帶張力即加載力值。
2.試驗座椅自動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制方案
當(dāng)試驗座椅縱向中心平面平行于設(shè)備長軸方向且垂直于水平面時，通過PLC控制光源使其保持 熄滅狀態(tài)，光敏開關(guān)模組處于通路狀態(tài)，通過繼電器模組，電磁鐵通電，電磁鐵吸合板和電磁鐵吸合，試驗座椅被約束住而不能隨意轉(zhuǎn)動，試驗座椅在初始狀態(tài)下開始翻轉(zhuǎn)360°,然后再反向翻轉(zhuǎn) 360°，回到初始位置，保持2 ~ 5秒(時間任意可設(shè)，但應(yīng)大于光敏電阻的響應(yīng)時間。對于響應(yīng)時 間短于2秒的光敏電阻，保持時間可低于2秒。該段時間內(nèi)，通過PLC內(nèi)設(shè)程序控制光源使其 處于點亮狀態(tài)，照射到光敏電阻上的光線使得光敏開關(guān)模組處于斷路狀態(tài)，通過繼電器模組，電磁鐵斷電，在彈簧力作用下，電磁鐵吸合板和電磁鐵脫開，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)90°動作，然后磁力表座吸合板與磁力表座吸合，試驗座椅被約束無法再自由旋轉(zhuǎn)，完成自動轉(zhuǎn)向。試驗完成后，如需試驗座椅恢 復(fù)至原位置，可旋轉(zhuǎn)磁力表座旋鈕開關(guān)，使磁性吸合力被阻斷，扳動試驗座椅回復(fù)原位即可。
其中，電磁鐵通電后，電磁鐵吸合板一旦與電磁鐵接觸，吸合力引起的吸合扭矩足以抵抗彈簧拉力引起的回復(fù)扭矩，而使得試驗座椅可以被牢固約束磁力表座旋鈕旋至磁性吸合力未阻斷狀態(tài)時, 磁力表座吸合板一旦與磁力表座吸合，吸合力足以牢固約束試驗座椅不致晃動。
椅自動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制電路如圖7所示。
3.加載力值測試方案
織帶張力傳感器實物如圖8所示，設(shè)備所用該型傳感器線纜定義如圖9所示。傳感器信號線可以直接接數(shù)據(jù)釆集卡或者PLC的模擬量端口，以獲取織帶張力信號。實測過程中，織帶張力傳感器 的夾持棒中穿過織帶，織帶張力的變化對夾持棒造成不同程度的彈性形變，該形變引起的電信號變 化量經(jīng)過標(biāo)定等處理后即可得到張力實測值?？棊埩鞲衅鲗崪y過程如圖10所示。
設(shè)備開機(jī)前，試驗座椅、假人等均確保處于初始狀態(tài)。用于翻轉(zhuǎn)動作的220VAC動力電斷開,接通圖7所示控制電路所有開關(guān)。光敏開關(guān)模組在光線未照射前處于通路狀態(tài)，主回路接通，繼電器通電，副回路接通，電磁鐵通電。首先將磁力表座旋鈕旋至磁力阻斷位置，再逆時針扳轉(zhuǎn)試驗座椅至電磁鐵吸合板與電磁鐵吸合。因動力電仍處于斷開狀態(tài)，故操作人員處于安全狀態(tài)。且由于試 驗座椅的結(jié)構(gòu)特征，扳轉(zhuǎn)的力臂較大，故所需的扳轉(zhuǎn)力不大，對于操作者而言十分省力。扳轉(zhuǎn)完成后，磁力表座旋鈕旋至磁力未阻斷位置。然后接通用于翻轉(zhuǎn)動作的220VAC動力電，設(shè)備開機(jī)，按照PLC程序設(shè)定，翻轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始執(zhí)行既定翻轉(zhuǎn)動作，此時光源處于熄滅狀態(tài)。試驗座椅換向前的翻轉(zhuǎn)動作及加載過程完成后，試驗座椅回到動力電接通而未開始翻轉(zhuǎn)的狀態(tài)，按照程序設(shè)定，自動保持2 ~ 5秒（時間任意可設(shè)，但應(yīng)大于光敏電阻的響應(yīng)時間）。
與此同時，按照PLC的程序設(shè)定，光源點亮，并照射到光敏開關(guān)模組，光敏開關(guān)模組失電斷開 控制電路的主回路，繼而繼電器作用，使得副回路斷電，電磁鐵失電而失去磁力。在彈簧拉力產(chǎn)生 的扭矩作用下，試驗座椅順時針旋轉(zhuǎn)90。至磁力表座吸合板與磁力表座吸合，完成90°換向動作。按照PLC程序設(shè)定，翻轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)繼續(xù)執(zhí)行翻轉(zhuǎn)動作直至試驗完成。
六、結(jié)論
兒童座椅翻轉(zhuǎn)試驗是對實車傾翻狀態(tài)下兒童傷害值的模擬，在各國的兒童座椅技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中均有 規(guī)定。兒童座椅抗翻轉(zhuǎn)性能的評價在硬件上嚴(yán)格依賴于檢測設(shè)備。在用設(shè)備可滿足我國國家標(biāo)準(zhǔn)、 ECER44、ECE R129等對試驗方法的實施要求，但是設(shè)備檢驗效率相對較低、重量和體積偏大、后 續(xù)難以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)修訂進(jìn)行升級等。
通過設(shè)計試驗座椅90°自動換向裝置，設(shè)備具有定位更精準(zhǔn)等特點，且旋轉(zhuǎn)過程為自動實現(xiàn), 該裝置進(jìn)行了模塊化配置，各零部件均易于替換。同時，如該裝置岀現(xiàn)故障，修復(fù)前可采用手動換 向的方式，能夠避免情況下對檢驗工作的影響。
拉力傳感器及織帶張力傳感器均用于測試力值，但作為不同種類的兩種傳感器，其應(yīng)用對加載 裝置甚至整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較大影響，應(yīng)根據(jù)場地、預(yù)算、測試要求等因素綜合考慮、合理選型。通過引入織帶張力傳感器，優(yōu)化方案拓展了載荷加載方式，規(guī)避了專用加載機(jī)構(gòu)的設(shè)計，對于設(shè)備 小型化、設(shè)備轉(zhuǎn)場、使用維護(hù)、不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性等更為有利。盡管織帶張力傳感器比拉力傳 感器價格昂貴，但是使用該型傳感器的上述優(yōu)勢足以彌補(bǔ)其成本上的略微不足。
故優(yōu)化方案在試驗座椅自動換向、力值加載等方面均優(yōu)于在用方案，具有更優(yōu)良的定位精度和 可靠性，試驗過程在合規(guī)的基礎(chǔ)上得以簡化，可顯著提高檢驗效率。
此外，兒童座椅技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的更新較快，各國標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定都不盡相同，國內(nèi)對標(biāo)準(zhǔn)的修訂則略顯 遲滯，建議加強(qiáng)對國外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)發(fā)展趨勢的跟蹤，結(jié)合產(chǎn)品研發(fā)動態(tài)，在標(biāo)準(zhǔn)的制修訂 上與業(yè)界加強(qiáng)溝通，實現(xiàn)各國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)互通，踐行、服務(wù)國家“一帶一路”建設(shè)，助力我國 兒童座椅產(chǎn)品“走出去“
作者 | 魏哲 董博凡 姜濤 張存 馬英
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