儿童座椅翻转试验方案及其优化
衡准衡器 日期:2021-04-08 17:05:45 人气:0

汽车儿童座椅作为国家机动车辆当前大量安装、使用的强制性检验产品，其翻转试验用于评价动态条件下的座椅整体对儿童乘员的约束能力，是重要的性能测试环节。作为儿童座椅翻转试验实现装置，儿童约束系统翻转试验台是一种专门用于检测汽车儿童座椅抗翻转性能的机电一体化装置。此类设备通常应包括试验座椅、设备基座、翻转执行机构、试验座椅转向机构和控制系统等。
目前，国内已获资质授权的汽车及零部件检测实验室对儿童座椅翻转试验实施方案的规定虽均满足技术标准相关要求，但在细化落实方面存在某些不一致之处。部分实验室使用的儿童座椅翻转试验装置翻转动作实现方法、试验座椅换向方法、监测方法等尚不完善，直接或间接对设备检测精度、可靠性等指标产生不利影响。例如，翻转执行机构常采用三相异步电机、减速机、变频器等匹配实现，以开环控制居多，难于精确定位，速度精度不高，装置整体体积较大。卷收器安装板设计过于简单，调节位置和角度略显困难，不便于不同规格卷收器的安装。儿童座椅安装方式单一，有的只能使用安全带作为儿童座椅固定方式，忽略了采用 ISOFIX 接口的儿童约束系统。试验座椅转向机构设计不合理，国内部分实验室的此类设备体积庞大、结构复杂、功能繁多，但操作不便捷，且试验座椅90°转向严重依赖人力，定位不精准，不停机状态下无法自动旋转换向，存在一定的安全隐患。
技术要求
1. 标准要求
依据 ECE R44 条款 7.1.3 和 8.1.2“翻转”的要求规定【2】：将约束有儿童假人的儿童座椅安装在试验座椅上，整个座椅绕着座椅纵向中心平面内的水平轴线，以 2° / 秒～ 5° / 秒的速度旋转540° ±5°，在假人身上向下施加 4 倍假人重量的力值并保持 30 秒后测量假人下降的位移量。复原至初始位置后，反方向重复该试验（如有必要，假人仍处于初始位置）。绕着位于水平面内的且与上两个试验中旋转轴垂直的轴旋转，再重复进行两个方向的翻转试验。以上试验均使用试验样品所属组别中的最小和最大的两个儿童假人。要求试验过程中儿童假人不从儿童座椅样品中掉出来，且当试验座椅处于翻转的位置时，沿着垂直于座椅的方向，假人的头部从它的原始位置产生的位移应不超过 300mm。另外，在 GB 27887-2011、ECE R129 等其他技术标准中，只有翻转的相关要求，未要求施加载荷。设备如能实现 ECE R44 的翻转试验方法，则必然具备对应的其他技术标准的相关试验能力。
2. 其他要求及实现
人因工程学是一门涉及人的生理和心理特点、作业能力、认知能力、行为方式等方面的学科，侧重于研究人、机器和环境的相互作用，其研究目的就是如何达到安全、健康、舒适和工作效率的最优化。儿童座椅翻转试验设备作为一种机械产品，其设计过程应适度考虑人因工程学因素。该设备研发过程充分参考了国家标准 GB/T 10000-88 中国成年人人体尺寸，使得该设备操作部位的高度、设备短轴方向进深等数值较适宜于中国普通成年人的操作。同时，通过调整伺服电机动态刚度参数、匹配减速机等措施，使设备整体噪声不明显.优化方案中的设备构成及试验流程
1. 机械部分构成
方案中的儿童座椅自动换向翻转试验设备，包括试验座椅、转接架、设备基座、动力基座、翻转执行机构、试验座椅自动转向机构、控制系统和人机界面等部分。试验座椅包括座椅架、坐垫、靠背、ISOFIX 下固定点、安全带固定点，其中座椅架由钢质方管焊接而成，其上安装有安全带上固定点、卷收器安装固定点、安全带下固定点、ISOFIX 下固定点、坐垫、靠背。所用坐垫和靠背均由满足技术标准要求的聚氨酯泡沫、防晒布和铝底板构成。上述各类固定点均由螺栓联接安装于座椅架上。翻转执行机构主要包括伺服电机、减速机、联轴器、轴承座、旋转轴、转动臂、编码器及其安装座，其中伺服电机直接和减速机连接匹配，减速机安装于动力基座上，并通过联轴器和旋转轴连接，带动旋转轴转动，旋转轴的转动传输至转动臂，并由转动臂带动承载座实现翻转动作，编码器通过联轴器和一侧旋转轴连接，主要采集转动的速度信息，并将速度信息反馈至 PLC。试验座椅自动转向机构，由转动基座、弹簧、磁力表座及其安装座、电磁铁及其安装座、磁力表座吸合板、电磁铁吸合板、24VDC 可充电电源、光敏开关和继电器模组、光源及电路辅件、安装辅件等部分组成，用于实现试验座椅不借助人力，自动旋转 90°的动作。 设备控制系统和人机界面包括可编程逻辑控制器（PLC）、伺服驱动器、光电开关、各类按钮、导线、触摸屏以及其他电气元件。除触摸屏和按钮安装于控制柜上面板外，其余元器件均安装于控制柜内部。结构整体布局简洁、紧凑。加载力值的测量装置为一织带张力传感器，不单独安装于设备，只在试验时安装于假人约束装置上的织带上，所测织带张力即加载力值。
2. 试验座椅自动转向机构控制方案
当试验座椅纵向中心平面平行于设备长轴方向且垂直于水平面时，通过 PLC 控制光源使其保持熄灭状态，光敏开关模组处于通路状态，通过继电器模组，电磁铁通电，电磁铁吸合板和电磁铁吸合，试验座椅被约束住而不能随意转动，试验座椅在初始状态下开始翻转 360°，然后再反向翻转360°，回到初始位置，保持 2 ～ 5 秒（时间任意可设，但应大于光敏电阻的响应时间。对于响应时间短于 2 秒的光敏电阻，保持时间可低于 2 秒。）。该段时间内，通过 PLC 内设程序控制光源使其处于点亮状态，照射到光敏电阻上的光线使得光敏开关模组处于断路状态，通过继电器模组，电磁铁断电，在弹簧力作用下，电磁铁吸合板和电磁铁脱开，实现旋转 90°动作，然后磁力表座吸合板与磁力表座吸合，试验座椅被约束无法再自由旋转，完成自动转向。试验完成后，如需试验座椅恢复至原位置，可旋转磁力表座旋钮开关，使磁性吸合力被阻断，扳动试验座椅回复原位即可。其中，电磁铁通电后，电磁铁吸合板一旦与电磁铁接触，吸合力引起的吸合扭矩足以抵抗弹簧拉力引起的回复扭矩，而使得试验座椅可以被牢固约束；磁力表座旋钮旋至磁性吸合力未阻断状态时，磁力表座吸合板一旦与磁力表座吸合，吸合力足以牢固约束试验座椅不致晃动。
儿童座椅翻转试验是对实车倾翻状态下儿童伤害值的模拟，在各国的儿童座椅技术标准中均有规定。儿童座椅抗翻转性能的评价在硬件上严格依赖于检测设备。在用设备可满足我国国家标准、ECE R44、ECE R129 等对试验方法的实施要求，但是设备检验效率相对较低、重量和体积偏大、后续难以根据标准修订进行升级等。通过设计试验座椅 90°自动换向装置，专利设备具有定位更精准等特点，且旋转过程为自动实现，该装置进行了模块化配置，各零部件均易于替换。同时，如该装置出现故障，修复前可采用手动换向的方式，能够避免极端情况下对检验工作的影响。拉力传感器及织带张力传感器均用于测试力值，但作为不同种类的两种传感器，其应用对加载装置甚至整机的结构设计具有较大影响，应根据场地、预算、测试要求等因素综合考虑、合理选型。通过引入织带张力传感器，优化方案拓展了载荷加载方式，规避了专用加载机构的设计，对于设备小型化、设备转场、使用维护、不同技术标准的适应性等更为有利。尽管织带张力传感器比拉力传感器价格昂贵，但是使用该型传感器的上述优势足以弥补其成本上的略微不足。故优化方案在试验座椅自动换向、力值加载等方面均优于在用方案，具有更优良的定位精度和可靠性，试验过程在合规的基础上得以简化，可显著提高检验效率。