摘要：通過各類傳感器、執行元件的合理選型和應用，設計構建兒童座椅翻轉試驗測試設備, 形成對相關產品抗翻轉性能進行檢驗的能力。研究解讀ECE R44和我國國家標準GB 27887-2011對兒童座椅翻轉試驗規定的差異，從功能設計等方面提供可適應ECE R44*檢測需求的試驗實施方案，可滿足基于技術標準實施檢驗的要求，并提供了試驗座椅90°自動旋轉方案，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方法和力值測試方法。
關鍵詞：兒童座椅翻轉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動車輛當前大量安裝、使用的強制性檢驗產品，其翻轉試驗用于評價動態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節。作為兒童座椅翻轉試驗實現裝置，兒童約束系統翻轉試驗臺是一種專門用于檢測汽車兒童座椅抗翻轉性能的機電一體化裝置。此類設備通常應包括試驗座椅、設備基座、翻轉執行機構、試驗座椅轉向機構和控制系統等。
目前，國內已獲資質授權的汽車及零部件檢測實驗室對兒童座椅翻轉試驗實施方案的規定雖均滿足技術標準相關要求，但在細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試驗裝置翻轉動作實現方法、試驗座椅換向方法、監測方法等尚不完善，直接或間接對設備檢測精度、可靠性等指標產生不利影響。例如，翻轉執行機構常釆用三相異步電機、減速機、變頻器等匹配實現, 以開環控制居多，難于精確定位，速度精度不高，裝置整體體積較大。卷收器安裝板設計過于簡單，調節位置和角度略顯困難，不便于不同規格卷收器的安裝。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。試驗座椅轉向機構設計不合理，國內部分實驗室的此類設備體積龐大、結構復雜、功能繁多，但操作不便捷，且試驗座椅 90°轉向嚴重依賴人力，定位不精準，不停機狀態下無法自動旋轉換向，存在一定的安全隱患。
世界上有關兒童座椅的技術標準差異較大，國內多數此類裝置未釆用模塊化設計理念，使得裝置后期改造、調整或者升級較為困難，如對美國FMVSS213、加拿大CMVSS 213等相關標準的適應性差。待檢樣品批量大時，工作效率較低。另外，行業實驗室內部使用尚可，不便于技術推廣和設備轉讓。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備。有鑒于此, 開發了一種自動換向型兒童座椅翻轉試驗設備，作為翻轉試驗方法的實現裝置，已獲授權國家發明 ⑴。該設備可作為實驗室在用的同類設備的替代產品，能夠同時滿足ECER44、ECE R129和 GB 27887-2011的相關要求。
國內外相關技術標準只有ECE R44涉及力值加載的要求⑵，即在假人隨試驗座椅翻轉至540°位置時，以4倍假人重量的力值施加于假人。設備引入織帶張力傳感器，用于加載力值判定；而在用設備釆用安裝有拉力傳感器的加載機構進行加載力值的產生和判定。由于設備采用織帶 張力傳感器進行力值判定,故力值加載機構的結構形式和實現方式可以非常靈活，例如釆用雖碼方式、拉力機配合導向環方式、手動加載方式等，可極大簡化設備結構，使得設備更趨小型化。在用設備安裝有專用的絲杠加載機構，導致設備整機占用更大空間，結構略顯復雜，不易實驗室內搬運、轉移。
二、技術要求
1.標準要求
依據ECE R44條款7.1.3和8.1.2 “翻轉”的要求規定口：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的水平軸線，以2°/秒?5°/秒的速度旋轉 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。復原至初始位置后，反方向重復該試驗（如有必要，假人仍處于初始位置）。繞著位于水平面內的且與上兩個試驗中旋轉軸垂直的軸旋轉，再重復進行兩個方向的翻轉試驗。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，且當試驗座椅處于翻轉的位置時，沿著垂直于座椅的方向，假人的頭部從它的原始位置產生的位移應不超過300mm。
另外，在GB 27887-2011、ECE R129等其他技術標準中，只有翻轉的相關要求，未要求施加載荷。設備如能實現ECER44的翻轉試驗方法，則必然具備對應的其他技術標準的相關試驗能力。
2.其他要求及實現
人因工程學是一門涉及人的生理和心理特點、作業能力、認知能力、行為方式等方面的學科，側重于研究人、機器和環境的相互作用，其研究目的就是如何達到安全、健康、舒適和工作效率的優化。兒童座椅翻轉試驗設備作為一種機械產品，其設計過程應適度考慮人因工程學因素。該設備研發過程充分參考了國家標準GB/T 10000-88中國成年人人體尺寸，使得該設備操作部位的高度、設備短軸方向進深等數值較適宜于中國普通成年人的操作。同時，通過調整伺服電機動態剛度參數、匹配減速機等措施，使設備整體噪聲不明顯。
CNAL-CL01: 2018（ISO-IEC17025：2017）檢測和校準實驗室認可準則規定【3】，實驗室應 具有正確開展實驗室活動所需可影響結果的設備。用于測量的設備應能達到要求的準確度和（或）測量不確定度,以提供有效結果。方案中兒童座椅翻轉試驗設備采用伺服電機匹配高精度編碼器, 可實現翻轉動作的精確控制；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 件均設置成可增加墊片調整空間位置的模式，同時輔以機械結構定位加以約束，可實現試驗座椅換向90°優化方案及在用設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品, 應用工況適宜。
三、現有方案分析
在用設備實物圖如圖1所示，翻轉動作依靠三相異步電機的動力輸出，力值加載通過升降絲杠實現。約束于兒童假人上的約束裝置與拉力傳感器連接，在升降機構上升時，約束裝置被加載，達到規定值時，拉力傳感器可識別，并反饋信號至上位機，上位機發出指令使升降機構停止動作。在設備底部安裝有作為升降動力的電機。因設備整機重量很大，一旦升降機構出現問題，很難從設備底部進行維護或維修。因此，設備的方案不采用升降機構作為力值加載的方式，可以極大簡化并結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540°位置以及縱軸初始位置、繞縱軸翻轉540°位置。由橫軸切換至縱軸時，需要停機換向，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。優化后的90°自動旋轉方案以設備機械結構保證定位，定位精度可優化至不高于±0.05°，在用方案如不安裝固定塊進行定位，定位精度為±5°，加裝固定塊后可優化至不高于±1°，但壘實施過程會相對復雜很多。故優化方案定位精度和可靠性均高于原方案。
四、試驗方法實現及設備整體優化方案構建
汽車兒童座椅的翻轉試驗，涉及幾童座椅的安裝、兒童假人的約束、試驗座椅翻轉動作實現、試驗座椅90°換向、兒童假人頭部位移測量等環節。不同的過程均對應不同的子系統或監測儀器,
并由其實現作為技術方案中兒童座椅翻轉試驗臺的兩大核心子系統,翻轉執行機構用于實現翻轉動作的實施和精確調節，實現了閉環控制；試驗座椅自動換向機構用于實現翻轉過程中無人力介入的情況下，安全、便捷、自動地實現試驗 座椅的90°轉向。其他子系統和輔件等，作為設備整機*的部分，也視實際需要進行了相應設計。
設備機械部分三維圖及其二維主視圖分別如圖5、圖6 所示:
五、優化方案中的設備構成及試驗流程
1.機械部分構成
方案中的兒童座椅自動換向翻轉試驗設備，包括試驗座椅、轉接架、設備基座、動力基座、翻轉執行機構、試驗座椅自動轉向機構、控制系統和人機界面等部分。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標準要求的聚氨酯泡沫、防曬布和鋁底板構成。上述各類固定點均由螺栓聯接安裝于座椅架上。
翻轉執行機構主要包括伺服電機、減速機、聯軸器、軸承座、旋轉軸、轉動臂、編碼器及其安裝座，其中伺服電機直接和減速機連接匹配，減速機安裝于動力基座上，并通過聯軸器和旋轉軸連接, 帶動旋轉軸轉動，旋轉軸的轉動傳輸至轉動臂，并由轉動臂帶動承載座實現翻轉動作，編碼器通過聯軸器和一側旋轉軸連接，主要釆集轉動的速度信息，并將速度信息反饋至PLC。
試驗座椅自動轉向機構，由轉動基座、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，用于實現試驗座椅不借助人力，自動旋轉90°的動作。
設備控制系統和人機界面包括可編程邏輯控制器(PLC )、伺服驅動器、光電開關、各類按鈕、導線、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部。
結構整體布局簡潔、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.試驗座椅自動轉向機構控制方案
當試驗座椅縱向中心平面平行于設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，光敏開關模組處于通路狀態，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動，試驗座椅在初始狀態下開始翻轉360°,然后再反向翻轉 360°，回到初始位置，保持2 ~ 5秒(時間任意可設，但應大于光敏電阻的響應時間。對于響應時 間短于2秒的光敏電阻，保持時間可低于2秒。該段時間內，通過PLC內設程序控制光源使其 處于點亮狀態，照射到光敏電阻上的光線使得光敏開關模組處于斷路狀態，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，實現旋轉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，完成自動轉向。試驗完成后，如需試驗座椅恢 復至原位置，可旋轉磁力表座旋鈕開關，使磁性吸合力被阻斷，扳動試驗座椅回復原位即可。
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。
椅自動轉向機構控制電路如圖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據釆集卡或者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 化量經過標定等處理后即可得到張力實測值。織帶張力傳感器實測過程如圖10所示。
設備開機前，試驗座椅、假人等均確保處于初始狀態。用于翻轉動作的220VAC動力電斷開,接通圖7所示控制電路所有開關。光敏開關模組在光線未照射前處于通路狀態，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，故操作人員處于安全狀態。且由于試 驗座椅的結構特征，扳轉的力臂較大，故所需的扳轉力不大，對于操作者而言十分省力。扳轉完成后，磁力表座旋鈕旋至磁力未阻斷位置。然后接通用于翻轉動作的220VAC動力電，設備開機，按照PLC程序設定，翻轉執行機構開始執行既定翻轉動作，此時光源處于熄滅狀態。試驗座椅換向前的翻轉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的狀態，按照程序設定，自動保持2 ~ 5秒（時間任意可設，但應大于光敏電阻的響應時間）。
與此同時，按照PLC的程序設定，光源點亮，并照射到光敏開關模組，光敏開關模組失電斷開 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。在彈簧拉力產生 的扭矩作用下，試驗座椅順時針旋轉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程序設定，翻轉執行機構繼續執行翻轉動作直至試驗完成。
六、結論
兒童座椅翻轉試驗是對實車傾翻狀態下兒童傷害值的模擬，在各國的兒童座椅技術標準中均有 規定。兒童座椅抗翻轉性能的評價在硬件上嚴格依賴于檢測設備。在用設備可滿足我國國家標準、 ECER44、ECE R129等對試驗方法的實施要求，但是設備檢驗效率相對較低、重量和體積偏大、后 續難以根據標準修訂進行升級等。
通過設計試驗座椅90°自動換向裝置，設備具有定位更精準等特點，且旋轉過程為自動實現, 該裝置進行了模塊化配置，各零部件均易于替換。同時，如該裝置岀現故障，修復前可采用手動換 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，其應用對加載 裝置甚至整機的結構設計具有較大影響，應根據場地、預算、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，優化方案拓展了載荷加載方式，規避了專用加載機構的設計，對于設備 小型化、設備轉場、使用維護、不同技術標準的適應性等更為有利。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勢足以彌補其成本上的略微不足。
故優化方案在試驗座椅自動換向、力值加載等方面均優于在用方案，具有更優良的定位精度和 可靠性，試驗過程在合規的基礎上得以簡化，可顯著提高檢驗效率。
此外，兒童座椅技術標準的更新較快，各國標準的規定都不盡相同，國內對標準的修訂則略顯 遲滯，建議加強對國外相關技術標準和法規發展趨勢的跟蹤，結合產品研發動態，在標準的制修訂 上與業界加強溝通，實現各國技術標準的互聯互通，踐行、服務國家“一帶一路”建設，助力我國 兒童座椅產品“走出去“
作者 | 魏哲 董博凡 姜濤 張存 馬英
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