1 前言

汽車兒童座椅作為國家強(qiáng)制性認(rèn)證產(chǎn)品，其測試項(xiàng)目繁多。其中，翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)用于評價(jià)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(yàn)實(shí)現(xiàn)裝置，兒童約束系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)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。

目前，業(yè)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室使用的兒童座椅翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置翻轉(zhuǎn)動作實(shí)現(xiàn)方法、試驗(yàn)座椅換向方法、監(jiān)測方法等存在一定差異。世界上有關(guān)兒童座椅的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。國內(nèi)多數(shù)翻轉(zhuǎn)檢測裝置未采用模塊化設(shè)計(jì)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、歐盟ECER129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，不便于技術(shù)推廣。因此，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(yàn)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(yàn)設(shè)備，作為翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法的實(shí)現(xiàn)裝置，已獲授權(quán)國家發(fā)明專利。該設(shè)備可作為實(shí)驗(yàn)室在用的同類設(shè)備的替代產(chǎn)品，能夠同時滿足ECER44、ECER129和GB27887-2011的相關(guān)要求。

國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)只有ECER44涉及力值加載的要求，即在假人隨試驗(yàn)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。專利設(shè)備引入織帶張力傳感器，用于加載力值判定；而在用設(shè)備采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。由于專利設(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(shí)現(xiàn)方式可以非常靈活，例如采用砝碼方式、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(shí)驗(yàn)室內(nèi)搬運(yùn)、轉(zhuǎn)移。

力傳感器作為將力的量值轉(zhuǎn)換為電信號的器件，可檢測張力、拉力、壓力、重量、扭矩、內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變等力學(xué)量。具體的器件有應(yīng)變片、整體式傳感器等，在各類非標(biāo)設(shè)備和工業(yè)自動化系統(tǒng)中，成為不可缺少的核心部件。通過對拉力傳感器和織帶張力傳感器的選用，可構(gòu)筑性能良好的力值監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1.在用設(shè)備實(shí)物圖

2 試驗(yàn)要求

依據(jù)ECER44條款7.1.3和8.1.2“翻轉(zhuǎn)”的要求規(guī)定：將約束有兒童假人的兒童座椅安裝在試驗(yàn)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(yàn)（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(yàn)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(yàn)。以上試驗(yàn)均使用試驗(yàn)樣品所屬組別中的最小和最大的兩個兒童假人。要求試驗(yàn)過程中兒童假人不從兒童座椅樣品中掉出來，且當(dāng)試驗(yàn)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GB27887-2011、ECER129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(shí)現(xiàn)ECER44的翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)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(yàn)?zāi)芰Α?/p>

CNAL-CL01：2018（ISO-IEC17025：2017）檢測和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可準(zhǔn)則規(guī)定，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)獲得正確開展實(shí)驗(yàn)室活動所需的并影響結(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。專利方案中兒童座椅翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)備采用伺服電機(jī)匹配高精度編碼器，可實(shí)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(shí)現(xiàn)試驗(yàn)座椅換向90°的準(zhǔn)確度。優(yōu)化方案及在用設(shè)備的力值測試采用織帶張力傳感器、拉力傳感器，均為成熟的傳感器產(chǎn)品，應(yīng)用工況適宜。

3 現(xiàn)有方案分析

在用設(shè)備實(shí)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(shí)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，專利設(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(shí)驗(yàn)室條件靈活采用加載方式。拉力傳感器實(shí)物見圖2。

圖2.拉力傳感器實(shí)物圖

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(yàn)座椅加以定位。而優(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，定位精度和可靠性均高于原方案。

圖3.兒童假人處于橫軸初始位置及繞橫軸翻轉(zhuǎn)540°位置實(shí)物圖

圖4.兒童假人處于縱軸初始位置及繞縱軸翻轉(zhuǎn)540°位置實(shí)物圖

4 優(yōu)化方案構(gòu)建

4.1設(shè)備方案

汽車兒童座椅的翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)，涉及兒童座椅的安裝、兒童假人的約束、試驗(yàn)座椅翻轉(zhuǎn)動作實(shí)現(xiàn)、試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)。作為技術(shù)方案中兒童座椅翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺的兩大核心子系統(tǒng)，翻轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)動作的實(shí)施和精確調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制；試驗(yàn)座椅自動換向機(jī)構(gòu)用于實(shí)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(shí)現(xiàn)試驗(yàn)座椅的90°轉(zhuǎn)向。其他子系統(tǒng)和輔件定：將約束有兒童假人的兒童座椅安裝在試驗(yàn)座椅上，整個等，作為設(shè)備整機(jī)不可或缺的部分，也視實(shí)際需要進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)計(jì)。

圖5.優(yōu)化方案中設(shè)備機(jī)械部分三維圖

1-試驗(yàn)座椅靠背2-試驗(yàn)座椅坐墊3-座椅架4-轉(zhuǎn)接架5-小聯(lián)軸器6-編碼器7-設(shè)備基座8-動力基座9-光源10-光敏開關(guān)和繼電器模組11-電磁鐵12-彈簧13-電磁鐵吸合板14-磁力表座吸合板15-磁力表座16-24VDC可充電電源17-承載座18-動力基座19-伺服電機(jī)20-減速機(jī)21-大聯(lián)軸器22-軸承座23-旋轉(zhuǎn)軸24-轉(zhuǎn)動臂

圖6.優(yōu)化方案中設(shè)備機(jī)械部分二維主視圖

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。

方案中的兒童座椅自動換向翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)備，包括試驗(yàn)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(yàn)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。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(shí)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，主要采集轉(zhuǎn)動的速度信息，并將速度信息反饋至PLC。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柜內(nèi)部。加載力值的測量裝置為織帶張力傳感器，不單獨(dú)安裝于設(shè)備，只在試驗(yàn)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。試驗(yàn)座椅自動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制電路如圖7所示。

圖7.試驗(yàn)座椅90°自動轉(zhuǎn)向控制電路圖

4.2 試驗(yàn)方案

設(shè)備開機(jī)前，試驗(yàn)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，繼電器得電，副回路接通，電磁鐵得電。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(yàn)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(yàn)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(yàn)座椅換向前的翻轉(zhuǎn)動作及加載過程完成后，試驗(yàn)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(diǎn)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(yàn)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(yàn)完成。

4.3 加載力值測試方案

織帶張力傳感器實(shí)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)采集卡或者PLC的模擬量端口，以獲取織帶張力信號。實(shí)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(shí)測值?？棊埩鞲衅鲗?shí)測過程如圖10所示。

圖8.織帶張力傳感器實(shí)物圖

圖9.織帶張力傳感器線纜定義

圖10.織帶張力傳感器實(shí)測過程安裝圖

5 結(jié)論

兒童座椅翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)是對實(shí)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。ECER44中另外規(guī)定了加載要求，對設(shè)備的方案設(shè)計(jì)要求更高。文中在用方案和優(yōu)化方案均可有效滿足該標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)座椅90°自動換向裝置，優(yōu)化方案具有定位更精準(zhǔn)等特點(diǎn)，且旋轉(zhuǎn)過程為自動實(shí)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，如該裝置出現(xiàn)故障，修復(fù)前可采用手動換向的方式，能夠避免極端情況下對檢驗(yàn)工作的影響。

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(jì)，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(jià)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。

力傳感器作為現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，被認(rèn)為是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一，也是國內(nèi)、外公認(rèn)的最具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。但國內(nèi)、外技術(shù)差距仍然存在。國內(nèi)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱、科技與生產(chǎn)脫節(jié)、產(chǎn)品技術(shù)水平偏低、產(chǎn)品種類欠缺、企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)能力弱。很多精密測量設(shè)備配置的傳感器依賴進(jìn)口。因此，我國企業(yè)的創(chuàng)新機(jī)制有待改進(jìn)，行業(yè)上下游宜形成更有效的聯(lián)動機(jī)制。

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，建議加強(qiáng)對國外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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)，打造基于各類傳感器的模塊化檢測體系，助力我國兒童座椅產(chǎn)品及檢測技術(shù)“走出去”。