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1、 - 1 - 车用儿童座椅碰撞试验波形发生器系统的搭建与测试 喆林，唐亮，周青 汽车安全与节能国家重点实验室 清华大学汽车工程系，北京，100084，lin- 摘 要：汽车碰撞事故中的儿童乘员安全问题受到社会的广泛关注，车用儿童座椅在碰撞中对儿童乘员的保护至关重要，目前世界上许多国家和地区都颁布了儿童约束系统强制法规。本研究根据 ECE R44 的要求搭建了能够满足该法规碰撞波形要求的 PU 管波形发生器。按照 ECE R44 规定流程，可以对儿童座椅的动态性能进行测试、评价和分析。该套儿童座椅台车试验波形发生器运行稳定，测试可靠。 关键字：儿童座椅，碰撞波形发生器，台车试验，ECE R44
2、Crash Pulse Generator for Child Car Seat Test Lin Zhe, Tang Liang, Zhou Qing State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy Department of Automotive Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, lin- Abstract: The safety of child occupants in vehicle has been concerned widely in the socie
3、ty. Child seat is crucial to the protection of child occupants. There exist regulations for child restraint system in many countries and areas in the world nowadays. In this paper, a child seat test system based on ECE R44 is designed, whose key device is the polyurethane tube pulse generator. This
4、pulse generator can generate a pulse that satisfies the specification of ECE R44. According to the test procedures of ECE R44, we can test, evaluate and analyze the dynamic characters of a child seat. This test system of child seat is stable and reliable. Keywords: child seat, pulse generator, troll
5、ey test, ECE R44 1. 引言 车用儿童安全座椅是儿童约束系统的重要组成部分， 对于碰撞事故中儿童乘员的保护至 关重要，正确使用儿童安全座椅能将交通事故中 1 岁以下的儿童伤亡减少 71%，14 岁的伤 亡减少 54%1。台车碰撞试验是一种测试碰撞工况下儿童座椅安全性的有效手段，根据儿童 座椅安全法规的测试要求， 可以对儿童座椅的动态性能进行评价。 目前世界上很多国家和地 区都已颁布了儿童约束系统强制法规，其中包括：欧洲 ECE R44/04、美国 FMVSS 213、日 本 JIS 等。同时，Euro-NCAP 和 CNCAP 都将增加儿童乘员安全性的考核比重，这也将促进 整车
6、和儿童座椅生产厂家对儿童乘车安全的重视。 因为我国汽车技术标准体系主要参考欧洲，所以本研究根据 ECE R44 的要求搭建了儿 童座椅台车试验波形发生器，即 PU 管波形发生器，PU 管是聚氨酯（POLYURETHANE） 管的简称。通过使用该测试设备对多款儿童座椅进行的测试表明，该设备产生的波形稳定， 能够在 ECE R44 的框架下，对儿童座椅进行测试分析。 - 2 - 2. PU 管波形发生器设计 2.1. ECE R44 的相关规定 ECE R44 推荐通过 PU 管波形发生器产生符合法规的波形， 其原理是台车前端的橄榄头 在规定的速度下水平插入 PU 管（如图 1 所示2） ，PU
7、管受到橄榄头的挤压产生阻力并吸收 台车的动能，通过 PU 管型号和橄榄头尺寸的匹配，给该速度下的台车提供满足规定的减速 度波形。模拟正撞波形的台车碰撞速度要求是0 250+km/h，模拟尾撞波形的台车碰撞速度要求是2 030+km/h。橄榄头经过抛光处理，如图所 2 示。 图 1 法规中 PU 管波形发生器示意图 图 2 橄榄头 2.2. PU 管波形发生器的加工 该套波形发生器的吸能部件 PU 管由欧洲进口，机械结构自行设计。根据上述产生特定 减速度波形的原理，PU 管波形发生器由两部分组成：台车端和固定端。其中，台车端包括 固定底板、法兰盘、连台车柄及橄榄头；固定端与碰撞壁相连，固定端的内
8、套筒用来放置 PU 管。波形发生器台车端及台车座椅系统照片如图 3 所示，波形发生器固定端照片如图 4 所示。 图 3 波形发生器台车端及台车座椅系统 图 4 波形发生器固定端 该波形发生器有四个内套筒，每个内套筒装有一套 PU 管。在每个内套筒中，模拟正撞 波形需要长短两根 PU 管（长度分别为 535 mm 和 250 mm，两根 PU 管材料属性不同） ，模 拟尾撞波形需要一根 PU 管（长度 575 mm） 。在正撞和尾撞规定的速度下，每套 PU 管能吸 收 200 kg 质量的动能。安装有儿童座椅和假人的台车总质量为 830 kg840 kg，所以波形发 生器的标定试验按照 800
9、kg 对台车进行配重，配重块的安装如图 5 所示，波形发生器设计 四个内套筒；同时，台车质量也满足 ECE R44 的如下规定，即儿童座椅测试试验的台车总 质量不应超过波形发生器标定试验时台车静态质量的40 kg。 台车座椅系统 PU 管(正撞) 台车端 固定端 PU 管(尾撞) 连台车柄 橄榄头- 3 - 图 5 波形标定试验中的台车配重块 图 6 橄榄头尺寸示意图 2.3. PU 管波形发生器的波形调试 橄榄头直径指沿橄榄头轴向截面圆的最大直径 D，如图 6 所示。如上文所述，在台车质 量和碰撞速度一定的情况下， 波形调试的过程就是确定合适的橄榄头直径， 使得台车的减速 度波形满足法规的要
10、求。 本研究中加工了9组橄榄头， 每组4个， 直径范围45.0 mm49.0 mm， 以 0.5 mm 为梯度递增。将每组橄榄头依次安装在台车上，分别进行正撞和尾撞波形测试， 将各橄榄头直径对应的正撞和尾撞波形与法规要求对比，得到符合法规要求的减速度波形。 其中，正撞波形如图 7 所示，尾撞波形如图 8 所示。 0.000.020.040.060.080.100.12051015202530Trolley Acceleration (g)T (s)图 7 满足 ECE R44 正撞要求的台车波形 0.000.020.040.060.080246810121416182022Trolley Ac
11、celeration (g)T (s)图 8 满足 ECE R44 尾撞要求的台车波形 3. 某款儿童座椅的法规测试试验 ECE R44 中对儿童座椅性能做了较全面的规定， 其中动载荷下儿童假人响应范围的规定 是评价一款儿童座椅安全性能的重要指标。 法规对不同的儿童座椅安装形式、 不同的碰撞工 况（正撞或尾撞）以及不同的假人有不同的规定，下面仅以某款儿童座椅为例，说明该法规 的相关检测项目，如表 1 所示。对于碰撞速度，台车试验系统通过电机牵引和反馈控制的方 式实现指定的碰撞速度，通过光电传感器测试台车碰撞前的实际速度。 该款儿童座椅的试验工况是：正面碰撞下，儿童座椅按最大倾角安装，使用三点式
12、安全 带固定在台车座椅上，测试假人为 P3 儿童假人。试验前后儿童假人及座椅的状态如图 9 和 图 10 所示；假人头部水平和竖直方向最大位移位置的高速摄像截图如图 11 和图 12 所示； 假人胸部各方向以及合成加速度曲线如图 13 至图 16 所示（胸部加速度信号已使用 CFC 60 Hz 滤波） 。 配重块 橄榄头直径- 4 - 表 1 ECE R44 主要检测项目（参数） 序号 名称 ECE R44-2008 法规要求 1 碰撞速度 8.1.3.4 0 250+km/h 2 假人头部的运动范围 7.1.4.4.1.1 以 Cr 点为基准 水平运动（X 向） ：不超过 550 mm 标志
13、线 竖直运动（Z 向） ：不超过 800 mm 标志线 3 假人胸部 3 ms 持续加速度 7.1.4.2 合成（X 向） ：不超过 55 g 垂向（Z 向） ：不超过 30 g 4 减速度波形 Annex7 如图 7 所示的上下边界之间 5 开启试验 7.2.1.8.1.2. 不超过 80N 图 9 儿童假人及座椅试验前状态 图 10 儿童假人及座椅试验后状态 图 11 假人头部水平方向最大位移位置 图 12 假人头部竖直方向最大位移位置 图 13 P3 假人胸部 X 方向加速度 图 14 P3 假人胸部 Y 方向加速度 - 5 - 图 15 P3 假人胸部 Z 方向加速度 图 16 P3
14、假人胸部合成加速度 4. 结语 本研究根据 ECE R44 的要求搭建了儿童座台车试验用 PU 管波形发生器。经测试，该 波形发生器可以产生满足 ECE R44 要求的正撞和尾撞波形。本研究中的儿童座椅台车试验 严格依据 ECE R44 的规定流程，能够在该法规框架下对儿童座椅的动态性能进行测试、评 价和分析。经过多次试验检验，该套儿童座椅测试系统运行稳定，测试可靠。 参考文献 1 The National Highway Traffic Safety Administrations 2003 Traffic Safety Facts Sheet:Children. http:/www-nrd.nhtsa.dot.gov/pdf/nrd-30/NCSA/TSF2003/809762.pdf 2 ECE R44，UNIFORM PROVISIONS CONCERNING THE APPROVAL OF RESTRAINING DEVICES FOR CHILD OCCUPANTS OF POWER-DRIVEN VEHICLES ( “CHILD RESTRAINT SYSTEM” )， 2008
