ECER129 试验台的开发及应用

马国清，周 勇，汤 易，张 军

（1.烟台大学 机电汽车工程学院，山东 烟台 264005；2.汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084）

儿童乘车安全如今得到越来越多关注，同时儿童安全座椅的使用率也逐渐提高[1].我国在2012年7月1日正式实施《机动车儿童成员用约束系统》国家标准，国家标准的实施使得各企业生产的儿童安全座椅产品有了统一的批准认证标准.各种款式类型的儿童安全座椅在上市前必须经过国家标准环境下的各项检测以及试验.

由于《机动车儿童乘员用约束系统》国家标准采标于欧洲经济委员会的ECER44法规，在进行儿童安全座椅动态试验时使用的试验台与ECER44法规的试验台也是保持一致的[2-3].而ECER44标准在欧洲应用已30余年，近年来欧洲经济委员会成员国消费者对ECE R44法规多个方面的不足提出批评，由此促使了新法规ECER129的诞生[4-5].在新法规中试验台的改动很大，改变的项目很多，为了对新法规下儿童安全座椅批准认证条件进行深入的研究，必须进行新试验台的开发.

1 新法规试验台的变化内容

相对于 ECE R44法规，新法规中试验台的靠背座椅外形轮廓由矩形变为凸形，靠背角由20°增加到25°，靠背和座垫由接触变为留有间隙，如图1所示.

同时，新法规还增加了侧面碰撞试验，在进行侧撞试验时ISOFIX连接件之间应力集中，为了保护连接件和测试设备，法规要求ISOFIX下方固定点可以沿着 方向移动，移动距离为250mm，因此需要为ISOFIX下方固定点设计独立的滑块机构.侧撞门以及侧撞门支架共同组成侧撞试验台.

除了试验台的结构上有改变，座垫以及靠背垫的聚氨酯泡沫特性也有变化，具体内容见表1.因此靠背和座垫的材料也需要更换.

2 试验台设计

在试验台中 线是一条非常重要的基准线，试验台的各个结构都以 为定位基准，试验台的固定点系统也是围绕 线展开.在进行试验台的整体设计时，首先确定了 线的位置，以此为中心，试验台的各部分结构位置得以确定，整个试验台化整为零，拆解为座垫靠背垫部分、坐垫靠背刚性支架部分、底座部分、固定点系统部分，由于在新法规侧面碰撞试验中下固定点 1、 2有沿 轴移动250mm的要求，因此将滑块机构单独从固定点系统分解出来，与此同时侧撞门支架系统也单独作为一部分[6-7].

图1 ECER44法规试验台靠背、座椅垫示意图Fig.1 The sketch of testbench backrest and seatcushion according to ECER44

表1 ECER129法规聚氨酯泡沫材料特性改动情况Tab.1 Modifications of properties of polyurethane foam material

使用 UG对试验台进行设计，在设计过程中首先根据图1对座垫和靠背垫进行建模，并找到Cr和H1、，Cr与坐标Y轴重合，如图2所示．在建模过程中要把座垫和靠背背面的铝板厚度计算在内，在本试验台中使用的铝板厚度为3mm（本论文中提到的坐标系轴方向都同图2）．

对于使用支撑腿作为抗翻转装置的儿童座椅，新法规规定了在进行动态试验时支撑腿的安装要求，同时也设定了试验台上与支撑腿底面相接触的最高面和最低面，在垂直方向上以H1H2（ISOFIX儿童座椅下部连接件）进行定位，最高面距离，最低面距离，结合图1中座垫长度485mm，可以计算出座垫最高面与最低面的距离为，以此确定座垫、靠背刚性支架的尺寸，座垫、靠背以及刚性支架设计如图3所示．

试验台底座的设计是以现有台车的结构为基础，固定方式以及打孔数量、位置、孔径尺寸都与现有台车相配合，使得现有的台车既可以使用旧法规试验台进行儿童座椅碰撞研究，又可以更换新试验台进行ECE R129法规下的儿童座椅安全性研究.试验台与台车的连接方式为螺栓连接，更换试验台方便快捷.此阶段设计情况如图4所示.

图2 座垫及靠背垫Fig.2 Seatcushion and backrest

图3 座垫、靠背及刚性支架Fig.3 Seatcushion,backrestand rigid frame

ECE R129法规适用于整体式通用型ISOFIX儿童约束系统（i-Size）和整体式特殊车辆ISOFIX儿童约束系统.在i-Size儿童约束系统中利用腰带进行固定的儿童约束系统使用点A和点B固定点；使用腰带和肩带进行固定的儿童约束系统使用点A、点B0和点C固定点；使用ISOFIX固定装置的儿童约束系统使用H1、H2固定点.ECER44法规和 ECE R129法规中固定点系统都是按照相应法规进行布置的，各个固定点与Cr线的相对位置没有改变，使用Cr线作为基准，设计各个固定点.由于G2设计在台车上面，图5中没有表示G2点[8].

图4 未添加固定点系统的试验台Fig.4 Testbenchwithout fixed pointsystem

图5 固定点系统图Fig.5 The sketch of fixed pointsystem

为了满足新法规侧面碰撞试验中对H1、H2沿Y轴移动250mm的要求，为此设计了滑块机构，如图6所示.固定点H1、H2用螺栓连接在滑块上，滑块间有缝隙，在进行侧撞试验时定位销放松，滑块可以沿着导杆在Y向移动，移动250mm时有橡塑海绵作为缓冲垫防止滑块与立柱碰撞，在进行正面或后面碰撞试验时可将定位销拧紧限制滑块在Y向的移动.完成滑块机构设计之后的试验台已可以进行新法规的正面、后面碰撞试验.

为了进行新法规侧面碰撞试验，尚需对试验台进行辅助构件的设计，即侧撞门和侧撞门支架.结合实验室实际场地及波形发生器的位置，对侧撞门支架进行设计，设计的预期是支架可以进行长度调节、支架安装拆卸方便、支架承受冲击能力强.在进行支架长度设计之前，按照新法规要求对侧撞试验速度波形进行了大量的试验，对停车位置、停车距离、最深插入量进行分析，确定了支架长度的范围.最终设计完成侧撞门以及支架系统[9-10]，如图7所示.

3 试验验证

图6 滑块机构Fig.6 Slidermechanism

图7 ECER129试验台Fig.7 The testbench according to ECER44

在清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，按照ECER129法规的要求对新试验台进行了标准侧面碰撞试验.试验采用47.0 mm橄榄头和25.0 km/h初速度的组合进行波形调试，调试结果如图8所示，此波形符合法规要求.在调试重复试验中进行测量及计算可得座椅从开始减速（此时令初始位移为0）到位移最大时的平均位移为240mm，满足最大入侵量小于250mm的要求，因此在橄榄头开始接触PU管进行减速时，可以设置为碰撞时刻 0.

将ISOFIX滑块装置至于中间位置，将儿童座椅与ISOFIX固定点连接，将支撑腿调至最长位置，与座椅前端支撑腿固定平面牢固接触，将儿童假人和5点式儿童安全带按照试验流程要求放置妥当并进行预紧后，取出模拟脊柱，座椅与假人安装完毕，贴好标记点，如图9所示.

使用每秒1000帧的高速摄像机对碰撞过程进行记录.从高速摄像图像中可以找到侧撞门板的最大侵入量，在新法规中规定侧撞门板的最大侵入量不得超过图10所示 线，图中 线为试验座椅中线， 线与 线之间距离为100mm.图10所示的位置是试验中侧撞门板的最大侵入位置.通过高速摄像可以看出侧撞支架的长度以及试验台在台车上的位置都符合法规要求.滑块机构的 向移动距离也满足法规要求.

图11为试验过程中儿童假人头部加速度曲线图，图12为试验过程中儿童假人胸部加速度曲线图，从图中数据可知，本文所设计的儿童安全座椅试验台在进行安全碰撞试验时，其上的儿童假人的头部及胸部加速度值满足法规要求.

图8 试验台与侧撞门板相对速度曲线图Fig.8 Relative velocity between testbench and side impactdoor

图9 带儿童假人的试验台照片Fig.9 The practicalphoto of testbenchw ith Child dummy

图10 侧撞门板最大侵入位置试验照片Fig.10 The photo ofmaximum intrusion location of side impactdoor

4 总结

ECER44新法规对儿童座椅安全性提出了更高要求，同时还增加了侧面碰撞安全性要求.为了适应新法规的要求，儿童安全座椅动态试验用的试验台也必须重新设计.在设计试验台的过程中最重要的依据是Cr线的确立，在此基础上确定试验台其它各部分结构的位置.为了满足新增加的侧撞试验要求，试验台要设计独立的滑块机构，以及侧撞门、侧撞门支架组成的侧撞装置.刚性支架下面的底座与台车是通过螺栓固定的，在碰撞试验中螺栓受到的剪应力特别大，底座与台车之间的固定务必要安全可靠.进行固定点系统的设计时主要是保证各固定点与Cr的位置关系，同时也需保证固定点与试验台结合牢固.侧撞门支架的设计重点在于支架长度以及支架在X、Z向的稳定性，这样设计出的试验台才能满足新法规的要求.经过真实试验检验，新试验台在性能及稳定性方面都达到了满意的效果.

图11 试验假人头部加速度曲线图Fig.11 Theacceleration of Child dummy head door

图12 试验假人胸部加速度曲线图Fig.12 Theacceleration of Child dummy chest

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[3]曹立波，赵净，陈志宇.基于有限元-多刚体耦合方法的儿童座椅结构改进 [J].汽车安全与节能学报，2014，5（4）：336-342.

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[9]胡仁喜，刘昌丽.UGNX 8.0中文版机械设计从入门到精通 [M].北京：机械工业出版社，2012.

[10]钟奇，王晓军.UGNX 7.5高级应用教程 [M].北京：机械工业出版社，2012.