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1 前言

汽車兒童座椅作為國家強制性認證產品，其測試項目繁多。其中，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。

目前，業內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、監測方法等存在一定差異。世界上有關兒童座椅的技術標準也不盡相同。國內多數翻轉檢測裝置未采用模塊化設計理念，使得裝置后期改造、調整或者升級較為困難，如對美國FMVSS213、歐盟ECER129等相關標準的適應性差。待檢樣品批量大時，工作效率較低，不便于技術推廣。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，已獲授權國家發明專利。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、ECER129和GB27887-2011的相關要求。

國內外相關技術標準只有ECER44涉及力值加載的要求，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。專利設備引入織帶張力傳感器，用于加載力值判定；而在用設備采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。由于專利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，例如采用砝碼方式、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。

力傳感器作為將力的量值轉換為電信號的器件，可檢測張力、拉力、壓力、重量、扭矩、內應力和應變等力學量。具體的器件有應變片、整體式傳感器等，在各類非標設備和工業自動化系統中，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，可構筑性能良好的力值監測系統。

圖1.在用設備實物圖

2 試驗要求

依據ECER44條款7.1.3和8.1.2“翻轉”的要求規定：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GB27887-2011、ECER129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。

CNAL-CL01：2018（ISO-IEC17025：2017）檢測和校準實驗室認可準則規定，實驗室應獲得正確開展實驗室活動所需的并影響結果的設備。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。專利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°的準確度。優化方案及在用設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品，應用工況適宜。

3 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，專利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采用加載方式。拉力傳感器實物見圖2。

圖2.拉力傳感器實物圖

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。而優化后的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540°位置實物圖

圖4.兒童假人處于縱軸初始位置及繞縱軸翻轉540°位置實物圖

4 優化方案構建

4.1設備方案

汽車兒童座椅的翻轉試驗，涉及兒童座椅的安裝、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。其他子系統和輔件定：將約束有兒童假人的兒童座椅安裝在試驗座椅上，整個等，作為設備整機不可或缺的部分，也視實際需要進行了相應設計。

圖5.優化方案中設備機械部分三維圖

1-試驗座椅靠背2-試驗座椅坐墊3-座椅架4-轉接架5-小聯軸器6-編碼器7-設備基座8-動力基座9-光源10-光敏開關和繼電器模組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20-減速機21-大聯軸器22-軸承座23-旋轉軸24-轉動臂

圖6.優化方案中設備機械部分二維主視圖

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。

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。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，主要采集轉動的速度信息，并將速度信息反饋至PLC。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柜內部。加載力值的測量裝置為織帶張力傳感器，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。試驗座椅自動轉向機構控制電路如圖7所示。

圖7.試驗座椅90°自動轉向控制電路圖

4.2 試驗方案

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。

4.3 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采集卡或者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。

圖8.織帶張力傳感器實物圖

圖9.織帶張力傳感器線纜定義

圖10.織帶張力傳感器實測過程安裝圖

5 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。ECER44中另外規定了加載要求，對設備的方案設計要求更高。文中在用方案和優化方案均可有效滿足該標準的技術要求。

通過設計試驗座椅90°自動換向裝置，優化方案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，如該裝置出現故障，修復前可采用手動換向的方式，能夠避免極端情況下對檢驗工作的影響。

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。

力傳感器作為現代科技的前沿技術，被認為是現代信息技術的三大支柱之一，也是國內、外公認的最具有發展前途的高技術產業。但國內、外技術差距仍然存在。國內產業基礎薄弱、科技與生產脫節、產品技術水平偏低、產品種類欠缺、企業產品研發能力弱。很多精密測量設備配置的傳感器依賴進口。因此，我國企業的創新機制有待改進，行業上下游宜形成更有效的聯動機制。

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，建議加強對國外相關技術標準發展趨勢的跟蹤，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，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品及檢測技術“走出去”。