张岩，安梦妮，蔡蕾

（青岛工学院机电工程学院，山东 青岛 266300）

儿童约束系统侧面碰撞试验侧撞门填充材料的研究

张岩，安梦妮，蔡蕾

（青岛工学院机电工程学院，山东 青岛 266300）

儿童约束系统侧面碰撞试验是ECE R129法规针对通用完整ISOFIX接口儿童约束系统和汽车专用ISOFIX接口儿童约束系统增加的试验流程并有相应的评价指标。在其规定的侧面碰撞试验中，与儿童约束系统发生碰撞的侧撞门安装有法规规定性能指标的填充材料。由于ECE R129法规尚没有完全取代现行的ECE R44法规，儿童约束系统侧面碰撞试验在国内还处于起步阶段，试验中侧撞门填充材料依赖进口，还没有国产替代材料。作者根据法规要求，设计并建立了侧撞门填充材料测试系统，对多种材料进行测试，在测试的同时分析试验数据，推测出满足法规要求的性能曲线。

ECE R129；侧面碰撞；填充材料

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.048

CLC NO.:TH145 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-141-04

引言

随着儿童乘车安全问题逐渐被社会关注，儿童约束系统的应用率越来越高，世界各发达国家都对儿童约束系统做出强制性要求，并建立了各自的法规。在各国使用的儿童约束系统法规中，影响力较大的有美国美国高速公路安全管理局National Highway Traffic Safety Administration（NHTSA）发布的美国汽车安全技术法规Federal motor vehicle safety standards（FMVSS）213儿童约束系统法规，联合国欧洲经济委员会Economic Commission of Europe（ECE）使用的ECE R44儿童约束系统法规，我国现行的国标《机动车儿童乘员用约束系统》，其中《机动车儿童乘员用约束系统》是以ECE R44为主要参考，试验内容与其一致。以上这些关于儿童约束系统的法规当中，均没有将侧面碰撞保护纳入其中。[1][2]

2013 年8 月欧洲推出了新的儿童约束系统法规ECE R129，并将在未来两年的缓冲期之后取代现行的ECE R44法规。新法规当中增加了侧面碰撞的试验流程和评价指标[3]。由于我国的相关标准均以欧洲标准一致，因此，在我国开展儿童约束系统侧撞试验显得十分迫切。未来我国新的儿童约束系统标准，必将纳入侧撞试验。为模拟交通事故中儿童约束系统与车辆侧面门、窗碰撞，在侧面碰撞试验中儿童约束系统将与侧撞门填充材料进行碰撞，因此填充材料的选用是试验数据有效性和准确性的前提，然而到目前为止国内在进行试验时填充材料只能依赖进口，对填充材料的研究也无公开发表的成果。

本文根据ECE R129法规的要求，构建了一个填充材料测试系统，并使用该系统对多种材料进行测试，根据对加速度曲线进行分析，逐步选取更加接近法规要求的材料。

1、测试系统的构建

R129法规对填充材料的评估测试程序要求如下：

测试装置是一个直径为150mm，重量为6（±0.1）Kg的球头，对其进行简单的跌落试验。冲击速度为4（±0.1）m/s。仪表应允许的冲击器和样本之间以及头部加速度在至少碰撞方向的第一次接触的时间评估（Z方向）[4]。

测试系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括球头，球头释放装置，加速度传感器，数据采集系统。软件系统包括设计软件Siemens PLM Software公司的NX 8.0，数据采集器的操作软件，数据处理软件NI公司的Diadem,后期绘图软件MicroCal公司的Origin Pro。

1.1 球头设计

球头使用Q235结构钢，使用NX 8.0对其进行结构设计，在保证直径150mm的尺寸要求之后，主要是保证球头的质量要求，同时要对传感器的安装位置进行优化，使传感器安装方便、测量准确，传感器的线路容易伸出，不易损坏传感器。综合上述细节要求，最终设计的球头结构如图1所示，分为下部球体和上部端盖两部分。

利用NX 8.0的测量体的功能，Q235的密度为7.85g/cm,赋予材料密度属性，可以得到设计结构的重量，在设计时为减小制造尺寸误差对重量的影响，可以将上端盖加工的厚一些，留有超重余量，然后根据比例减小端盖厚度，使其符合法规要求。最终加工完成之后，球头整体的质量（包括连接螺栓）为6.015Kg，如图2，满足法规6±0.1Kg的要求。加工完成后对其进行表面处理，防止表面氧化影响测试结果。

图2 球头实物Fig 2 Spherical Head Form

1.2 球头释放装置

图3 电磁式释放机构Fig 3 Electromagnetic Release Mechanism

1.3 传感器

本测试系统需要测量球头与被测材料撞击过程中的加速度，要求传感器测量精准，性能稳定。使用美国恩德福克公司的Model 7264C-2000 型压阻式传感器，如图4所示。恩德福克是具有60年历史的高端传感器及其各类电子仪器的研发生产企业，是一个老牌的美国军工企业，多年来一直领导着全世界这一领域的技术发展，代表着世界传感器/仪器技术的最高水平。

图4 Model 7264cFig 4 Model 7264c

Model 7264C-2000型压阻式加速度传感器，其专门设计用于碰撞试验、颤振试验、粗糙路面试验及其它要求负载小、频响宽之处。符合SAEJ211，具有机械式过程限止器，尺寸小，重量轻，结构牢固，满量程输出400mV，无阻尼，直流响应，全桥式结构，环氧树脂密封。[5]

1.4 数据采集器

本测试系统使用的数据采集器是MDR-82汽车碰撞数据记录系统，如图5所示。

图5 MDR-82数据采集器Fig 5 MDR-82 Data Collection

MDR-82数据采集器拥有实时监控功能，记录的同时，进行波形显示。可以进行多次测量，存储空间大，能够满足汽车碰撞试验的数据采集所需参数，同时也满足本次试验的采集要求[4]。测试系统的硬件设计制造选择好之后，配合相关软件即可进行测试试验。

2、动态试验与数据处理

R129法规对于填充材料的厚度要求为55mm（可以是多种材料的组合），冲击加速度性能指标作出如下要求：

样品材料与球头第一次接触的时间是0ms；

冲击器加速度应该不超过58g；

用于填充材料的通道加速度曲线应满足1,2,3,4曲线所规定的区间。如图6所示。

图6 填充材料加速度界限Fig 6 Corridor for the Padding Material

(1)上限是58g；

(2)下限的最大峰值是53g（11-12ms）；

(3)加速度下降的上限（从20.5ms的15g到21.5ms的10g）；

(4)加速的下降的下限（从20ms的10g到21ms的7g）[4]83。

2.1 测试氯丁橡胶

测试系统建立后首先对不同厚度的氯丁橡胶进行测试，对采集的数据进行分析，根据分析结果确定后续的研究材料，避免出现方向性错误，减少研究过程中的问题。对30mm厚度的氯丁橡胶与40mm厚度的氯丁橡胶进行测试，并分别选择不同厚度的保温材料与氯丁橡胶搭配，增加一层保温材料之后被测材料的厚度为55mm。使用Diadem软件对数据进行CFC（60）滤波，截取需要的部分数据使用Origin Pro绘制加速度曲线图。从图7至图9，可以获得以下信息：

（1） 同种材料不同厚度的氯丁橡胶加速度最大值不同，加速度变化过程时间相近。（如图7所示）

（2）增加保温层后加速度最大值变小，加速度变化过程时间变长。（图8、9所示）

图7 30mm厚度与40mm厚度的氯丁橡胶加速度曲线图Fig 7 Polychloropren Acceleration Curve

图8 30mm厚度的氯丁橡胶与增加1层保温材料后的加速度曲线图Fig 8 30mm Polychloropren Match a Insulation Acceleration Curve

（3）氯丁橡胶的加速度最大值太大，脉宽过窄，加速度曲线距离3、4界限太远。

图9 40mm厚度的氯丁橡胶与增加1层保温材料后的加速度曲线图Fig 9 40mm Polychloropren Match a Insulation Acceleration Curve

氯丁橡胶的测试加速度最大值超过法规的要求，在后续材料测试中应该选择硬度低的材料。

2.2 测试硫化橡胶

橡胶在硫化后硬度往往会降低，将硫化橡胶作为第二批测试材料[7]，氯丁橡胶与硫化橡胶厚度相同，保温材料一致，使用该系统得到的加速度曲线与氯丁橡胶测得的加速度曲线进行比较。从图10可以看出硫化橡胶的加速度最大值小于氯丁橡胶的最大值，硫化橡胶的脉宽比氯丁橡胶更宽，加速度下降曲线更加接近法规的3、4界限。

虽然硫化橡胶的加速度最大值有所下降，但是仍然超出法规要求。在后面的测试中应选择硬度更低的橡胶。

图10 氯丁橡胶与硫化橡胶加速度曲线Fig 10 Polychloropren and Perduren Match a Insulation Acceleration Curve

2.3 测试硅橡胶

硅橡胶即聚二甲荃硅氧烷，具有一种螺旋形分子构型，其分子间力较小，因而具有良好的回弹性，同时指向螺旋外的甲荃可以自由旋转，因而使硅橡胶具有独特的表面性能，是橡胶中最柔软的一类。[8]

图11 氯丁橡胶、硫化橡胶与硅橡胶加速度曲线Fig 11 Polychloropren、Perduren and Silastic Acceleration Curve

在对硅橡胶进行测试，其加速度特性曲线与氯丁橡胶、硫化橡胶相比较加速度最大值降低，脉宽变宽，加速度变化时间变长，更加接近法规要求的特性。如图11所示。

通过对三种橡胶进行测试，发现硅橡胶更接近法规要求，如果能够使用一种合适的附加层来降低球头与橡胶撞击产生的最大加速度值，那么我们可以推测满足法规要求的材料组合加速度曲线图应如图12所示。

图12 推测满足法规要求的加速度曲线Fig 12 Qualified Curve

3、其他材料的探究试验

为了降低最大加速度值，对多种硬度较低的材料进行了测试，其中B1、B2、B3级的XPS挤塑板和不同厚度的橡塑海绵保温板（图13）测试曲线更加接近法规要求。

图13 XPS挤塑板与橡塑海绵保温板Fig 13 XPS and Rubber Sponge

图14 XPS挤塑板加速度曲线Fig 14 XPS Acceleration Curve

图15 橡塑海绵保温板Fig 15 Rubber Sponge Acceleration Curve

XPS挤塑板满足了法规中第一条 （上限是58g）和第二条（在11-12ms内下限的最大峰值是53g）的要求，但是加速度变化时间太短，在加速度减小阶段不能落入到法规第三条、第四条所规定的区域；橡塑海绵保温板的测试曲线对于法规中第三条（在20.5ms-21.5ms内加速度下降的上限）和第四条（20ms-21ms加速度下降的下限）吻合的比较好，但是加速度最大值超过了法规要求。测试曲线如图14、15所示。

4、结束语

ECE R129法规发布接近两年的时间，欧洲各大儿童约束系统设计商和生产商对新法规要求的侧面碰撞试验研究已经很深入和成熟，欧洲使用35mm厚度的橡胶发泡聚氯丁烯CR4271与20mm厚的styrodur C2500组合进行侧撞试验[4]84。由于国内法规还没有强制进行侧撞试验，对于侧撞填充材料也是鲜有研究。国内开始进行侧撞试验的厂家使用的填充材料依赖于进口，改变这种现状我们任重却不能道远。建立一个正确的测试系统，有方向的进行大范围材料组合与测试，早日寻得替代材料实现国产化，对于缩短侧撞试验系统建设和降低侧撞试验成本大有裨益，也有利于儿童约束系统的安全生产、品质提高、使用普及，从而降低交通事故对儿童的伤害。

[1] US Department of Transportation.Federal motor vehicle safety standard (FMVSS) No.213:Child Restraint Systems[s].Washington DC:National Highway Traffic Safety Administration,2002.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.机动车儿童乘员用约束系统,GB27887-2011[s].北京:中国标准出版社,2012.

[3] John Carlin, Charles Birdsong, Peter Schuster, William Thompson, Daniel Kawano. Child restraint systems-top tether effectiveness in side impact collisions. SAE Paper Number 2011-01-3578,2011.

[4] Economic Commission for Europe (ECE). Regulation No.R129：Uniform Provisions Concerning the Approval of Enhanced Child Restraint Systems Used on Board of Motor Vehicles.

[5] Model 7264c 产品说明书.

[6] 汽车碰撞数据记录系统产品说明书.

[7] 傅政.橡胶材料及工艺学[M].北京:化学工业出版社,第一版.2013年11月1日, 273-279.

[8] 秋香345.PSGJR-D硅橡胶加热带硅橡胶特性. [E] .http://wenku. baidu.com/view/43b37d24a5e9856a5612608a.html.2011年7月26日.

[9] 张玉龙,张晋生.特种橡胶及应用[M].北京:化学工业出版社,第一版.2011年6月1日.

[10] 郭宏盛.国外特种橡胶的应用现状.[J].橡胶参考资料,1994年02期.

[11] 任文坛，张勇，张隐西.特种橡胶材料在汽车工业中的应用技术及进展[J].橡胶科技市场，2006.01.

Research of padding material for child restraint system lateral impact

Zhang Yan, An Mengni, Cai Lei
( School of Electromechanical Engineering, Qingdao Technology of University, Shandong Qingdao 266300 )

Latest Child restraint system regulation Economic Commission of Europe Regulation No.129 requires Integral Universal ISOFIX Child Restraint Systems and "Specific vehicle ISOFIX" Child Restraint Systems are performed lateral impact test,and the padding material is very important in the test.In order to find the substitute of imported-materials and Change the current situations of relying on foreign imports,the authors designed a material test system and conducted some tests .This paper introduce the system and test results.

ECE R129; lateral impact; padding material

TH145

A

1671-7988(2016)01-141-04

张岩，就职于青岛工学院机电工程学院，研究方向为儿童安全座椅碰撞试验，汽车被动安全与碰撞仿真。

汽车安全与节能国家重点实验室开放基金项目（KF11 222）；山东省科技发展计划项目（2012YD04039）。