一种儿童座椅台车侧面碰撞试验装置及试验方法与流程

本发明涉及汽车碰撞试验技术领域，更具体的是，本发明涉及一种儿童座椅台车侧面碰撞试验装置及试验方法。

背景技术：

在汽车及相关配件的碰撞安全测试中，台车试验是一种常用的测试手段，其能够模拟汽车在碰撞事故中，车内部件在碰撞加速度冲击下的安全表现。台车设备通常只具有对车身加速度波形的单一控制，通过对台车及其上安装的车身或零部件施加一碰撞加速度波形，以模拟汽车在碰撞事故中乘员舱或零部件所受的碰撞加速度冲击。因此其广泛地应用于正面碰撞过程的模拟。

然而，侧面碰撞与正面碰撞不同，其造成乘员伤害的不仅有碰撞加速度，还有车门向内挤压的变形量。若想精确模拟侧碰过程，则需两个自由度的控制，即不仅能控制碰撞加速度，同时又需能控制侵入变形。目前越来越多儿童座椅测试方法中加入了侧面碰撞试验要求。例如在最新的欧洲法规ecer129《关于批准在机动车上使用的加强型儿童约束系统的统一规定》中，新增加了儿童座椅的台车侧面碰撞试验。该试验方法是在台车上，通过车门向内挤压冲击儿童座椅及所搭乘的假人，模拟实际侧面碰撞事故中被撞车辆车门向内变形撞击儿童座椅及儿童的碰撞过程。该试验方法的主要要求是车门速度与儿童座椅速度差的时间函数曲线需满足两段线性关系，因此需要同时对车门及座椅台架进行双运动控制，而目前的台车设备只能对其中一方进行控制，另一方的运动控制需要依靠其他技术手段实现。

本发明设计了一种儿童座椅台车侧面碰撞试验的装置及波形控制方法，实现了儿童座椅台车侧面碰撞试验所需的双运动控制。该方法应用于加速式台车能够实现ecer129所要求的儿童座椅侧面碰撞测试要求，并且成本较低，便于实现。

技术实现要素：

本发明的一个目的设计开发一种儿童座椅台车侧面碰撞试验装置，能够对门台车和座椅台车进行双运动控制，实现儿童座椅侧面碰撞的准确模拟。

本发明的另一个目的设计开发一种儿童座椅台车侧面碰撞试验方法，对门台车的加速过程采用正弦波函数控制，同时通过变截面吸能材料的设计，使得实现车门速度与座椅速度差的时间函数曲线能满足儿童座椅侧面碰撞测试条件，操作简单方便。

本发明提供的技术方案为：

一种儿童座椅台车侧面碰撞试验装置，包括：

门台车；以及

第一轨道，所述门台车设置在所述第一轨道上，且能够沿所述第一轨道轴向运动；

第二轨道，其固定设置在所述门台车上，所述第二轨道与所述第一轨道平行；

座椅台车，其设置在所述第二轨道上，且能够沿所述第二轨道轴向运动，所述座椅台车用于固定儿童座椅；

模拟车门，其一端与所述门台车固定连接，另一端与所述儿童座椅间隙设置；

吸能材料，其固定设置在所述座椅台车和模拟车门之间的门台车上。

优选的是，还包括台车活塞作动器，其设置在所述门台车一侧，用于推动所述门台车沿所述第一轨道轴向运动。

优选的是，所述吸能材料为长方体，且沿所述第二轨道轴向设置，所述吸能材料靠近所述座椅台车一侧中部设置有矩形凸起。

相应地，本发明还提供一种儿童座椅台车侧面碰撞试验方法，包括：

步骤1：将儿童假人置于儿童座椅上，对门台车进行加速运动，使座椅台车与吸能材料接触，其中，

所述门台车的加速度满足：

所述门台车的速度满足：

所述门台车的位移满足：

式中，所述门台车初始运动时刻为-t，所述座椅台车与吸能材料初始接触时刻为碰撞0时刻，ad(t)为门台车的加速度，vd(t)为门台车的速度，dd(t)为门台车的位移，t为时刻，a为振幅；

步骤2：座椅台车与吸能材料接触后，门台车开始恒速运动，直至门台车与座椅台车的相对静止时，碰撞过程结束；

步骤3：碰撞过程中，获取儿童假人头部、胸部的三向加速度以及头部位移。

优选的是，所述步骤2中：

所述门台车恒速时间为：

0≤t≤0.070s；

所述门台车的速度满足：

vd(t)＝6.8130≤t≤0.070；

其中，a·t＝10.701。

优选的是，所述门台车与座椅台车的相对速度δvt(t)满足：

优选的是，

所述吸能材料一侧的矩形凸起的端面面积s1满足：

所述吸能材料另一侧的端面面积s2满足：

其中，x(t)为吸能材料的压缩量，为吸能材料的压缩量对时间的一阶导数，为吸能材料的压缩量对时间的二阶导数，ds(t)为座椅台车的位移，为座椅台车的速度，为座椅台车的加速度，k为吸能材料单位面积空气弹簧等效刚度系数，c为吸能材料单位面积等效阻尼系数，σ为吸能材料静压溃强度，m为座椅台车的质量。

优选的是，所述吸能材料一侧凸起的长度满足：l1＝x(0.017)；所述吸能材料的总长度满足：其中，η为吸能材料的最大压缩比，

优选的是，所述a＝214，t＝0.050。

优选的是，所述座椅台车和吸能材料的凸起端面的距离为170mm。

本发明所述的有益效果：

(1)本发明所述的儿童座椅台车侧面碰撞试验装置，能够对门台车和座椅台车进行双运动控制，实现儿童座椅侧面碰撞的准确模拟。

(2)本发明所述的儿童座椅台车侧面碰撞试验方法，对门台车的加速过程采用正弦波函数控制，实现车门与儿童座椅碰撞零时刻的速度差。采用变截面吸能材料的形状控制碰撞过程中车门速度与儿童座椅速度差的时间函数曲线以满足儿童座椅侧面碰撞测试要求，并通过获取儿童假人头部、胸部的伤害指标以及头部前向运动量以判定儿童座椅侧面碰撞安全性能，操作简单方便。

附图说明

图1为本发明所述儿童座椅台车侧面碰撞试验装置的结构示意图。

图2为本发明所述ecer129试验速度波形要求和本发明控制速度波形曲线示意图。

图3为本发明所述座椅台车和吸能材料的动力学模型示意图。

图4为本发明所述台车设备(即台车活塞作动器)的加速度输入曲线。

图5为本发明所述吸能材料(蜂窝铝)的外形尺寸。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供一种儿童座椅台车侧面碰撞试验装置，包括：门台车110；以及第一轨道(图中未示出)，所述门台车110设置在所述第一轨道上，且能够沿所述第一轨道轴向运动；第二轨道(图中未示出)，其固定设置在所述门台车110上，所述第二轨道与所述第一轨道平行；座椅台车120，其设置在所述第二轨道上，且能够沿所述第二轨道轴向运动，所述座椅台车120用于固定儿童座椅130；模拟车门140，其一端与所述门台车110固定连接，另一端与所述儿童座椅130间隙设置，所述模拟车门140具有沿所述第二轨道轴向调节的功能，即调节模拟车门140和座椅台车120的距离；吸能材料150，其截面可变，其固定设置在所述座椅台车120和模拟车门140之间的门台车上。依据ecer129要求碰撞0时刻门板内侧与座椅台架中线距离350mm，因此调节模拟车门140的安装位置，保证图1中d2-d1＝350mm。

本实施例中，还包括台车活塞作动器160，其设置在所述门台车110一侧，用于推动所述门台车110沿所述第一轨道轴向运动。

本实施例中，所述吸能材料150为长方体，且沿所述第二轨道轴向设置，所述吸能材料150靠近所述座椅台车120一侧中部设置有矩形凸起。以便于实现采用阶梯式变截面积的方式实现不同的速度变化率。本实施例中，所述吸能材料为蜂窝铝。

本发明所述的儿童座椅台车侧面碰撞试验装置，能够对门台车和座椅台车进行双运动控制，实现儿童座椅侧面碰撞的准确模拟。

本发明还提供一种儿童座椅台车侧面碰撞试验方法，包括：

步骤1：将儿童假人置于儿童座椅上，台车活塞作动器推动门台车加速运动，此时座椅台车在第二滑轨上处于自由运动状态，忽略滑轨摩擦，座椅台车相对地面静止，门台车上的吸能材料与座椅台车碰撞面之间的间距d1不断缩小，当d1＝0时，门台车与座椅台车发生碰撞，此时定义为碰撞0时刻，即t＝0，向前追溯至活塞作动器开始推动门台车的时刻为-t(t＞0)，其中，

所述门台车的加速度满足：

所述门台车的速度满足：

所述门台车的位移满足：

其中，ad(t)为门台车的加速度，vd(t)为门台车的速度，dd(t)为门台车的位移，t为时刻，a为振幅；

步骤2：台车活塞作动器继续推动门台车，并保持恒速，吸能材料溃缩吸能，座椅台车受力并不断加速，门台车与座椅台车相对速度不断降低，至二者相对速度为0，碰撞过程结束。

步骤3：碰撞过程中，通过采集安装在儿童假人头部以及胸部加速度传感器的数据，计算获取儿童假人头部、胸部的三向加速度以及头部位移，并根据相应的测试标准(即标准限值)以判定儿童座椅对儿童乘员的保护效果。

门台车的运动由台车设备进行控制；两台车的相对运动关系由特定的吸能材料溃缩进行控制。首先依据ecer129儿童座椅侧面碰撞试验波形要求选取控制目标。如图2所示，从碰撞0时刻开始，至0.070s碰撞全过程中，车门的速度要求保持在6.375m/s至7.250m/s之间；车门和座椅相对速度曲线保持在实线所示上下限约束条件之内，车门和座椅达到相对静止的时刻在60ms至70ms之间。

本发明将控制目标设定为上下限值的中值，即车门速度(m/s)目标函数为：

vtd(t)＝6.813，(0≤t≤0.070)--------------------------------------(1)

车门-座椅(即座椅台车)相对速度(m/s)的目标函数为：

以下根据本发明的控制目标确定台车活塞作动器的波形输入：

门台车的运动由台车设备控制，通过门台车加速度波形函数，确定台车活塞作动器的加速度波形输入。

门台车系统加速阶段(--t≤t≤0)，开始加速时刻为-t，采用半正弦加速度波形：利用边界条件vd(-t)＝0，积分可得速度函数：定义0时刻门台车系统位置为0，故有边界条件dd(0)＝0，二次积分可得位移函数：

依据本发明的控制目标关系式(1)，有约束条件：vd(0)＝vtd(0)＝6.813m/s，解得：a·t＝10.701m/s。

本实施例中，结合台车设备性能，选取a＝214.0m/s²，t＝0.050s。

门台车恒速阶段(0≤t≤0.070)，门台车系统速度函数为vd(t)＝vtd(t)＝6.813，(0≤t≤0.070)，求导可得门台车加速度波形输入为：ad(t)＝0，(0≤t≤0.070)，利用边界条件dd(0)＝0积分可得位移函数dd(t)＝6.813t，(0≤t≤0.070)。

综上，可得台车设备加速度输入波形(如图4所示)及速度、位移函数为：

图1中，座椅台车与吸能材料之间的距离d1是给门台车预留的加速距离，门台车运动方程已知；座椅台车在(-t≤t≤0)区间段为自由状态，忽略滑轨摩擦，座椅台车相对地面静止。因此，

依据本发明的控制目标关系式(2)，车门-座椅(即座椅台车)相对速度(m/s)的目标函数为：

座椅台车在(0≤t≤0.065)区间段受力加速，由相对速度目标函数(2)可知，(0≤t≤0.017)时间段相对速度变化率为-58.333m/s²，(0.017≤t≤0.065)相对速度变化率为-120.619m/s²。选取蜂窝铝作为吸能材料，为便于实现，采用阶梯式变截面积的方式实现不同的速度变化率。令前段蜂窝铝(即一侧的凸起)作用面积为s1，提供-58.333m/s²速度变化率所需作用力；后段蜂窝铝作用面积为s2，提供-120.619m/s²速度变化率所需作用力；则可将蜂窝铝截面积视为时间函数：

下面通过动力学模型运算确定能够满足碰撞波形的蜂窝铝外形尺寸。

蜂窝铝准静态压缩时，会输出一近似恒力，其力值大小仅与蜂窝铝截面积有关，但是在高速碰撞溃缩过程中，由于其蜂窝内空气在瞬间压缩中，会产生类似空气弹簧的效果，因此存在弹簧刚度和阻尼。依此建立动力学模型如图3所示，门台车为输入端，位置函数为dd(t)，其一阶导数为门台车系统速度函数其二阶导为门台车加速度函骜座椅台车为模型的输出端，质量为m，位置函数为ds(t)，其一阶导数为座椅台车系统速度函数其二阶导为其加速度函数蜂窝铝等效刚度系数为k，系统阻尼系数为c，蜂窝铝提供的恒力f，以上参数均与蜂窝铝截面积相关，令k＝k·s(t)，c＝c·s(t)，f＝σ·s(t)，其中k为蜂窝铝单位面积空气弹簧等效刚度系数，c为蜂窝铝单位面积等效阻尼系数，σ为蜂窝铝静压溃强度。

根据几何关系与力学原理，可建立以下微分方程：

令蜂窝铝压缩量为时间函数x(t)，则x(t)＝dd-ds，同时添加边界条件，故微分方程(8)可转化为：

由微分方程解的形式可知，其解不可能为多项式形式，即不能完全等于速度变化量目标函数(2)，只能尽量接近，同时保证其满足限值约束要求即可。

利用计算机技术建立数值求解模型，以s1和s2为输入，以和为输出，利用单变量求解，可得使的s1；同样的方法可得使的s2。

即通过求解s1和s2。

可获得满足要求(图2)的相对速度曲线。读取0.017s时间点的x的值，即x(0.017)，表示(0≤t≤0.017)时间段蜂窝铝压缩量，也是截面积为s1的蜂窝铝轴向长度l1。读限降低至0的时间并定义为结束时刻tend，即读取结束时刻的x的值，即x(tend)，其表示整个碰撞过程蜂窝铝的总压缩量l。

蜂窝铝具有最大压缩比η，超过最大压缩比其压溃强度σ将不再稳定，因此蜂窝铝总长度应足够长，满足综上，蜂窝铝截面积s1部分的轴向长度为l1＝x(0.017)，蜂窝铝截面积为s2部分的轴向长度为蜂窝铝外形尺寸如图5所示。

本实施例中，m＝160kg，σ＝8.8×10⁵pa，k＝1.32×10⁶n·m^-3，c＝1.06×10⁴n·s·m^-3，η＝80％，应用以上方法，可得s1＝9.36×10^-3m²，s2＝1.81×10^-2m²，l1＝104mm，l≥308mm，保留一定裕量并考虑蜂窝铝加工成型工艺性，选取l＝350mm，则l2＝246mm。

本发明所述的儿童座椅台车侧面碰撞试验方法，对门台车的加速过程采用正弦波函数控制，实现车门与儿童座椅碰撞零时刻的速度差。采用变截面吸能材料的形状控制碰撞过程中车门速度与儿童座椅速度差的时间函数曲线以满足儿童座椅侧面碰撞测试要求，并通过获取儿童假人头部、胸部的伤害指标以及头部前向运动量以判定儿童座椅侧面碰撞安全性能，操作简单方便。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。