謝東坡，周 亮，覃國(guó)周

(重慶車輛檢測(cè)研究院國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122)

0 引言

兒童座椅是兒童約束系統(tǒng)的一種，在車輛發(fā)生碰撞時(shí)，它可為兒童提供安全保護(hù)［1］，其在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的使用率已達(dá)80%以上，在我國(guó)北京地區(qū)的使用率也達(dá)到30%左右［2］。B類鎖止裝置是指當(dāng)用成人安全帶約束兒童約束系統(tǒng)時(shí)，使成人乘員安全帶的腰帶部分保持適當(dāng)張力的裝置。該裝置還能防止織帶從卷收器中滑出，造成織帶拉力松弛，導(dǎo)致約束系統(tǒng)處于非最佳使用狀態(tài)［3］。B類鎖止裝置在保護(hù)兒童乘員乘車安全方面發(fā)揮著重要作用，其自身性能必須滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。國(guó)外汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家均有各自的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如文獻(xiàn)［4］、［5］。我國(guó)首個(gè)兒童約束系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)已于2012年7月1日開始正式實(shí)施。下面對(duì)兒童座椅B類鎖止裝置性能試驗(yàn)系統(tǒng)予以介紹。

1 系統(tǒng)功能分析與總體設(shè)計(jì)

1．1 系統(tǒng)功能分析

GB 27887－2011要求:織帶應(yīng)按照下面圖1的規(guī)定通過(guò)試驗(yàn)裝置，配重為 5．25 kg±0．05 kg，從滾軸到滾子導(dǎo)向器的距離為300 mm，且所加質(zhì)量與織帶離開骨架的點(diǎn)之間應(yīng)有650mm±40mm的自由長(zhǎng)度。鎖止裝置應(yīng)完全鎖止，并且在織帶進(jìn)入鎖止裝置的位置做一個(gè)標(biāo)記。升高配重，然后釋放，這將會(huì)自由下落25 mm±1 mm的距離。這個(gè)過(guò)程將以每分鐘(60±2)個(gè)循環(huán)的頻率重復(fù)(100±2)次，以模仿車內(nèi)兒童約束系統(tǒng)的顛簸動(dòng)作。在織帶進(jìn)入鎖止裝置的地方再做一個(gè)標(biāo)記，測(cè)量?jī)蓚€(gè)標(biāo)記之間的距離，織帶的滑移量不應(yīng)超過(guò) 25 mm［3］。

圖1 B類鎖止裝置性能試驗(yàn)布局示意圖

根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)要求，兼顧通用性、完整性、安全性等因素，研制的系統(tǒng)應(yīng)包括如下功能:①試驗(yàn)系統(tǒng)高度可調(diào)節(jié)，以滿足不同型號(hào)兒童座椅的安裝及實(shí)驗(yàn)要求;②每次對(duì)配重提升并自由釋放后，其下降距離都滿足25 mm±1 mm;③試驗(yàn)頻率、試驗(yàn)次數(shù)可設(shè)定;④具有異常狀況報(bào)警和在緊急情況下快速停機(jī)的能力。

1．2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

據(jù)前節(jié)所述系統(tǒng)功能要求，對(duì)B類鎖止裝置性能試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。電氣系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、PLC控制器、HMI人機(jī)交互觸摸屏、傳感器組、電磁閥組、伺服電機(jī)和報(bào)警模塊等組成;機(jī)械系統(tǒng)由工裝夾具、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和試驗(yàn)臺(tái)柜體等組成。其中工裝夾具主要完成工件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的夾裝與調(diào)整，它包括織帶導(dǎo)向與定位機(jī)構(gòu)和高度調(diào)節(jié)裝置;執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)凸輪跳動(dòng)和砝碼提升等動(dòng)作;試驗(yàn)臺(tái)柜體則是實(shí)現(xiàn)對(duì)工裝夾具、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及電氣系統(tǒng)的支撐。

圖2 B類鎖止裝置性能試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)架

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 高度調(diào)節(jié)裝置

為了滿足前面所述系統(tǒng)功能②的要求，試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)能將砝碼提升到25 mm后自由釋放，且無(wú)論鎖止端是否產(chǎn)生滑動(dòng)，每次提升的高度都要保持25 mm。本設(shè)計(jì)方案將執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為凸輪跳動(dòng)機(jī)構(gòu)與砝碼提升機(jī)構(gòu)兩部分，凸輪跳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定頻率和行程的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，砝碼提升機(jī)構(gòu)則實(shí)現(xiàn)夾持和釋放砝碼的功能。

(1)凸輪跳動(dòng)機(jī)構(gòu)

凸輪跳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖4，由伺服電機(jī)與精密減速器組成的驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪軸上安裝有凸輪，凸輪上部與滑塊接觸，該滑塊固定在兩個(gè)線性導(dǎo)軌上，可上下自由運(yùn)動(dòng)，線性導(dǎo)軌固定在兩側(cè)的安裝基座上，為便于觀察，圖4中隱藏了線性導(dǎo)軌的安裝基座。當(dāng)伺服電機(jī)通過(guò)凸輪軸帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，凸輪推動(dòng)滑塊作上下運(yùn)動(dòng)，控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，則可以精確控制滑塊上下運(yùn)動(dòng)的頻率。此處伺服電機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制，可精確控制其轉(zhuǎn)速。

滑塊上下運(yùn)動(dòng)的行程由凸輪形狀決定，可以通過(guò)凸輪形狀的設(shè)計(jì)來(lái)保證滑塊上下運(yùn)動(dòng)距離為25 mm。凸輪外形為直徑為60 mm的圓，凸輪軸直徑為28 mm，凸輪軸軸心與凸輪圓心之間的距離為12．5 mm。當(dāng)凸輪軸帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，凸輪軸軸心與凸輪上止點(diǎn)之間的距離為42．5 mm，凸輪軸軸心與凸輪下止點(diǎn)之間的距離為17．5 mm，兩者差值為25 mm，這一距離正是滑塊做上下運(yùn)動(dòng)的行程。

圖3 高度調(diào)節(jié)裝置

圖4 凸輪跳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

(2)砝碼提升裝置

砝碼提升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)砝碼的提升和釋放功能，其設(shè)計(jì)如圖5所示。滑塊在凸輪跳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下作行程為25 mm的上下運(yùn)動(dòng)，在凸輪軸處設(shè)有兩個(gè)光電開關(guān)，分別用于檢測(cè)凸輪上止點(diǎn)與下止點(diǎn)。其工作過(guò)程為:當(dāng)凸輪下止點(diǎn)與滑塊接觸時(shí)，滑塊處于其行程的最底點(diǎn)，此時(shí)光電開關(guān)2觸發(fā)，控制夾緊氣缸動(dòng)作以?shī)A緊織帶，則砝碼與織帶隨著滑塊的上升而上升;當(dāng)凸輪上止點(diǎn)與滑塊接觸時(shí)，滑塊已上升到其行程的最高點(diǎn)，此時(shí)光電開關(guān)1觸發(fā)，控制夾緊氣缸松開織帶，砝碼自由下落，其下落的距離為25 mm，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

圖5 砝碼提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1系統(tǒng)硬件

根據(jù)B類鎖止裝置性能試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)和要求，選擇伺服電機(jī)與精密減速器組成的驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，私服電機(jī)采用內(nèi)部速度控制模式。系統(tǒng)的電氣控制采用PLC，須2個(gè)輸入、6個(gè)輸出控制點(diǎn)。選用中達(dá)電通DVP－ES2系列PLCDVP16ES200T，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、性價(jià)比高、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)［6］。系統(tǒng)中 PLC各輸入/輸出點(diǎn)分配情況見(jiàn)表1。

為了滿足前面所述系統(tǒng)功能①的要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了高度調(diào)節(jié)裝置，如圖3所示。工作平臺(tái)放置在鋁合金框架的底部，通過(guò)4個(gè)連接塊與4個(gè)滑動(dòng)導(dǎo)軌的滑塊連接，可以沿著滑動(dòng)導(dǎo)軌作上下運(yùn)動(dòng);螺旋升降機(jī)固定在鋁合金框架頂部，其螺桿向下穿過(guò)工作平臺(tái)，螺旋升降機(jī)螺母與工作平臺(tái)通過(guò)螺栓連接;轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋升降機(jī)手柄，則螺旋升降機(jī)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使得螺旋升降機(jī)螺母帶動(dòng)工作平臺(tái)沿滑動(dòng)導(dǎo)軌作上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)高度的調(diào)節(jié)。試驗(yàn)臺(tái)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、織帶導(dǎo)向與定位機(jī)構(gòu)等都安裝于工作平臺(tái)上，隨著工作平臺(tái)的移動(dòng)而移動(dòng)。

2．2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

表1 PLC輸入輸出點(diǎn)分配情況

3．2 系統(tǒng)軟件

(1)PLC程序設(shè)計(jì) 根據(jù)兒童座椅B類鎖止裝置性能試驗(yàn)的要求，確定各動(dòng)作的順序和相互之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)出程序流程圖，再根據(jù)PLC輸入輸出的邏輯關(guān)系編寫梯形圖，并下載至PLC控制器即可。程序流程圖如圖6所示。

圖6 PLC程序流程圖

(2)HMI程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)配置5．6寸HMI觸摸屏DOP－B05S100進(jìn)行人機(jī)交互，它具有65 536色TFT，1個(gè) USB Host、1 個(gè) USB Client和 2 個(gè)串行接口［7］。根據(jù)試驗(yàn)特點(diǎn)和功能要求，HMI程序設(shè)計(jì)了5個(gè)顯示頁(yè)面，分別是系統(tǒng)主界面、參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)試驗(yàn)、試驗(yàn)調(diào)試和結(jié)果統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)主界面是HMI的啟動(dòng)頁(yè)面;為了滿足前面所述系統(tǒng)功能(3)中對(duì)試驗(yàn)頻率、試驗(yàn)次數(shù)可設(shè)定的要求，在參數(shù)設(shè)置頁(yè)面設(shè)計(jì)了試驗(yàn)頻率和試驗(yàn)次數(shù)的設(shè)定功能;在自動(dòng)試驗(yàn)頁(yè)面可以實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)次數(shù)和工作狀態(tài)、并對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警，滿足前面所述系統(tǒng)功能(4)的要求;在試驗(yàn)調(diào)試頁(yè)面，可以根據(jù)需要手動(dòng)調(diào)試試驗(yàn);在結(jié)果統(tǒng)計(jì)頁(yè)面，則統(tǒng)計(jì)累積試驗(yàn)次數(shù)和累計(jì)工作時(shí)間，便于根據(jù)設(shè)備使用情況定期維護(hù)設(shè)備或更換備件，以保證設(shè)備處于良好的使用狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)兒童座椅B類鎖止裝置性能試驗(yàn)的相關(guān)要求，提煉出其系統(tǒng)功能要求，并對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)功能要求從機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的兩個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)研制進(jìn)行了論述。通過(guò)樣品試驗(yàn)表明:所研制的兒童座椅B類鎖止裝置性能試驗(yàn)系統(tǒng)，具有自動(dòng)化程度高、人機(jī)交互友好、軟件操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。其各項(xiàng)指標(biāo)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)B類鎖止裝置性能試驗(yàn)的要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，具有較好的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。

［1］ 張 杰，項(xiàng)肇宏．汽車安全帶扣自動(dòng)測(cè)試裝置的研制［J］．上海汽車，2014(10):60－62．

［2］ 張金換，章 雄，等．兒童約束系統(tǒng)誤使用安全性試驗(yàn)研究［J］．汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2014，5(1):30－37．

［3］ GB 27887－2011．機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)［S］．

［4］ FMVSS213．兒童約束系統(tǒng)［S］．

［5］ ECER44．兒童約束系統(tǒng)［S］．

［6］ DVP臺(tái)達(dá)可編程控制器［Z］．中達(dá)電通股份有限公司，2010．

［7］ DOP－B人機(jī)界面［Z］．中達(dá)電通股份有限公司，2010．