一种整车集成式儿童增高座垫的设计＊

李幸福 张君媛 陆善彬 刘晓春

（1.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室；2.长春万荣汽车改装有限公司）

1 前言

集成式汽车儿童安全座椅，又称内置型儿童座椅，是针对某款具体汽车，开发出将儿童座椅集成在成人座椅之中的儿童约束系统。与目前市场能买到的儿童座椅相比，其具有操作简便节省、误用率低、与整车匹配性好等特性。自1991年开始，沃尔沃开始在后排座椅上使用集成儿童座椅，后来又推出了一体双阶段增高座椅，座椅可逐级升高[3]。这种整体式儿童座椅在大众、福特和菲亚特等家用型汽车中都有一定应用。

本文提出一种整车集成式汽车儿童增高座椅，对其座垫举升机构、锁止机构及开启装置进行设计，并进行了台车试验验证。

2 整车集成式增高座垫的结构设计

一般来说，对于2～5岁儿童乘员，其身高、体重都较小，骨骼和肌肉有一定程度的发育，但不能承受某些局部约束，需要约束的点越多越好，推荐使用五点式安全带；对于5～10岁儿童乘员，其骨骼和肌肉发育较好，身体能承担三点式安全带[4]，但是其身高条件不适合单独使用三点式安全带。

儿童增高座椅通过垫高儿童乘员来改善座椅成人安全带在儿童身体上的定位，一方面使安全带腰带部分能够定位在儿童跨部，另一方面可以使成人安全带肩带部分较好地定位在儿童肩部和胸部，避免碰撞过程中安全带勒住儿童脖子的现象[5]。

由于汽车前排座椅安装有安全气囊，碰撞发生时可能对儿童导致致命伤害。相关研究表明，儿童乘员乘坐在后排座椅较为安全，而后排中间位置最安全[6]，且侧面碰撞安全性好。因此，本文在汽车后排座椅的中间位置设计了儿童约束装置，采用举升机构用于举升后排座椅的中间部分，供5～10岁儿童乘员使用。一般5～10岁儿童乘员臂部下侧至肩部的高度范围在403～483 mm，在不改变后排座椅安全带固定点位置前提下，设计时的升高高度能保证儿童乘员适合使用成人安全带，即儿童乘员处于正确的乘坐状态。该款集成式儿童增高座垫结构示意图如图1所示，新型约束装置与汽车座椅设计为一体，能够改善常规使用的儿童座椅与整车安装和兼容性问题。

该款集成式儿童增高座垫位于汽车后排座椅中间位置，主要包括增高坐垫的举升机构与泡沫结构，在使用时配合成人安全带使用。该举升机构主要由四连杆机构、锁止机构及其开启装置和助力件组成。儿童座椅的举升机构根据国内某车型后排座椅建立，后排座椅尺寸为 1 300 mm×550 mm×650 mm，座垫倾角为12°，靠背倾角为25°。

2.1 举升机构的设计

举升机构主要用于调节座垫的升高位置，按调节方式可以分为座垫整体水平上、下平行升降机构和座垫前、后单独升降机构两种，按结构可以分为丝杆式、螺旋弹簧式、油缸式和四连杆式4种。各结构形式的调节机构组成及特点如表1所示[7]。

表1 举升机构结构形式及其特点

丝杠式、螺旋弹簧式及油缸式都适合座垫整体水平上、下平行升降，考虑到儿童臂部后侧至膝盖弯曲处的距离比成人小得多，不宜采用整体水平上、下升降，而比较适合采用座垫前、后单独升降结构，即采用四连杆机构。考虑到车辆可能在路面上受到正面碰撞、侧面碰撞，不仅儿童座垫举升机构的前、后方向强度应满足要求，其侧面方向也要有较大强度，因此四连杆机构前、后臂都采用了整体式结构，如图2所示。

2.2 锁止机构设计

根据使用功能，要求增高座垫的举升机构能够在使用时保持在升高状态，并能在承受一定碰撞载荷时不会发生变形；不使用时要求能够保持为闭合状态，供成人乘员乘坐使用，不会自动回弹。为此，对举升四连杆机构设计了两套锁止机构。一套采用锁止杆与锁止钩结构，如图3所示，考虑到锁止强度问题，该锁止结构采用双边钩，中间用销轴联动，同时上面安装复位弹簧，保证锁止杆滑进卡槽顶端后能自动锁止；另一套采用滑块与凸起结构配合，如图4所示，上板滑块能在上板上沿着滑槽滑动，当没有外力时，可以在弹簧拉力作用下拉回，同时滑块的钩状结构与底板上的凸起结构相互钩紧，实现锁止功能。

2.3 开启装置设计

考虑到操作方便、可接近性强等功能，开启装置应该设置在座椅前端。结构中采用的锁止机构有两套，相应的开启装置也有两套。锁止装置1的开启装置如图5所示，往外扣动旋转开关，开关的旋转通过软绳联动，带动锁止钩绕其轴销转动，锁止钩与锁止杆解除锁止；锁止装置2中的滑块结构可以沿着滑槽滑动，在外力作用下，使滑块朝A方向运动即可解除锁止，如图6所示。

2.4 辅助件的布置

为使操作方便、省力，设置了助力弹簧。在解除闭合锁止时，助力弹簧能使结构弹起，如图7所示。结构中还有几处用到了复位弹簧，设计时都要求弹簧安装的两固定点位置大于弹簧原来长度，使弹簧处于拉伸状态。在操作力撤销之后，结构件能在弹簧拉力的作用下恢复到初始状态。

3 运动仿真

儿童乘坐时，座椅装置处于升高状态，机构的工作原理为：按压开关1（图8），解除上板滑块与底板凸起机构锁止，机构靠助力弹簧的弹力弹起，升高到一定高度，同时前臂联动带动锁止杆在滑槽结构中滑动，到最后位置时挤压进锁止钩，锁止钩在弹簧拉力作用下往下拉回，实现锁止钩与锁止杆的锁止。

儿童不乘坐时，座椅装置处于闭合状态，增高坐垫可恢复到与两边坐垫同一高度，供成人乘坐。具体的工作过程与儿童乘坐时相反，先往外拉开关2，软绳带动锁止钩旋转，解除锁止钩与锁止杆的锁止状态；在外力作用下，将上板往下压，上板滑块与底板凸起结构锁止。

考虑到举升机构中用到的运动副多，为了验证结构各部件之间干涉问题，对设计的结构进行了DMU（Digital Mock-Up）运动仿真，图9所示为机构由工作状态到闭合状态的运动情况。

该举升机构集成在后排座椅的中间位置，设计要求闭合时结构占用空间尽量小，因此，采用了前、后支座平行错开的结构，使得结构能达到闭合目的，如图10所示。

考虑到举升机构上板需要加装泡沫，因此对泡沫切面也进行了相应设计，以保证机构在升起过程中不会与其他部件干涉。图11为整个增高座椅的集成示意，靠背结构尺寸仅为目标车后排座椅的60%。

4 结构试制与台车测试试验

考虑到工艺和成本问题，结构部件均采用较常用的45#钢材料，对表面进行了发蓝工艺处理，使其能够防蚀。

通过集成式儿童增高座垫的动态试验，对机构的动态强度和保护性能进行验证。在进行台车试验时，选用了50km/h FRB试验车体加速度作为台车加载的加速度曲线（图12），选用的儿童假人为10岁Hybird III假人。将设计的座垫举升机构安装在目标车型的白车身上，举升机构上放置好座垫泡沫进行试验。

台车碰撞试验后，坐垫举升机构未发生明显的变形破坏，锁止机构仍可正常工作。碰撞过程中，10岁儿童假人的头部和胸部综合加速度曲线如图13和图14所示。

儿童假人的主要伤害指标值如表2所列。

表2 儿童假人的伤害指标情况

试验结果表明，碰撞过程中，在台车加速度作用下，10岁儿童假人有向前运动的响应，在增高座垫和成人安全带约束作用下，假人向前运动的能量得以缓冲分散，儿童假人的各项伤害指标均在ECE R44法规规定的范围内。

5 结束语

提出了一款新型的一体式汽车儿童座椅，对其座垫举升机构、锁止机构及其开启装置等进行了设计，同时进行了样件试制，并利用台车试验验证其结构强度和对儿童乘员的保护性能。试验结果表明，在50 km/h的实车碰撞下，该座椅能满足强度要求，对儿童乘员能起到良好的保护效果。后续研究有必要对结构轻量化设计、多工况下的儿童保护效果进行。

1 The National Highway Traffic Safety Administration’s 2003 Traffic Safety Facts Sheet:Children.http://www－nrd.nhtsa.dot.gov/pdf/nrd－30/NCSA/TSF2003/809762.pdf.

2 毕莹.汽车儿童约束系统的CAE分析及其设计要求的初步研究：[学位论文].长春：吉林大学，2009，6.

3 Lotta Jakobsson， Henrik Wiberg， Irene Isaksson Heliman.Jörgen Gustafsson Real Seat Safety for the Growing Child a New 2－stage Integrated Booster Cushion.Proc of 20th Int ESV Conf， Paper no.07－0322， Lyon， France， 2007.

4 杨杏梅.汽车前碰撞中6岁儿童乘员约束系统的仿真研究：[学位论文].长沙：湖南大学.2006，6.

5 任锡娟，曹立波，欧阳志高.集成式汽车儿童安全座椅的设计与仿真.汽车工程，2009（31），12.

6 Katarina Bohman，Ola Boström，Anna－Lisa Osvalder，Maria Eriksson.Frontal impact protection of children seated on boosterCushions－ an attitude， handling and safety approach， Proc of 20thInt.ESV Conf.， Paper no.07－0268，Lyon， France， 2007.

7 谷正义.轿车车身.北京：人民交通出版社，2002：176～177.