一種便攜式汽車用充氣式兒童安全座椅的設(shè)計

王澳 黃麗婷

摘 要：文章介紹了一種便攜式不需拆卸的充氣式汽車兒童安全座椅。針對目前汽車兒童安全座椅的重要性在我國仍被很多私家車主所忽略，設(shè)計了一種便攜式汽車用充氣式兒童安全座椅。本產(chǎn)品以現(xiàn)有的汽車座椅結(jié)構(gòu)和市面上常見的汽車兒童安全座椅的結(jié)構(gòu)為理論支撐，應(yīng)用常見的機械結(jié)構(gòu)和空氣取用的便捷性，再不改變整體框架的條件下，達(dá)到安全方便快速地形成對兒童的保護。文章通過對產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、二維CAD設(shè)計，將大致結(jié)構(gòu)建立出來;再利用ANSYS、Working Model等對結(jié)構(gòu)進行分析，論證出產(chǎn)品符合設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：汽車兒童安全座椅;傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)拼接;對兒童進行保護

中圖分類號：U463.83+6? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）13-80-03

Design of an Inflatable Child Safety Seat for Portable Vehicle

Wang Ao， Huang Liting

（ Shenyang University of Science and Engineering， Liaoning Shenyang 110159 ）

Abstract： This paper introduces a portable inflatable car child safety seat without disassembly. In view of the fact that the importance of car child safety seat is still ignored by many private car owners in our country， an inflatable child safety seat for portable car is designed. This product is based on the existing car seat structure and the structure of the common car child safety seat on the market. It uses the common mechanical structure and the convenience of air access， without changing the overall framework， to achieve the safe， convenient and rapid formation of child protection. In this paper， the product structure design， two-dimensional CAD design， the general structure will be established; then use ANSYS， working model， etc. to analyze the structure， demonstrate that the product meets the design requirements.

Keywords： Car child safety seat; Traditional structure splicing; Child protection

CLC NO.： U463.83+6? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-80-03

1 緒論

1.1 項目背景

現(xiàn)如今，隨著我國汽車保有量呈幾何式上升，汽車安全問題也逐漸進入了大家的視野，尤其是近幾年一些交通事故的發(fā)生，大家紛紛重視了起來。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，現(xiàn)在我國每年超過1.85萬名14歲以下兒童死于交通安全事故，死亡率是歐洲的2.5倍、美國的2.6倍。交通事故已成為14歲以下兒童的第一死因，而這些數(shù)據(jù)還在逐年攀升。美國國家公路安全局（NHTSA）通過假人模擬碰撞實驗，得出一組數(shù)據(jù)，在車輛發(fā)生交通事故時，孩子使用兒童安全座椅將會大大降低事故中的死亡率。

可通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在我國有孩子的私家車主大部分都不會主動安裝使用兒童安全座椅，一是因為兒童安全座椅在家長看來是不必要的消費，二是因為兒童安全座椅安裝繁瑣麻煩。解決以上所述的問題，高性價比和安裝的便攜性是關(guān)鍵，普通的兒童安全座椅已經(jīng)無法很好滿足大部分私家車主的需求，若汽車兒童安全座椅再不加以改造升級，兒童的乘車安全問題將無法很好解決。

1.2 兒童安全座椅發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 現(xiàn)有兒童安全座椅現(xiàn)狀

現(xiàn)有兒童安全座椅分為三種：提籃式嬰兒座椅是為1歲以內(nèi)的新生兒設(shè)計的，如果嬰兒成長速度較快的話，也許不滿一歲就需要更換;普通兒童安全座椅，適用范圍較廣，從1歲-8歲的兒童均可使用，但對于剛出生的嬰兒就不如提籃式嬰兒座椅防護性強;增高椅或增高墊只是簡單將孩子墊起，往往是伴隨孩子可以使用成人安全帶、氣囊等配置的重要過渡產(chǎn)品。

（1）提籃式嬰兒座椅

其相較于普通兒童安全座椅有一個很大的優(yōu)勢，安裝位置可以是副駕駛，但前提是關(guān)閉幾個位置的安全氣囊，安裝方式必須是向后安裝。但是關(guān)閉幾個氣囊所帶來的安全隱患就不僅僅是針對兒童那么簡單了，所帶來的可能的安全問題還涉及到了駕駛員身上。提籃式嬰兒座椅在內(nèi)部通常裝有3點式或者5點式的束縛帶，相比較于3點式，5點式的著力面大，受力分散，當(dāng)發(fā)生緊急制動時能更加有效地保護嬰兒身體各部位不會受到太大的傷害。但嬰兒時期的發(fā)育速度很快，提籃式嬰兒座椅往往使用期限很短，超出了適用范圍就需更換，且提籃式嬰兒安全座椅售價從上千到幾百不等。但因為價格問題很多家庭不會選用提籃式嬰兒座椅。

（2）普通兒童安全座椅

目前市場上常見的就是普通兒童安全座椅。其適用范圍從1歲-8歲均可使用，有的品牌甚至將普通兒童安全座椅的適用范圍增加到1歲-14歲。其通常使用3點式保護機理對使用者進行保護。在汽車遭受碰撞時，對安全座椅內(nèi)的人員進行相應(yīng)的束縛;在汽車翻滾時，減少安全座椅內(nèi)的人員的相對位移，同時安全座椅與汽車座椅之間的固定，也保證了成員的安全。但是通常普通兒童安全座椅在安裝上費勁，且車內(nèi)后排空間所占比例很大，對車內(nèi)空間較小的車輛來說具有一定的劣勢。

（3）增高椅或增高墊

增高椅（增高墊）相較于普通兒童安全座椅結(jié)構(gòu)要簡單，配合安全帶使用，一般適合年齡段4-14周歲或者體重在22-26kg之間的兒童使用。增高椅（增高墊）通過增加使用者與汽車地板之間的相對距離，以達(dá)到安全帶的適用范圍。若不使用增高椅（增高墊），成人用安全帶會緊貼兒童的頸部，當(dāng)車輛緊急制動時，安全帶會勒住兒童的脖子，嚴(yán)重的導(dǎo)致兒童窒息或者頸椎斷裂。沃爾沃事故調(diào)查研究組證明，正確使用增高椅或增高墊可將危險降低60%。但通常市面上會出現(xiàn)二手的產(chǎn)品，由于材料老化或者長期受壓產(chǎn)生裂痕，甚至發(fā)生過碰撞，都可是使二手產(chǎn)品有相應(yīng)的安全隱患。

1.2.2 兒童安全座椅的缺點

針對現(xiàn)有的兒童安全座椅缺點也是各不相同，市面上也急需解決上述問題，在能很好地保護兒童安全座椅使用者的同時，避免重復(fù)消費、使用便捷、而且所用材料合理。常見的兒童安全座椅只針對不同年齡段的使用者，無法做到一套安全座椅適用于所有年齡段。提籃式嬰兒座椅使用時間短，適用范圍小，在安裝的時候產(chǎn)生了一定的麻煩，其最大的缺點就在于嬰兒的成長較快，提籃式兒童座椅有一定的局限性;普通的兒童安全座椅在三類中起到的保護性最好，適用范圍最廣，但是其占用后排空間過大，拆裝過于繁瑣成為其最大的劣勢;增高墊或增高椅僅僅是過度階段的一類產(chǎn)品，這就使許多車主忽視了這類產(chǎn)品的重要性。同時由于兒童安全座椅功能的特殊性，很少能進行二次利用，所以在一定程度上造成了資源的浪費.

1.2.3 兒童安全座椅未來主要發(fā)展方向

兒童安全座椅未來主要的發(fā)展方向是具有性價比高、空間利用率高、安裝便捷、適用年齡廣等特性。只有解決上述問題，才能制造出理想的汽車用兒童安全座椅，方便車主日常使用的同時，又不降低安全性，在未來成為每家每戶必須擁有的東西之一。

1.3 安裝方式發(fā)展現(xiàn)狀

1.3.1 現(xiàn)有安裝方式現(xiàn)狀

兒童安全座椅安裝方向分為兩種：正向和反向。其安裝位置通常選擇在副駕駛后方或者后排座椅中間位置。兒童安全座椅的固定方式分為歐洲標(biāo)準(zhǔn)的ISO FIX固定方式、美國標(biāo)準(zhǔn)的LATCH固定方式和安全帶固定方式。其中，反向安裝是目前最為安全的一個安裝方向，其減少了兒童正面面對儀表盤的可能性;上述三種固定方式中，歐洲標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)的固定方式都要求車輛有固定的接口或者固件，而安全帶固定方式是通用的，但是其經(jīng)常容易松動，需要用戶不時地去檢查兒童安全座椅是否牢固。

1.3.2 現(xiàn)有安裝方式缺點

現(xiàn)有安裝方式各有利弊。對于安裝方向而言，正向安裝增加了安全座椅內(nèi)的乘員直面儀表盤的可能性;反向安裝雖然避免了兒童直面儀表盤的問題，但是對于一些會有暈車情況的兒童來說，反向安裝加劇了其暈車的癥狀，降低了乘車體驗感。對于固定方式而言，歐洲標(biāo)準(zhǔn)的固定方式和美國的L固定方式均需要特定的接口或者固件，而大部分國產(chǎn)汽車需要的接口或者固件為選裝或者干脆沒有配備，同時很多車主不了解，也就不去進行選配，普遍性較差;安全帶固定方式雖然常見，但是由于其固定方式會使兒童安全座椅與汽車座椅產(chǎn)生相對位移，故經(jīng)常容易松動，產(chǎn)生安全隱患。

1.3.3 汽車兒童安全座椅未來的發(fā)展方向

各種各樣的安裝方式都各有其優(yōu)點和部分缺陷，但是其相似之處就是安全性與舒適性和便捷性之間的矛盾一直未得到有效解決。隨著社會的高速發(fā)展，人們對于乘車安全還有駕乘舒適性的要求越來越高，對兒童乘車安全也越來越重視，這就使市面上現(xiàn)有的兒童安全座椅系列的產(chǎn)品無法做到十全十美，急需開發(fā)制造一種可以完美解決上述問題的新型汽車兒童安全座椅來滿足用戶需求。經(jīng)過了解了各種結(jié)構(gòu)固定安裝等優(yōu)缺點綜合比較，下面設(shè)計的一種便攜式汽車用充氣式兒童安全座椅符合汽車兒童安全座椅的未來主要發(fā)展方向。

2 安全防護模塊與收納模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 安全防護模塊的工作原理

保護模塊主要由嵌在車輛后排座椅中未充氣狀態(tài)的汽車兒童安全座椅、螺旋分布在汽車后排座椅后部的管路以及相關(guān)線路所組成。當(dāng)?shù)玫绞褂谜叩纳砀唧w重的數(shù)據(jù)時，通過電腦芯片的計算，充入適量體積的外部空氣，形成相應(yīng)的兒童安全座椅的形狀。同時采用束縛效果較好的五點式安全束縛方式，對使用者進行束縛。在充氣結(jié)束之后，將兒童放入兒童安全座椅中，根據(jù)兒童的相關(guān)感受，進行充/放氣過程，以達(dá)到最佳的束縛和乘車效果。

保護模塊中，充氣管路的排列為螺旋式排列。根據(jù)管路內(nèi)的流體阻力分類，流體在管路中的阻力分為摩擦阻力和局部阻力兩種。在安全防護模塊部分我們只考慮摩擦阻力。目的在于增加空氣在管路中的摩擦阻力，防止充氣之后的兒童安全座椅中的氣體不會輕易泄露，根據(jù)摩擦阻力定義：流體經(jīng)過一定管徑的管路時，由于流體的內(nèi)摩擦產(chǎn)生的阻力。管路螺旋布置相互之間接觸，彼此之間有作用力，故會增大空氣在管路中的摩擦阻力，以達(dá)到目的。

2.2 安全防護模塊材料的選取

為了滿足安全防護模塊的防護標(biāo)準(zhǔn)和便捷標(biāo)準(zhǔn)，兒童安全座椅部分采用PVC塑料連接，在重要部分的防護位置，采用傳統(tǒng)材料來達(dá)到吸能的效果。這樣既解決了傳統(tǒng)兒童安全氣囊座椅的本質(zhì)保護作用，也達(dá)到了我們的創(chuàng)新節(jié)省空間。

吸能部分，我們將采用EPP（發(fā)泡聚丙烯）來作為表面填充使用，其吸收性能好，抗壓性強，在面對交通事故時能更好的對兒童起到保護作用;同時EPP耐熱，最高使用溫度可達(dá)130℃，無毒無味，這在夏天陽光下的車內(nèi)也不會對人體產(chǎn)生傷害;EPP材料可100%循環(huán)使用且相應(yīng)的理化性質(zhì)以及性能幾乎不發(fā)生變化，是真正的環(huán)境友好型材料。

導(dǎo)氣管材料的選擇上，我們將選用耐熱的PU氣管，之后將其內(nèi)部涂抹上能夠增加表面粗糙性的膠，來增大空氣與管路內(nèi)部的摩擦阻力。

3 收納模塊的設(shè)計

3.1 收納模塊簡介

收納模塊中包含氣泵、連接部分與相關(guān)線路。通過電腦指令的控制，氣泵從車外空氣中抽取空氣，進入氣泵內(nèi)部，再分別輸入通向保護模塊的各個部分。進氣量由安裝在安全防護模塊輸入端的電子閥門控制，通過用戶輸入兒童相應(yīng)的身體數(shù)據(jù)來計算出不同部分所需充入氣體的量，再傳到電子閥門處來決定開關(guān)時刻。

3.2 收納模塊工作原理

收納模塊中的氣泵連接一根通向車外頂部的總管作為整個保護模塊的總輸入管，氣泵另一端分別連接通向保護模塊的管路并且在連接處安裝電子閥門用來控制氣體的進出時刻，來達(dá)到為不同體型的兒童定制專屬的兒童安全座椅。如圖1收納模塊簡圖。

4 總結(jié)

筆者在編寫本文時，查閱了許多交通事故的新聞，尤其是當(dāng)閱讀到受害者為兒童時，血腥的畫面觸目驚心，試想當(dāng)那些事故中的兒童受害者均正確使用了兒童安全座椅，那么情況會不會有所改善。文章從我國目前兒童安全座椅使用率著手分析，發(fā)現(xiàn)很少有私家車主會為自己的孩子購買安裝兒童安全座椅，同時我國在關(guān)于強制使用兒童安全座椅的法規(guī)與檢查力度也不是很夠，所以與其讓車主在購車之后才購買兒童安全座椅，不如在購車的同時，車輛上裝有兒童安全座椅，且使用起來相比傳統(tǒng)的兒童安全座椅來說使用起來更加便捷，只需將氣體放出后收回到汽車座椅之中。一體式汽車用充氣式兒童安全座椅保障了兒童的乘車安全，讓孩子在成長過程中減少交通事故造成傷害的可能性。

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