淺析輕型客車(chē)碰撞安全關(guān)鍵技術(shù)

姚賢濤　鄭欣　徐莉　鄭方強(qiáng)

摘 要：本文聚集于輕型客車(chē)產(chǎn)品的碰撞安全性能評(píng)價(jià)與技術(shù)研究，從結(jié)構(gòu)安全生存空間設(shè)計(jì)、約束系統(tǒng)匹配開(kāi)發(fā)技術(shù)和座椅系統(tǒng)穩(wěn)固性設(shè)計(jì)技術(shù)這三個(gè)方面，淺析了輕型客車(chē)的碰撞安全問(wèn)題解決路徑。在輕型客車(chē)的側(cè)翻生存空間設(shè)計(jì)方面，整理出了3條有效的技術(shù)路徑;輕型客車(chē)座椅數(shù)量龐大，面對(duì)大量的限元分析任務(wù)，要保證所有座椅穩(wěn)固性設(shè)計(jì)滿(mǎn)足安全要求，本文提出了具有創(chuàng)新性的一模多用、一模巧用的設(shè)計(jì)思想，并在江鈴某輕客車(chē)型項(xiàng)目中成功實(shí)施。

關(guān)鍵詞：生存空間 座椅穩(wěn)固性 碰撞安全

Analysis on the Key Technology of Light Passenger Car Collision Safety

Yao Xiantao Zheng Xin Xu Li Zheng Fangqiang

Abstract：This paper focuses on the crash safety performance evaluation and technical research of light passenger cars. From three aspects of structural safety living space design， constraint system matching development technology and seat system stability design technology， this paper analyzes the path to solve the crash safety problems of light passenger cars. In the aspect of the rolled-over living space design of light passenger cars， three effective technical paths are sorted out. There are a large number of light passenger car seats， facing a large number of finite element analysis tasks. To ensure that all seat stability design to meet the safety requirements， this paper put forward an innovative design idea of multi-purpose and skillful use of one model， and successfully implemented in a light passenger car project of JMC.

Key words：living space， seat stability， collision safety

1 前言

眾所周知，我國(guó)客車(chē)市場(chǎng)黃金發(fā)展階段已過(guò)，當(dāng)下及未來(lái)客車(chē)市場(chǎng)主要增長(zhǎng)來(lái)源于“電動(dòng)化、全球化、高端化”。輕客歷來(lái)是客車(chē)市場(chǎng)中最大的細(xì)分市場(chǎng)，在客車(chē)市場(chǎng)中地位舉足輕重。輕型客車(chē)產(chǎn)品的高端化路線繞不開(kāi)其產(chǎn)品本身的性能。作為評(píng)價(jià)汽車(chē)的質(zhì)量指標(biāo)，汽車(chē)性能不僅為技術(shù)人員提供科學(xué)的決策判斷，也可為消費(fèi)者提供產(chǎn)品購(gòu)買(mǎi)的依據(jù)。因此，在汽車(chē)產(chǎn)品的改進(jìn)與完善過(guò)程中，對(duì)汽車(chē)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)至關(guān)重要。對(duì)于汽車(chē)各方面性能的評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究分析，主要集中體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)性能、操縱穩(wěn)定性、動(dòng)力性能、平順性、燃油經(jīng)濟(jì)性能和碰撞安全性能[1]等方面的評(píng)價(jià)。聚集于輕型客車(chē)產(chǎn)品的碰撞安全性能評(píng)價(jià)與技術(shù)研究工作是將其推向“高端化”的重要有效途徑。

另一方面，受行業(yè)內(nèi)某輕客車(chē)型在高速路上發(fā)生碰撞導(dǎo)致7死7傷的重大交通事故負(fù)面影響，消費(fèi)者對(duì)輕客的信心度必然會(huì)有所改變，盡管官方報(bào)道在此事故中存在超員超載、非法改裝等因素，但究其根本原因，不難發(fā)現(xiàn)碰撞安全生存空間、座椅系統(tǒng)穩(wěn)固性等一系列問(wèn)題仍然是各大輕客生產(chǎn)廠商必須解決的問(wèn)題。因此，消除該負(fù)面影響最有力的解決方式是在正向設(shè)計(jì)中把汽車(chē)碰撞安全性能開(kāi)發(fā)納入技術(shù)考核指標(biāo)中，從源頭控制風(fēng)險(xiǎn)，大力提升輕客產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力水平。

2 結(jié)構(gòu)安全生存空間設(shè)計(jì)

2.1 正面高速碰撞吸能空間

與乘用車(chē)前部結(jié)構(gòu)不同，輕客平臺(tái)車(chē)型有其車(chē)頭較短，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)X向碰撞空間距離較小的特點(diǎn)，導(dǎo)致的結(jié)果就是，車(chē)輛發(fā)生高速碰撞時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部件變形來(lái)不及吸收大部分能量而使得能量迅速傳遞到乘員艙內(nèi)，造成前排車(chē)門(mén)很有可能受擠壓變形不能開(kāi)啟影響救援，這就增加了車(chē)身結(jié)構(gòu)耐撞性的設(shè)計(jì)難度[2][3]。

在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的高階布置階段，安全開(kāi)發(fā)人員應(yīng)當(dāng)盡可能地爭(zhēng)取X向可潰縮區(qū)域并且要求發(fā)動(dòng)機(jī)這類(lèi)剛性部件靠后布置，此時(shí)，需要不停地分析競(jìng)品車(chē)型相關(guān)數(shù)據(jù)，以達(dá)到與所有屬性在此區(qū)域內(nèi)的布置平衡，見(jiàn)圖1。

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的碰撞空間確定以后，與之對(duì)應(yīng)地，要進(jìn)行能量分配和主要載荷傳遞路徑上的斷面力分解，其目的是保證車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)，車(chē)身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和一致性，即變形順序應(yīng)當(dāng)是從前至后，從前防撞橫梁開(kāi)始，吸能盒（或縱梁前端）軸向壓縮完全變形吸收整車(chē)碰撞15%左右的能量，中縱梁緊隨其后在X向產(chǎn)生折疊變形，縱梁根部（前圍板下部、門(mén)檻梁最前端搭接區(qū)域）保持完全不變形，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)斷裂釋放部分能量。

2.2 側(cè)翻乘員生存空間

江鈴某輕客系列產(chǎn)品作為國(guó)內(nèi)乃至全球范圍內(nèi)最暢銷(xiāo)的商用車(chē)，以其優(yōu)越的性能，良好的口碑，豈立于商用車(chē)市場(chǎng)。作為多用途功能車(chē)，特別是在作為兒童校車(chē)時(shí)，其側(cè)翻安全性顯得尤為重要，尤其是在國(guó)內(nèi)M2類(lèi)車(chē)型經(jīng)常出現(xiàn)群死群傷的側(cè)翻事故大背景下，國(guó)家也相繼出臺(tái)相應(yīng)法規(guī)政策來(lái)應(yīng)對(duì)類(lèi)似事故的發(fā)生。M2類(lèi)車(chē)型側(cè)翻事故發(fā)生概率較大，尤其是長(zhǎng)途用車(chē)。在發(fā)生側(cè)翻工況下，優(yōu)越的頂部和側(cè)圍結(jié)構(gòu)抗變形能力可以支撐和保護(hù)乘員，并且能提供足夠的生存空間使乘員順利被救出[4]。

基于GB17578-2013客車(chē)上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，對(duì)法規(guī)要求進(jìn)行深入的研究，總結(jié)法規(guī)對(duì)于M2類(lèi)車(chē)型側(cè)翻安全的重點(diǎn)考察項(xiàng)：

考察結(jié)果：結(jié)構(gòu)的任何移動(dòng)部件不能侵入生存空間之內(nèi);生存空間內(nèi)的任何部件不得突出到變形結(jié)構(gòu)之外。深入了解國(guó)標(biāo)《客車(chē)上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度》法規(guī)之后，將考察目標(biāo)進(jìn)行細(xì)分，得出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)主要考察內(nèi)容的實(shí)質(zhì)：M2類(lèi)車(chē)型頂部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛度，側(cè)圍結(jié)構(gòu)抗變形能力，局部結(jié)構(gòu)承載能力。基于上述目標(biāo)，將具體的流程圖規(guī)劃出來(lái)，如圖3：

3 約束系統(tǒng)匹配開(kāi)發(fā)技術(shù)

約束系統(tǒng)的匹配優(yōu)化從零部件的性能驗(yàn)證開(kāi)始。以安全氣囊為例，氣囊的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)到織布材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，透氣性實(shí)驗(yàn)，氣體發(fā)生器的TANK實(shí)驗(yàn)以及氣囊模塊的線性沖擊試驗(yàn)。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可以評(píng)估氣囊的基本性能，也為仿真提供了充足的材料和對(duì)標(biāo)數(shù)據(jù)輸入。目前，粒子法在模擬氣囊展開(kāi)的過(guò)程時(shí)國(guó)內(nèi)外比較先進(jìn)的技術(shù)，該方法能夠較準(zhǔn)確模擬氣囊展開(kāi)初期及后期的形態(tài)和性能。通過(guò)粒子法氣囊與實(shí)驗(yàn)的對(duì)標(biāo)為滑臺(tái)系統(tǒng)的仿真提供精度保障。下圖是粒子法氣囊線性沖擊試驗(yàn)的對(duì)標(biāo)結(jié)果，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)狀態(tài)吻合程度較高。

更近一步地，以整車(chē)碰撞波形或CAE仿真波形為基礎(chǔ)建立約束系統(tǒng)滑臺(tái)分析模型，建立約束系統(tǒng)零部件參數(shù)DOE分析矩陣，這些參數(shù)主要包括安全帶限力等級(jí)、安全氣囊排氣孔直徑、拉帶長(zhǎng)度等。通過(guò)對(duì)DOE的仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲取滿(mǎn)足乘員傷害目標(biāo)要求的最優(yōu)參數(shù)組合。

根據(jù)約束系統(tǒng)優(yōu)化獲得的最優(yōu)參數(shù)組合，在參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)進(jìn)行微調(diào)并制定約束系統(tǒng)滑臺(tái)實(shí)驗(yàn)方案。以滑臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，最終確定整車(chē)的約束系統(tǒng)參數(shù)。

4 座椅系統(tǒng)穩(wěn)固性設(shè)計(jì)技術(shù)

座椅穩(wěn)固系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容主要包括三個(gè)方面：1）座椅和座椅固定點(diǎn)系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法（SB0028/SB0029）;@）座椅固定點(diǎn)強(qiáng)度，即失效預(yù)測(cè)、鈑金件設(shè)計(jì)、制造工藝配合等;3）座椅骨架強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)（ST0018）。由于福特的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)SB0028/SB0029高于GB14167等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所以只要滿(mǎn)足福特要求設(shè)計(jì)要求，即可滿(mǎn)足相對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。而座椅骨架本身的強(qiáng)度一般又供應(yīng)商保準(zhǔn)，留給主機(jī)廠最重要的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)在于：1）車(chē)身和座椅組成的整個(gè)座椅系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的力學(xué)表現(xiàn)，目標(biāo)分解，設(shè)計(jì)方法。2）為了達(dá)成安全的座椅系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，座椅固定點(diǎn)及相關(guān)的車(chē)身需要使用的特殊制造工藝等。

為了直觀的感受下，輕客平臺(tái)座椅開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，對(duì)于座椅和座椅固定點(diǎn)重要性的認(rèn)知，我們通過(guò)某個(gè)項(xiàng)目的座椅開(kāi)發(fā)圖譜來(lái)認(rèn)識(shí)下座椅開(kāi)發(fā)中需要計(jì)算和研發(fā)的重要性，如下圖17所示該項(xiàng)目中座椅數(shù)目達(dá)到120個(gè)，座位數(shù)179個(gè)，這還只是單個(gè)項(xiàng)目的座椅開(kāi)發(fā)數(shù)目，擴(kuò)大到整個(gè)平臺(tái)數(shù)目更是驚人。面對(duì)龐大的座椅數(shù)目，要在有限的計(jì)算資源和時(shí)間范圍內(nèi)下，按時(shí)、保量完成項(xiàng)目開(kāi)發(fā)任務(wù)：

1個(gè)模型一次提交計(jì)算同時(shí)完成多排座椅的模擬仿真[5]，比如同時(shí)完成第1、3、5、排座椅固定點(diǎn)強(qiáng)度計(jì)算。如下圖18所示，一個(gè)模型同時(shí)把五排座椅都安裝在模型中;車(chē)身固定方法按照法規(guī)要求在座椅固定點(diǎn)最前方不小于500mm，座椅固定點(diǎn)最后方不小于300mm內(nèi)，同時(shí)固定車(chē)身的前后懸安裝點(diǎn);同時(shí)加載座椅加載力按照13700牛加載，其余非加載排座椅加載力按照13.7牛加載（加載力設(shè)置為非0值，可避免模型崩潰，不能計(jì)算的問(wèn)題）。

1個(gè)模型一次提交計(jì)算同時(shí)完成多開(kāi)發(fā)目標(biāo)的模擬仿真，比如同時(shí)完成SB0028和GB14167的座椅固定點(diǎn)強(qiáng)度計(jì)算。如下圖所示，第一階段拉伸完成，力保持在14175N，這是按照法規(guī)GB14167要求進(jìn)行的模擬分析（在法規(guī)規(guī)定力大小的基礎(chǔ)上乘以1.05的設(shè)計(jì)系數(shù)，即1.05 X 13500N=14175N），接著計(jì)算沒(méi)有停止，在穩(wěn)定一段時(shí)間（0.06s）后，繼續(xù)加載最后達(dá)到1.15 X 13500N=15525N，并保持一定時(shí)間（0.11s），這一段主要是考察SB0028的座椅固定點(diǎn)強(qiáng)度，這樣就可以從一個(gè)分析結(jié)果中得到該座椅滿(mǎn)足兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的情況。需要查看GB14167的分析結(jié)果，讀取前0.22s的結(jié)果即可，同理要查看SB0028的分析結(jié)果，讀取前0.35s的結(jié)果即可。

5 結(jié)論

本文分別從結(jié)構(gòu)安全生存空間設(shè)計(jì)、約束系統(tǒng)匹配開(kāi)發(fā)技術(shù)和座椅系統(tǒng)穩(wěn)固性設(shè)計(jì)技術(shù)這三個(gè)方面，淺析了輕型客車(chē)的碰撞安全問(wèn)題解決路徑，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）聚集于輕型客車(chē)產(chǎn)品的碰撞安全性能評(píng)價(jià)與技術(shù)研究工作是將其推向“高端化”的重要有效途徑;

（2）足夠的前部碰撞空間，可能有效地避免正面高速碰撞發(fā)生時(shí)，車(chē)門(mén)被擠壓的風(fēng)險(xiǎn);

（3）對(duì)于輕型客車(chē)的側(cè)翻生存空間設(shè)計(jì)有3條有效的技術(shù)路徑;

（4）輕型客車(chē)座位數(shù)量龐大，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要保證所有座椅穩(wěn)固性設(shè)計(jì)滿(mǎn)足安全要求，本文提出了具有創(chuàng)新性的一模多用、一模巧用的設(shè)計(jì)思想，并在江鈴某輕客車(chē)型項(xiàng)目中成功實(shí)施。

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