姚賢濤　鄭欣　徐莉　鄭方強

摘 要：本文聚集于輕型客車產(chǎn)品的碰撞安全性能評價與技術(shù)研究，從結(jié)構(gòu)安全生存空間設(shè)計、約束系統(tǒng)匹配開發(fā)技術(shù)和座椅系統(tǒng)穩(wěn)固性設(shè)計技術(shù)這三個方面，淺析了輕型客車的碰撞安全問題解決路徑。在輕型客車的側(cè)翻生存空間設(shè)計方面，整理出了3條有效的技術(shù)路徑;輕型客車座椅數(shù)量龐大，面對大量的限元分析任務(wù)，要保證所有座椅穩(wěn)固性設(shè)計滿足安全要求，本文提出了具有創(chuàng)新性的一模多用、一模巧用的設(shè)計思想，并在江鈴某輕客車型項目中成功實施。

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，我國客車市場黃金發(fā)展階段已過，當下及未來客車市場主要增長來源于“電動化、全球化、高端化”。輕客歷來是客車市場中最大的細分市場，在客車市場中地位舉足輕重。輕型客車產(chǎn)品的高端化路線繞不開其產(chǎn)品本身的性能。作為評價汽車的質(zhì)量指標，汽車性能不僅為技術(shù)人員提供科學(xué)的決策判斷，也可為消費者提供產(chǎn)品購買的依據(jù)。因此，在汽車產(chǎn)品的改進與完善過程中，對汽車性能進行評價至關(guān)重要。對于汽車各方面性能的評價，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究分析，主要集中體現(xiàn)在發(fā)動機性能、操縱穩(wěn)定性、動力性能、平順性、燃油經(jīng)濟性能和碰撞安全性能[1]等方面的評價。聚集于輕型客車產(chǎn)品的碰撞安全性能評價與技術(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面影響，消費者對輕客的信心度必然會有所改變，盡管官方報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)固性等一系列問題仍然是各大輕客生產(chǎn)廠商必須解決的問題。因此，消除該負面影響最有力的解決方式是在正向設(shè)計中把汽車碰撞安全性能開發(fā)納入技術(shù)考核指標中，從源頭控制風險，大力提升輕客產(chǎn)品的市場競爭力水平。

2 結(jié)構(gòu)安全生存空間設(shè)計

2.1 正面高速碰撞吸能空間

與乘用車前部結(jié)構(gòu)不同，輕客平臺車型有其車頭較短，發(fā)動機艙內(nèi)X向碰撞空間距離較小的特點，導(dǎo)致的結(jié)果就是，車輛發(fā)生高速碰撞時，發(fā)動機艙內(nèi)部件變形來不及吸收大部分能量而使得能量迅速傳遞到乘員艙內(nèi)，造成前排車門很有可能受擠壓變形不能開啟影響救援，這就增加了車身結(jié)構(gòu)耐撞性的設(shè)計難度[2][3]。

在發(fā)動機艙內(nèi)的高階布置階段，安全開發(fā)人員應(yīng)當盡可能地爭取X向可潰縮區(qū)域并且要求發(fā)動機這類剛性部件靠后布置，此時，需要不停地分析競品車型相關(guān)數(shù)據(jù)，以達到與所有屬性在此區(qū)域內(nèi)的布置平衡，見圖1。

發(fā)動機艙內(nèi)的碰撞空間確定以后，與之對應(yīng)地，要進行能量分配和主要載荷傳遞路徑上的斷面力分解，其目的是保證車輛發(fā)生碰撞時，車身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和一致性，即變形順序應(yīng)當是從前至后，從前防撞橫梁開始，吸能盒（或縱梁前端）軸向壓縮完全變形吸收整車碰撞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、門檻梁最前端搭接區(qū)域）保持完全不變形，同時發(fā)動機懸置系統(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)品作為國內(nèi)乃至全球范圍內(nèi)最暢銷的商用車，以其優(yōu)越的性能，良好的口碑，豈立于商用車市場。作為多用途功能車，特別是在作為兒童校車時，其側(cè)翻安全性顯得尤為重要，尤其是在國內(nèi)M2類車型經(jīng)常出現(xiàn)群死群傷的側(cè)翻事故大背景下，國家也相繼出臺相應(yīng)法規(guī)政策來應(yīng)對類似事故的發(fā)生。M2類車型側(cè)翻事故發(fā)生概率較大，尤其是長途用車。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客車上部結(jié)構(gòu)強度要求，對法規(guī)要求進行深入的研究，總結(jié)法規(guī)對于M2類車型側(cè)翻安全的重點考察項：

考察結(jié)果：結(jié)構(gòu)的任何移動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。深入了解國標《客車上部結(jié)構(gòu)強度》法規(guī)之后，將考察目標進行細分，得出國家標準法規(guī)主要考察內(nèi)容的實質(zhì)：M2類車型頂部結(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，將具體的流程圖規(guī)劃出來，如圖3：

3 約束系統(tǒng)匹配開發(fā)技術(shù)

約束系統(tǒng)的匹配優(yōu)化從零部件的性能驗證開始。以安全氣囊為例，氣囊的開發(fā)設(shè)計到織布材料的力學(xué)性能實驗，透氣性實驗，氣體發(fā)生器的TANK實驗以及氣囊模塊的線性沖擊試驗。通過以上實驗可以評估氣囊的基本性能，也為仿真提供了充足的材料和對標數(shù)據(jù)輸入。目前，粒子法在模擬氣囊展開的過程時國內(nèi)外比較先進的技術(shù)，該方法能夠較準確模擬氣囊展開初期及后期的形態(tài)和性能。通過粒子法氣囊與實驗的對標為滑臺系統(tǒng)的仿真提供精度保障。下圖是粒子法氣囊線性沖擊試驗的對標結(jié)果，仿真結(jié)果與實驗狀態(tài)吻合程度較高。

更近一步地，以整車碰撞波形或CAE仿真波形為基礎(chǔ)建立約束系統(tǒng)滑臺分析模型，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、安全氣囊排氣孔直徑、拉帶長度等。通過對DOE的仿真結(jié)果進行統(tǒng)計分析，獲取滿足乘員傷害目標要求的最優(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)進行微調(diào)并制定約束系統(tǒng)滑臺實驗方案。以滑臺實驗結(jié)果對參數(shù)進行微調(diào)，最終確定整車的約束系統(tǒng)參數(shù)。

4 座椅系統(tǒng)穩(wěn)固性設(shè)計技術(shù)

座椅穩(wěn)固系統(tǒng)的研究內(nèi)容主要包括三個方面：1）座椅和座椅固定點系統(tǒng)評價方法（SB0028/SB0029）;@）座椅固定點強度，即失效預(yù)測、鈑金件設(shè)計、制造工藝配合等;3）座椅骨架強度標準（ST0018）。由于福特的設(shè)計標準SB0028/SB0029高于GB14167等相關(guān)國家標準，所以只要滿足福特要求設(shè)計要求，即可滿足相對應(yīng)的國家標準。而座椅骨架本身的強度一般又供應(yīng)商保準，留給主機廠最重要的技術(shù)創(chuàng)新點在于：1）車身和座椅組成的整個座椅系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的力學(xué)表現(xiàn)，目標分解，設(shè)計方法。2）為了達成安全的座椅系統(tǒng)設(shè)計目標，座椅固定點及相關(guān)的車身需要使用的特殊制造工藝等。

為了直觀的感受下，輕客平臺座椅開發(fā)設(shè)計中，對于座椅和座椅固定點重要性的認知，我們通過某個項目的座椅開發(fā)圖譜來認識下座椅開發(fā)中需要計算和研發(fā)的重要性，如下圖17所示該項目中座椅數(shù)目達到120個，座位數(shù)179個，這還只是單個項目的座椅開發(fā)數(shù)目，擴大到整個平臺數(shù)目更是驚人。面對龐大的座椅數(shù)目，要在有限的計算資源和時間范圍內(nèi)下，按時、保量完成項目開發(fā)任務(wù)：

1個模型一次提交計算同時完成多排座椅的模擬仿真[5]，比如同時完成第1、3、5、排座椅固定點強度計算。如下圖18所示，一個模型同時把五排座椅都安裝在模型中;車身固定方法按照法規(guī)要求在座椅固定點最前方不小于500mm，座椅固定點最后方不小于300mm內(nèi)，同時固定車身的前后懸安裝點;同時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，不能計算的問題）。

1個模型一次提交計算同時完成多開發(fā)目標的模擬仿真，比如同時完成SB0028和GB14167的座椅固定點強度計算。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)計系數(shù)，即1.05 X 13500N=14175N），接著計算沒有停止，在穩(wěn)定一段時間（0.06s）后，繼續(xù)加載最后達到1.15 X 13500N=15525N，并保持一定時間（0.11s），這一段主要是考察SB0028的座椅固定點強度，這樣就可以從一個分析結(jié)果中得到該座椅滿足兩個標準的情況。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、約束系統(tǒng)匹配開發(fā)技術(shù)和座椅系統(tǒng)穩(wěn)固性設(shè)計技術(shù)這三個方面，淺析了輕型客車的碰撞安全問題解決路徑，可得出以下幾點結(jié)論：

（1）聚集于輕型客車產(chǎn)品的碰撞安全性能評價與技術(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，車門被擠壓的風險;

（3）對于輕型客車的側(cè)翻生存空間設(shè)計有3條有效的技術(shù)路徑;

（4）輕型客車座位數(shù)量龐大，在設(shè)計過程中，要保證所有座椅穩(wěn)固性設(shè)計滿足安全要求，本文提出了具有創(chuàng)新性的一模多用、一模巧用的設(shè)計思想，并在江鈴某輕客車型項目中成功實施。

參考文獻：

[1]汽車碰撞安全性仿真基本理論及其優(yōu)化設(shè)計[J]. 潘軍華，桓耀輝.中國高新技術(shù)企業(yè).2010（21）.

[2]微型客車的碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)研究[J]. 雷正保，彭子榮.長沙理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）.2004（01）.

[3]輕型客車正面碰撞車架吸能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 王大志，孔凡忠，黃世霖，張金換. 公路交通科技2004（02）.

[4]客車側(cè)翻仿真與試驗分析[J]. 紀緒北，雷發(fā)榮，潘亞南，陳龍. 客車技術(shù)與研究.2019（04）.

[5]汽車碰撞安全性有限元分析研究現(xiàn)狀及趨勢[J]. 汪偉，辛勇. 科技廣場.2008（07）.