新法規(guī)校車座椅的設(shè)計開發(fā)

陳建設(shè)，鄭紅武

（1.柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，對生命安全的重視程度也越來越高，面對不斷出現(xiàn)的校車安全事故，讓人們更加意識到校車安全必須解決。國家近期不斷出臺跟校車安全相關(guān)的法律法規(guī)。作為校車安全的重要組成部分——校車座椅，這一關(guān)乎學(xué)生生命安全的重要部件被單獨提出，并要求執(zhí)行強制法規(guī)GB24406，其版本也由原來的2009，更新為2012。這一標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，詳細規(guī)定了校車座椅的組成、安裝、配置、強度等方面應(yīng)該達到的要求，確保學(xué)生在車輛發(fā)生緊急情況下，傷害降到最低。

本文根據(jù)新法規(guī)的要求，以某款小學(xué)生校車座椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計為實例，介紹了如何進行校車座椅的設(shè)計開發(fā)。

1 新舊法規(guī)的對比分析

《專用校車學(xué)生座椅系統(tǒng)及其車輛固定件的強度》由GB 24406-2009變更為GB 24406-2012，其意義發(fā)生了很大變化，原來只是單純的強調(diào)強度，執(zhí)行靜態(tài)試驗方法，而新標(biāo)準(zhǔn)則需要動靜結(jié)合，以實際的動態(tài)模擬碰撞，來檢驗傷害情況。具體不同點表現(xiàn)在以下幾點：

（1）2009版的法規(guī)，適用范圍為專用小學(xué)生校車，而2012版的法規(guī)，則擴展到學(xué)生校車，包括幼兒校車、小學(xué)生校車、中學(xué)生校車等用于專門運輸學(xué)生的校車；

（2）2012版法規(guī)增加了校車上安裝于座椅前方的約束隔板，需要執(zhí)行與座椅相同的動態(tài)試驗檢測；

（3）兩則法規(guī)的最大不同點在于，2012版將驗證前傾性能和座椅靠背后部的吸能特性的靜態(tài)試驗方法，修改為動態(tài)試驗方法，采用假人動態(tài)滑車碰撞，更加注重實際安全效果評價。

具體介紹如下：

2009版座椅的前傾性能，按照圖1要求對靠背施力，檢測其安全性。

圖1 力-位移曲線

2012版要求對座椅和隔板按照圖2進行模擬動態(tài)碰撞，并且使用符合GB 27887中規(guī)定的6歲人體模型和國際通用的混合III型第5百分位人體模型，各進行一次動態(tài)試驗，通過對試驗后的傷害指標(biāo)進行評價，判斷座椅是否合格，這樣更貼近交通事故的實際情況，也更加安全，但對座椅本身也提出更高要求。

2 現(xiàn)有座椅的狀態(tài)分析

通過對現(xiàn)在生產(chǎn)狀態(tài)的座椅進行詳細分析，以及結(jié)合多次試驗的結(jié)果，可以確定主要有以下兩點不足：

圖2 減速度或加速度-時間的曲線

（1）現(xiàn)在生產(chǎn)狀態(tài)的座椅強度很強，雖然強度滿足國家法規(guī)，但存在設(shè)計不合理，強度過剩，造成整車總質(zhì)量及成本增加，具體結(jié)構(gòu)形式見圖3。

圖3 現(xiàn)有座椅結(jié)構(gòu)形式

（2）目前狀態(tài)的座椅骨架，使用的是方管，在內(nèi)部突出物以及座椅靠背后部的吸能特性上，是不符合法規(guī)要求的。

3 新狀態(tài)座椅的三維設(shè)計

根據(jù)新法規(guī)的要求和對現(xiàn)狀態(tài)座椅進行的分析研究，確定我們需要注意的幾個方面：

（1）現(xiàn)在座椅強度是足夠的，但對于碰撞的安全性來說，是無法保證的，沒有針對動態(tài)碰撞傷害做專門的設(shè)計處理；

（2）新法規(guī)的動態(tài)碰撞試驗，要求座椅靠背具有足夠的彈性，能夠充分吸收碰撞過程產(chǎn)生的能量，避免對人員造成傷害；

（3）座椅抗后傾試驗，要求座椅具有足夠的剛性，能夠承受車輛突然加速，乘員的故意沖擊等情況下，沖擊力對座椅的傷害，確保座椅不變形、不破壞；

（4）優(yōu)化具體結(jié)構(gòu)，降低產(chǎn)品成本費用。

根據(jù)上述情況，利用三維設(shè)計軟件UGNX7.5進行詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計，初步完成的座椅結(jié)構(gòu)模型見圖4。

圖4 初步完成的座椅結(jié)構(gòu)模型

4 CAE分析及設(shè)計優(yōu)化

CAE分析是在理論上評價設(shè)計是否滿足法規(guī)要求，主要分成靜態(tài)強度CAE分析以及動態(tài)碰撞模擬CAE分析。需要使用假人體數(shù)模模型，CAE分析主要是優(yōu)化設(shè)計，指導(dǎo)完善設(shè)計，并讓實際試驗成功的可能性更大。由于試驗費用比較高昂，所以CAE分析更加重要，對縮短開發(fā)周期，也起到至關(guān)重要的作用。

4.1 座椅安全帶安固定點強度的CAE分析

進行座椅安全帶安固定點強度的CAE分析，由于此座椅設(shè)計是2人座，所以分析時安全帶也必須是2個安全帶。座椅骨架受力情況見下圖5，未發(fā)生嚴重變形或失效。

圖5 座椅骨架受力情況圖

4.2 靠背的抗后傾CAE分析

做靠背的抗后傾CAE分析，受力情況見圖6 a，發(fā)生塑性變形，不符合法規(guī)要求，對設(shè)計進行優(yōu)化，再做CAE分析，結(jié)果符合要求，見圖6 b。

圖6 靠背的抗后傾CAE分析

4.3 抗前傾的動態(tài)碰撞模擬CAE分析

做抗前傾的動態(tài)碰撞模擬CAE分析。

（1）先分析在使用混合III型第5百分位人體模型時的受力和傷害指標(biāo)情況，并且按照系安全帶和不系安全帶兩種狀態(tài)來分析，圖7是不系安全帶的情況，從分析結(jié)果來看（見圖8、圖9），符合法規(guī)要求：

圖7 不系安全帶的碰撞模擬情況

圖8 5%假人胸部和頭部加速度曲線

圖9 5%假人大腿力曲線

（2）然后分析在使用符合GB 27887中規(guī)定的6歲人體模型時的受力和傷害指標(biāo)情況，并且按照系安全帶和不系安全帶兩種狀態(tài)來分析，圖10是系安全帶的情況，從分析結(jié)果來看（見圖11），符合法規(guī)要求：

圖10 系安全帶的碰撞模擬情況

圖11 6歲兒童假人胸部和頭部加速度曲線

5 設(shè)計完善及驗證

通過對上述CAE分析結(jié)果的研究，以及CAE分析人員的優(yōu)化建議，對整個座椅的詳細結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化，然后再重新進行一遍CAE分析工作，直到每一個分析都是通過的，在理論上是滿足法規(guī)要求的。然后，再進行工裝樣件的制作，制作樣椅，并到國家級實驗機構(gòu)進行相關(guān)試驗驗證。根據(jù)試驗驗證情況，再結(jié)合CAE分析來完善最終的設(shè)計，并發(fā)布設(shè)計數(shù)據(jù)進行批量生產(chǎn)。

6 結(jié)束語

本次設(shè)計通過對新、舊法規(guī)的對比研究，以及對現(xiàn)狀態(tài)的座椅結(jié)構(gòu)進行分析，并針對新法規(guī)更改較大的部分，進行適應(yīng)性的設(shè)計更改，輔助CAE分析工具的應(yīng)用，成功地設(shè)計開發(fā)出一款成本較低、安全性能較高的小學(xué)生校車座椅。

[1]GB24406-2009，專用小學(xué)生座椅及其車輛固定件的強度[S].

[2]GB24406-2012，專用校車學(xué)生座椅系統(tǒng)及其車輛固定件的強度[S].

[3]GB24407-2012，專用校車安全技術(shù)條件[S].