客車彈出式艙門側(cè)翻保護(hù)方案的研究*

那景新，張?zhí)O蘋，楊志超，王 童

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022)

前言

隨著客車運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，客車發(fā)生重特大交通事故的數(shù)量也呈上升趨勢(shì)，造成的生命財(cái)產(chǎn)損失非常巨大［1］。側(cè)翻是大客車的主要事故類型之一，客車載客量大，其側(cè)翻往往造成眾多人員傷亡，屬于大型交通事故［2］。因此改善客車側(cè)翻安全性已成為各生產(chǎn)廠商和研究單位亟待解決的關(guān)鍵問題之一［3－4］。

前期的研究發(fā)現(xiàn)，客車底架在側(cè)翻過程中基本是不變形的，側(cè)翻碰撞的能量主要依靠側(cè)圍結(jié)構(gòu)和頂蓋結(jié)構(gòu)的變形來吸收［5］。由于客車自身結(jié)構(gòu)的限制，無法像轎車一樣增加固定吸能元件(如增加吸能盒、采用壓潰結(jié)構(gòu)形式等)，因此客車目前采用的主流方法是增加側(cè)圍結(jié)構(gòu)、頂蓋結(jié)構(gòu)和接頭連接處結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，從而改善客車側(cè)翻安全性［6］，但這些方法都不同程度地增加了車身結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，與輕量化思想相矛盾［7］，因此須開拓新的思路來提高客車側(cè)翻安全性。

1 彈出式艙門方案的提出

針對(duì)上述問題，本文中考慮到客車發(fā)生側(cè)翻時(shí)側(cè)翻傾角到達(dá)臨界角位置時(shí)到車身與地面碰撞接觸時(shí)有1s左右的時(shí)間間隔。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有客車的行李艙和檢修艙等的艙門都是分布在客車的兩側(cè)，所以在盡量不增加成本的前提下，將現(xiàn)有艙門設(shè)計(jì)成一種合理的活動(dòng)吸能的彈出式艙門機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)在車輛正常行駛時(shí)收起，不影響客車的外觀尺寸;在側(cè)翻將要發(fā)生時(shí)，利用這大約1s的時(shí)間迅速展開，先于車身結(jié)構(gòu)與地面碰撞接觸，來抵抗側(cè)翻過程中的碰撞載荷，并利用活動(dòng)吸能結(jié)構(gòu)吸收碰撞能量［8］，從而保證乘員的生存空間。客車彈出式艙門展開示意圖如圖1所示。

1.1 彈出式艙門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

彈出式艙門機(jī)構(gòu)由傾角傳感器、彈出裝置和彈出式艙門結(jié)構(gòu)等部分組成，其中彈出式艙門結(jié)構(gòu)包含艙門結(jié)構(gòu)(圖2)、拉板結(jié)構(gòu)和腰梁下立柱結(jié)構(gòu)。它們形成三角支撐結(jié)構(gòu)，先于車身結(jié)構(gòu)與地面碰撞接觸，發(fā)生塑形變形以吸收碰撞能量。圖3為彈出式艙門結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和主視圖，其中1為腰梁下立柱，2為艙門立柱，3為拉板，4為艙門橫梁，5為鉸鏈結(jié)構(gòu)，圖中表示了各構(gòu)件的安裝位置。艙門立柱通過鉸鏈同時(shí)與腰梁下立柱的頂端和拉板的一端相鉸接，拉板的另一端與腰梁下立柱的底端相鉸接。圖4為客車封閉環(huán)正視圖，明確表示了彈出裝置、艙門結(jié)構(gòu)和拉板的連接關(guān)系。彈出裝置6的底部通過鉸鏈與行李艙地板橫梁相鉸接，上部通過鉸鏈與艙門立柱中上部相鏈接。彈出裝置的運(yùn)動(dòng)形式為可伸縮的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，彈出時(shí)位于彈出裝置氣缸底部的氣體發(fā)生器急速產(chǎn)生大量氣體推動(dòng)活塞沿著氣缸方向向外彈出，活塞頂部與艙門結(jié)構(gòu)相鉸接，由活塞的直線運(yùn)動(dòng)和氣缸底部鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)艙門結(jié)構(gòu)以與腰梁下立柱鉸接的鉸鏈為中心使艙門結(jié)構(gòu)向外翻轉(zhuǎn)，同時(shí)由于艙門立柱與兩段折疊式拉板相鉸接，通過艙門結(jié)構(gòu)的外翻帶動(dòng)折疊式拉板展開，直至拉板被拉直，此時(shí)完成行李艙艙門的彈出，并達(dá)到設(shè)定的理想艙門外翻角。

1.2 彈出式艙門機(jī)構(gòu)的可行性分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的彈出艙門機(jī)構(gòu)的合理性，應(yīng)用CATIA軟件對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了DMU運(yùn)動(dòng)分析和干涉分析。

截取客車一個(gè)車身段的腰梁下立柱和部分底架結(jié)構(gòu)來建立帶有彈出式艙門機(jī)構(gòu)的分析模型，如圖5所示，整個(gè)機(jī)構(gòu)共包含18個(gè)桿件。

對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行干涉分析，得到干涉分析結(jié)果矩陣如圖6所示，右上三角區(qū)域?yàn)榻佑|檢查區(qū)域，其中，有標(biāo)記的方格表示兩桿件存在間隙，無標(biāo)記的方格表示兩構(gòu)件相接觸。由此可以看出，所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)可行，該機(jī)構(gòu)各桿件不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。圖7為艙門機(jī)構(gòu)的展開運(yùn)動(dòng)過程示意圖。

2 側(cè)翻仿真方法的驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文中側(cè)翻仿真方法的正確性，建立了普通艙門客車車身段側(cè)翻仿真模型，然后進(jìn)行側(cè)翻仿真分析，并對(duì)該車身段進(jìn)行側(cè)翻試驗(yàn)。

2.1 車身段有限元模型

圖8為所建立的普通艙門客車車身段側(cè)翻仿真模型。試驗(yàn)制定的車身段結(jié)構(gòu)如圖9所示。車身段側(cè)翻仿真模型的各桿件截面形狀、厚度、材料屬性和計(jì)算載荷與試驗(yàn)完全一致，并將模型的整體質(zhì)量和質(zhì)心位置調(diào)整到與試驗(yàn)相同。所建立的仿真模型共有303 849個(gè)單元，303 390個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中單元的最小邊長(zhǎng)為6mm，最大邊長(zhǎng)為10mm。

2.2 仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

2.2.1 測(cè)點(diǎn)選取

為確定側(cè)翻試驗(yàn)車身結(jié)構(gòu)對(duì)生存空間的侵入量，在車身段乘員生存空間的外邊界上選取測(cè)量點(diǎn)，并在相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)處安裝鋼針，將試驗(yàn)過程中鋼針的剩余量，即生存空間試驗(yàn)點(diǎn)到側(cè)窗立柱的最近距離作為驗(yàn)證指標(biāo)［9］。車身段前、后端各設(shè)置7個(gè)測(cè)量點(diǎn)，它們根據(jù)生存空間從上往下排列，第1測(cè)量點(diǎn)與生存空間頂部相距50mm，然后依次相隔100mm布置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，如圖10所示。

2.2.2 結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行側(cè)翻仿真分析。圖11為有限元車身段側(cè)翻仿真分析的最大變形圖與由高速攝影機(jī)拍攝到的車身段試驗(yàn)的最大變形圖對(duì)比。由圖可見，車身段仿真模型變形形式和程度與試驗(yàn)結(jié)果大致相同。

表1為車身段側(cè)翻試驗(yàn)與仿真的結(jié)果數(shù)據(jù)及誤差分析。

表1 車身段側(cè)翻試驗(yàn)與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)及誤差分析

由表1可知，仿真中生存空間前端相對(duì)后端變形稍小的趨勢(shì)與試驗(yàn)一致，且仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為接近。前端測(cè)點(diǎn)7和后端測(cè)點(diǎn)1由于試驗(yàn)過程中鋼針脫落，無法記錄試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)其余12個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到仿真與試驗(yàn)結(jié)果的平均誤差為6.47%，由此可以驗(yàn)證本文中采用的側(cè)翻仿真方法的正確性。

3 彈出式艙門方案效果驗(yàn)證

為更加準(zhǔn)確直觀地說明彈出式艙門對(duì)客車側(cè)翻安全性的影響，驗(yàn)證彈出式艙門方案的效果，將原艙門改為彈出式艙門，其余結(jié)構(gòu)不變，仍采用原艙門車身段模型結(jié)構(gòu)，仿真計(jì)算的條件也保持不變，進(jìn)行有限元仿真分析［10］。圖12 為彈出式艙門車身段側(cè)翻仿真最大變形圖。

由圖11和圖12可以看出，兩車身段均未侵入生存空間，但彈出式艙門車身段側(cè)翻仿真的變形明顯比原艙門車身段的變形小。根據(jù)仿真結(jié)果和程序統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果可知，原艙門車身段結(jié)構(gòu)生存空間未侵入的最小距離為245mm，而彈出式艙門車身段的生存空間未侵入的最小距離為657mm，安全性能提升顯著。

為更直觀地說明彈出式艙門在提高側(cè)翻安全性方面所起的作用，還統(tǒng)計(jì)了車身段模型最大變形時(shí)各構(gòu)件的吸能情況，其中艙門結(jié)構(gòu)吸收了12.6kJ的能量，拉板吸收了0.367kJ的能量，而車身段吸收的總能量為41.26kJ，可見彈出式艙門所吸收的能量占車身段吸收總能量的31.43%。由此可知增加彈出式艙門可明顯提高客車側(cè)翻安全性。

4 結(jié)構(gòu)輕量化效果分析

增加彈出式艙門后客車的上部結(jié)構(gòu)變形明顯減小，客車的抗側(cè)翻能力得到了有效改善，從而為結(jié)構(gòu)輕量化提供了改進(jìn)空間，所以在側(cè)翻變形量相同的情況下，可以考慮對(duì)上述的彈出式艙門車身段結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化改進(jìn)。

為滿足新法規(guī)ECER66要求［11］，原車身段結(jié)構(gòu)在已滿足結(jié)構(gòu)靜態(tài)性能要求的車身結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，專門針對(duì)側(cè)翻主要變形部位進(jìn)行了加強(qiáng)，如圖13所示，加強(qiáng)了封閉環(huán)下腰梁接頭強(qiáng)度，加強(qiáng)了頂蓋并焊梁處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，加強(qiáng)了窗腰梁下立柱并在地板上四邊形框架加了斜拉板等。

為保證車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度等靜態(tài)性能，只針對(duì)上述的局部加強(qiáng)處進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，即將封閉環(huán)下腰梁接頭處的厚度由4mm改為2mm，頂蓋并焊梁處加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的厚度由3mm改為 2mm，窗腰梁下立柱的厚度由4mm改為2mm，并且去掉了地板上四邊形框架處所加的斜拉板等。

對(duì)輕量化后的彈出式艙門車身段結(jié)構(gòu)進(jìn)行了側(cè)翻仿真分析，其側(cè)翻仿真最大變形圖如圖14所示。表2為兩種車身段結(jié)構(gòu)生存空間侵入量和車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量的對(duì)比。結(jié)果表明，客車車體在滿足ECE R66法規(guī)對(duì)生存空間要求的前提下，彈出式艙門車身段結(jié)構(gòu)和原艙門車身段結(jié)構(gòu)的生存空間量大致相同，彈出式艙門車身段不僅保證了側(cè)翻安全性，還使車身段結(jié)構(gòu)件質(zhì)量減輕了12.27%，實(shí)現(xiàn)了車身結(jié)構(gòu)輕量化。

表2 兩種車身段結(jié)構(gòu)生存空間侵入量和結(jié)構(gòu)件質(zhì)量的對(duì)比

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)有客車特點(diǎn)，提出了一種彈出式艙門的方案，大大提高了客車的抗側(cè)翻性能，有效解決了客車側(cè)翻安全性與輕量化設(shè)計(jì)之間的矛盾。通過試驗(yàn)驗(yàn)證和仿真結(jié)果對(duì)比分析表明，如果保證客車的側(cè)翻安全性能相同，則可以通過增加彈出式艙門保護(hù)裝置來實(shí)現(xiàn)客車車身結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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