客車座椅靜強度與安全性的關系

劉明彬，楊艷紅（安徽工程大學藝術學院，安徽蕪湖241000）

客車座椅靜強度與安全性的關系

劉明彬，楊艷紅
（安徽工程大學藝術學院，安徽蕪湖241000）

從客車座椅設計的安全性能及其影響因素角度出發，仿真分析座椅總成靜強度和靠背靜強度，并針對客車座椅系統中疲勞破壞最早發生和應力值較大的調角器部位與座盆側板連接部位進行實驗，尋找出一組更合理的結構形式改進和材料優化方案：在車體前部受到撞擊向后擠壓變形時自動松開座椅的鎖緊裝置并推動座椅向后移動的結構形式改進，將調角器橫管材料Q235和靠背連接處底部縱梁材料08Al優化為強度更高的SS490，為客車座椅的安全性設計提供理論依據.

座椅；安全性；靜強度；應力

Liu MB,Yang YH.The Correlation between Coach SeatStatic Strength and Safety[J].Journal of Yibin University,2015, 15（6）：13-16.

近年來，隨著汽車工業的飛速發展，高等級公路的高密度修建，人們對客車安全性和舒適性的要求越來越高.座椅作為客車的重要組成部分，除了為乘客提供舒適宜人的乘車環境，更重要的是它在被動保護中對乘客安全性起到決定性作用.本文對客車座椅系統靜強度進行研究分析，并根據分析結果進行結構改進設計、材料優化，以期從結構功能和材料性能方面，最大程度避免事故發生時座椅結構破壞和功能喪失情況的發生，從而減輕事故對乘員的傷害程度.

1　客車座椅系統靜強度

客車座椅系統靜強度分析是座椅被動安全性設計的首要研究內容.座椅不僅要減輕乘客的受限疲勞，在行駛過程中要承受“路面—客車—乘員”整體系統的復雜載荷，還要與安全帶、扶手、座椅腳踏和前排座椅靠背一起對乘客定位，緩解事故發生或緊急制動時的碰撞強度.因此，座椅不僅要具有合理的幾何參數、結構形式、人體接觸面體壓分布，以及由此而產生的受載輪廓等技術特性，還要具有應對懸架彈性元件（避振器、輪胎等振動系統）的沖擊、振動的緩沖和消振特性.

客車座椅在行車和停車過程中所承受的載荷都非常復雜，很難通過試驗仿真或計算機模擬演示得到確切數據，大多采用靜態加載的方式將各種情況下的座椅承載能力通過參數變化折算為一種極限載荷來研究.中國客車標準化研究所依據國際通用座椅安全性法規制定了我國客車座椅安全性能要求與試驗方法作為衡量承載能力的統一標準.GB15083-2006對座椅總成靜強度、座椅靠背靜強度、座椅固定裝置及頭枕強度研究與試驗方法作了詳細規定；GB15083-1994對客車（M類）座椅系統的強度（包括靠背和座墊總成兩部分）及其固定裝置的強度要求和試驗方法作了具體規定；GB14167-1993對前向座椅乘員用安全帶的安裝固定點的位置、強度要求和強度試驗方法作了具體的規定[1].在靜態強度分析中，座墊對載荷作用影響很小.因此，座椅靜強度分析的主要研究內容集中于座椅骨架結構形式（分離式座椅骨架結構）和材料特性兩個方面.

1.1座椅總成靜強度分析

試驗中有限元模型建模方法、邊界條件和仿真分析方法參照國標GB15083-2006、GB11550-1995中的相關規定，制定客車座椅系統靜強度試驗方案.對座椅總成靜強度分析的載荷施加情況，GB15083-2006《客車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》中規定：通過座椅總成質心處水平向前、水平向后對其施加相當于座椅總成質量20倍的載荷，座椅及其固定點應能承受20倍以上非線性化載荷，并且座椅主體不得與車體分離以及座椅主體變形程度不得超過幾何參數規定范圍[2].這與美國客車安全技術法規（FMVSS-207）和歐洲客車標準法規（ECE-R17）中對座椅總成靜強度的規定類似.對于前后、左右可調式座椅，調節裝置在座椅總成質量20倍載荷沖擊下應能保持原調節位置，在極限載荷沖擊后調節裝置允許失去調節功能.座椅靠背的剛性強度應滿足追尾碰撞時乘員身體沿靠背向上滑動距離范圍以及靠背對乘員產生的回彈強度.座墊的有效深度、傾角、軟硬程度、摩擦系數應滿足高強度碰撞時乘員頸椎傾角、胸部傾角、軀干基準線與X軸間的夾角在安全范圍內.FMVSS-207和ECE-R17規定加載示意圖如1所示.

圖1　座椅總成靜強度加載示意圖

實驗對象為標準客車座椅，質量為20 kg，模擬計算時所施加的載荷應為3 913N.通過ABAQUS軟件仿真分析，在質心處施加一個集中載荷，并通過多點約束將質心與質心附近區域連接.最大負荷力為209MPa，出現在調角器與靠背連接部位及座盆側板連接部位.而靠背采用的St12鋼板材料屈服極限為275MPa，其余部位的負荷力均在200MPa以下.座椅應力分布如圖2所示.最大位移量為4mm，出現在靠背連接頭枕的橫管處，符合國標和我國對座椅總成靜強度要求.座椅位移如圖3所示.

圖2　總成靜強度仿真應力圖

圖3　總成靜強度仿真位移圖

1.2座椅靠背靜強度分析

人機工程學研究表明，保持脊柱的正常自然形態和正確乘坐姿勢，客車座椅靠背傾角略小于體腿夾角，達到95°～110°范圍，人體對座椅靠背施加的靜強度負荷力分布最均勻，座椅靠背安全性能最高.根據2000年美國FMVSS-207法規和中國客車座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法（GB15083-1994）中對靠背靜強度規定：對座椅靠背沿縱向向后施加相對于座椅基準點R點（R點應與安放在客車座椅中3DH裝置的軀干與大腿鉸接中心一致）372N·m力矩的持續負荷時，座椅骨架結構及座椅固定點應能承受同等以上沖擊載荷.試驗過程中及試驗完成后，座椅骨架、座椅固定點及位移系統、調節系統或鎖止機構不得打開或失效，角調節機構不得松脫，但允許在碰撞過程中產生不會增加傷害程度的永久變形或斷裂，且能承受規定載荷，且保持在原位置.歐洲客車標準法規（ECE-R17）和中國客車座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法（GB15083-2006）中對靠背靜強度規定：對座椅靠背沿縱向向后施加相對于座椅基準點R點530 N·m力矩的持續負荷時，座椅骨架及座椅固定點應能承受同等以上載荷.試驗過程中及試驗完成后，座椅骨架、座椅固定點及位移系統、調節系統或鎖止機構不得打開或失效，角調節機構不得松脫[3].歐洲客車標準法規對靠背靜強度加載示意如圖4所示.

圖4　ECE-R17對靠背靜強度加載示意圖

對于整體式頭枕座椅，在距基準點（R點）520mm處與參考線相垂直的平面上，且位于通過軀干基準線兩側各80mm處的兩個縱向垂直面所包括的區域內，對上框施加1 000N的恒定負荷力.加載時，在上框中部以一個集中載荷施加，通過MPC（多點約束）點將上框附近區域連接，使負荷力均勻分布.靠背上最大應力值為225.7MPa，主要集中在靠背連接處與調角器部位.而靠背結構采用的St12鋼板的屈服極限為275MPa，最大應力值沒有超過材料的屈服極限.座椅靠背靜強度應力如圖5所示.在最大應力值作用下，座椅結構發生位移的最大值出現在靠背連接頭枕的橫管處，最大位移量為11.7mm，滿足國標對座椅靠背靜強度要求.靠背靜強度位移如圖6所示.

圖5　靠背靜強度應力仿真圖

圖6　靠背靜強度位移仿真圖

2　客車座椅系統靜強度特性試驗

通過對座椅總成和靠背靜強度的有限元仿真分析，發現對座椅系統施加集中載荷時，最大應力值主要出現在調角器部位與座盆側板連接部位.雖然有限元仿真最大應力值都沒有超過材料的屈服極限，但座椅材料或結構會隨著座椅使用壽命多次受到重復變化的載荷作用，在這種交變載荷或循環載荷作用下的金屬材料在低于強度屈服極限的應力水平下會提前失效[4]，導致材料特性或功能結構發生疲勞破壞.客車座椅在行駛過程中承受著路面傳遞給車身的交變載荷[5]，這種交變載荷在帶給座椅材料和結構疲勞破壞的同時還會嚴重影響座椅的使用安全性.

2.1座椅循環載荷實驗

實驗采用的座椅骨架主要材料為St12，調角器橫管為Q235，其它部位金屬結構材料均為08Al.對座椅靠背頂部中心處施加頻率為30次/分鐘、550N以下的水平方向半正弦循環載荷實驗，得到座椅循環載荷曲線和座椅靠背骨架總成的疲勞壽命圖，如圖7、圖8所示.

圖7　座椅循環載荷曲線

圖8　座椅疲勞壽命圖

根據實驗結果可見：座椅調角器與座盆側板連接處的使用壽命較短，最低使用壽命為1.95+005次，嚴重影響座椅系統的使用壽命.因此，需要對這兩個部位進行結構改進、材料優化及功能構件厚度增加，以提高二者的機械強度和抗疲勞程度，避免這兩個部位在法規加載時出現塑性變形和疲勞破壞，甚至是局部結構因應力變形而產生斷裂，影響座椅系統的整體安全性.

2.2座椅材料優化與結構改進

調角器橫管材料優化方案：將Q235（普通碳素結構鋼材料屈服極限235MPa）更換為強度更高的SS490（日本碳素鋼材料屈服極限285MPa），材料屈服極限大幅度提升50MPa.為了提高座椅調角器橫管的安全系數，橫管厚度可增加0.5～1mm，材料屈服極限可提升35～55MPa.座椅靠背連接處的底部縱梁采用的材料為08Al，應力值達到191MPa，已接近材料的屈服強度極限，因此選用SS490（材料屈服極限285MPa），縱梁厚度減少0.5mm，材料屈服極限提升94MPa.座盆側板連接部位的仿真試驗應力值已接近屈服極限，鑒于連接部位和連接塊是評估座椅失效與否的重要部件[6]，因此對前后連接塊進行結構改進以提高它的安全系數.因連接部位受到前后方向的沖擊載荷，在客車行駛中受到的循環載荷和交變載荷最為頻繁[7]，可采用SS490（材料屈服極限285MPa）提高屈服極限，并對前連接塊增加與前連接塊厚度相同的加強板.對后連接塊采用加強筋的方式，材料屈服極限可提高50MPa，從而提高座椅系統安全系數.

座椅結構改進方面，為了避免座盆側板連接部位和連接塊受到極限載荷的沖擊而失效，以及在車體前部受到撞擊向后擠壓變形時自動松開座椅的鎖緊裝置并推動座椅向后移動，為乘員提供較大逃生空間.在座架下部左右兩側的固定座架上卡裝有沿其縱向滑動的滑架，滑架與座架固定.在座椅一側的滑架立側面上安裝有橫向設置的旋緊螺栓，并在旋緊螺栓上設置套裝操作手柄，通過手柄旋轉可將旋緊螺栓定位于相匹配的凹槽板凹槽內，凹槽與凸楞形成縱向滑動卡裝槽而鎖死.在固定座架上設置向后上方傾斜15°的拉簧固定架及緩沖拉簧.在客車前部受到撞擊向后變形過程中，乘員座椅在安全桿的推動下自動松開鎖緊裝置并向后移動，通過凹槽、定位凸楞、復位拉簧、拉簧固定架傾斜角的緩沖以及滑槽內與客車前端連接的安全桿對套裝操作手柄的推動而使座椅自動后移，有效避免乘員被卡壓、擠壓現象，減緩座椅靠背對乘員瞬間擠壓載荷的傷害，保證突發事件時座椅工作的安全性.圖9是座椅結構的改進圖.

3　結論

參考歐美和中國法規的有關規定，在座椅靜強度和后移量有限元模型的基礎上，對座椅總成靜強度和靠背靜強度仿真分析.根據試驗選擇加載和約束方式進行計算，通過仿真分析與試驗結果對比，發現施加集中載荷后的最大應力值主要出現在調角器部位與座盆側板連接部位.針對這兩個部位施加水平方向半正弦循環載荷實驗，從實驗分析的座椅循環載荷曲線和座椅靠背骨架總成的疲勞壽命數據分析圖中發現，疲勞破壞最早發生和應力值較大的部位主要在座椅部件之間的連接位置.針對座盆側板連接部位和調角器部位優化結構設計方案，使車體前部受到撞擊向后擠壓變形時自動松開座椅的鎖緊裝置并推動座椅向后移動，并尋找更加合理的材料優化方案，大幅度提高材料屈服極限，從而提高座椅系統安全系數.從座椅系統靜強度的改善方面提高人們乘坐客車的安全性.

圖9　座椅結構改進示意圖

[1]王瑄.現代客車安全[M].北京：人民交通出版社,1998.

[2]于向軍.座椅調角器應用分析[M].長春：客車技術,1999.

[3]吳瑜.客車駕駛員座椅強度及安全性分析[D].重慶：重慶大學, 2010.

[4]段昀輝.客車座椅靜強度改進設計及頭枕安全性分析[D].長春：吉林大學,2004.

[5]王萌.客車座椅的安全性設計[J].十堰職業技術學院學報,2003, 16（2）：50-51.

[6]朱則剛.人性化的現代客車座椅[J].知識與研究,2007,4（1）：31-32.

[7]張蘭.客車座椅靜態舒適性研究[J].企業科技與發展,2011,19（1）：34-35.

（編校：李青）

The Correlation betw een Coach Seat Static Strength and Safety

LIUMingbin,YANGYanhong
（SchoolofArts,AnhuiPolytechnic University,Wuhu,Anhui241000,China）

From the point of view of safety performance and affecting factors in coach seat design,simulation analyses were carried outabout the seatassembly static strength and backreststatic strength,and experimentalanalyseswere also carried outabout the reclinerand the jointsofseatbasin and side platewhich are underhigher stress value andmost like?ly to experience fatigue damage.A more reasonable program for structure improvement and material optimization was found out：upon the impact from the frontend,the backward extrusion deformation automatically releases the seat locking device and push the seatback；thematerialQ235 for the horizontal tube of reclinerand 08Al for the bottom carling of the joints of backrestwere optimized with SS490 for its higher strength,providing a theoretical basis for the passenger seat safety design.

seat；safety；static strength；stress

TB472；TH164

A

1671-5365（2015）06-0013-04

2014-10-16修回：2014-11-12

國家級創新創業訓練計劃項目（201210363182）；安徽省教育廳項目（SK2013B062）；安徽工程大學校級教研重點項目（2014jyxm19）

劉明彬（1982-），男，講師，碩士，研究方向為客車座椅設計、造型藝術

網絡出版時間：2014-11-13 15：10網絡出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20141113.1510.001.html

引用格式：劉明彬，楊艷紅.客車座椅靜強度與安全性的關系[J].宜賓學院學報,2015,15（6）：13-16.