商用車車頂安全性法規(guī)分析及關(guān)鍵技術(shù)研究

黃巨成　雷飛

分析了兩種典型的商用車車頂安全性測試流程，比較兩種測試流程加載方式和約束方式存在的區(qū)別。為了考察不同加載方式和約束方式對商用車車頂安全性的影響，建立了商用車車頂安全性一般分析模型并對某型商用車車頂安全性進(jìn)行分析。在一般分析模型基礎(chǔ)上，通過加入彈性元件和改變沖擊速度，分析彈性約束條件和高速沖擊對車頂安全性的影響。結(jié)果表明，在彈性約束條件和高速沖擊條件下車頂?shù)哪妥残员憩F(xiàn)出不穩(wěn)定性和局部變形的特點(diǎn)。本文研究的內(nèi)容將為制定商用車車頂安全性測試標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

一、引言

商用車車頂安全性是商用車乘員保護(hù)的重要組成部分。美國密歇根大學(xué)交通研究所的研究表明，在與商用車有關(guān)的交通事故中（TIFA， Trucks Involved in FatalAccidents），駕駛室正面碰撞和車頂垮塌是導(dǎo)致商用車乘員嚴(yán)重傷亡的兩種主要碰撞形式。駕駛室正面碰撞主要發(fā)生于車輛的正面碰撞事故和追尾事故中，其中，以商用車與前方商用車追尾為最嚴(yán)重的工況；車頂垮塌是另一種重要的傷亡形式，主要發(fā)生于商用車在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的翻車事故。

針對商用車的危險(xiǎn)碰撞形式，世界主要經(jīng)濟(jì)體和發(fā)達(dá)國家紛紛制定出相應(yīng)的商用車乘員保護(hù)法規(guī)以保障商用車乘員的安全。其中，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會通過的 ECE-R29和美國汽車工程學(xué)會的推薦測試標(biāo)準(zhǔn) SAE J2420、J2422引起了廣泛的關(guān)注，成為商用車乘員保護(hù)法規(guī)借鑒的典范。在這些法規(guī)中，正面碰撞乘員保護(hù)的試驗(yàn)方法較為類似，而在車頂安全性評價方面存在較大差異。我國正在積極推進(jìn)商用車乘員保護(hù)的法規(guī)制定工作，由于缺乏對國內(nèi)商用車交通事故的詳細(xì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前處于對國際相關(guān)法規(guī)的消化吸收階段。本文針對 ECE-R29和 SAE-J2422在車頂安全性測試方面存在的差異，通過對碰撞工況的分析提出車頂安全性測試方法所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并通過數(shù)值模擬手段對這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行對比分析，最后提出車頂安全性法規(guī)試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

二、商用車交通事故統(tǒng)計(jì)

隨著我國商用車保有量的持續(xù)增加，與卡車相關(guān)的交通事故已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注。我國交通部門公布的交通事故統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國道路交通事故中重型貨車事故是道路交通事故的主要事故類型之一。表 1列出 2011～2014年我國道路交通事故中死亡總數(shù)和重型貨車事故引起的死亡人數(shù)的情況。從表 1中可以看出，重型貨車交通事故引起的死亡人數(shù)雖然呈逐年下降的趨勢，但仍然占據(jù)著較大的比重。因此，需要對重型貨車引起的交通事故進(jìn)行分析研究，確定主要的事故類型和傷亡情況。

在 M.C.Simon等人的研究“The Potential Gain to be achieved by Generalization of Seat Belts andAirbags in Truck”中，對法國 403起卡車交通事故進(jìn)行了深入研究，將與貨車相關(guān)的交通事故分為 4種類型，分別是貨車與轎車碰撞事故、貨車與貨車碰撞事故、貨車與障礙物碰撞事故和貨車翻車事故。同時，將在這些事故中商用車乘員的受傷程度分為死亡、重傷、輕傷和未受傷 4個級別，具體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表 2所示。

由表 2可以看出，轎車與卡車相撞和卡車翻車是與卡車相關(guān)交通事故的主要事故類型，分別占事故總數(shù)的 47.1%和 30.0%。其中，由卡車翻車引起的死亡人數(shù)占死亡總?cè)藬?shù)的 41.7%，重傷人數(shù)占總重傷人數(shù)的 41.4%，輕傷人數(shù)占總輕傷人數(shù)的 55.4%。該數(shù)據(jù)表明，卡車的翻車事故是造成嚴(yán)重人員傷亡的重要事故形式之一。在重型貨車翻車事故中，車頂垮塌和生存空間不足是引起乘員傷亡的主要原因。因此，需要對車頂安全性進(jìn)行強(qiáng)制法規(guī)要求以盡可能降低乘員傷亡。

三、商用車車頂安全性相關(guān)法規(guī)

針對商用車交通事故的主要特點(diǎn)，歐洲經(jīng)濟(jì)委員會和美國汽車工程學(xué)會分別提出了各自的商用車乘員保護(hù)測試方法，很多國家都在借鑒這兩種測試方法。瑞典則擁有獨(dú)立的商用車安全性測試法規(guī)，其法規(guī)被公認(rèn)為最為嚴(yán)苛的商用車安全性測試法規(guī)。本文重點(diǎn)分析 ECE和 SAE法規(guī)在商用車車頂安全性測試方面的異同。SAE推薦的測試流程將商用車車頂安全性分為兩個階段，包括側(cè)圍上部的動態(tài)預(yù)加載和車頂?shù)臏?zhǔn)靜態(tài)加載。ECE R29法規(guī)直接通過對商用車車頂加載進(jìn)行安全性評價。

1. SAE測試法規(guī)分析

SAE J2422推薦測試流程從兩個階段對商用車車頂安全性進(jìn)行分析，包括動態(tài)預(yù)加載和車頂準(zhǔn)靜態(tài)加載兩個階段。其中，動態(tài)預(yù)加載用于模擬在商用車翻滾超過 90度時，駕駛室側(cè)圍上部受到的載荷；車頂?shù)臏?zhǔn)靜態(tài)加載用于模擬車輛在 180度翻轉(zhuǎn)后車頂?shù)氖茌d情況。在測試過程中使用標(biāo)準(zhǔn)的駕駛室懸置，允許彈性和阻尼的存在。測試過程中的載荷通過剛性平板施加。

動態(tài)預(yù)載荷將駕駛室傾斜 20°角按照標(biāo)準(zhǔn)的懸置方式固定在試驗(yàn)臺上，一個垂直于地面且與車架縱向平行的剛性墻沿垂直于剛性板的方向以一定的速度撞向駕駛室。駕駛室與剛性板的碰撞部位發(fā)生在駕駛室側(cè)圍上部，碰撞能量根據(jù)根據(jù)駕駛室翻轉(zhuǎn)所需的能量計(jì)算得出。動態(tài)預(yù)加載的測試布置如圖 1所示。在動態(tài)預(yù)載階段，剛性墻攜帶的能量對駕駛室翻轉(zhuǎn)能量乘以一定的放大系數(shù)確定，最大值不超過17625.6J。駕駛室的翻轉(zhuǎn)能量通過駕駛室尺寸、重量和車輛的質(zhì)心位置確定，該能量近似相當(dāng)于車輛從臨界平衡位置翻轉(zhuǎn)到側(cè)圍著地所產(chǎn)生的動能。

圖 1 SAE J2422測試中動態(tài)預(yù)加載部分示意圖

準(zhǔn)靜態(tài)加載通過平行于駕駛室地板的剛性板沿著垂直于車頂?shù)姆较蜻\(yùn)動來實(shí)現(xiàn)。可以將駕駛室翻轉(zhuǎn)后以標(biāo)準(zhǔn)懸置固定在垂直于地面的平臺上，將進(jìn)行預(yù)加載一側(cè)的駕駛室向下放置，剛性板沿著垂直于車頂平面的方向運(yùn)動。準(zhǔn)靜態(tài)加載過程主要測量剛性板對乘員空間的侵入量，特別需要關(guān)注駕駛員和乘員座椅位置的侵入量。準(zhǔn)靜態(tài)加載的測試布置如圖 2所示。

2.ECE測試法規(guī)分析

ECE R29對商用車駕駛室乘員保護(hù)中對車頂?shù)陌踩詼y試方法進(jìn)行了規(guī)定，該測試方法主要以等效載荷的形式在車頂上進(jìn)行加載。駕駛室可以安裝在車架上或安裝在獨(dú)立的支架上，必須保證在試驗(yàn)過程中車輛無明顯移動，為此，應(yīng)拉上手制動、掛上檔，并用楔塊楔住前輪。懸架（彈簧、輪胎等）各部件的通過剛體構(gòu)件進(jìn)行剛性處理，消除各部件的變形。同時，需要保證在試驗(yàn)過程中駕駛室安裝支架不能移動。ECE R29法規(guī)要求的約束情況如圖 3所示。

圖 2 SAE J2422測試中準(zhǔn)靜態(tài)加載部分示意圖

圖 3 ECE R29中車頂強(qiáng)度試驗(yàn)示意圖

駕駛室頂部應(yīng)能承受相當(dāng)于車輛前部的一個軸或多個軸的最大軸荷的靜載荷，但最大為 10，000kg。此靜載荷應(yīng)通過形狀合適的剛體部件均勻地施加在駕駛室或座艙頂部構(gòu)架的所有支承件上。測試完成后，通過 50百分位假人對生存空間進(jìn)行評價，當(dāng)座椅位于中間位置時，假人模型不應(yīng)與車輛的非彈性部件發(fā)生接觸。同時要求在試驗(yàn)過程中，車門不能開啟。

3.測試方法對比分析

兩種測試方法對比如表 3所示。SAE測試流程使用動態(tài)載荷和準(zhǔn)靜態(tài)載荷進(jìn)行加載，ECE法規(guī)則使用靜態(tài)載荷進(jìn)行加載，在相同的能量作用下，不同的加載速度對駕駛室的結(jié)構(gòu)受到不同的影響。同時，SAE測試流程使用標(biāo)準(zhǔn)懸置將駕駛室安裝于車架上，而 ECE法規(guī)則要求將駕駛室懸置的彈性元件進(jìn)行剛性化處理，二者對駕駛室的約束條件要求不同。

四、車頂安全性分析關(guān)鍵技術(shù)

1.一般分析工況

由于兩種測試方法在測試流程上存在較大差異，為了考察這兩種方法在不同載荷和不同約束情況下的車頂強(qiáng)度，現(xiàn)假定一個通用的測試工況。駕駛室以一定方式支撐于試驗(yàn)支架上，剛性板攜帶50KJ的能量以一定的速度向車頂運(yùn)動，考察在此載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。通過改變剛性板的質(zhì)量可以同時考察不同的加載速度和不同邊界條件下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。以某型商用車駕駛室為例進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對該駕駛室的車頂安全性進(jìn)行評價，駕駛室模型如圖 4所示。

圖 4車頂強(qiáng)度一般分析工況

在該工況條件下，設(shè)置剛性板質(zhì)量為 1，000kg，以 10m/s的速度向車頂方向運(yùn)動，駕駛室通過剛性件與支撐結(jié)構(gòu)相連，駕駛室的最大變形如圖 5所示。由圖 5可知，該駕駛室結(jié)構(gòu)能夠承受 50KJ能量以 10m/s的速度的沖擊，車頂在受到?jīng)_擊后有較大變形，后圍有一定的變形量。

圖 5一般分析工況下駕駛室最大變形圖

2.彈性支撐工況

在保持一般分析工況中加載方式不變的情況下，使用彈性元件將駕駛室連接在試驗(yàn)支架上，考察車頂在此種情況下的變形。計(jì)算過程中的最大變形如圖6所示。由圖6可知，由于使用彈性支撐，車頂?shù)淖冃魏秃髧淖冃尉∮谑褂脛傂灾螘r的情況。同時，由于駕駛室的左右及前后方向的彈性元件的剛度存在差異，在沖擊過程中，導(dǎo)致駕駛室左右變形不一致。

圖 6彈性支撐工況下駕駛室最大變形圖

3.高速沖擊工況

在保證剛性板沖擊能量不變的條件下，提高剛性板的沖擊速度，考察車頂在較高速度沖擊載荷作用下的變形情況。為了避免駕駛室的左右變形不一致情況，采用剛性元件與支撐結(jié)構(gòu)相連。計(jì)算過程中的最大變形如圖 7所示。由圖 7可知，在高速沖擊載荷作用下，車頂?shù)木植孔冃屋^大，后圍的變形較小，沖擊速度對駕駛室變形部位有明顯影響。

圖 7高速沖擊工況下駕駛室最大變形圖

五、結(jié)語

對比分析了 ECE法規(guī)和 SAE推薦測試標(biāo)準(zhǔn)中商用車駕駛室車頂剛度對乘員保護(hù)測試的要求，針對兩種測試方法在約束和載荷方面存在的差異，對國產(chǎn)某型商用車駕駛室進(jìn)行車頂強(qiáng)度分析，獲得以下結(jié)論。

（1）兩種測試流程使用不同的方法對商用車車頂安全性進(jìn)行分析，二者均以乘員的生存空間為評價原則。其中，SAE J2422測試流程側(cè)重考察翻車事故過程中車頂?shù)捻憫?yīng)，ECE R29法規(guī)則強(qiáng)調(diào)測試流程的操作可行性和穩(wěn)定性。

（2）SAE J2422測試流程中使用預(yù)加動載荷和準(zhǔn)靜態(tài)載荷的方式對車頂進(jìn)行安全性分析，較為全面地考察了車輛在翻滾過程中所受的載荷。同時，在測試過程中使用標(biāo)準(zhǔn)駕駛室懸置，可以較為真實(shí)地反映車輛在翻車時的情況。

（3）ECE R29法規(guī)使用靜態(tài)載荷對車頂安全性進(jìn)行分析，簡化了車頂安全性的分析流程，根據(jù)不同的車型施加不同的載荷，操作簡便，評價指標(biāo)明確。法規(guī)要求在測試過程中對所涉及的彈性元件進(jìn)行剛性化處理，消除了彈性元件對測試過程的影響，測試結(jié)果較為穩(wěn)定。

（4）由于施加載荷的速度對分析結(jié)果有較為明顯的影響，合適的加載速度是商用車車頂安全性分析過程中需要確定的主要參數(shù)。因此，需要通過對翻車機(jī)理和商用車交通事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到加載速度。