基于客車傾翻試驗的車身加速度波形分析*

楊 鑫，徐海瀾，馮弟瑤

(重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122)

0 引 言

近年來，隨著我國公路覆蓋率和公路里程的不斷增加，客運車輛已成為各個地區十分重要的出行工具。我們在肯定客運車輛給我們生活帶來極大便利的同時，也需要關注客車出行的安全問題。由于客車單次運載人數較多，一旦發生交通事故就是傷亡慘重的群死群傷重大交通事故。2015～2017年，我國共發生一次性死亡10人以上的重特大道路交通事故32起，客車事故占19起，事故起數占重特大道路交通事故總數的59.38%[1]。客車交通事故類型主要分為正面碰撞，側面碰撞，追尾碰撞，傾翻，翻滾及墜車等。這其中傾翻事故死亡率是碰撞事故的6倍[2-5]。因此，進行客車傾翻安全研究十分重要。

目前關于客車傾翻的研究中主要集中在客車上部結構強度方面。顏長征等人在客車生存空間定義的基礎上，采用變形規和高速攝像的檢測手段量化了傾翻試驗乘員生存空間，以此評價客車上部結構強度[6]。王銳等利用實車試驗與數字模擬相結合，分析了客車側翻時侵入車內乘員生存空間的變形以及側翻過程中的能量、加速度變化過程，以此來檢驗客車上部結構強度[7]。覃楨員采用仿真技術揭示客車側面結構立柱變形特性，提出加強車輛前部側面立柱強度來提高整車上部結構強度的措施[8]。然而，客車傾翻事故中往往會出現座椅及其固定件失效脫落導致人員傷亡的情況，因此進行客車傾翻時座椅及其固定件強度的研究十分必要。目前主要的客車傾翻試驗標準為GB17578-2014、JT/T1094-2016、ECE R66[9-11]，其中明確規定了考核座椅固定件強度的標準僅有JT/T1094-2016，其余兩個標準都能夠以未完工車輛進行試驗，不需要安裝座椅總成，所以無法保證能夠考核座椅及其車輛固定件的強度。并且這些標準主要是為了考核客車上部結構強度，對客車整車進行的試驗，試驗成本很高。目前客車企業都有眾多的座椅型號以及座椅供應商，但根據JT/T1094-2016的傾翻試驗實施細則，每個傾翻試驗最多只能安裝兩種配置的座椅進行試驗，如果有兩種以上的座椅配置，即多個供應商或者多種座椅型號，企業則需要對同一個車型進行多次整車傾翻試驗，增加了企業的負擔，又對該車型的上部結構強度進行了不必要的重復試驗，導致試驗資源的浪費。

以往客車座椅及其車輛固定件試驗的重點主要是放在客車座椅在承受縱向沖擊時的被動安全性能上，而忽略了客車座椅及其車輛固定件在承受橫向沖擊也即是客車傾翻時對于座椅以及車輛固定件的強度要求以及乘員的保護。因此，進行傾翻車輛座椅及其固定件強度試驗方法的研究具有重要意義。

1 客車傾翻試驗數據分析

1.1 客車傾翻試驗關鍵參數

1.1.1 生存空間

按照GB 17578-2013[9]的規定將生存空間定義為：傾翻試驗過程中，乘客區、駕駛區和分隔艙中為乘客、駕駛員和車組人員提供生存可能的剩余空間。具體的定義方法為通過在汽車內建立一個垂直橫截面進行確定，其邊緣如圖1、2所示，將此垂直橫截面移動穿過整個車長得到整車的生存空間，見圖3。

圖1 橫向排列1 圖2 橫向排列2

圖3 縱向排列

(1)SR點位于外側每個朝前或朝后的座椅(或假定的座椅位置)靠背前表面，距乘客腳下地板500 mm(不考慮發動機艙等引起的地板高度局部變化)、距側圍內表面 150 mm。對于側向座椅，這些尺寸在座椅中心平面測量。

(2) 如果車輛的左右兩側因地板布置而不對稱，則SR的高度也不同，兩側生存空間的高度差應在車輛縱向垂直中心平面內體現，見圖2。

(3) 生存空間的最后端是最后排外側座椅的SR點向后200 mm處的垂直平面。如果車輛后圍內表面距SR點小于200 mm，則取車輛后圍內表面作為生存空間最后端。生存空間的最前端也是垂直平面，在車輛最前排的座椅(不論是乘客、車組人員或駕駛員座椅)最大限度向前調整后，距其SR點正前方600 mm處。如果車輛最前排和/或最后排的座椅不在同一橫向平面上，則每側生存空間的長度可能不同。

(4) 生存空間在乘客、車組人員和駕駛員區域內是連續的，將圖1和圖2所示的垂直橫截面沿車輛兩側各SR點形成的直線由生存空間前端面移至后斷面所形成的掃面區來確定。通過最前排座位SR點之前以及最后排座位SR點之后的直線是水平的。

(5) 為滿足產品設計上的需要，允許試驗時根據規劃的車型系列中的最差狀態車型，確定一個比給定座位布置所需空間更大的生存空間。

對客車傾翻試驗中生存空間的檢測主要采用變形規測量。變形規由鋼架結構、泡沫材料和鋼絲測針組成，鋼架結構中空以便固定嵌入的泡沫材料，泡沫材料的邊界根據生存空間定義的高度、距立柱的距離等確定。試驗時，隨客車立柱的變形，變形規上的鋼絲測針會沿著與泡沫邊界垂直的方向向后退縮，當立柱變形最大時其產生最大的回縮量。試驗后，通過鋼絲測針暴露在泡沫外面的長短，可實現乘員生存空間的量化檢測。

1.1.2 質心加速度

客車傾翻和一般汽車碰撞有相似的受力過程，車體在與地面接觸過后通過擠壓變形來減速。相對于車體而言，與地面接觸的那一刻開始所受加速度由零開始逐漸變大，隨后會隨能量的消散逐漸降為零。只要客車上部結構沒有完全變形，車體所受加速度都會大于零。考慮到客車上座椅數量較多，很難做到對多有座椅所受加速度進行采集及分析，故采用車輛質心加速度作為車體加速度做后續研究，如圖4所示。

圖4 質心加速度

1.1.3 上部結構變形時間

客車傾翻試驗時，在車輛外側放置高速攝像機，記錄試驗過程中整個車輛結構的變形情況，同時利用高速攝像分析整個車體由接觸地面到最大變形的時間間隔。在試驗前，設置高速攝像每秒傳輸幀數為1 000，也即是1 s高速攝像拍攝的畫面數。從剛剛接觸地面到最大變形的幀數變化即為傾翻車輛車體變形時間，如圖5、6所示，接觸時刻幀數為-141，變形最大時刻幀數為-1，幀數變化為140，故該車型的車體變形時間為140 ms。

圖5 接觸地面時刻 圖6 最大變形時刻

1.2 客車傾翻試驗數據分析

近年來客車檢測中心對多個客車車型進行了傾翻試驗，并對其中30余個車型進行質心加速度采集，最小生存空間測量以及上部結構變形時間統計，如表1～4所列。

表1 傾翻實驗數據

表2 傾翻試驗數據

表3 傾翻試驗數據

表4 傾翻試驗數據

經過對統計數據進行分析，發現最小生存空間和質心加速度為正相關關系，也即是隨著最小生存空間的增大，質心加速度也隨之變大，如圖7所示。客車上部結構強度較強時，車輛發生傾翻時受到的加速度沖擊也較大，上部結構強度較弱時，車輛發生傾翻時所受加速度沖擊較小。車體變形時間與質心加速度為負相關關系，也即是隨著上部結構變形時間的增大，質心加速度反而會變小，如圖8所示。客車上部結構強度較強時，車輛發生傾翻時車體變形較小，但受到的加速度沖擊較大，上部結構強度較弱時，車輛發生傾翻時車體變形較大，所受加速度沖擊反而更小。

圖7 最小生存空間與質心加速度

圖8 上部結構變形時間與質心加速度

2 客車質心加速度波形

為了更深一步了解質心加速度，最小生存空間以及上部結構變形時間三者之間的關系，將采集的客車傾翻質心加速度曲線進行擬合，得到較為平滑的加速度曲線。在此基礎上，進一步對三十余輛車的加速度擬合曲線進行聚類，從而得到其中的規律。

將采集到的加速度與時間的數據通過多種擬合方法進行擬合，最終發現高斯擬合與原始數據的重合性最高。高斯擬合是利用高斯函數對數據點集進行函數逼近的擬合方法，與多項式擬合原理相似，不同的是多項式擬合是用冪函數進行函數逼近，而高斯擬合是用高斯函數進行函數逼近。高斯函數如式(1)所示：

(1)

式中:ai,bi,ci為待定參數。

對式(1)兩邊取自然對變形整理得：

F(x)=Ax2+Bx+C

(2)

根據最小二乘原理求出A，B，C，即可求得待定參數ai，bi,ci[12]。

在實際工程中為了更加逼近原始數據，一般采用多個高斯函數相加的方式得到最終的高斯擬合曲線，如式(3)所示。圖9為單個高斯函數擬合結果，圖10為多個高斯函數擬合結果。可以看出多個高斯函數擬合后的曲線與原始數據的吻合性更好，故采用多個高斯函數擬合曲線。

(3)

圖9 單個高斯函數擬合結果 圖10 多個高斯函數擬合結果

3 客車傾翻試驗質心加速度脈沖通道

對擬合后的質心加速度曲線進行分析發現上部結構強度較強的車輛質心加速度波形脈寬較窄，波形峰值較大；上部結構強度較弱的車輛質心加速度波形脈寬較寬，波形峰值較小，如圖11所示。將擬合后的有效曲線進行疊加存放在一張圖內，也可以發現相同的規律，如圖12所示。

圖11 質心加速度波形擬合結果

圖12 多個質心加速度波形擬合結果

結合表1～4的數據可以發現，上部結構強度較強的的車輛結構變形時間一般在40～100 ms左右，也即是加速度波形的脈寬在40～100 ms左右，結合圖8可以看到脈寬低于100 ms的加速度峰值最低為8 g，最高為18 g；上部結構強度較弱的的車輛結構變形時間一般會超過100 ms低于180 ms，也即是加速度波形的脈寬在100～180 ms左右，結合圖8可以看到脈寬高于100 ms低于180 ms的加速度峰值最低為3.8 g，最高在9 g左右。分析圖12中所有加速度曲線，發現上部結構強度較強的車型加速度曲線出現下降趨勢的時間最早為30 ms，最晚為50 ms；上部結構強度較弱的車型加速度曲線出現下降趨勢的時間最早為70 ms，最晚為140 ms。綜上所述，可以對客車傾翻試驗質心加速度脈沖通道進行簡單的定義，如表5、6，圖13、14所示。

表5 高上部結構強度客車傾翻試驗質心加速度波形坐標

表6 低上部結構強度客車傾翻試驗質心加速度波形坐標

圖13 高上部結構強度客車傾翻試驗質心加速度脈沖通道

加速度與時間圍成的區域面積代表了速度的變化量，根據動能公式，在質量一定的情況下，能量的變化與速度的平方成正比，也即與加速度與時間圍成的區域面積成正比。針對兩種不同上部結構強度設定的加速度脈沖通道為加速度區間，加速度波形在這個脈沖通道的上下限之間，不是一個定值，相應的能量也不是一個定值。這里的能量大小代表車上座椅及其固定件所受沖擊能量的大小，對最終座椅強度的考核至關重要。波形脈寬和波峰高低都會影響最終的沖擊能量，體現在試驗過程中也即是最終的沖擊速度，因此進行客車座椅及其固定件橫向強度考核方法的研究時，需要定義一個合理的沖擊速度。

圖14 低上部結構強度客車傾翻試驗質心加速度脈沖通道

根據目前的傾翻試驗數據測得的加速度曲線算出相應速度，如表7、8所示。對表中的數據分別進行正太分布分析，如圖15、16所示，求出兩種加速度脈沖通道的速度要求分別為11.16 km/h和17.59 km/h。進行傾翻座椅及其固定件強度臺車試驗時，需要根據選擇加速度波形要求滿足相應的速度要求。

表7 高強度上部結構傾翻車輛速度統計

表8 低強度上部結構傾翻車輛速度統計

圖15 高強度上部結構傾翻車輛速度分布

圖16 低強度上部結構傾翻車輛速度分布

4 結 語

采集了三十余輛客車傾翻試驗過程中車輛質心位置的加速度，乘員最小生存空間及上部結構變形時間等相關數據，并對采集的數據進行分析得出三者之間的關系。在此基礎上對客車傾翻時質心加速度曲線利用高斯函數進行擬合，然后對擬合后的加速度進行分類分析，最終得出針對不同上部結構強度車輛質心位置的傾翻加速度脈沖通道。同時，還根據采集的加速度曲線統計了傾翻車輛的沖擊速度，并針對不同上部結構強度的車輛提出了不同的沖擊速度要求。為傾翻客車的座椅及其固定件強度試驗的后續研究進行了鋪墊。但此文局限于有限的試驗數據，得到的加速度脈沖通道不足以代表所有的傾翻客車質心加速度脈沖通道，后續會在研究方法的基礎上增加更多的試驗數據，并進行更深入的數據和曲線分析，以得到最終代表性更強的傾翻客車的座椅及其固定件強度試驗加速度脈沖通道。