商用車駕駛室安全試驗常見問題分析

劉俊岐 孫紅杰

中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司

我國對汽車產品實行強制性產品認證（CCC）與汽車產品公告行政許可（車輛生產企業及產品公告）管控政策，對于商用車駕駛室測試項目都要求按照GB 26512-2011《商用車駕駛室乘員保護》進行測試。相對乘用車的標準發展，商用車的相關被動安全研究及標準制修訂發展較晚，近些年相繼頒布了商用車駕駛室乘員保護等國家強制標準，從而在避免商用車事故中的人員傷亡起到了巨大的作用。歐洲現行標準ECE R29《關于對商用車駕駛室乘員保護方面車輛認證的統一規定》對商用車駕駛室乘員保護做出了明確的規定，以保證交通事故中商用車駕駛室的在事故中的乘員生存空間。我國現行有效標準GB 26512-2011 《商用車駕駛室乘員保護》與ECE R29大體要求相同，ECE R29-02與GB 26512-2011不同之處是其后圍靜態加載試驗為選做項，而GB 26512-2011為必做項。經過多年實施發現，GB 26512-2011和ECE R29-02不能完全反應車輛在實際碰撞事故中工況。原因為歐洲CER29-02和GB 26512-2011中的正面擺錘撞擊試驗模擬的是兩車追尾的碰撞，而不是正面碰撞，而隨著商用車使用規模的快速發展，在實際交通事故統計中得出，商用車兩車正面碰撞事故中造成的駕駛室變形更為嚴重、導致的乘員傷亡率更高，所以修訂了ECE R29-02，形成修訂案ECE R29-03，將擺錘正面撞擊的能量增加，以實現模擬兩車正面碰撞考核駕駛室強度的目的。另外，ECER29-02中的商用車駕駛室頂部靜壓試驗僅考慮到了車輛發生180°滾翻時對駕駛室頂蓋強度的考核，而忽視了事故中車輛經90°滾翻過程中造成的駕駛室A 柱、B柱、風窗上橫梁、車門上橫梁等駕駛室整體的零部件結構變形對乘員生存空間的侵入，所以增加A柱擺錘撞擊試驗和美國SAE J2422中的頂蓋側面20°斜面撞擊試驗，來考核整個駕駛室上部結構強度。所以得出，修訂案ECE R29-03版較ECE R29-02版和GB 26512-2011主要的安全性能要求增加了兩項動態撞擊試驗的要求，即駕駛室的正面A柱擺錘撞擊試驗及駕駛室頂部側面擺錘20°撞擊試驗，且ECE R29-03版正面擺錘撞擊能量也相對提高.故ECE R29-03版規定的駕駛室的性能要求更為苛刻。能滿足ECE R29-03要求的駕駛室也是今后該類產品發展的方向。目前我國交通部規定道路運輸車輛需要滿足標準JT/T 1178.1-2018《營運貨車安全技術條件 第1部分:載貨汽車》和JT/T 1178.2-2019《營運貨車安全技術條件第2部分:牽引車輛與掛車》的要求。此標準和ECE R29-03的規定基本一致，其中對載貨汽車新申請型式批準的車型已經強制要求，對牽引車輛與掛車的要求自2020年9月開始實施。

商用車駕駛室試制完成后，為驗證性能及可靠性是否滿足設計要求。還需要進行一系列的試驗，主要包括：1．白車身臺架試驗；2．駕駛室安全試驗；3．整車道路試驗。只有通過以上三步試驗驗證的駕駛室才具備，投放市場的基本前提。能夠滿足用戶的使用需求、提供良好的舒適性、安全性、經濟性、可靠性的駕駛室。（1）駕駛室臺架試驗主要包括：振動試驗、駕駛室靜剛度試驗。通過采集的路譜進行臺架試驗及進行駕駛室靜剛度試驗。路譜采集在駕駛室每個懸置點上各安裝一個三向加速度傳感器，整車在試驗場規定路面以規定車速行駛，測出駕駛室懸置處的加速度，通過編輯形成臺架的期望響應信號。通過適當的夾具把駕駛室固定在試驗臺上，通過噪聲信號測量系統的頻響函數進行系統識別，利用期望響應信號與系統的頻響函數反求系統驅動信號，經過模擬迭代，使臺架響應與路面期望響應誤差小于5%，最終形成有效路譜用于驅動臺架進行試驗。駕駛室扭轉試驗臺可以實現應用國際先進的伺服技術成功完成對駕駛室的扭轉試驗，進行車身部件的疲勞耐久性試驗。通過高精度的“力伺服控制”和“位置伺服控制”。液壓伺服控制技術有著操作靈活、維護方便，制造成本低，運行成本低，維護成本低等優點，是今后進行汽車車身耐久試驗的首選發展方向。（2）駕駛室安全試驗主要包括：以JT／T 1178（ECE R29）進行試驗，主要包括壓頂、前碰、后擠、雙A柱等試驗。駕駛室需要滿足被動安全要求，因此，需要對輕量化駕駛室進行駕駛室正面擺錘碰撞試驗，對于最大設計總質量不大于7000kg的車輛撞擊能量為29.4k J，對于最大設計總質量大于7000kg的車輛撞擊能量為44.1k J。駕駛室頂部應能承受相當于車輛前部的一個軸或多個軸的最大軸荷的靜載荷(最大為98k N)。根據車輛允許載荷計算后圍靜壓水平加載載荷，通過矩形剛性平面將該壓力沿水平方向均勻施加到駕駛室后圍上。（3）整車道路試驗：主要包括高環試驗及可靠性試驗。主要考察樣車進行強化路試驗、灰土路試驗。駕駛室白車身各部位無可見開焊開裂現象；車門位置無下沉；各緊固件及裝配件狀態良好，無松脫位移發生。

商用車駕駛室乘員保護結構各項試驗的合格評價指標包括以下三條；（1）車門不應自行打開，駕駛室應與車架保持連接，允許固定駕駛室的部件產生變形和損壞；（2）當座椅處于中間位置時，人體模型不應與車輛邵氏硬度大于或者等于50度的非彈性部件發生接觸；（3）不借助于任何工具，用一個小于100N的力即可將非彈性部件與人體模型分開。在正面沖擊碰撞過程中，通過高速攝像觀察，車輛變形量呈現先增加再減小的變化趨勢。最終變形量并非最大變形量，原因是材料在碰撞變形過程中存在回彈行為。

商用車乘員保護結構正面撞擊試驗分為以下幾個階段：（1）脫鉤機構動作后，擺錘初速度為零開始下落，運動至擺角為0°時擺錘平面與駕駛室開始接觸，隨后板材部件開始變形，甚至震裂，夾層玻璃出現龜裂。（2）擺錘繼續由前向后擺動（擺角為負），駕駛室與車架連接的懸置支架或減震器連接螺栓變形、剪切，同時用于固定車架的鋼絲繩受迫拉伸，（3）懸置支架或減震器連接螺栓斷裂后，擺錘繼續由前向后擺動，鋼絲繩繼續變形，駕駛室和車架整體后移，駕駛室開始擠壓變形，車門受迫開啟，同時駕駛室相對于車架也發生了后移，直至擺錘速度降低為零，停止運動，此時駕駛室變形和相對車架位移最大。（4）擺錘運動方向開始由后向前擺動，鋼絲繩形變發生回彈，駕駛室和車架整體向前運動，同時駕駛室的形變也發生微小回彈，相對車架向前發生微小移動，該階段直至整車停止運動，剪切的螺栓等零部件掉落，震碎的前風擋玻璃發生整體脫落，試驗結束。被試樣品的典型失效形式有：（1）駕駛室與車輛連接結構受力不合理而導致其應力分布不均勻，局部應力集中，導致超出材料強度極限，發生的懸置支架斷裂，減震器螺栓剪切脫落導致駕駛室與車架脫離，該種失效形式可能會因駕駛室脫離對乘員造成二次沖擊的傷害。（2）駕駛室后圍受迫擠壓，變形的剛性構件侵入生存空間，且碰撞過程中車門開啟可能會造成乘員胸腹部嚴重傷害或者甩出駕駛室。（3）駕駛室地板和前圍內板橫梁發生較大變形，導致儀表臺，方向盤、方向盤柱等內飾結構件擊潰后移，侵入生存空間可能會造成乘員下肢及胸腹部嚴重傷害。在駕駛室乘員保護結構正面撞擊試驗中，突出表現的失效形式分為兩種，一是連接結構強度不足導致的駕駛室與車架的脫離，二是駕駛室框架強度不足導致的駕駛室本體扭曲變形而影響到乘員生存空間。因而，在駕駛室設計時，應該在支撐懸置和駕駛室框架的結構及材料上充分考慮，以滿足該項試驗的通過性。

在頂部加載試驗中，常見以下幾種失效形式：（1）駕駛室立柱強度不足，屈服變形導致的生存空間不足，可能會對駕駛員造成乘員頭部、頸部造成嚴重傷害。（2）車架支結構支撐強度不足而屈服導致的頂部加載失效。（3）后圍支撐結構縱向支撐強度不足而被壓潰導致的頂部加載失效。駕駛室設計應滿足剛度和強度設計要求。剛度不足，將會引起駕駛室的支撐立柱、懸置及后圍等發生變形，導致該項試驗樣品失效。如今商用車駕駛室大多采用骨架構件加薄鋼板互相連接的結構，形成承載結構網絡，所以可以在設計時對駕駛室力傳導系統進行仿真分析，對各個子系統間的相互作用做出評估，提高承載結構的合理性，在該項試驗的通過性考核中，駕駛室本身各部分都要和諧地變形，避免產生薄弱的環節而導致壓潰。