商用車駕駛室頂部強度試驗研究

牛夢杰　李團陽　武子涵

摘 要：商用車駕駛室結(jié)構(gòu)是汽車被動安全研究的主要內(nèi)容之一，而車頂強度是其重要的評價指標。由于商用車本身質(zhì)量大、危險性高，良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以從一定程度上保護事故中駕駛員的身體健康。本文主要針對某商用車型進行車輛頂部強度在擺錘試驗臺進行試驗研究，試驗根據(jù)GB26512-2021《商用車駕駛室保護》做出相應(yīng)試驗方案，根據(jù)試驗結(jié)果為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計提供參考資料。

關(guān)鍵詞：商用車 車頂強度 被動安全 擺錘試驗臺

Experimental Study on the Strength of the Top of the Commercial Vehicle Cab

Niu Mengjie，Li Tuanyang，Wu Zihan

Abstract：The cab structure of commercial vehicles is one of the main contents of automobile passive safety research， and roof strength is an important evaluation index. Due to the high quality and high danger of commercial vehicles， good structural design can protect the health of drivers in accidents to a certain extent. This paper mainly conducts a test study on the top strength of a commercial model on the pendulum test bench， and makes a corresponding test scheme according to GB26512-2021 “Commercial Vehicle Cab Protection”， and provides reference materials for subsequent optimization design according to the test results.

Key words：commercial vehicle， roof strength， passive safety， pendulum test bench

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，商用車的數(shù)量也在快速增長，商用車雖然本身具有體型大、視野好，但是目前商用車的交通事故統(tǒng)計結(jié)果來看，一旦事故發(fā)生，駕駛?cè)藛T往往會受到嚴重傷害，甚至死亡[1]。目前多數(shù)汽車廠商通過優(yōu)化設(shè)計駕駛室的結(jié)構(gòu)來提高在交通事故中對乘員的保護，從而在一定程度上提高產(chǎn)品的競爭力。目前被動安全常見的研究形式有仿真和試驗兩種形式，仿真是通過精準的建模和準確的受力加載來進行研究，從一定程度可以減少產(chǎn)品研發(fā)周期和成本[2]，但是也會出現(xiàn)一些細節(jié)問題是仿真所考慮不到；試驗研究是直觀準確的，通過加載前后的車體結(jié)構(gòu)變化來判斷乘員的生存空間，試驗成本較高。

國外對汽車碰撞研究起步較早，上世紀70年代美國就已經(jīng)開始理論計算對汽車碰撞進行研究；后來經(jīng)過計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，到90年代國外研究所建立了一個包括2.5萬個單元的整車碰撞有限元模型，并得到碰撞過程的加速度相關(guān)數(shù)據(jù)[5]。到后來商用車的使用隨之廣泛，瑞典出臺相關(guān)商用車的安全規(guī)定：駕駛室重錘撞擊、頂部加載試驗和耐疲勞試驗，通過試驗驗證后方可進行量產(chǎn)[6]。國內(nèi)的對商用車的發(fā)展和對其安全性能的研究起步均相對較晚，2005年，李三紅參考歐洲法規(guī)，研制出了針對商用車駕駛室的正面撞擊試驗設(shè)備，并進行仿真研究和實車驗證，結(jié)果得到兩種研究方法所得結(jié)果十分相近，得到了相互驗證[7]；后來吉林大學(xué)的劉麗亞針對商用車駕駛室在出口認證中按歐洲現(xiàn)行法規(guī)ECE R29-02做正面撞擊及頂蓋壓力試驗中暴露出的設(shè)計結(jié)構(gòu)問題，建立駕駛室被動安全性的有限元仿真分析模型，根據(jù)相關(guān)法規(guī)試驗要求對駕駛室被動安全性的仿真分析，并通過與實車試驗結(jié)果對比，驗證了所建模型的有效性[8]。

本文將參照GB26512-2021《商用車駕駛室保護》[9]，針對某型號的商用車駕駛室進行車頂強度的研究，根據(jù)試驗后駕駛室乘員生存空間和結(jié)構(gòu)進行相關(guān)評價，通過相關(guān)數(shù)據(jù)的研究為后續(xù)商用車駕駛室安全性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 商用車駕駛室保護標準

本標準適用于N類車輛（載貨汽車），與GB 26512-2011相比做出相應(yīng)的技術(shù)改變：

（1）修改正面撞擊試驗的撞擊能量；

（2）添加了A柱撞擊試驗；

（3）對于N3類車輛和車輛總質(zhì)量超過7500kg的N2類車輛，增加了動態(tài)預(yù)加載試驗，即駕駛室側(cè)面20°撞擊試驗。

標準適用范圍：對于N1類車輛和車輛總質(zhì)量不超過7500kg的N2類車輛，應(yīng)進行駕駛室正面撞擊試驗、頂部強度試驗和后圍強度試驗。對于N3類車輛和車輛總質(zhì)量超過7500kg的N2類車輛應(yīng)進駕駛室正面撞擊試驗、頂部強度試驗、動態(tài)預(yù)加載試驗（側(cè)面20°撞擊試驗）和后圍強度試驗。本次主要依據(jù)GB26512-2021《商用車駕駛室保護》對駕駛室頂部強度進行相關(guān)研究，由于所選車輛屬于N3類車輛，所以需要對駕駛室頂部進行兩個試驗，其主要使用要求如表1所示。

試驗用人體模型：人體模型在駕駛室安放時，應(yīng)滿足人體模型的“H”點與座椅的“R”點重合，人體模型的部分尺寸要求如表2所示。

試驗后生存空間判定依據(jù)：駕駛室應(yīng)存在生存空間，再選擇正確的人體模型情況下，并且在試驗過程中將座椅調(diào)整至中間位置后，人體模型不應(yīng)與車輛上邵氏硬度A不小于50的非彈性部件發(fā)生接觸。如果使用小于100N的力，且不使用任何工具就可以從人體模型處移開的非彈性部件不予考慮。

2 商用車車頂強度研究方法

目前針對商用車車頂強度研究主要有兩種形式：計算機仿真和實車試驗研究。

2.1 計算機仿真分析法

隨著計算機仿真技術(shù)的不斷進步，國內(nèi)外許多廠家和學(xué)者運用仿真軟件對整車及關(guān)鍵部件進行分析研究，從一定程度上提高研發(fā)效率，減少了資金的投入。常用的仿真軟件有ANSYS、HyperMesh、ANSA，汽車模型建模軟件有CATIA。有限元分析的核心原理是加權(quán)余量和變分原理，即把連續(xù)的物體離散化、復(fù)雜的東西離散成多個簡單的單元。常用的有限元分析過程如下圖。

2.2 實車試驗分析法

實車試驗研究主要需要相應(yīng)的試驗儀器設(shè)備，試驗設(shè)備主要滿足三大功能：試驗樣品的固定、受力加載和試驗數(shù)據(jù)記錄。

2.2.1 撞擊試驗臺

撞擊試驗臺主要采用計算機進行自動控制的專用設(shè)備，具有操作簡單、適應(yīng)強和使用方便等優(yōu)點。該試驗臺由機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和測量、控制系統(tǒng)三大部分組成。這三部分相互聯(lián)系組成有機整體。電氣系統(tǒng)負責給試驗臺提供動力，并時時采集試驗數(shù)據(jù)；測量、控制系統(tǒng)起監(jiān)控作用，保證試驗臺正常運轉(zhuǎn)；機械系統(tǒng)是試驗臺的基礎(chǔ)，它和其他兩大系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作才能完成各項試驗項目，撞擊試驗臺相關(guān)參數(shù)如表3所示。

機械臺架可實現(xiàn)試驗機械結(jié)構(gòu)調(diào)整、擺錘提升、擺錘釋放、防止二次碰撞等功能。計算機控制系統(tǒng)可對整個試驗系統(tǒng)進行自動控制。在無正常驅(qū)動力的情況下，所有運動部件及其總成均由鎖死機構(gòu)鎖定，不允許運動。試驗臺整體采用四柱式桁架，用地腳螺栓與地基緊固，本次試驗所用撞擊器采用質(zhì)地均勻的矩形剛性模塊，質(zhì)量不小于1500kg。

2.2.2 靜壓試驗臺

靜壓試驗臺包括機械臺架、電氣及計算機控制系統(tǒng)等幾個部分。機械臺架結(jié)構(gòu)分為兩個單獨的試驗臺架，即完成商用車駕駛室及客車頂部垂直靜壓試驗和商用車駕駛室后圍靜壓試驗所示，可實現(xiàn)試驗機械結(jié)構(gòu)調(diào)整、商用車駕駛室頂部加載、商用車駕駛室后圍加載功能。計算機控制系統(tǒng)放置在電氣控制柜內(nèi)，可對整個系統(tǒng)進行自動控制，具體參數(shù)見表4。

靜壓試驗的主要有四個機械工作：升降、俯仰、鎖緊和加載。升降主要依靠兩側(cè)電機帶動絲桿旋轉(zhuǎn)進而帶動整個加載裝置上下升降；俯仰動作主要依靠立柱兩側(cè)的油缸身處和回收實現(xiàn)；鎖緊用專門的鎖緊機+T形槽的方式進行鎖緊，而且在進行升降和俯仰動作之前，必須先進行解鎖動作。加載伺服油缸實現(xiàn)，加載過程采用速度閉環(huán)控制，使加載動作非常平穩(wěn)，加載運動時依靠四根重載型直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，保證加載裝置整體的剛度。

3 商用車駕駛室頂部強度試驗

以某型號的商用車駕駛室為研究對象，該試驗車輛屬于N3類車輛，根據(jù)表2應(yīng)先進性動態(tài)預(yù)加載試驗再進行頂部強度試驗。

3.1 動態(tài)預(yù)加載試驗

（1）首先進行的是駕駛室頂部的動態(tài)預(yù)加載試驗，先將撞擊器調(diào)整角度，與縱向平面呈20°夾角，利用激光儀標記出駕駛室頂部側(cè)邊的中心并粘貼貼上標記，然后前后調(diào)整撞擊器，使其中心與駕駛室頂部側(cè)邊標記的中心位置重合，鎖止撞擊器和擺桿，如圖1所示。

（2）由于本次試驗所用對象只采用單個駕駛室進行試驗，根據(jù)駕駛室結(jié)構(gòu)和前部懸架的連接形式和結(jié)構(gòu)特點，在駕駛室底部焊接試驗樣品固定工裝，通過焊接工裝，實現(xiàn)駕駛室的固定。

（3）然后將焊接工裝完成后的駕駛室固定在撞擊試驗臺上，再將駕駛室前后左右進行調(diào)平處理，首先進行工裝與試驗臺的固定，再用螺栓緊固壓板的方式固定工裝，限制上下2個自由度，然后將試驗臺四周的固定繩索連接在駕駛室底部，實現(xiàn)水平4個自由度的限制，試驗過程中保證繩索處于張緊狀態(tài)。

（4）駕駛室固定完畢后，開始進行座椅和方向盤的調(diào)整，如果方向盤前后、上下可調(diào)，通過標記將方向盤調(diào)至前后、左右中間位置，座椅若前后、上下可調(diào)，同樣調(diào)整至中間位置，其他部位保證在原來位置即可。

（5）方向盤和座椅調(diào)整結(jié)束后，將試驗用人體模型安裝標準要求放置在座椅上，調(diào)整座椅靠背，使家人的“R”點與座椅的“H”點重合，然后取下人體模型，開始試驗，試驗要求撞擊能力不小于17.6kJ。

3.2 頂部強度試驗

（1）動態(tài)預(yù)加載試驗結(jié)束后，進行駕駛室頂部強度試驗，先將靜壓試驗臺加載裝置升至試驗臺頂部，并通過俯仰油缸的調(diào)整將加載裝置調(diào)至水平位置。

（2）然后將駕駛室移至加載裝置下方，調(diào)整至加載裝置可完全覆蓋駕駛室頂部空間，最終用壓板固定駕駛室底部工裝，鏈條同時拉緊試驗樣品，保證在加載過程中駕駛室及底部工裝不出現(xiàn)明顯移動。

（3）最后后開始進行加載試驗，試驗中靜態(tài)加載力應(yīng)為前周最大允許質(zhì)量對應(yīng)的力，靜態(tài)載荷最大值不超過98kN，試驗過程如圖3所示。

3.3 試驗結(jié)果分析

試驗標準：先進性動態(tài)預(yù)加載試驗，在進行車頂強度試驗，并按規(guī)定能量和載荷進行加載試驗。試驗結(jié)束后，對比試驗前后駕駛室整體結(jié)構(gòu)，有些地方發(fā)生一定形變，但總體表現(xiàn)較好，未出現(xiàn)明顯變形和凹陷。

重新放入人體模型對駕駛室中的生存空間進行檢驗生存空間，可以順利的將人體模型放入和取出，然后測量關(guān)鍵部位的生存空間數(shù)據(jù)，并進行記錄，如圖所示。試驗后通過人體模型的驗證和相關(guān)數(shù)據(jù)分析，該車型的駕駛室在本次試驗中表現(xiàn)良好，整體強度滿足要求，但是還存在優(yōu)化空間，后續(xù)將會針對相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)變形處進行研究分析，為后續(xù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)語

車輛駕駛安全性能成為目前乘員最為關(guān)注的問題之一，本文以某品牌重型汽車為研究對象，按照GB26512-2021《商用車駕駛室保護》進行頂部強度試驗，模擬實際交通事故中駕駛室側(cè)翻后的駕駛室的生存空間和整體結(jié)構(gòu)受力，通過對比試驗前后駕駛室結(jié)構(gòu)變形，為后續(xù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計提供試驗數(shù)據(jù)，從而在一定程度上提高載貨汽車的安全性能。

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