客車座椅車輛固定件強度靜態試驗載荷確定方法研究

徐海瀾, 王若璜, 朱紅巖

(招商局檢測車輛技術研究院有限公司, 重慶 401329)

近年來國內公路客車大部分群死群傷的交通事故發生時車速都較快,國內客車座椅標準亟需提升[1]?，F行GB 13057—2014[2]的試驗車速為30 km/h,與歐標UN R80[3]相同,已經無法滿足國情需要,而目前國際上動態試驗車速要求最高為澳標ADR 68/00[4],其速度為50 km/h左右,故可參考澳標將國標的動態試驗車速提升至50 km/h。但由于動態試驗速度的提升需同步提高客車座椅車輛固定件強度(以下簡稱車輛固定件強度)的靜態試驗載荷,而ADR 68/00中雖然提供了靜態試驗方法,但并未給出試驗載荷的具體確定方法,導致對應的車輛固定件強度靜態試驗難度較大。目前針對客車座椅的研究大都是關于座椅的乘員保護[5-8]、結構改進[9-10]和標準介紹[11-12],而關于車輛固定件強度靜態試驗方法的研究很少。本文對車輛固定件強度靜態試驗載荷的計算方法進行研究,為開展靜態試驗和GB 13057的修訂提供參考。

1 動態和靜態試驗方法簡介

1.1 動態試驗方法

本文所討論的車輛固定件強度動態試驗的試驗車速為(50±1)km/h,加速度波形為大于20g持續至少30 ms,假人放置分為以下兩種方案:

1) 方案一,按照現行GB 13057—2014進行放置。后面一排放置無約束假人,前面一排不放假人,即共2個假人。

2) 方案二,按照ADR 68/00進行放置。后面一排放置無約束假人,前面一排放置有約束假人,即共4個假人。

動態試驗過程中,若后排假人的任何部位沒有超過后排座椅R點前方1.6 m的橫向垂面,則認為座椅和車輛固定件能夠承受住假人的沖擊。

1.2 靜態試驗方法

本文所討論的需要確定試驗載荷的車輛固定件強度靜態試驗方法引自ADR 68/00,具體描述為:將剛性座椅工裝安裝在與實際車輛固定件結構相同的模擬地板上,在750 mm高度對工裝施加沿縱向向前的載荷F,考核車輛固定件是否能夠承受住該載荷,如圖1所示。ADR 68/00中對于載荷F的確定提供了兩種方法:一是根據動態試驗得到的載荷進行試驗,但并沒有提供相應的載荷獲得方法;二是采用座椅靜態試驗載荷,但該載荷原本是通過座椅自身安全帶進行加載,若將該載荷按照車輛固定件強度靜態試驗的方法加載在剛性座椅工裝上,其試驗結果往往是通過了動態測試的車輛固定件卻完全無法在車輛固定件強度靜態試驗中承受住該載荷,說明座椅靜態試驗載荷要遠大于車輛固定件強度靜態試驗載荷,無法正確反映動態試驗結果。靜態試驗時若載荷在2 s內能夠加載到目標載荷并保持至少0.2 s,則認為車輛固定件能夠承受住目標載荷。

圖1 車輛固定件強度靜態試驗示意圖

基于上述情況,目前業內還無法開展對應的車輛固定件強度靜態試驗。本文的目的就是得出一種能夠根據車輛固定件強度動態試驗數據確定相應的靜態試驗載荷F的方法。

2 靜態試驗載荷的計算方法及推薦值

2.1 計算方法

本文采用通過對車輛固定件強度動態試驗進行動力學分析推導靜態載荷的計算方法。本文所考慮的車輛固定件強度動態試驗均為能夠承受住假人沖擊的情況,故若動態試驗結果為無法承受住假人沖擊,則不能采用本文中的計算方法計算靜態試驗載荷。圖1所示的車輛固定件強度動態試驗可用式(1)所示的動力學模型表示:

(1)

式中:F為系統所受外力;t為外力持續時間;m為系統中各物體的質量;ΔV為系統中各物體的速度變化量。

將假人和前排座椅看成是一個系統,從碰撞開始到座椅靠背變形量達到最大的這一過程中,假人和座椅的速度均從50 km/h降到0 km/h,整個系統的動量發生了變化,而造成這一變化的原因則是這段時間內車輛固定件沿車輛行駛方向施加在這個系統上的外力所致,所以在車輛行駛方向上式(1)可變為:

(2)

(3)

2.2 推薦值的確定

通過式(3)可知,要得到載荷F的大小,需要確定座椅的質量ms、假人的質量mD、平均載荷施加時間tT以及座椅的速度變化ΔVs。說明要確定某個車輛固定件靜態試驗的載荷大小需要用到相對應的動態試驗數據。然而在車輛開發初期,并不一定會有對應的動態試驗數據,所以為了解決無動態試驗數據支撐時需要通過靜態試驗驗證車輛固定件的情況,本文選取各參數的平均值代入式(3)中得到平均靜態試驗載荷,以此作為靜態試驗載荷的推薦值,為企業提供靜態試驗加載依據。由于該推薦值是區分車輛固定件能否在動態試驗中承受假人沖擊的指標,所以確定推薦值所需的動態試驗相關數據必須是能夠承受住假人沖擊的數據。

已知單個TNO-10假人的質量mD是確定的,為75.5 kg,其試驗速度變化ΔVD即為座椅速度變化ΔVs,取動態試驗速度要求的中間值50 km/h (即13.9 m/s)。方案一放置2個假人,所以n=2;方案二放置4個假人,所以n=4。

座椅質量ms和平均載荷施加時間tT則通過統計分析能夠承受住假人沖擊的動態試驗數據獲得中間值。本文統計的50 km/h碰撞速度下能夠承受住假人沖擊的動態試驗共有36次,其中方案一有9次,方案二有27次。所有動態試驗均為雙人座椅,其座椅質量在35～43 kg之間,ms中間值為39 kg。平均載荷施加時間tT通過高速攝像分析試驗過程中座椅靠背前傾到最大變形角度所用時間的方法得到。經過分析,方案一的平均變形時間為0.137 s,方案二的平均變形時間為0.150 s。

將所有已知參數代入式(3)可得:

方案一:

方案二:

從上述計算可知,雙人椅方案一的平均靜態試驗載荷為19 277 N,即9 639 N/座位;方案二的平均靜態試驗載荷為31 599 N,即15 800 N/座位;取5%的保險系數并按能被500 N整除進行湊整后得到推薦值為方案一為10 000 N/座位和方案二為16 500 N/座位。

3 試驗驗證

通過采用動態試驗和靜態試驗對車輛固定件造成的垂直方向上的形變結果的一致性來表征靜態試驗載荷的有效性。為了方便測量和保證測量精度,選取試驗中車輛固定件上最大變形發生的位置進行測量。通過大量的試驗可知,車輛固定件最大變形位置通常為側掛最靠后的固定點附近。

對某型雙人椅及其車輛固定件分別進行方案一和方案二的車輛固定件強度動態試驗,試驗結果顯示該座椅及其車輛固定件能夠承受住兩個方案的假人沖擊。試驗座椅的質量為38 kg,試驗速度分別為13.78 m/s和13.84 m/s,記錄座椅最大變形時刻和試驗后側掛的最大垂直變形量,試驗如圖2所示。結果顯示方案一和方案二動態試驗時座椅靠背最大變形時刻分別為131 ms和146 ms,側掛的最大垂直變形量分別為9 mm和26 mm。

(a) 方案一

(b) 方案二圖2 方案一和方案二動態試驗座椅最大變形時刻和側掛最大變形量

將所有已知參數代入式(3)可得到該試驗對應的理論等效載荷,對于方案一:

與方案一的平均值19 277 N的差異為3%,說明方案一的平均值具有代表性。

對于方案二:

與方案二的平均值31 599 N的差異為2%,說明方案二的平均值也具有代表性。

對應的車輛固定件強度靜態等效測試采用剛性座椅工裝并按照與動態試驗相同固定點進行固定,為更加精確地測量側掛的縱向變形量,靜態試驗采用拉線式位移傳感器進行測量,如圖3所示。

將靜態試驗載荷設置成推薦值,即方案一為10 000 N/座位,方案二為16 500 N/座位,開展等效靜態試驗。傳感器和拉力機的輸出結果如圖4所示。結果顯示,靜態試驗載荷均能達到目標值并保持0.2 s以上,說明該車輛固定件能夠承受住兩個方案的目標載荷,與動態試驗結果一致。經測量,當拉力為10 000 N/座位時,側掛最大位移為10.79 mm;拉力為16 500 N/座位時,側掛最大位移為24.43 mm,與動態試驗結果分別相差1.79 mm和-1.57 mm。考慮到20 000～30 000 N左右的載荷以及不同測量方法和樣品差異帶來的誤差,整體變形量誤差在2 mm以內是可以接受的,故可認為靜態試驗載荷推薦值的設置是比較合理的。

(b) 方案二圖4 靜態試驗載荷-時間-側掛位移曲線

4 結束語

本文得出了50 km/h碰撞速度下客車座椅車輛固定件強度靜態試驗載荷的確定方法,能夠通過動態試驗結果數據推算出對應的靜態試驗載荷,并且給出了兩種假人放置方案下的載荷推薦值。可用于在客車座椅不變的情況下變更車輛固定件時對新的車輛固定件強度進行驗證,以及在沒有動態試驗數據的情況下開展靜態試驗,對車輛固定件強度進行初步的驗證。