新法规校车座椅的设计开发

陈建设，郑红武

（1.柳州五菱汽车工业有限公司，广西 柳州 545007；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

随着中国经济的飞速发展，人民生活水平的不断提高，对生命安全的重视程度也越来越高，面对不断出现的校车安全事故，让人们更加意识到校车安全必须解决。国家近期不断出台跟校车安全相关的法律法规。作为校车安全的重要组成部分——校车座椅，这一关乎学生生命安全的重要部件被单独提出，并要求执行强制法规GB24406，其版本也由原来的2009，更新为2012。这一标准法规，详细规定了校车座椅的组成、安装、配置、强度等方面应该达到的要求，确保学生在车辆发生紧急情况下，伤害降到最低。

本文根据新法规的要求，以某款小学生校车座椅的结构设计为实例，介绍了如何进行校车座椅的设计开发。

1 新旧法规的对比分析

《专用校车学生座椅系统及其车辆固定件的强度》由GB 24406-2009变更为GB 24406-2012，其意义发生了很大变化，原来只是单纯的强调强度，执行静态试验方法，而新标准则需要动静结合，以实际的动态模拟碰撞，来检验伤害情况。具体不同点表现在以下几点：

（1）2009版的法规，适用范围为专用小学生校车，而2012版的法规，则扩展到学生校车，包括幼儿校车、小学生校车、中学生校车等用于专门运输学生的校车；

（2）2012版法规增加了校车上安装于座椅前方的约束隔板，需要执行与座椅相同的动态试验检测；

（3）两则法规的最大不同点在于，2012版将验证前倾性能和座椅靠背后部的吸能特性的静态试验方法，修改为动态试验方法，采用假人动态滑车碰撞，更加注重实际安全效果评价。

具体介绍如下：

2009版座椅的前倾性能，按照图1要求对靠背施力，检测其安全性。

图1 力-位移曲线

2012版要求对座椅和隔板按照图2进行模拟动态碰撞，并且使用符合GB 27887中规定的6岁人体模型和国际通用的混合III型第5百分位人体模型，各进行一次动态试验，通过对试验后的伤害指标进行评价，判断座椅是否合格，这样更贴近交通事故的实际情况，也更加安全，但对座椅本身也提出更高要求。

2 现有座椅的状态分析

通过对现在生产状态的座椅进行详细分析，以及结合多次试验的结果，可以确定主要有以下两点不足：

图2 减速度或加速度-时间的曲线

（1）现在生产状态的座椅强度很强，虽然强度满足国家法规，但存在设计不合理，强度过剩，造成整车总质量及成本增加，具体结构形式见图3。

图3 现有座椅结构形式

（2）目前状态的座椅骨架，使用的是方管，在内部突出物以及座椅靠背后部的吸能特性上，是不符合法规要求的。

3 新状态座椅的三维设计

根据新法规的要求和对现状态座椅进行的分析研究，确定我们需要注意的几个方面：

（1）现在座椅强度是足够的，但对于碰撞的安全性来说，是无法保证的，没有针对动态碰撞伤害做专门的设计处理；

（2）新法规的动态碰撞试验，要求座椅靠背具有足够的弹性，能够充分吸收碰撞过程产生的能量，避免对人员造成伤害；

（3）座椅抗后倾试验，要求座椅具有足够的刚性，能够承受车辆突然加速，乘员的故意冲击等情况下，冲击力对座椅的伤害，确保座椅不变形、不破坏；

（4）优化具体结构，降低产品成本费用。

根据上述情况，利用三维设计软件UGNX7.5进行详细的结构设计，初步完成的座椅结构模型见图4。

图4 初步完成的座椅结构模型

4 CAE分析及设计优化

CAE分析是在理论上评价设计是否满足法规要求，主要分成静态强度CAE分析以及动态碰撞模拟CAE分析。需要使用假人体数模模型，CAE分析主要是优化设计，指导完善设计，并让实际试验成功的可能性更大。由于试验费用比较高昂，所以CAE分析更加重要，对缩短开发周期，也起到至关重要的作用。

4.1 座椅安全带安固定点强度的CAE分析

进行座椅安全带安固定点强度的CAE分析，由于此座椅设计是2人座，所以分析时安全带也必须是2个安全带。座椅骨架受力情况见下图5，未发生严重变形或失效。

图5 座椅骨架受力情况图

4.2 靠背的抗后倾CAE分析

做靠背的抗后倾CAE分析，受力情况见图6 a，发生塑性变形，不符合法规要求，对设计进行优化，再做CAE分析，结果符合要求，见图6 b。

图6 靠背的抗后倾CAE分析

4.3 抗前倾的动态碰撞模拟CAE分析

做抗前倾的动态碰撞模拟CAE分析。

（1）先分析在使用混合III型第5百分位人体模型时的受力和伤害指标情况，并且按照系安全带和不系安全带两种状态来分析，图7是不系安全带的情况，从分析结果来看（见图8、图9），符合法规要求：

图7 不系安全带的碰撞模拟情况

图8 5%假人胸部和头部加速度曲线

图9 5%假人大腿力曲线

（2）然后分析在使用符合GB 27887中规定的6岁人体模型时的受力和伤害指标情况，并且按照系安全带和不系安全带两种状态来分析，图10是系安全带的情况，从分析结果来看（见图11），符合法规要求：

图10 系安全带的碰撞模拟情况

图11 6岁儿童假人胸部和头部加速度曲线

5 设计完善及验证

通过对上述CAE分析结果的研究，以及CAE分析人员的优化建议，对整个座椅的详细结构进行设计优化，然后再重新进行一遍CAE分析工作，直到每一个分析都是通过的，在理论上是满足法规要求的。然后，再进行工装样件的制作，制作样椅，并到国家级实验机构进行相关试验验证。根据试验验证情况，再结合CAE分析来完善最终的设计，并发布设计数据进行批量生产。

6 结束语

本次设计通过对新、旧法规的对比研究，以及对现状态的座椅结构进行分析，并针对新法规更改较大的部分，进行适应性的设计更改，辅助CAE分析工具的应用，成功地设计开发出一款成本较低、安全性能较高的小学生校车座椅。

[1]GB24406-2009，专用小学生座椅及其车辆固定件的强度[S].

[2]GB24406-2012，专用校车学生座椅系统及其车辆固定件的强度[S].

[3]GB24407-2012，专用校车安全技术条件[S].