客车被动安全研究主要方法及内容

李仕锋，丁良旭，曹源文

（1.重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074；2.国家客车质量监督检验中心，重庆 401122）

1 客车被动安全法规标准现状

1.1 国外状况

欧美客车的安全性在全球享有很高的声誉，其客车安全法规相比其他国家要健全和完善，很多国家的法规也都是参照欧美标准修改制定的。目前涉及客车被动安全性的欧洲法规主要有：ECE R14《关于机动车安全带安装固定点认证的统一规定》、ECE R17《关于就座椅、座椅固定点和头枕方面批准车辆的统一规定》、ECE R29《关于就商用车驾驶室乘员保护方面批准车辆的统一规定》、ECE R52《关于小型公共运输车辆的结构的统一规定》、ECE R66《关于就上部结构强度方面批准大型客车的统一规定》和ECE R80《关于就座椅及其固定点方面批准大型客车座椅和车辆的统一规定》等。

美国汽车安全技术法规中涉及客车被动安全性的主要有：FMVSS 201《乘员在车内碰撞时的防护》、FMVSS 207《座椅系统》、FMVSS 208《汽车乘员碰撞保护》、FMVSS 210《座椅安全带总成固定点》和FMVSS 217《客车紧急出口及车窗的保持与解锁》等。至今，美国仍是世界上拥有最完整校车标准体系的国家，专门针对学童客车的被动安全法规就有三项：FMVSS 220《校车翻滚保护》、FMVSS 221《校车车身联接强度》、FMVSS 222《校车乘员座椅及碰撞保护》。

上述法规中，在国际上被广泛接受的客车被动安全法规是关于客车上部结构强度的标准ECE R66和ECE R52。ECE R66是动态试验，考核客车倾翻时上部结构的承载能力；ECE R52是静态试验，考核客车倾翻后顶部朝下时上部结构的承载能力。许多国家对客车上部结构强度的法规，如澳大利亚设计规则ADR 59/00:1998《公共汽车倾翻强度》、南非SANS 1563:2005《大客车上部结构强度》、印度AIS-031《客车结构强度》和我国GB/T 17578-1998《客车上部结构强度的规定》等都是在ECE R66的基础上修改制定的。相比ECE R52，ECE R66在国际上影响更深远[1]。

ECE R66法规经过不断修订，现在已有3个系列版本：R66-00系列于1986年12月发布实施，现在使用得较少；R66-01系列于2005年11月开始实施，现在使用得最多，占我国客车出口认证试验的绝大部分，与R66-00系列的主要区别：有乘员约束装置的座椅上增加34 kg或68 kg配重，以真实再现车辆实际事故时的情景，同时锁止悬架，使碰撞能量最大程度上被上部结构变形吸收，考核客车上部结构强度更加严格；R66-02系列于2010年8月开始实施，在R66-01系列的基础上，增加了对16座以上的B级客车上部结构强度的要求，技术要求和试验方法没有变化。

1.2 国内状况

目前，我国已颁布实施的客车被动安全标准涉及客车结构、座椅、安全带等，主要包括GB/T 17578-1998《客车上部结构强度的规定》、GB 13057-2003《客车座椅及其车辆固定件的强度》、GB 18986-2003《轻型客车结构安全要求》、GB 14167-2006《汽车安全带安装固定点》、GB 13094-2007《客车结构安全要求》、GB 24406-2009《小学生校车座椅及其车辆固定件的强度》和GB 24407-2009《专用小学生校车安全技术条件》等。

GB 18986-2003中有对客车顶部结构强度的要求；GB 13094-2007规定自2011年2月1日开始强制执行对客车上部结构强度要求，主要技术要求需满足GB/T 17578；GB 24406-2009和 GB 24407-2009是主要参考美国FMVSS 222制定的，GB 24407-2009明确规定专用小学生校车要满足GB/T 17578中规定的上部结构强度要求，此部分已于2012年1月1日起正式实施；GB/T 17578-1998是等效采用ECE R66-00系列中整车倾翻试验的规定，现已不能满足现实要求，正在参照ECE R66-01系列修订成为强制性标准GB 17578。据报批稿了解，修订后的该标准要求在装有乘员约束装置的座椅上配重每个乘员质量的一半，65 kg对成人乘员也可配重，其他要求与ECE R66-01基本一致。

客车正面碰撞事故约占整个客车事故的60%，我国乃至世界至今仍未制定客车正面碰撞的相关标准，无法对客车前部结构碰撞性能进行评价。国内相关研究人员和企业，参照ECE R29《商用车驾驶室乘员保护》和GB 11551-2003《乘用车正面碰撞的乘员保护》，已开展了客车正面摆锤碰撞的试验研究及障碍壁碰撞的仿真分析，提出了使用加重摆锤正面撞击客车前部结构和使用台车进行座椅强度及乘员保护的动态试验方案，为客车正碰标准的制定进行了有益的探索。

2009年9月，我国已开始交通运输部科技项目《营运客车安全评价标准》的编制工作。通过制定和修订《客车上部结构强度规定及试验方法》、《客车前部结构强度规定及计算机模拟计算要求》、《客车发动机可变进气制动缓速装置技术要求及试验方法》、《客车轮胎爆胎保险装置技术要求及试验方法》和《客车用液力缓速器制动装置技术要求及试验方法》5项标准，提出针对有关营运客车安全标准的技术要求，制定切实可行的试验方法，从而使我国营运客车安全标准体系更加完善。

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2 客车被动安全研究方法

客车被动安全研究方法目前主要有试验研究和计算机仿真。试验方法成本高，周期长，设备可能较昂贵，但试验结果直观、有效、可靠。为了降低成本，缩短开发周期，人为改变输入条件等，现在基于有限元的客车被动安全性能数值仿真分析方法得到广泛应用。但仿真分析仍需在试验数据验证后，才能放心采用。

2.1 试验研究

汽车被动安全性的研究最早是通过试验来进行的，主要包括台架冲击试验、台车碰撞模拟试验和实车碰撞试验等。国外利用尸体的台车碰撞试验研究了倾斜座椅中不常见但比较安全的一种工况，即将椅背向后倾斜的同时也将椅垫前端向上调整[2]。研究表明，该姿态在碰撞时，使座椅在一定程度上分散了安全带给乘员的力，使得乘员比较安全，为乘员约束系统设计提供参考。

由于翻滚事故造成的高死亡率，车辆的翻滚安全性成为国内外近几年车辆被动安全性研究的重点。统计分析发现，许多翻滚事故是由车辆的侧向平动引起的，而已有的试验方法未能考虑车辆在侧向平动时乘员的运动姿态，只考虑了车辆翻滚过程中的乘员运动姿态。鉴于此，有研究人员开发了一种新的翻滚试验方法[3]，即将台车、假人和约束系统侧向翻滚，台车上装有代表车辆悬架系统的弹簧。结果表明，该试验方法有较好的重复性，同时能反映实车翻滚前和翻滚中乘员的运动姿态，为开发更安全的乘员约束系统提供了依据。

近年来，国内不少客车厂家为提升市场竞争力，抢占海外市场，成功开展了客车上部结构强度试验（包括倾翻试验和顶部静压试验），座椅及其固定件强度、安全带固定点强度等出口认证试验。国家客车质量监督检验中心参照法规ECE R29《商用车驾驶室乘员保护》，采用正面摆锤撞击的方式，对国内某款客车进行了探索性的正面碰撞试验，同时结合客车与摆锤及障碍壁正面碰撞的仿真分析，提出了采用摆锤撞击试验和座椅动态碰撞试验相结合替代客车障碍壁正面碰撞试验的方案，既便于考核客车前部结构强度和对驾驶员的保护，又便于考核座椅强度和对车内乘员的保护，还降低了客车制造商的试验成本，是一种较为稳妥、可行的试验方法，为客车正面碰撞标准的制定提供了有益参考。

2.2 仿真研究

随着计算机软、硬件技术的发展及其在客车产品开发和试验中的应用，基于有限元法的计算机模拟仿真技术在客车被动安全研究方面的应用扮演了愈来愈重要的角色。与实车碰撞试验相比，计算机仿真分析具有周期短、费用低、可重复、数据获取方便、不受时空和气候条件限制的优越性，并且仿真结果可以对实车试验进行预测，为实车试验提供指导和帮助。

从文献资料来看，在客车被动安全的计算机仿真研究方面，多数是结合试验辅助以仿真分析来对比验证模型建立的准确性，为后续的结构改进和优化奠定基础。仿真研究对象主要集中在客车正面摆锤、障碍壁碰撞试验、倾翻试验、座椅动态试验及人体局部生物力学等方面。

尽管仿真分析较试验研究有比较优势，但是采用计算机仿真分析并不意味着放弃试验技术。仿真的结果只是对客车结构安全性的预先估计，只有最终的产品试验才能真实反映产品的性能，并且模型中的参数和边界条件要根据相关的试验获得，模型的正确性还要通过试验来验证。因此，试验技术与仿真技术是相辅相成和相互促进的，以仿真分析和试验验证相结合的研究方法将是客车被动安全研究的主要方法。

3 客车被动安全研究主要内容

近年，我国通过学习和借鉴国外先进客车被动安全技术，除了在传统的客车被动安全性方面开展相关研究外，现在主要围绕三个领域开展研究[4]。

3.1 车体结构耐撞性研究

客车车体结构耐撞性研究主要是研究车身结构对碰撞能量的吸收特性，寻求改善车身结构耐撞性的方法，使得车身结构在外力冲击下能以预计的方式变形，其变形量能控制在一定的范围内，在保证客车乘员生存空间的前提下，车身变形吸收的能量最大，从而使传递给车内乘员的碰撞能量降低到最小，尽可能使乘员受伤害程度降到最低。

客车的翻滚安全性是国外客车车体结构耐撞性研究的热点，欧洲和美国分别对翻滚开展了相关的试验研究，同时制定了相应的法规ECE R66和FMVSS 220。图1为匈牙利结合本国实际客车翻滚事故案例开展的三种形式的试验研究[5]。经过案例分析和试验对比发现，第三种试验方法即ECE R66中规定的整车倾翻试验方法，考核客车上部结构强度更为全面和严格。与欧洲区别很大的是美国对车辆翻滚安全性的考核采用平台动态翻车的试验方法，如图2所示。要求将测试车辆放在平台夹角为23°的平台小车上，在不大于1 m的距离内，使平台从50 km/h减速到零，测试车辆因惯性而向外抛出并着地翻滚后的乘员空间变化情况，要求平台在减速和车辆翻倒过程中不改变运动方向，无侧向和旋转运动，减速度不小于20 g，持续时间不少于0.04 s。

国内目前对于客车车体结构耐撞性的研究，主要按照正碰、侧碰、倾翻三种碰撞形式，分别开展了客车前部、侧部、上部的结构吸能及强度、刚度等方面试验研究和仿真分析。通过对冲压壳体式与型材骨架式车辆倾翻试验结果对比分析发现，冲压壳体式车辆的试验通过率相对偏低，建议厂家多采用型材骨架式更易满足法规要求。另外，许多研究人员都在积极探索潜在的新型结构和材料，希望在减轻客车重量的同时提高其耐撞性能，同时还开始了焊点类型和分布位置对车体结构强度、刚度等方面影响的研究。

3.2 乘员约束与保护系统研究

乘员约束与保护系统在碰撞中与乘员直接发生作用，影响乘员伤害指标，是提高客车乘员安全性的重要环节，也是客车被动安全技术的核心。在保证客车车体耐撞性的前提下，研究和改善乘员约束与保护系统的结构参数和材料特性是进一步提高客车被动安全性的关键。

国外一直在致力于提高客车乘员约束与保护系统的研究，分别开展了安全带、安全转向系统、安全内饰件及智能约束系统等研究工作。先后设计了卷收器、自动锁止卷收器和紧急自动锁止卷收器等来提高安全带的约束性能，还开发了安全带预紧器、充气式安全带、儿童安全带系统等。在安全转向系统方面，开发的压馈式转向管柱能在转向盘受到的碰撞力达到一定值时顺利地产生位移（被压馈），从而将转向盘的碰撞阻力限制在一定范围内。在安全内饰件研究方面，先后设计了安全座椅、吸能式转向器、安全仪表板和膝垫等，并在不断寻求吸能式内饰件衬垫材料[6]。另外，有研究人员利用计算机仿真技术对不同类型的假人，针对尾撞不同试验标准，研究了主动式头枕的作用，以及座椅其他参数对假人伤害指标的影响。能够根据不同的乘员位置和体征、不同的碰撞形式和强度为乘员提供最优保护的智能式乘员约束系统一直在努力探索中，不断有新的产品研制成功并推广应用。

目前，我国客车乘员约束与保护系统主要由座椅和安全带组成，未来我国客车除了进一步完善和改进这些系统外，还要开发更安全、更舒适的乘员约束系统。考察座椅的被动安全性能主要从静态试验和动态试验来评价，动态试验更能反映交通事故发生时，座椅强度和乘员动态响应情况。建议采用动态试验来评价座椅及其车辆固定件的强度[7]。对比ECE R80和ADR 68/00中对台车试验的规定发现，后者在碰撞试验条件和人体损伤限值等方面要求更为严格，被认为是目前世界上最严格的座椅动态试验法规。国家客车监督检验中心通过多次试验结果总结如下，为了能更顺利地通过ADR 68/00要求[8]，建议厂家：首先，在座椅后靠背的重要位置采取良好的吸能措施，用以缓冲和吸收来自后排座椅乘客撞击能量；其次，合理设计座椅靠背强度，使座椅靠背具有一定柔性，在碰撞过程中既保证变形又保持强度；再次，可采用带有速度感应功能的锁止式卷收器的安全带，在碰撞瞬间感应速度变化，迅速张紧安全带，将乘客固定在座位上。

3.3 人体碰撞生物力学研究

人体碰撞生物力学是客车被动安全技术研究的基础，也是研究的难点，是一项多学科交叉的研究内容。它涉及工程学、人体解剖学、生理学和医学等领域，主要是根据人体生理学和医学把人体能耐受的冲击极限值定量化，用工程学观点来研究人体对碰撞冲击的响应，以此来衡量乘员保护装置的性能要求和需要进一步完善的程度。

目前，国外在碰撞生物力学领域开展的试验研究主要包括两类：一是研究生物体碰撞响应特性的基础性试验，如头部损伤耐受度（HIC）和胸部损伤耐受度（VC）等就是通过此类试验得到；二是研究汽车乘员约束和防护设施的碰撞试验，碰撞试验的危险性决定了必须采用模型来代替真人试验。试验模型主要有三类：一是生物力学模型，如志愿者试验、尸体试验、动物试验等；二是机械假人模型。目前世界各国汽车安全性评价主要依赖假人模型试验，因生物力学保真度界域的特殊性，使得至今尚未研制出满足各个方向碰撞响应参数的假人。国外有研究人员比较了在低速尾撞工况下，志愿者和RID2尾撞假人颈部的动态响应和颈部伤害标准值（NIC），验证了RID2假人有良好的生物仿真性[9]；三是人体数学模型，此类模型的建立、验证和参数分析已成为碰撞生物力学仿真研究的重点。

国内对人体碰撞生物力学的研究起步较晚。目前的研究主要是跟踪和引入国际前沿领域的研究成果，建立人体局部生物力学模型，通过相关的试验验证模型的可靠性，对其碰撞损伤机理进行研究，同时进行一些基础的假人和动物试验，逐步开展尸体和志愿者试验。将生物力学研究和中国人体特征相结合，建立适用于中国人体防护研究的基础数据库、人体模型、试验假人、损伤评价标准和人体耐受度指标等，将是我国碰撞生物力学研究的重要任务。

4 结束语

客车被动安全涉及的社会面广，无论是驾乘人员，还是政府管理部门，都对未来客车安全性的要求愈来愈高。因此，只有不断健全和完善客车安全法规，加强我国客车被动安全技术研究，不断学习和借鉴国外先进技术，才能保证我国客车工业在激烈的国际市场竞争中立于不败之地。

[1]王欣,丁良旭.客车被动安全试验技术[J].客车技术与研究,2009，31(5):50-52.

[2]Wiechel J,Bolte J.Response of Reclined Post Mortem Human Subjects to FrontalImpact[C].SAE Paper,2006-01-0674.

[3]McCoy RW,Clifford C,etal.A Dynamic Component Rollover Crash TestSystem[C].SAE Paper,2006-01-0721.

[4]李克强，张金换，等.汽车安全技术发展研究[M].北京:中国科学技术出版社,2008:73-86.

[5]Matolcsy,M.The Severity of Bus Rollover Accidents.Scientific Society of Mechanical Engineers,2007 Paper NO.070989.

[6]Song Jian,Wang Weiwei,etal.Research Status and Prospects of Automotive Safety Technology[J].Automotive Safety and Energy,2010,No.2:98-106.

[7]覃祯员，王欣，颜长征，等.客车乘客座椅布置对乘员损伤影响的试验研究[J].客车技术与研究，2011，33（4）：49-52.

[8]A National Standard Determined under Section 7 of the Act-Australi an.Design Rule 68/00 Occupant Protection in Buses[S].Motor Vehicle Standards Act.Australian.

[9]Croft AC,Philippens MMGM.The RID2 Biofidelic Rear Impact Dummy.A Validation Study Using Human Subjects in Low Speed Rear Impact FullScale Crash Tests Neck Injury Criterion[C].SAE Paper,2006-01-0067.