浅析轻型客车碰撞安全关键技术

姚贤涛　郑欣　徐莉　郑方强

摘 要：本文聚集于轻型客车产品的碰撞安全性能评价与技术研究，从结构安全生存空间设计、约束系统匹配开发技术和座椅系统稳固性设计技术这三个方面，浅析了轻型客车的碰撞安全问题解决路径。在轻型客车的侧翻生存空间设计方面，整理出了3条有效的技术路径;轻型客车座椅数量庞大，面对大量的限元分析任务，要保证所有座椅稳固性设计满足安全要求，本文提出了具有创新性的一模多用、一模巧用的设计思想，并在江铃某轻客车型项目中成功实施。

关键词：生存空间 座椅稳固性 碰撞安全

Analysis on the Key Technology of Light Passenger Car Collision Safety

Yao Xiantao Zheng Xin Xu Li Zheng Fangqiang

Abstract：This paper focuses on the crash safety performance evaluation and technical research of light passenger cars. From three aspects of structural safety living space design， constraint system matching development technology and seat system stability design technology， this paper analyzes the path to solve the crash safety problems of light passenger cars. In the aspect of the rolled-over living space design of light passenger cars， three effective technical paths are sorted out. There are a large number of light passenger car seats， facing a large number of finite element analysis tasks. To ensure that all seat stability design to meet the safety requirements， this paper put forward an innovative design idea of multi-purpose and skillful use of one model， and successfully implemented in a light passenger car project of JMC.

Key words：living space， seat stability， collision safety

1 前言

众所周知，我国客车市场黄金发展阶段已过，当下及未来客车市场主要增长来源于“电动化、全球化、高端化”。轻客历来是客车市场中最大的细分市场，在客车市场中地位举足轻重。轻型客车产品的高端化路线绕不开其产品本身的性能。作为评价汽车的质量指标，汽车性能不仅为技术人员提供科学的决策判断，也可为消费者提供产品购买的依据。因此，在汽车产品的改进与完善过程中，对汽车性能进行评价至关重要。对于汽车各方面性能的评价，国内外学者做了大量的研究分析，主要集中体现在发动机性能、操纵稳定性、动力性能、平顺性、燃油经济性能和碰撞安全性能[1]等方面的评价。聚集于轻型客车产品的碰撞安全性能评价与技术研究工作是将其推向“高端化”的重要有效途径。

另一方面，受行业内某轻客车型在高速路上发生碰撞导致7死7伤的重大交通事故负面影响，消费者对轻客的信心度必然会有所改变，尽管官方报道在此事故中存在超员超载、非法改装等因素，但究其根本原因，不难发现碰撞安全生存空间、座椅系统稳固性等一系列问题仍然是各大轻客生产厂商必须解决的问题。因此，消除该负面影响最有力的解决方式是在正向设计中把汽车碰撞安全性能开发纳入技术考核指标中，从源头控制风险，大力提升轻客产品的市场竞争力水平。

2 结构安全生存空间设计

2.1 正面高速碰撞吸能空间

与乘用车前部结构不同，轻客平台车型有其车头较短，发动机舱内X向碰撞空间距离较小的特点，导致的结果就是，车辆发生高速碰撞时，发动机舱内部件變形来不及吸收大部分能量而使得能量迅速传递到乘员舱内，造成前排车门很有可能受挤压变形不能开启影响救援，这就增加了车身结构耐撞性的设计难度[2][3]。

在发动机舱内的高阶布置阶段，安全开发人员应当尽可能地争取X向可溃缩区域并且要求发动机这类刚性部件靠后布置，此时，需要不停地分析竞品车型相关数据，以达到与所有属性在此区域内的布置平衡，见图1。

发动机舱内的碰撞空间确定以后，与之对应地，要进行能量分配和主要载荷传递路径上的断面力分解，其目的是保证车辆发生碰撞时，车身结构的稳定性和一致性，即变形顺序应当是从前至后，从前防撞横梁开始，吸能盒（或纵梁前端）轴向压缩完全变形吸收整车碰撞15%左右的能量，中纵梁紧随其后在X向产生折叠变形，纵梁根部（前围板下部、门槛梁最前端搭接区域）保持完全不变形，同时发动机悬置系统断裂释放部分能量。

2.2 侧翻乘员生存空间

江铃某轻客系列产品作为国内乃至全球范围内最畅销的商用车，以其优越的性能，良好的口碑，岂立于商用车市场。作为多用途功能车，特别是在作为儿童校车时，其侧翻安全性显得尤为重要，尤其是在国内M2类车型经常出现群死群伤的侧翻事故大背景下，国家也相继出台相应法规政策来应对类似事故的发生。M2类车型侧翻事故发生概率较大，尤其是长途用车。在发生侧翻工况下，优越的顶部和侧围结构抗变形能力可以支撑和保护乘员，并且能提供足够的生存空间使乘员顺利被救出[4]。

基于GB17578-2013客车上部结构强度要求，对法规要求进行深入的研究，总结法规对于M2类车型侧翻安全的重点考察项：

考察结果：结构的任何移动部件不能侵入生存空间之内;生存空间内的任何部件不得突出到变形结构之外。深入了解国标《客车上部结构强度》法规之后，将考察目标进行细分，得出国家标准法规主要考察内容的实质：M2类车型顶部结构系统刚度，侧围结构抗变形能力，局部结构承载能力。基于上述目标，将具体的流程图规划出来，如图3：

3 约束系统匹配开发技术

约束系统的匹配优化从零部件的性能验证开始。以安全气囊为例，气囊的开发设计到织布材料的力学性能实验，透气性实验，气体发生器的TANK实验以及气囊模块的线性冲击试验。通过以上实验可以评估气囊的基本性能，也为仿真提供了充足的材料和对标数据输入。目前，粒子法在模拟气囊展开的过程时国内外比较先进的技术，该方法能够较准确模拟气囊展开初期及后期的形态和性能。通过粒子法气囊与实验的对标为滑台系统的仿真提供精度保障。下图是粒子法气囊线性冲击试验的对标结果，仿真结果与实验状态吻合程度较高。

更近一步地，以整车碰撞波形或CAE仿真波形为基础建立约束系统滑台分析模型，建立约束系统零部件参数DOE分析矩阵，这些参数主要包括安全带限力等级、安全气囊排气孔直径、拉带长度等。通过对DOE的仿真结果进行统计分析，获取满足乘员伤害目标要求的最优参数组合。

根据约束系统优化获得的最优参数组合，在参数可调节范围内进行微调并制定约束系统滑台实验方案。以滑台实验结果对参数进行微调，最终确定整车的约束系统参数。

4 座椅系统稳固性设计技术

座椅稳固系统的研究内容主要包括三个方面：1）座椅和座椅固定点系统评价方法（SB0028/SB0029）;@）座椅固定点强度，即失效预测、钣金件设计、制造工艺配合等;3）座椅骨架强度标准（ST0018）。由于福特的设计标准SB0028/SB0029高于GB14167等相关国家标准，所以只要满足福特要求设计要求，即可满足相对应的国家标准。而座椅骨架本身的强度一般又供应商保准，留给主机厂最重要的技术创新点在于：1）车身和座椅组成的整个座椅系統，这个系统的力学表现，目标分解，设计方法。2）为了达成安全的座椅系统设计目标，座椅固定点及相关的车身需要使用的特殊制造工艺等。

为了直观的感受下，轻客平台座椅开发设计中，对于座椅和座椅固定点重要性的认知，我们通过某个项目的座椅开发图谱来认识下座椅开发中需要计算和研发的重要性，如下图17所示该项目中座椅数目达到120个，座位数179个，这还只是单个项目的座椅开发数目，扩大到整个平台数目更是惊人。面对庞大的座椅数目，要在有限的计算资源和时间范围内下，按时、保量完成项目开发任务：

1个模型一次提交计算同时完成多排座椅的模拟仿真[5]，比如同时完成第1、3、5、排座椅固定点强度计算。如下图18所示，一个模型同时把五排座椅都安装在模型中;车身固定方法按照法规要求在座椅固定点最前方不小于500mm，座椅固定点最后方不小于300mm内，同时固定车身的前后悬安装点;同时加载座椅加载力按照13700牛加载，其余非加载排座椅加载力按照13.7牛加载（加载力设置为非0值，可避免模型崩溃，不能计算的问题）。

1个模型一次提交计算同时完成多开发目标的模拟仿真，比如同时完成SB0028和GB14167的座椅固定点强度计算。如下图所示，第一阶段拉伸完成，力保持在14175N，这是按照法规GB14167要求进行的模拟分析（在法规规定力大小的基础上乘以1.05的设计系数，即1.05 X 13500N=14175N），接着计算没有停止，在稳定一段时间（0.06s）后，继续加载最后达到1.15 X 13500N=15525N，并保持一定时间（0.11s），这一段主要是考察SB0028的座椅固定点强度，这样就可以从一个分析结果中得到该座椅满足两个标准的情况。需要查看GB14167的分析结果，读取前0.22s的结果即可，同理要查看SB0028的分析结果，读取前0.35s的结果即可。

5 结论

本文分别从结构安全生存空间设计、约束系统匹配开发技术和座椅系统稳固性设计技术这三个方面，浅析了轻型客车的碰撞安全问题解决路径，可得出以下几点结论：

（1）聚集于轻型客车产品的碰撞安全性能评价与技术研究工作是将其推向“高端化”的重要有效途径;

（2）足够的前部碰撞空间，可能有效地避免正面高速碰撞发生时，车门被挤压的风险;

（3）对于轻型客车的侧翻生存空间设计有3条有效的技术路径;

（4）轻型客车座位数量庞大，在设计过程中，要保证所有座椅稳固性设计满足安全要求，本文提出了具有创新性的一模多用、一模巧用的设计思想，并在江铃某轻客车型项目中成功实施。

参考文献：

[1]汽车碰撞安全性仿真基本理论及其优化设计[J]. 潘军华，桓耀辉.中国高新技术企业.2010（21）.

[2]微型客车的碰撞安全性设计与改进技术研究[J]. 雷正保，彭子荣.长沙理工大学学报（自然科学版）.2004（01）.

[3]轻型客车正面碰撞车架吸能结构优化设计[J]. 王大志，孔凡忠，黄世霖，张金换. 公路交通科技2004（02）.

[4]客车侧翻仿真与试验分析[J]. 纪绪北，雷发荣，潘亚南，陈龙. 客车技术与研究.2019（04）.

[5]汽车碰撞安全性有限元分析研究现状及趋势[J]. 汪伟，辛勇. 科技广场.2008（07）.