客车座椅车辆固定件强度静态试验载荷确定方法研究

徐海澜, 王若璜, 朱红岩

(招商局检测车辆技术研究院有限公司, 重庆 401329)

近年来国内公路客车大部分群死群伤的交通事故发生时车速都较快,国内客车座椅标准亟需提升[1]。现行GB 13057—2014[2]的试验车速为30 km/h,与欧标UN R80[3]相同,已经无法满足国情需要,而目前国际上动态试验车速要求最高为澳标ADR 68/00[4],其速度为50 km/h左右,故可参考澳标将国标的动态试验车速提升至50 km/h。但由于动态试验速度的提升需同步提高客车座椅车辆固定件强度(以下简称车辆固定件强度)的静态试验载荷,而ADR 68/00中虽然提供了静态试验方法,但并未给出试验载荷的具体确定方法,导致对应的车辆固定件强度静态试验难度较大。目前针对客车座椅的研究大都是关于座椅的乘员保护[5-8]、结构改进[9-10]和标准介绍[11-12],而关于车辆固定件强度静态试验方法的研究很少。本文对车辆固定件强度静态试验载荷的计算方法进行研究,为开展静态试验和GB 13057的修订提供参考。

1 动态和静态试验方法简介

1.1 动态试验方法

本文所讨论的车辆固定件强度动态试验的试验车速为(50±1)km/h,加速度波形为大于20g持续至少30 ms,假人放置分为以下两种方案:

1) 方案一,按照现行GB 13057—2014进行放置。后面一排放置无约束假人,前面一排不放假人,即共2个假人。

2) 方案二,按照ADR 68/00进行放置。后面一排放置无约束假人,前面一排放置有约束假人,即共4个假人。

动态试验过程中,若后排假人的任何部位没有超过后排座椅R点前方1.6 m的横向垂面,则认为座椅和车辆固定件能够承受住假人的冲击。

1.2 静态试验方法

本文所讨论的需要确定试验载荷的车辆固定件强度静态试验方法引自ADR 68/00,具体描述为:将刚性座椅工装安装在与实际车辆固定件结构相同的模拟地板上,在750 mm高度对工装施加沿纵向向前的载荷F,考核车辆固定件是否能够承受住该载荷,如图1所示。ADR 68/00中对于载荷F的确定提供了两种方法:一是根据动态试验得到的载荷进行试验,但并没有提供相应的载荷获得方法;二是采用座椅静态试验载荷,但该载荷原本是通过座椅自身安全带进行加载,若将该载荷按照车辆固定件强度静态试验的方法加载在刚性座椅工装上,其试验结果往往是通过了动态测试的车辆固定件却完全无法在车辆固定件强度静态试验中承受住该载荷,说明座椅静态试验载荷要远大于车辆固定件强度静态试验载荷,无法正确反映动态试验结果。静态试验时若载荷在2 s内能够加载到目标载荷并保持至少0.2 s,则认为车辆固定件能够承受住目标载荷。

图1 车辆固定件强度静态试验示意图

基于上述情况,目前业内还无法开展对应的车辆固定件强度静态试验。本文的目的就是得出一种能够根据车辆固定件强度动态试验数据确定相应的静态试验载荷F的方法。

2 静态试验载荷的计算方法及推荐值

2.1 计算方法

本文采用通过对车辆固定件强度动态试验进行动力学分析推导静态载荷的计算方法。本文所考虑的车辆固定件强度动态试验均为能够承受住假人冲击的情况,故若动态试验结果为无法承受住假人冲击,则不能采用本文中的计算方法计算静态试验载荷。图1所示的车辆固定件强度动态试验可用式(1)所示的动力学模型表示:

(1)

式中:F为系统所受外力;t为外力持续时间;m为系统中各物体的质量;ΔV为系统中各物体的速度变化量。

将假人和前排座椅看成是一个系统,从碰撞开始到座椅靠背变形量达到最大的这一过程中,假人和座椅的速度均从50 km/h降到0 km/h,整个系统的动量发生了变化,而造成这一变化的原因则是这段时间内车辆固定件沿车辆行驶方向施加在这个系统上的外力所致,所以在车辆行驶方向上式(1)可变为:

(2)

(3)

2.2 推荐值的确定

通过式(3)可知,要得到载荷F的大小,需要确定座椅的质量ms、假人的质量mD、平均载荷施加时间tT以及座椅的速度变化ΔVs。说明要确定某个车辆固定件静态试验的载荷大小需要用到相对应的动态试验数据。然而在车辆开发初期,并不一定会有对应的动态试验数据,所以为了解决无动态试验数据支撑时需要通过静态试验验证车辆固定件的情况,本文选取各参数的平均值代入式(3)中得到平均静态试验载荷,以此作为静态试验载荷的推荐值,为企业提供静态试验加载依据。由于该推荐值是区分车辆固定件能否在动态试验中承受假人冲击的指标,所以确定推荐值所需的动态试验相关数据必须是能够承受住假人冲击的数据。

已知单个TNO-10假人的质量mD是确定的,为75.5 kg,其试验速度变化ΔVD即为座椅速度变化ΔVs,取动态试验速度要求的中间值50 km/h (即13.9 m/s)。方案一放置2个假人,所以n=2;方案二放置4个假人,所以n=4。

座椅质量ms和平均载荷施加时间tT则通过统计分析能够承受住假人冲击的动态试验数据获得中间值。本文统计的50 km/h碰撞速度下能够承受住假人冲击的动态试验共有36次,其中方案一有9次,方案二有27次。所有动态试验均为双人座椅,其座椅质量在35～43 kg之间,ms中间值为39 kg。平均载荷施加时间tT通过高速摄像分析试验过程中座椅靠背前倾到最大变形角度所用时间的方法得到。经过分析,方案一的平均变形时间为0.137 s,方案二的平均变形时间为0.150 s。

将所有已知参数代入式(3)可得:

方案一:

方案二:

从上述计算可知,双人椅方案一的平均静态试验载荷为19 277 N,即9 639 N/座位;方案二的平均静态试验载荷为31 599 N,即15 800 N/座位;取5%的保险系数并按能被500 N整除进行凑整后得到推荐值为方案一为10 000 N/座位和方案二为16 500 N/座位。

3 试验验证

通过采用动态试验和静态试验对车辆固定件造成的垂直方向上的形变结果的一致性来表征静态试验载荷的有效性。为了方便测量和保证测量精度,选取试验中车辆固定件上最大变形发生的位置进行测量。通过大量的试验可知,车辆固定件最大变形位置通常为侧挂最靠后的固定点附近。

对某型双人椅及其车辆固定件分别进行方案一和方案二的车辆固定件强度动态试验,试验结果显示该座椅及其车辆固定件能够承受住两个方案的假人冲击。试验座椅的质量为38 kg,试验速度分别为13.78 m/s和13.84 m/s,记录座椅最大变形时刻和试验后侧挂的最大垂直变形量,试验如图2所示。结果显示方案一和方案二动态试验时座椅靠背最大变形时刻分别为131 ms和146 ms,侧挂的最大垂直变形量分别为9 mm和26 mm。

(a) 方案一

(b) 方案二图2 方案一和方案二动态试验座椅最大变形时刻和侧挂最大变形量

将所有已知参数代入式(3)可得到该试验对应的理论等效载荷,对于方案一:

与方案一的平均值19 277 N的差异为3%,说明方案一的平均值具有代表性。

对于方案二:

与方案二的平均值31 599 N的差异为2%,说明方案二的平均值也具有代表性。

对应的车辆固定件强度静态等效测试采用刚性座椅工装并按照与动态试验相同固定点进行固定,为更加精确地测量侧挂的纵向变形量,静态试验采用拉线式位移传感器进行测量,如图3所示。

将静态试验载荷设置成推荐值,即方案一为10 000 N/座位,方案二为16 500 N/座位,开展等效静态试验。传感器和拉力机的输出结果如图4所示。结果显示,静态试验载荷均能达到目标值并保持0.2 s以上,说明该车辆固定件能够承受住两个方案的目标载荷,与动态试验结果一致。经测量,当拉力为10 000 N/座位时,侧挂最大位移为10.79 mm;拉力为16 500 N/座位时,侧挂最大位移为24.43 mm,与动态试验结果分别相差1.79 mm和-1.57 mm。考虑到20 000～30 000 N左右的载荷以及不同测量方法和样品差异带来的误差,整体变形量误差在2 mm以内是可以接受的,故可认为静态试验载荷推荐值的设置是比较合理的。

(b) 方案二图4 静态试验载荷-时间-侧挂位移曲线

4 结束语

本文得出了50 km/h碰撞速度下客车座椅车辆固定件强度静态试验载荷的确定方法,能够通过动态试验结果数据推算出对应的静态试验载荷,并且给出了两种假人放置方案下的载荷推荐值。可用于在客车座椅不变的情况下变更车辆固定件时对新的车辆固定件强度进行验证,以及在没有动态试验数据的情况下开展静态试验,对车辆固定件强度进行初步的验证。