现行国标下的客车座椅在50km/h碰撞速度下性能分析研究
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导读：通过试验对主流客车企业满足现行 GB 13057－2014《客车座椅及其车辆固定件的强度》的客车座椅进行了 50km/ h 碰撞试验。试验结果显示，在结构强度方面，有 50%的座椅能承受 50 km/h 的假人撞击，另外 50%的不合格的表现形式为靠背限制机构失效、座椅横移装置失效或座椅与车辆的连接失效。乘员伤害方面，除头部损伤值难以满足要求外，其他部位均可满足相关限值。因此除在调节装置、车辆连接强度等方面需要加强外，还需在座椅靠背头部撞击区域进行缓冲设计，避免硬物出现在头部撞击区域内，从而改善座椅的安全性能。
关键词：客车座椅; 车辆固定件; 结构强度; 乘员保护
现行GB13057-2014《客车座椅及其车辆固定件的强度》<1>是客车乘员保护领域方面唯一的一项国家强制性标准,JT/T1094-2016《营运客车安全技术条件》和QC/T633-2021《客车座椅》均是引用该标准,由此可见,该标准对客车发生正面碰撞事故时乘客生命安全的保护起着十分重要的作用｡现行GB13057-2014规定的试验速度是30~32km/h,随着国民经济的高质量发展,截止到目前,国内高速公路总里程已经达到16万公里,各大中型城市也在积极建设城市快速道路网｡公路客车作为目前重要的城际旅游和市内通勤的主要交通工具之一,其平均行驶速度也随着道路网的建设完善而逐年提升,目前高速公路上公路客车的最高限速是100km/h,最低限速是60km/h,速度差为40km/h<2-3>;而在城市快速路上,也规定了其最高行驶速度不得超过80km/h,这些数值已经非常接近乘用车的限速范围｡
近年来,与公路客车相关的群死群伤的重大交通事故大多发生在高速公路或者城市快速路上｡据统计,客车发生正面碰撞的事故约占客车事故总量的50%~60%,一些事故调查报告指出国内客车座椅标准急需提升以满足高速行驶下座椅安全性的要求<4>｡鉴于此,客车乘员保护试验的速度应提升至与乘用车正面碰撞相同的范围,即50km/h,才能适应目前国内公路客车在高速公路或者快速路上行驶状态下的实际工况｡
笔者对主流客车企业的客车座椅产品进行了50km/h的碰撞试验,通过对得到的试验结果进行研究,总结得出满足现阶段GB13057-2014的客车座椅在50km/h碰撞速度下的失效状态和模式,针对这些失效模式总结出相应的改进意见和设计思路,并对GB13057标准的修订提供数据支撑｡
试验方案设计
试验方法
现行GB13057-2014主要通过动态试验考核客车座椅及其车辆固定件对乘员安全的保护作用,分为试验1和试验2｡
试验1:考核座椅以及座椅与车辆固定件连接处的强度(以下简称强度试验)｡采用TNO-10假人,试验速度为30~32km/h,平均加速度在6.5g~8.5g,试验时无需测量假人的损伤值,判定条件为假人的任何部位不得超过座椅R点前方1.6m的位置,座椅及其连接装置不得失效｡
试验2:考核座椅对乘员安全的保护性能(以下简称乘员保护试验)｡在试验1的基础上将TNO-10假人换成HybridIII型50%假人,并用座椅上的安全带将假人约束在座椅上进行试验,其他条件不变,试验时测量假人的头部､胸部､大腿的损伤值,判定条件为假人的头部HIC≤500,胸部ThAC≤30g,大腿压缩力F≤10kN｡
为控制变量,将GB13057-2014规定的试验速度变为50±1km/h,试验加速度/减速度波形参照澳标ADR68/00OccupantProtectionInBuses(30ms内加速度达到20g持续至少20ms)<5>,其余试验条件不变｡对于座椅及座椅与车辆固定件连接处的强度判定要求也是参考上述强度试验,试验后假人的任何部位不得超过其乘坐座椅R点前方1.6m的位置,且座椅及其连接不得失效｡对于座椅对乘员安全的保护性能的判定要求参照ADR68/00的要求,即HIC≤1000,ThAC≤60g,ThCC≤76mm,F≤10kN｡该损伤要求和GB11551-2014《汽车正面碰撞的乘员保护》<6>的要求接近｡以上试验旨在对当前主流企业的客车座椅在50km/h的碰撞速度下对乘员的保护性能做一个全方位了解｡
试验对象
为尽可能地摸清国内客车行业在乘员保护性能方面的发展水平,此次共对8家主流客车企业的8款满足现行GB13057-2014的客车座椅产品分别进行速度提高后的强度试验和乘员保护试验｡这8款座椅均为这8家企业产品中性能最好的产品,且这8家企业在中国客车的市场占有率约70%<7>｡此次研究也反映了目前客车企业在客车座椅方面的最高水准｡
其中有3家企业成功将客车出口到澳洲,满足目前国际上最严的ADR68/00OccupantProtectionInBuses的要求,但这些出口到澳洲的客车上所安装的座椅有以下几个特点:①这些座椅都是专门开发的,每家企业仅有极少数的座椅能够满足ADR68/00的要求;②调节功能少,一般为不可调座椅,极少数是靠背角度可调;③出口车型座椅间距较大,实验的时候很多按照800mm的座椅间距进行试验｡
在国内销售的客车座椅也有其自身的特点｡首先,由于营运客车等级评定的存在<8-9>,很多客车企业为客车座椅配备了位移装置和调节装置,在GB13057-2014刚实施的时候就大面积地出现了横移功能失效的情况,后来经过不断地产品改进,才满足了GB13057-2014中30km/h的碰撞速度要求｡因此50km/h碰撞速度下横移功能的失效风险会大大增加｡其次,国内客车载客人数普遍较高,因此座椅间距相对较小,标准要求试验需在750mm的座椅间距下进行｡研究表明<10>,在靠背刚度足够的情况下,间距为800mm的损伤试验中,假人头部撞击到前方座椅靠背的概率大大降低,但是在750mm间距的情况下假人头部几乎都会撞击到前方座椅的靠背,这对座椅靠背的吸能提出了更高的要求｡
试验结果分析
强度试验结果
强度试验的结果如表1所列,结果表明8款座椅中有一半的座椅能够满足强度要求｡由于参与此次试验的座椅均为满足现行GB13057-2014标准的座椅,由此可知还有一部分企业在座椅设计时对座椅强度提出了更高要求,使其能够承受住50km/h碰撞速度下的后排假人撞击｡但3款带横移功能的座椅仅有1款能够满足要求,其他2款的横移机构均出现了失效现象,合格率仅有33.3%,这表明目前横移机构的设计需进行改进才能承受住50km/h碰撞速度下的冲击载荷｡具备靠背调节功能的座椅仅有1款失效,经过分析,这并不是靠背调节功能的问题,因此表明现有的靠背调节机构设计基本上能够满足50km/h碰撞速度下的载荷冲击｡
乘员保护试验结果
乘员保护试验采集假人头部损伤、胸部加速度、 胸部压缩量以及大腿压缩力伤害指标。综合所有损伤试验的试验数据，发现仅有一款座椅能够完全满足损伤试验的所有评价指标要求。具体损伤数据如表2所列。
试验结果百分比图如图1所示｡结合图1的分析可知,8款座椅中,乘员保护试验满足要求的仅有1款座椅,占比仅为11%｡从试验结果不满足要求的因素进行分析发现,头部损伤超标有5款座椅,占比为62%;座椅结构失效有4款座椅,占比为50%｡通过表1可知,结构未失效的4款座椅中,头部损伤超标的座椅就有3款,这表明座椅的结构强度对于头部损伤有一定的负面影响,因此如何平衡头部损伤与座椅强度之间的关系是损伤试验能否通过的关键,设计座椅时需要对其进行综合考虑｡对于假人胸部加速度､胸部压缩量､大腿力这三个指标,这8款座椅均在限值范围内,说明满足现阶段GB13057-2014水平的座椅就能达到这3个指标｡但值得注意的是这3款带横移结构的座椅也仅有1款座椅的横移机构未失效,其余2款横移机构均出现了失效的现象,进一步说明了目前带横移的座椅其横移机构需要进行重新设计或者优化｡
影响因素的探究与设计建议
碰撞速度从30km/h提升至50km/h,碰撞能量增加了约2.8倍,从而导致座椅强度需要有较大幅度的提升｡从试验结果来看,在保证座椅和车辆固定件的强度符合要求的情况下,讨论损伤才有意义｡所以,设计能够满足50km/h碰撞速度下符合标准的座椅首先要从座椅的结构强度入手,且需防止以下几种失效方式的出现:①座椅横移机构失效;②座椅与车辆固定件的连接失效;③座椅靠背强度不足｡横移机构失效是座椅本身连接失效的一种表现形式,而目前横移机构的强度普遍无法满足50km/h碰撞速度下的标准要求｡横移机构目前主要为滑轨式,滑轨能够承受较强的纵向载荷,但在承受侧向载荷时,滑轨极易因变形而导致滑轨滑动部分脱落的现象,如图2所示,因此不建议采用滑轨来承受侧向载荷,滑轨可以起到导向作用,但承受载荷的主要还是靠固定滑轨的两根座椅横梁｡
座椅椅腿与地板连接失效主要表现在地板螺栓从车辆固定件中拔出,目前很多企业为考虑座椅安装的便利性,大多通过对3~5mm的地板钢材进行攻丝的方式实现椅腿固定,但在50km/h的碰撞速度下,攻丝的方式已经很难满足强度的要求,极易会出现固定螺栓拔出的现象,因此可采用螺栓加螺帽的方式或者对地板进行加厚的方式进行固定｡
座椅靠背强度不足主要体现在座椅对靠背前倾的限位强度不足,目前座椅靠背向前的限位主要靠的是气弹簧和座框在靠背铰链处的翻边｡由于力臂的关系,气弹簧所受的拉力非常大,试验时基本上都会被拉脱｡在50km/h的碰撞速度下,单靠简单的翻边很难限制座椅靠背的前倾｡所以需要提升翻边抗弯曲的能力或者采用其他更有效的设计来进行改善,可将力按照如图3中箭头所示路径传递到座椅的两根横梁以及椅腿上,尽量减小靠背的变形,尽可能通过横梁和椅腿的变形来吸收碰撞能量｡
在结构强度满足标准要求的前提下,考虑假人损伤才有意义｡从试验结果来看,假人损伤超标的主要因素就是头部撞击到硬物,由于碰撞速度是50km/h,假人头部撞击座椅靠背时的速度是比较大的,所以现行GB13057-2014中通过加厚泡沫来减少假人头部损伤的方式已经不再适用,因为泡沫的压缩变形是有极限的,即使通过增加泡沫厚度减小了头部受到的加速度峰值,但如果泡沫内部有硬物,其加速度脉宽依旧会很大,积分出来的头部损伤值(HIC)也会超标｡所以设计思路是头部撞击区域避免有任何硬物,让靠背尽可能少地阻挡假人头部在整个撞击过程中的弧形运动,这样才能将头部损伤值(HIC)降下去｡
结语
GB13057-2014标准的实施使绝大部分企业已经完全掌握了30km/h碰撞速度下客车座椅的开发｡但在50km/h碰撞速度下,现有的座椅骨架结构､调节装置以及固定方式却很难满足要求,因此想要使客车座椅能够在50km/h碰撞速度下也能够很好地保护乘客,需要结合计算机仿真等手段从座椅靠背自身抗弯强度､座椅靠背限位强度､横移装置强度､座椅与车身连接强度､座椅靠背头部撞击区域结构优化等方面进行综合考虑｡
【参考文献】
<1>GB13057-2014.客车座椅及其车辆固定件的强度.
<2>戴学臻,苑仁腾,周亚男,等.城市快速路车流运行状态安全性评价
<3>董浩存,聂中国.基于车载式视频图像的车辆行驶速度鉴定
<4>安监总管二(2018)9号附件.陕西安康京昆高速“8·10”特别重大道路交通事故调查报告
<5>顾海明.中澳法规客车座椅碰撞试验中的差异性研究
<6>颜长征,王若璜,张科峰.基于GB13057的客车座椅结构对乘员伤害的分析
<7>任诗发.2021年大中型客车市场特征总结分析
<8>高轶男.新版JT/T325标准对营运客车配置要求的变化
<9>JT/T325-2018.营运客车类型划分及等级评定.
<10>司俊德,李建平,张博强,等.大客车正面碰撞乘客约束系统仿真分析
来源：机械研究与应用2023年第3期 (第36卷，总第185期)
作者：张永春，徐海澜，王若璜，张国庆，潘华
1、招商局检测车辆技术研究院有限公司，重庆