客車側(cè)傾及側(cè)翻安全性綜合評價方法

來 飛

（重慶車輛檢測研究院 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122）

客車作為重要的交通工具之一，其安全性一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。在客車的安全性設(shè)計當(dāng)中，其側(cè)傾穩(wěn)定性和側(cè)翻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又分別是客車主動安全和被動安全分別考慮的重要因素[2-9]?？蛙噦?cè)傾穩(wěn)定性包括靜態(tài)側(cè)傾和動態(tài)側(cè)傾，實際上客車側(cè)翻事故的發(fā)生主要由于其動態(tài)側(cè)傾失穩(wěn)造成。但由于動態(tài)側(cè)傾試驗比較復(fù)雜，因此，目前國內(nèi)公告僅考核靜態(tài)側(cè)傾穩(wěn)定性，動態(tài)側(cè)傾試驗標(biāo)準(zhǔn)正在起草階段?？蛙噦?cè)翻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗主要包括上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗兩種，其主要考核客車在側(cè)翻過程中其上部和頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求[2-5]。本文對上述試驗方法及其評價方法分別進(jìn)行介紹，在此基礎(chǔ)上提出一種客車側(cè)傾及側(cè)翻主被動安全綜合評價方法，為客車的安全設(shè)計提供參考。

1 客車側(cè)傾及側(cè)翻安全試驗方法

1.1 側(cè)傾主動安全試驗方法

客車側(cè)傾穩(wěn)定性試驗屬于主動安全檢測項目，主要包括最大靜態(tài)側(cè)傾穩(wěn)定角和動態(tài)側(cè)傾穩(wěn)定性兩種。目前公告僅對前者進(jìn)行試驗檢測。

1.1.1 最大靜態(tài)側(cè)傾穩(wěn)定角

GB7258-2012中規(guī)定，對客車在乘客區(qū)滿載、行李艙空載的情況下測試時，向左側(cè)和右側(cè)傾斜最大側(cè)傾穩(wěn)定角均應(yīng)大于等于28°（對專用校車均應(yīng)大于等于32°）；且除定線行駛的雙層（公共）汽車外，在空載、靜態(tài)條件下，向左側(cè)和右側(cè)傾斜最大側(cè)傾穩(wěn)定角均應(yīng)大于等于35°。具體試驗方法見文獻(xiàn)[10]。

試驗臺的側(cè)向附著系數(shù)不低于0.85。為防止試驗時汽車側(cè)滑，可采用在側(cè)傾試驗臺上安裝防側(cè)滑擋塊的方法，擋塊高度不大于30mm，且只準(zhǔn)加在試驗臺轉(zhuǎn)動中心一側(cè)的輪邊。試驗臺最小上升速度（勻速）應(yīng)不大于10°/min，最小下降速度（勻速）應(yīng)不大于 27°/min。

1.1.2 動態(tài)側(cè)傾穩(wěn)定性

國際上關(guān)于客車的動態(tài)側(cè)傾穩(wěn)定試驗方法主要有ISO11026《Heavy Commercial Vehicles and Buses-Test Method for Roll Stability-Closing-Curve Test》[11]，其主要通過在曲率變化率為常數(shù)的過渡曲線上，對以恒定縱向速度行駛車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性進(jìn)行測試。圖1為車速在60km/h、曲率變化率為2m/s3下的測試路徑，連接直線段和圓弧段的測試路徑段如圖中的符號“o”所示，其中圓弧段的半徑為35m，實線部分為等曲率變化率下的軌跡延伸曲線。

該測試方法主要考核被測試客車在不同速度和不同測試路徑段下的動態(tài)側(cè)傾穩(wěn)定性，被測試車輛一般配備有ESC系統(tǒng)和防側(cè)翻控制桿。國內(nèi)關(guān)于客車動態(tài)側(cè)傾穩(wěn)定性的測試標(biāo)準(zhǔn)目前正在積極地制定中。

1.2 側(cè)翻被動安全試驗方法

1.2.1 側(cè)翻事故分類

客車側(cè)翻事故大致可分為以下5類。

1）輕微側(cè)翻，即向左邊或右邊發(fā)生1/4周旋轉(zhuǎn)。左右兩邊路面的高度差為零，客車一般滑行一段距離后發(fā)生側(cè)翻。

2）中度側(cè)翻，即翻向溝槽?？蛙囆D(zhuǎn)角度介于1/4～1/2周之間，而且溝槽的深度不超過1.5m，且能阻止客車進(jìn)一步翻轉(zhuǎn)。

3）重度側(cè)翻，即客車旋轉(zhuǎn)角度介于1/2～2周之間，側(cè)翻前后的兩水平面之差不超過10m。

4）嚴(yán)重側(cè)翻，即客車旋轉(zhuǎn)超過2周，而且側(cè)翻前后兩水平面之差超過10m。

5）混合側(cè)翻，即客車在側(cè)翻前發(fā)生失火或前撞等，以及客車側(cè)翻后墜入河中等情況。

有研究指出[1]，應(yīng)對客車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計，至少使車輛在前三種類型的側(cè)翻事故中，駕駛員及乘員的安全能得到充分的保證。

1.2.2 上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗

GB17578-2013要求M2類和M3類中的 B級、II級、III級客車和專用校車進(jìn)行該項試驗[3]。該試驗方法大致有三種，如圖2所示。這三種試驗方法均能有效識別客車上邊梁的強(qiáng)弱，盡管前兩種試驗方法看起來要比第三種嚴(yán)格，但實際上第三種試驗方法對客車上邊梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度考核最為嚴(yán)格，許多側(cè)翻事故也表明了第三種考核方法的有效性。現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)就是按照第三種試驗方法進(jìn)行檢測。

1.2.3 頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗

目前國內(nèi)公告僅對專用校車和B級單層客車的頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)制執(zhí)行，對其它類型的客車暫不作要求。其試驗方法如下：試驗樣品為整車或按實車結(jié)構(gòu)焊裝在底架上并包含有車門和地板的車身骨架。當(dāng)樣品為整車時，應(yīng)通過多處剛性支撐車輛底（車）架下平面的方式消除懸架和輪胎的變形，試驗車輛的安裝應(yīng)保證底（車）架固定牢固；當(dāng)樣品為骨架車身時，樣品的安裝應(yīng)保證底（車）架固定牢固。

試驗時，試驗載荷通過一個長度和寬度不小于試驗車身長度和寬度的剛性平板，在車頂以不超過13mm/s的加載速度沿垂直向下方向進(jìn)行均勻加載，直至達(dá)到整備質(zhì)量1.5倍的試驗載荷，并保持不少于5 s直至變形穩(wěn)定為止。

2 評價方法

2.1 側(cè)傾主動安全性評價

圖3是位于橫向坡道上的剛體車輛模型。對外側(cè)車輪與地面的接觸點(diǎn)取矩，可得：

Mayh+Fzit-Mgh sinθ-1/2Mgt cosθ=0

對上式進(jìn)行整理得：

上式中，假定車輛開始發(fā)生側(cè)翻，則有內(nèi)側(cè)車輪的垂直反力為零，且當(dāng)?shù)缆窓M向坡度為零時，則側(cè)翻臨界值ay/g=t/2h。若車輛靜止停在有橫向坡的道路上，在側(cè)翻臨界狀態(tài)下，對內(nèi)側(cè)車輪與地面的接觸點(diǎn)取矩，則同樣可得tgθ=t/2h。這兩個簡單關(guān)系式被用于對車輛抗側(cè)翻能力的初步估計上，僅需要知道車輛的兩個參數(shù)—輪距t和整車質(zhì)心高度h即可。因此，對于客車的側(cè)傾主動安全性評價，可使用側(cè)翻臨界值t/2h作為評價指標(biāo)。

2.2 側(cè)翻被動安全性評價

客車在側(cè)翻過程中，對乘員造成傷害的類型主要有三種：由于客車結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致生存空間的減??；車內(nèi)乘員與客車內(nèi)部物發(fā)生撞擊；乘員被完全或部分拋出車外。試驗證明，第一種原因占主導(dǎo)地位，因此，對于上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而言，目前均對結(jié)構(gòu)的變形量進(jìn)行考核。

對于上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的評價，目前公告檢測中是以不侵入生存空間為主要符合性判斷指標(biāo)，具體試驗方法是通過在適當(dāng)?shù)牡胤讲贾米冃我?guī)來進(jìn)行測試[3]。對于頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的評價，也是以結(jié)構(gòu)變形量為主要考核指標(biāo)，如對于專用校車，要求試驗中和試驗后，每一座墊上方應(yīng)有不小于900mm的凈高度，且就座乘客擱腳的地板處向上應(yīng)有不小于1350mm的凈高度等。

2.3 側(cè)傾及側(cè)翻安全綜合評價方法

考慮到客車側(cè)傾及側(cè)翻的綜合安全性能，提出一種綜合評價指標(biāo) RPF（Rollover Performance Factor），如下式所示：

RPF=側(cè)翻臨界值×（1-上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能量損失）×（1-頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能量損失）

上式中，上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能量損失可通過記錄變形規(guī)前后變形情況計算得出；而頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能量損失則可通過頂壓強(qiáng)度試驗前后的高度變形情況計算得出。

該評價方法綜合考慮了客車的抗側(cè)翻能力以及側(cè)翻過程中車輛的上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等情況，可為客車安全性設(shè)計和比較提供參考。

目前國內(nèi)公告要求頂部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗都須強(qiáng)制執(zhí)行的客車有專用校車和B級單層客車。對于II級和III級客車，上述公式可修改成：

RPF=側(cè)翻臨界值×（1-上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能量損失）

以兩款樣車為例，且都須要求進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)和頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗。樣車1的前、后輪距分別為1750mm和1610mm，質(zhì)心高度為1051mm；樣車2的前、后輪距分別為2020mm和1860mm，質(zhì)心高度為1321mm。其上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗結(jié)果分別如表1和表2所示。

表1 上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗結(jié)果

表2 頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗結(jié)果

首先計算兩款樣車的側(cè)翻臨界值：樣車1為0.799，樣車2為0.734。接著分別對上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能量損失（最大侵入量）和頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能量損失進(jìn)行計算：樣車1的能量損失為79.4%；樣車2的能量損失為75.6%。頂部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的能量損失是以車輛頂部位移量除以試驗前車內(nèi)高度來進(jìn)行計算：樣車1的能量損失為3.1%；樣車2的能量損失為4.8%。

按照所提出的綜合評價公式，可得出樣車1的綜合評價因子為0.159；樣車2的綜合評價因子為0.17。由上述分析可以看出，盡管樣車2的側(cè)傾主動安全性（側(cè)翻臨界值）不如樣車1，但由于其上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的能量損失要小，其綜合安全性要好。

3 結(jié)束語

本文介紹了客車側(cè)傾及側(cè)翻的主要試驗方法及其評價方法，在此基礎(chǔ)上提出了一種客車側(cè)傾及側(cè)翻的主被動安全綜合評價方法，并通過算例分析進(jìn)行了具體闡述，對于客車安全性的設(shè)計和評價有一定的參考意義。

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