客車上部結(jié)構(gòu)強度標(biāo)準(zhǔn)比對研究

文/朱春嵩 趙學(xué)美 曹 寅

客車上部結(jié)構(gòu)強度標(biāo)準(zhǔn)比對研究

文/朱春嵩 趙學(xué)美 曹 寅

我國客車已遍布全球，其安全性越來越受到廣泛關(guān)注。文章介紹了國內(nèi)外客車上部結(jié)構(gòu)強度研究現(xiàn)狀和研究方法，對比分析了歐洲標(biāo)準(zhǔn)、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于客車上部結(jié)構(gòu)強度的主要技術(shù)內(nèi)容的差異，并對主要測試設(shè)備的使用要點進行了說明，可供客車產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)人員和檢測試驗人員參考和借鑒。

客車 上部結(jié)構(gòu)強度 實車側(cè)翻試驗 生存空間

隨著社會經(jīng)濟和客車運輸?shù)娘w速發(fā)展，我國高等級公路里程和營運客車保有量呈逐年增加趨勢，客車已經(jīng)成為旅客運輸?shù)慕^對主力。但近年來客車交通事故發(fā)生率逐年遞增，尤其是客車側(cè)翻引發(fā)的特大交通事故嚴(yán)重危害了人們的生命和財產(chǎn)安全。近年來，隨著客車產(chǎn)業(yè)的不斷完善，我國客車已遍布全球，成為世界客車產(chǎn)業(yè)中一個重要的組成部分，其安全性越來越受到廣泛關(guān)注。

一、國內(nèi)外客車上部結(jié)構(gòu)強度要求研究現(xiàn)狀

國外汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家很早就開始對客車側(cè)翻后的結(jié)構(gòu)安全性進行研究，并認(rèn)識到客車側(cè)翻安全性最重要的考核指標(biāo)是乘員生存空間的完整性，要求客車主要的承載結(jié)構(gòu)件能在側(cè)翻碰撞時承受巨大的沖擊載荷，并且適當(dāng)變形以吸收碰撞能量、降低碰撞力和車身加速度對車內(nèi)乘員造成的傷害，尤其對于客車上部結(jié)構(gòu)。

目前，世界上許多國家都已把客車側(cè)翻試驗作為進口客車的強制性認(rèn)證項目，諸如歐洲ECE R66《關(guān)于大客車上部結(jié)構(gòu)強度認(rèn)證的統(tǒng)一技術(shù)規(guī)定》、ECE R107《關(guān)于就一般結(jié)構(gòu)方面批準(zhǔn)M2或M3類車輛的統(tǒng)一規(guī)定》、2001/85/EC《在除駕駛員座位以外包括8座以上的載客車輛特殊規(guī)定及修訂70/156/EEC和97/27/EC方面協(xié)調(diào)統(tǒng)一各成員國法律的歐洲議會及理事會指令》、FMVSS 571.220《校車傾翻保護》、ADR 59/00《公共汽車側(cè)翻強度標(biāo)準(zhǔn)》、SANS 1563《大型客運車輛上部結(jié)構(gòu)的強度（防翻車保護系統(tǒng)）》、AIS-031《汽車-加長乘用車的結(jié)構(gòu)強度》等法規(guī)都要求客車上部結(jié)構(gòu)要有足夠的強度，進行側(cè)翻試驗后的車身結(jié)構(gòu)變形不能影響到乘客的生存空間。

相比國外，我國客車產(chǎn)品整體技術(shù)研究起步較晚，目前還缺乏營運客車安全評價標(biāo)準(zhǔn)體系，對客車碰撞試驗的安全性技術(shù)要求還不是很明確，而且由于我國客車安全標(biāo)準(zhǔn)體系的不完善，許多客車生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品設(shè)計過程中很少考慮客車側(cè)翻碰撞事故中的乘員保護，對新產(chǎn)品的設(shè)計較多地采用模仿和類比的方法，缺乏對客車結(jié)構(gòu)強度進行考核和預(yù)測的技術(shù)，無法準(zhǔn)確評價客車側(cè)翻事故后的乘員安全性，這些設(shè)計和生產(chǎn)的盲目性勢必會對我國客車產(chǎn)品質(zhì)量、市場競爭力以及社會和經(jīng)濟效益產(chǎn)生巨大影響。

為了進一步增強國內(nèi)客車的安全性，增加客車企業(yè)對客車上部結(jié)構(gòu)強度的關(guān)注度，我國將推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17578-1998《客車上部結(jié)構(gòu)強度的規(guī)定》（以下簡稱“GB/T 17578”）修訂為強制性標(biāo)準(zhǔn)GB 17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強度要求及試驗方法》（以下簡稱“GB 17578”），并于2013年7月發(fā)布實施。GB 17578標(biāo)準(zhǔn)主要參照了歐洲ECE R66法規(guī)01版及其修訂單、勘誤單的相關(guān)技術(shù)內(nèi)容。不論是從提高我國客車產(chǎn)品質(zhì)量的角度，還是從國際市場競爭力的角度，進一步進行客車上部結(jié)構(gòu)強度和側(cè)翻安全性研究都很有必要。

二、客車上部結(jié)構(gòu)強度標(biāo)準(zhǔn)比較與分析

現(xiàn)通過以下6個方面對GB l7578、GB/T l7578和ECE R66進行比較與差異性分析。

1. 適用范圍

相較GB/T l7578和ECE R66，GB l7578加大了適用范圍。GB/T l7578的適用范圍用車輛的長度和車輛名稱來表述，不夠嚴(yán)謹(jǐn)，一部分小型客車未規(guī)范在其中。自2001年機動車輛的分類有了明確的標(biāo)準(zhǔn)定義，GB l7578對適用范圍相應(yīng)地做了更加全面、系統(tǒng)的規(guī)定。與歐洲ECE R66相比，GB l7578根據(jù)國情，在使用范圍中還覆蓋到了專用校車、乘客數(shù)不大于16人的B級客車以及乘客數(shù)大于16人的B級、II級和III級客車中的雙層客車。

2. 總體要求

GB/T l7578和ECE R66相比較，后者增加了“生存空間之外的車輛其他部件在試驗過程中不得侵入生存空間”的要求（標(biāo)準(zhǔn)中的原文描述）。GB l7578和ECE R66相比，主要有兩點區(qū)別：第一，前者增加了“滅火器也不準(zhǔn)侵入生存空間”的規(guī)定。其主要原因是一方面為了增加廠家對滅火器安裝牢固的關(guān)注度。另一方面，在側(cè)翻試驗過程中，也曾發(fā)生過滅火器從車身底板上掉落侵入到生存空間，嚴(yán)重影響到乘客安全的情況。第二，前者比后者在對“生存空間內(nèi)的部件不應(yīng)突出至變形結(jié)構(gòu)的輪廓外”的規(guī)定中增加了座椅，原因是在側(cè)翻試驗中，有一些座椅安裝不牢固，掉下來侵入到生存空間，影響到乘客安全。因此，為了增加車輛生產(chǎn)企業(yè)對座椅安裝牢固的關(guān)注度，GB l7578在標(biāo)準(zhǔn)條款中增加了對座椅這一部件的要求。

3. 生存空間要求

從生存空間要求上看，GB l7578和ECE R66完全相同，與GB/T l7578相比，新版國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定得更加具體，標(biāo)準(zhǔn)對三個垂直橫截面a)、b)、c)所圍成的生存空間內(nèi)的尺寸和位置都有明確的標(biāo)注，給后續(xù)試驗準(zhǔn)備過程中如何布置生存空間模板以及對側(cè)翻試驗過程中或試驗結(jié)束后，車輛上的部件是否侵入該空間提供了判定的依據(jù)。生存空間部分示意圖見圖1。

圖1 座椅客車生存空間部分示意圖

4. 作為基本試驗方法的整車側(cè)翻試驗

① 試驗車輛的準(zhǔn)備

GB l7578與ECE R66對試驗樣車狀態(tài)的要求基本一致，除了ECE R66規(guī)定的每個乘員質(zhì)量為68 kg條款，而GB l7578是按照GB/T 12428-2005《客車裝載質(zhì)量計算方法》和專用校車標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的乘員質(zhì)量。GB l7578對GB/T l7578進行了加嚴(yán)要求，主要增加了以下內(nèi)容：

?對試驗樣車的質(zhì)量。即未安裝乘員約束裝置的車型，按空載質(zhì)量進行測試；裝有乘員約束裝置的車型，按車輛總有效質(zhì)量進行測試。其中，總有效質(zhì)量是空載質(zhì)量與約束乘員總質(zhì)量的一部分總和，約束乘員加載質(zhì)量為每個乘員的50%，這一點是新標(biāo)準(zhǔn)的主要變化。從圖2所示的裝有約束裝置及假人與未裝置質(zhì)量的翻滾試驗進行比較，按總有效質(zhì)量進行翻滾試驗時，增大質(zhì)量的車輛本身的勢能同時增加，車身變形量更大，更容易使車輛部件侵入到生存空間中。

圖2 未裝置質(zhì)量的與裝有約束裝置及假人的翻滾試驗狀況

?增加了試驗時車輛懸架系統(tǒng)應(yīng)鎖止的規(guī)定，鎖止懸架是將懸架作為一個剛體，翻倒時懸架不易變形，加嚴(yán)了考核要求。

?增加了對于鉸接客車的試驗樣車規(guī)定。

② 側(cè)翻試驗臺

GB l7578增加了側(cè)翻試驗臺應(yīng)有足夠的剛度和充分可控的轉(zhuǎn)速，以保證舉起車軸的同步性，并要求所測的車軸舉起時軸下平臺間斜角差小于1°。

GB l7578將撞擊平面與側(cè)翻平臺上表面高度差修改為800 mm～820 mm，GB/T l7578要求為800 mm，而ECE R66為（800±20）mm。根據(jù)我國國情，將高度差的下限提高，高度越高側(cè)翻后車輛所需承受的能量越大，越能考核客車的上部結(jié)構(gòu)強度。

GB l7578增加了車輪擋板詳細(xì)尺寸的說明，ECE R66除了車輪擋板寬度規(guī)定與GB l7578不一致外，其他均一致。ECE R66規(guī)定車輪擋板的寬度為20 mm，GB l7578要求為寬度不小于20 mm，此處限值不同，主要原因是考慮到國內(nèi)現(xiàn)有條件，車輪擋板采用鋼材，如果采用20 mm鋼材，在側(cè)翻過程中，擋板一側(cè)的力持續(xù)增加，擔(dān)心擋板強度不夠，有擋板斷裂的風(fēng)險，導(dǎo)致試驗失敗。

5. 等效試驗方法

GB l7578對等效試驗幾種方法的規(guī)定，與ECE R66完全相同。GB/T l7578標(biāo)準(zhǔn)由于當(dāng)時產(chǎn)品的設(shè)計和測試技術(shù)水平較低，故未有這方面的考慮。從目前實際來看，GB l7578雖然已經(jīng)把整車側(cè)翻試驗的等效試驗方法（比如車身截段側(cè)翻試驗、車身截段準(zhǔn)靜態(tài)負(fù)荷試驗、部件測試結(jié)果為基礎(chǔ)的準(zhǔn)靜態(tài)計算、計算機有限元分析）寫入了標(biāo)準(zhǔn)中，但實際這些等效的試驗方法還無法用于認(rèn)證試驗。所以，不管是國內(nèi)認(rèn)證還是出口認(rèn)證，客車均需要通過實車側(cè)翻來驗證。從車輛研發(fā)角度講，國內(nèi)的客車企業(yè)可以通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的等效試驗方法，通過車身截段準(zhǔn)靜態(tài)負(fù)荷計算和計算機仿真分析等手段，可比較容易地得出車輛結(jié)構(gòu)是否能滿足上部結(jié)構(gòu)強度的結(jié)論，再結(jié)合認(rèn)證時的實車側(cè)翻試驗來驗證其通過計算機分析所得出結(jié)論的準(zhǔn)確性。

6. 其它技術(shù)要求

GB l7578對絞接客車進行的試驗和側(cè)翻試驗方向的規(guī)定基本與ECE R66一致，而GB/T l7578標(biāo)準(zhǔn)對絞接客車進行的試驗未作考慮，并且標(biāo)準(zhǔn)對側(cè)翻試驗的方向要求是在右側(cè)。GB l7578需要根據(jù)兩側(cè)結(jié)構(gòu)強度薄弱情況，選擇較弱的一側(cè)進行上部結(jié)構(gòu)強度試驗。GB l7578還增加了對B級客車的替代要求，即如果B級客車的上部結(jié)構(gòu)足以承受施加在車頂上、其值相當(dāng)于該車最大設(shè)計總質(zhì)量的均布靜載荷，可以替代側(cè)翻試驗。這點GB/T l7578和ECE R66中均未提及，該條款主要與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18986-2003《輕型客車結(jié)構(gòu)安全要求》第4.2條的要求保持統(tǒng)一。從國內(nèi)公告認(rèn)證來說，目前，B級客車也已經(jīng)全面執(zhí)行GB l7578來驗證客車上部結(jié)構(gòu)強度。因此，對B級客車的替代要求也基本不再使用。

三、整車側(cè)翻試驗所需試驗儀器

整車側(cè)翻試驗所需試驗設(shè)備和儀器主要包括側(cè)翻試驗臺、質(zhì)心位置側(cè)傾試驗臺、生存空間測量裝置、高速攝像機、輪胎氣壓表和鋼卷尺等。

高速攝影機應(yīng)放置在試驗車輛外部前后或其他角度易于拍攝到車輛內(nèi)、外部變形的地方，試驗前可以給車輛前圍上感興趣的地方做標(biāo)記。試驗后對錄像進行處理分析，可以得到標(biāo)記點的位移、速度、加速度等數(shù)據(jù)以及鄰近部分的變形情況，以此作為結(jié)果分析和判定的依據(jù)。通過高速攝像機對車輛碰撞過程的拍攝，獲取車輛運動過程中的序列影像，可以對試驗結(jié)果進行定性和定量分析。其中，定性分析是指在二維影像中記錄了車輛運動過程的豐富信息，對運動過程的序列影像緩慢回放、逐幀分析，可以清楚了解車輛運動過程，進而分析碰撞細(xì)節(jié)。定量分析是指在拍攝前，將碰撞車輛需要考察位置處設(shè)置明顯標(biāo)記，對錄像進行逐幀分析，讀取平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，應(yīng)用攝影測量學(xué)的理論，求解待測量點的位置，從而獲取車輛的相關(guān)運動參數(shù)。

生存空間測量裝置用于直接測量和顯示客車上部結(jié)構(gòu)的變形情況，一般放置在客車結(jié)構(gòu)最薄弱的位置。生存空間測量裝置主要由鋼架結(jié)構(gòu)、泡沫材料和鋼針組成，鋼架結(jié)構(gòu)中空，以便固定嵌入的泡沫材料，泡沫材料的邊界根據(jù)生存空間定義的高度、距立柱的距離等來確定。生存空間確定后，用長約800 mm的鋼針穿透泡沫上設(shè)置的測量點，一般1個生存空間測量裝置上設(shè)置3～5個測量點，測量點的鋼針與生存空間的泡沫邊界垂直。試驗前，根據(jù)車身長度選擇合適數(shù)量的生存空間測量裝置，將其牢固在車內(nèi)碰撞側(cè)對應(yīng)立柱處，具體固定位置應(yīng)依據(jù)法規(guī)對生存空間的尺寸要求。生存空間測量裝置形狀及安裝位置如圖3所示。試驗后，通過生存空間測量裝置上鋼針伸縮量來定量判定立柱變形情況，通過立柱處是否沾染有生存空間涂抹的顏料來定性判斷生存空間是否保持完整。

圖3 生存空間測量裝置

四、后 語

國內(nèi)外對客車側(cè)翻安全性研究方法主要有整車側(cè)翻試驗和仿真分析兩類。其中，整車側(cè)翻試驗的結(jié)果能直觀和客觀反映車身在側(cè)翻過程中是否具有足夠的強度和剛度，以驗證乘員是否有足夠的生存空間，從而確定是否能有效保護乘員的生命安全。由于整車側(cè)翻試驗存在費用昂貴、試驗周期長、不可重復(fù)等缺點，許多廠家在沒有十足把握下不會輕易做整車側(cè)翻試驗。計算機仿真分析研究客車側(cè)翻安全性，不僅可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約試驗費用，而且在仿真精度滿足要求的情況下，對客車的設(shè)計、生產(chǎn)以及安全性評價等能起到很好地指導(dǎo)作用，正好彌補了整車實車試驗的不足，成為眾多企業(yè)和研究機構(gòu)目前使用最多的研究方法。

盡管計算機仿真分析研究比整車側(cè)翻試驗研究有明顯的優(yōu)勢，但并不意味著放棄實車試驗。因為仿真模擬分析階段得到的結(jié)果只是對客車結(jié)構(gòu)安全性的預(yù)先估計，只有最終的產(chǎn)品試驗才能真實反映客車發(fā)生側(cè)翻時的變形過程，才能獲得仿真模型中的相關(guān)參數(shù)。另外，模型的正確性也要通過實車試驗來驗證。可見，整車側(cè)翻試驗與仿真分析的關(guān)系是相輔相成的，在今后相當(dāng)長一段時期內(nèi)，仿真分析和整車側(cè)翻試驗驗證相結(jié)合的研究方法仍將會是我國客車側(cè)翻安全性研究的主要方法。

China's buses have been around the world. The safety of buses made in China attracts more and more attention. This paper introduces domestic and foreign current research status and research methods on the bus upper structural strength, compares and analyzes the differences of the European standards and China’s national standards on the main technical contents of the bus upper structural strength, and explains the key elements of using the main test equipment, which provide certain references for relevant R&D and test personnel.

Bus; Strength for the superstructure; Rollover test on a complete vehicle; Residual space

（作者單位：國家機動車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（上海））