一種福祉車輪椅約束系統(tǒng)固定裝置安裝部的耐久性試驗方法

貴 琳，劉 雨龍，長 岡宏

(一汽豐田技術(shù)開發(fā)有限公司 天津 300462)

0 引 言

福祉車一詞來自于日本，主要是指行動不便人士可以直接方便上下的車輛，在日本以及一些歐美國家被廣泛應用，但在中國，福祉車的發(fā)展才剛剛起步。大多數(shù)普通人是通過2008年北京舉辦第29屆夏季奧運會時，北京市政府購入的一批“特殊車輛”才知道了福祉車。20世紀90年代以來，中國人口老齡化進程加快，推測到2050年80歲以上的老年人總數(shù)將達到1.08億人，失能老人的總數(shù)將達到9 750萬人。另外，中國殘障人士數(shù)量也十分龐大，截止2020年2月，大約有8 500萬人，約占總?cè)丝诘?.21%。隨著我國政府對于無障礙建設與輔助器具供應和適配服務的支持力度不斷加大，人們對福祉車的使用需求也逐漸加大。

為了更好地服務北京冬殘奧會，一汽豐田開發(fā)了一款帶有電動舉升裝置的福祉車。作為面向公共交通部門的福利車輛，這款車輛內(nèi)部沒有臺階，輪椅可以直接上下車，且有輪椅停靠的專用位置、輪椅及其乘坐人員的專用約束系統(tǒng)。像傳統(tǒng)汽車的座椅一樣，輪椅約束系統(tǒng)是保障乘員在汽車行駛過程中安全性的主要裝置之一，因此，對其固定裝置的安全性、耐久性等方面的驗證至關重要。這一方面也是豐田品質(zhì)的保障，故在開發(fā)過程中，需要評價其耐久性能是否滿足全生命周期的要求。

但現(xiàn)行的評價標準大多是關于輪椅約束系統(tǒng)的靜態(tài)測試及沖擊評價要求，缺少其固定裝置車身安裝部的耐久性試驗方法。為保證車輛在奧運會服役期間安全運行，以及奧運會后的長期使用，開發(fā)人員嘗試設計了一種試驗方法。同時，為節(jié)約成本、縮短開發(fā)周期，仿真分析與試驗手段相結(jié)合的模式也在本次開發(fā)中充分應用。

本文結(jié)合一汽豐田的該款車型，對一種評價福祉車輪椅約束系統(tǒng)的固定裝置(以下簡稱固定裝置)安裝部耐久性試驗方法進行整體論述。

1 用戶模擬——工況把握

1.1 用戶實際使用情況模擬

根據(jù)車輛布局，同時可滿足4名乘坐輪椅的殘障人士乘車，使用約束系統(tǒng)時，拉出掛鉤掛在輪椅的堅固且適合的位置后，鎖緊拉帶即可。如圖1所示。

圖1 輪椅固定裝置使用狀態(tài)示例Fig.1 Example of using status of wheelchair fixator

1.2 工況分類與選定

使用工況分類的相關因素有3個，固定裝置導軌的安裝位置、輪椅在4個固定裝置范圍內(nèi)的停放位置以及用戶的輪椅種類。

1.2.1 固定裝置導軌的安裝位置

如圖2所示，每個導軌上有前、后2個位置供固定裝置連接使用。

圖2 前、后安裝位置Fig.2 Front and rear mounting positions

1.2.2 輪椅停放位置

如圖3所示，在前后4個固定裝置所限制的范圍內(nèi)，輪椅可任意停放，其極限位置有4種。考慮左右對稱的情況，本次選擇左側(cè)(Ⅰ左前極限位置&Ⅲ左后極限位置)進行測量。

圖3 輪椅停放極限位置Fig.3 Wheelchair parking limit positions

1.2.3 用戶輪椅種類

根據(jù)用戶使用的輪椅種類不同，掛鉤可用的固定位置數(shù)量會有不同。如圖4所示，圖中輪椅前側(cè)有2個位置可供固定使用。故本次工況劃分時，不考慮此影響因素。

圖4 輪椅上固定位置示例Fig.4 Examples of fixed positions on wheelchair

1.3 實際數(shù)據(jù)測量

利用廠內(nèi)現(xiàn)有的輪椅，測量不同工況下實際使用中的固定裝置拉帶的角度。分別測量每根拉帶中軸線與水平面和豎直面的夾角。如圖5所示，使用角度測量工具進行測量。

圖5 角度測量示例Fig.5 Examples of angle measurement

1.4 結(jié)果匯總

以一號輪椅為例，測量結(jié)果匯總記錄如表1所示。

表1 測量結(jié)果整理示例Tab.1 Examples of measurement results

2 仿真分析——試驗條件選定

為盡可能縮短開發(fā)周期及節(jié)約人員工時，通過CAE分析的形式，選定16個固定裝置中受力條件最惡劣的位置，進行實車評價。整體分析流程如圖6所示：

圖6 CAE分析流程示例Fig.6 Example of CAE analysis process

2.1 模型制作及分析位置選定

通過對車架結(jié)構(gòu)進行分析，選出1-A、1-B及3-C3處位置進行分析，其中前兩處焊點較少，后1處鈑金較薄，都是強度較弱的位置。在模型制作過程中，主要考察部位是固定裝置導軌與車身之間螺栓連接處，所以對其他接觸條件進行了簡化。固定裝置簡化模型如圖7所示。

圖7 CAE解析模型Fig.7 Analytical model of CAE

2.2 解析入力及目標值

2.2.1 解析入力

以固定點1-A為例，根據(jù)實際測量的極限位置Ⅰ和Ⅲ的數(shù)據(jù)，在左右對稱的基礎上，可以得到極限位置Ⅱ和Ⅳ的數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。

表2 固定點解析入力示例Tab.2 Example of analytic force of fixed point

2.2.2 目標值

根據(jù)車輛全生命周期以及用戶使用方式設定實驗頻率及回數(shù)，通過對車輛行駛過程的分析得出車輛制動時所產(chǎn)生的加速度較大，再根據(jù)S-N曲線得出CAE目標值220 MPa。

2.3 仿真模型解析

2.3.1 模型及約束條件

固定點的模型如圖8所示，約束條件均為全部約束。

圖8 固定點1-A模型及約束條件Fig.8 Fixed point 1-A model and constraints

2.3.2 各固定點應力結(jié)果

使用計算軟件NASTRAN2018進行分析計算，結(jié)果可以得出，在Case-5工況下，安裝部產(chǎn)生的應力最大，條件最為嚴苛。

2.3.3 應力結(jié)果解析

從圖9可以看出螺栓連接處的應力分布情況。Y向變形時，發(fā)生扭轉(zhuǎn)力矩，螺栓處產(chǎn)生應力集中，放大20倍率后，可以看到其變形趨勢，如圖10所示。

圖9 固定點1-A應力結(jié)果云圖Fig.9 Cloud chart of fixed point 1-A stress result

圖10 固定點1-A-Case-5應力變形趨勢Fig.10 Stress and deformation trend of fixed point 1-Acase-5

產(chǎn)生的最大應力為213 MPa，均在目標值220 MPa范圍以內(nèi)。所以，從仿真結(jié)果可以得出，輪椅固定裝置與車身安裝部的疲勞強度沒有問題。

綜上所述，經(jīng)過CAE仿真分析，為實車試驗選定的最終試驗工況為Case-5，條件為固定點上下角度46°，左右角度62°。

3 耐久試驗——實車確認

在把握了仿真分析的結(jié)果后，最終還要進行一輪實車上的耐久試驗。以上述篩出的工況為試驗條件，循環(huán)往復目標回數(shù)后，檢查固定裝置與車身安裝部的損傷情況，最終判斷其耐久性是否滿足開發(fā)要求。

3.1 試驗準備

試驗準備工作主要包括被試車輛整備、試驗設備及治具搭載、試驗條件設置。為了盡量避免其他因素的影響，應選擇與最終車輛狀態(tài)一致性最高的車輛，尤其是評價部位的結(jié)構(gòu)。按照評價需求，對車輛進行整備。同時，應盡可能再現(xiàn)條件狀態(tài)，考慮空間、重量、頻率等因素，選擇適合的施加載荷的設備，并通過適合的方式將設備與治具等穩(wěn)定的固定，以防在試驗過程中出現(xiàn)晃動等問題，影響試驗結(jié)果精度，甚至造成安全問題。最后根據(jù)仿真分析的結(jié)果，在實車上再現(xiàn)評價工況下的狀態(tài)，即將拉帶的角度設置到上下角度46°，左右角度62°。

3.2 試驗過程和注意事項

試驗準備工作完成后，開始施加條件載荷至目標壽命。

在試驗過程中，應注意觀察被試件的狀態(tài)，一旦發(fā)生破損等不良現(xiàn)象，應及時停止試驗，并針對發(fā)生現(xiàn)象進行下一步分析。

3.3 試驗結(jié)果及結(jié)論

如圖11所示，實車確認的結(jié)果與CAE分析一致，固定裝置與車身安裝部滿足目標耐久性能。

與仿真分析不同，實車評價的結(jié)果更加直觀，比如有無斷裂、破損等，是否可以正常使用，再比如經(jīng)過特殊處理可以看到鈑金是否有裂紋。一方面，可以判斷安裝部的結(jié)構(gòu)設計滿足強度耐久性能要求；另一方面，通過實車評價驗證了仿真分析的可靠性，為之后其他類似的開發(fā)評價提供一種新的參考。

圖11 固定裝置安裝部實驗結(jié)果Fig.11 Experimental results of fixator mounting unit

4 結(jié)論及展望

通過實車確認，仿真分析與試驗結(jié)果一致，驗證仿真模型有一定可靠性，且作為分析篩選試驗工況的手段，此種方法可以節(jié)約大量時間。福祉車的開發(fā)在我國才剛剛起步，隨著車企向出行服務方向轉(zhuǎn)型的大潮，未來市場可以提供的福祉車種類會日漸豐富，進一步幫助殘障人士盡可能地享受社會生活帶來的幸福感?！?/p>