新法規(guī)校車座椅的設(shè)計(jì)開發(fā)

陳建設(shè)，鄭紅武

（1.柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，對(duì)生命安全的重視程度也越來越高，面對(duì)不斷出現(xiàn)的校車安全事故，讓人們更加意識(shí)到校車安全必須解決。國家近期不斷出臺(tái)跟校車安全相關(guān)的法律法規(guī)。作為校車安全的重要組成部分——校車座椅，這一關(guān)乎學(xué)生生命安全的重要部件被單獨(dú)提出，并要求執(zhí)行強(qiáng)制法規(guī)GB24406，其版本也由原來的2009，更新為2012。這一標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，詳細(xì)規(guī)定了校車座椅的組成、安裝、配置、強(qiáng)度等方面應(yīng)該達(dá)到的要求，確保學(xué)生在車輛發(fā)生緊急情況下，傷害降到最低。

本文根據(jù)新法規(guī)的要求，以某款小學(xué)生校車座椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為實(shí)例，介紹了如何進(jìn)行校車座椅的設(shè)計(jì)開發(fā)。

1 新舊法規(guī)的對(duì)比分析

《專用校車學(xué)生座椅系統(tǒng)及其車輛固定件的強(qiáng)度》由GB 24406-2009變更為GB 24406-2012，其意義發(fā)生了很大變化，原來只是單純的強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度，執(zhí)行靜態(tài)試驗(yàn)方法，而新標(biāo)準(zhǔn)則需要?jiǎng)屿o結(jié)合，以實(shí)際的動(dòng)態(tài)模擬碰撞，來檢驗(yàn)傷害情況。具體不同點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）2009版的法規(guī)，適用范圍為專用小學(xué)生校車，而2012版的法規(guī)，則擴(kuò)展到學(xué)生校車，包括幼兒校車、小學(xué)生校車、中學(xué)生校車等用于專門運(yùn)輸學(xué)生的校車；

（2）2012版法規(guī)增加了校車上安裝于座椅前方的約束隔板，需要執(zhí)行與座椅相同的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)檢測；

（3）兩則法規(guī)的最大不同點(diǎn)在于，2012版將驗(yàn)證前傾性能和座椅靠背后部的吸能特性的靜態(tài)試驗(yàn)方法，修改為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法，采用假人動(dòng)態(tài)滑車碰撞，更加注重實(shí)際安全效果評(píng)價(jià)。

具體介紹如下：

2009版座椅的前傾性能，按照?qǐng)D1要求對(duì)靠背施力，檢測其安全性。

圖1 力-位移曲線

2012版要求對(duì)座椅和隔板按照?qǐng)D2進(jìn)行模擬動(dòng)態(tài)碰撞，并且使用符合GB 27887中規(guī)定的6歲人體模型和國際通用的混合III型第5百分位人體模型，各進(jìn)行一次動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)后的傷害指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，判斷座椅是否合格，這樣更貼近交通事故的實(shí)際情況，也更加安全，但對(duì)座椅本身也提出更高要求。

2 現(xiàn)有座椅的狀態(tài)分析

通過對(duì)現(xiàn)在生產(chǎn)狀態(tài)的座椅進(jìn)行詳細(xì)分析，以及結(jié)合多次試驗(yàn)的結(jié)果，可以確定主要有以下兩點(diǎn)不足：

圖2 減速度或加速度-時(shí)間的曲線

（1）現(xiàn)在生產(chǎn)狀態(tài)的座椅強(qiáng)度很強(qiáng)，雖然強(qiáng)度滿足國家法規(guī)，但存在設(shè)計(jì)不合理，強(qiáng)度過剩，造成整車總質(zhì)量及成本增加，具體結(jié)構(gòu)形式見圖3。

圖3 現(xiàn)有座椅結(jié)構(gòu)形式

（2）目前狀態(tài)的座椅骨架，使用的是方管，在內(nèi)部突出物以及座椅靠背后部的吸能特性上，是不符合法規(guī)要求的。

3 新狀態(tài)座椅的三維設(shè)計(jì)

根據(jù)新法規(guī)的要求和對(duì)現(xiàn)狀態(tài)座椅進(jìn)行的分析研究，確定我們需要注意的幾個(gè)方面：

（1）現(xiàn)在座椅強(qiáng)度是足夠的，但對(duì)于碰撞的安全性來說，是無法保證的，沒有針對(duì)動(dòng)態(tài)碰撞傷害做專門的設(shè)計(jì)處理；

（2）新法規(guī)的動(dòng)態(tài)碰撞試驗(yàn)，要求座椅靠背具有足夠的彈性，能夠充分吸收碰撞過程產(chǎn)生的能量，避免對(duì)人員造成傷害；

（3）座椅抗后傾試驗(yàn)，要求座椅具有足夠的剛性，能夠承受車輛突然加速，乘員的故意沖擊等情況下，沖擊力對(duì)座椅的傷害，確保座椅不變形、不破壞；

（4）優(yōu)化具體結(jié)構(gòu)，降低產(chǎn)品成本費(fèi)用。

根據(jù)上述情況，利用三維設(shè)計(jì)軟件UGNX7.5進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，初步完成的座椅結(jié)構(gòu)模型見圖4。

圖4 初步完成的座椅結(jié)構(gòu)模型

4 CAE分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

CAE分析是在理論上評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)是否滿足法規(guī)要求，主要分成靜態(tài)強(qiáng)度CAE分析以及動(dòng)態(tài)碰撞模擬CAE分析。需要使用假人體數(shù)模模型，CAE分析主要是優(yōu)化設(shè)計(jì)，指導(dǎo)完善設(shè)計(jì)，并讓實(shí)際試驗(yàn)成功的可能性更大。由于試驗(yàn)費(fèi)用比較高昂，所以CAE分析更加重要，對(duì)縮短開發(fā)周期，也起到至關(guān)重要的作用。

4.1 座椅安全帶安固定點(diǎn)強(qiáng)度的CAE分析

進(jìn)行座椅安全帶安固定點(diǎn)強(qiáng)度的CAE分析，由于此座椅設(shè)計(jì)是2人座，所以分析時(shí)安全帶也必須是2個(gè)安全帶。座椅骨架受力情況見下圖5，未發(fā)生嚴(yán)重變形或失效。

圖5 座椅骨架受力情況圖

4.2 靠背的抗后傾CAE分析

做靠背的抗后傾CAE分析，受力情況見圖6 a，發(fā)生塑性變形，不符合法規(guī)要求，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，再做CAE分析，結(jié)果符合要求，見圖6 b。

圖6 靠背的抗后傾CAE分析

4.3 抗前傾的動(dòng)態(tài)碰撞模擬CAE分析

做抗前傾的動(dòng)態(tài)碰撞模擬CAE分析。

（1）先分析在使用混合III型第5百分位人體模型時(shí)的受力和傷害指標(biāo)情況，并且按照系安全帶和不系安全帶兩種狀態(tài)來分析，圖7是不系安全帶的情況，從分析結(jié)果來看（見圖8、圖9），符合法規(guī)要求：

圖7 不系安全帶的碰撞模擬情況

圖8 5%假人胸部和頭部加速度曲線

圖9 5%假人大腿力曲線

（2）然后分析在使用符合GB 27887中規(guī)定的6歲人體模型時(shí)的受力和傷害指標(biāo)情況，并且按照系安全帶和不系安全帶兩種狀態(tài)來分析，圖10是系安全帶的情況，從分析結(jié)果來看（見圖11），符合法規(guī)要求：

圖10 系安全帶的碰撞模擬情況

圖11 6歲兒童假人胸部和頭部加速度曲線

5 設(shè)計(jì)完善及驗(yàn)證

通過對(duì)上述CAE分析結(jié)果的研究，以及CAE分析人員的優(yōu)化建議，對(duì)整個(gè)座椅的詳細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，然后再重新進(jìn)行一遍CAE分析工作，直到每一個(gè)分析都是通過的，在理論上是滿足法規(guī)要求的。然后，再進(jìn)行工裝樣件的制作，制作樣椅，并到國家級(jí)實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證情況，再結(jié)合CAE分析來完善最終的設(shè)計(jì)，并發(fā)布設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行批量生產(chǎn)。

6 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)通過對(duì)新、舊法規(guī)的對(duì)比研究，以及對(duì)現(xiàn)狀態(tài)的座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并針對(duì)新法規(guī)更改較大的部分，進(jìn)行適應(yīng)性的設(shè)計(jì)更改，輔助CAE分析工具的應(yīng)用，成功地設(shè)計(jì)開發(fā)出一款成本較低、安全性能較高的小學(xué)生校車座椅。

[1]GB24406-2009，專用小學(xué)生座椅及其車輛固定件的強(qiáng)度[S].

[2]GB24406-2012，專用校車學(xué)生座椅系統(tǒng)及其車輛固定件的強(qiáng)度[S].

[3]GB24407-2012，專用校車安全技術(shù)條件[S].