客車座椅靜強度與安全性的關(guān)系

劉明彬，楊艷紅（安徽工程大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖241000）

客車座椅靜強度與安全性的關(guān)系

劉明彬，楊艷紅
（安徽工程大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖241000）

從客車座椅設(shè)計的安全性能及其影響因素角度出發(fā)，仿真分析座椅總成靜強度和靠背靜強度，并針對客車座椅系統(tǒng)中疲勞破壞最早發(fā)生和應(yīng)力值較大的調(diào)角器部位與座盆側(cè)板連接部位進行實驗，尋找出一組更合理的結(jié)構(gòu)形式改進和材料優(yōu)化方案：在車體前部受到撞擊向后擠壓變形時自動松開座椅的鎖緊裝置并推動座椅向后移動的結(jié)構(gòu)形式改進，將調(diào)角器橫管材料Q235和靠背連接處底部縱梁材料08Al優(yōu)化為強度更高的SS490，為客車座椅的安全性設(shè)計提供理論依據(jù).

座椅；安全性；靜強度；應(yīng)力

Liu MB,Yang YH.The Correlation between Coach SeatStatic Strength and Safety[J].Journal of Yibin University,2015, 15（6）：13-16.

近年來，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，高等級公路的高密度修建，人們對客車安全性和舒適性的要求越來越高.座椅作為客車的重要組成部分，除了為乘客提供舒適宜人的乘車環(huán)境，更重要的是它在被動保護中對乘客安全性起到?jīng)Q定性作用.本文對客車座椅系統(tǒng)靜強度進行研究分析，并根據(jù)分析結(jié)果進行結(jié)構(gòu)改進設(shè)計、材料優(yōu)化，以期從結(jié)構(gòu)功能和材料性能方面，最大程度避免事故發(fā)生時座椅結(jié)構(gòu)破壞和功能喪失情況的發(fā)生，從而減輕事故對乘員的傷害程度.

1　客車座椅系統(tǒng)靜強度

客車座椅系統(tǒng)靜強度分析是座椅被動安全性設(shè)計的首要研究內(nèi)容.座椅不僅要減輕乘客的受限疲勞，在行駛過程中要承受“路面—客車—乘員”整體系統(tǒng)的復(fù)雜載荷，還要與安全帶、扶手、座椅腳踏和前排座椅靠背一起對乘客定位，緩解事故發(fā)生或緊急制動時的碰撞強度.因此，座椅不僅要具有合理的幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、人體接觸面體壓分布，以及由此而產(chǎn)生的受載輪廓等技術(shù)特性，還要具有應(yīng)對懸架彈性元件（避振器、輪胎等振動系統(tǒng)）的沖擊、振動的緩沖和消振特性.

客車座椅在行車和停車過程中所承受的載荷都非常復(fù)雜，很難通過試驗仿真或計算機模擬演示得到確切數(shù)據(jù)，大多采用靜態(tài)加載的方式將各種情況下的座椅承載能力通過參數(shù)變化折算為一種極限載荷來研究.中國客車標(biāo)準(zhǔn)化研究所依據(jù)國際通用座椅安全性法規(guī)制定了我國客車座椅安全性能要求與試驗方法作為衡量承載能力的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).GB15083-2006對座椅總成靜強度、座椅靠背靜強度、座椅固定裝置及頭枕強度研究與試驗方法作了詳細規(guī)定；GB15083-1994對客車（M類）座椅系統(tǒng)的強度（包括靠背和座墊總成兩部分）及其固定裝置的強度要求和試驗方法作了具體規(guī)定；GB14167-1993對前向座椅乘員用安全帶的安裝固定點的位置、強度要求和強度試驗方法作了具體的規(guī)定[1].在靜態(tài)強度分析中，座墊對載荷作用影響很小.因此，座椅靜強度分析的主要研究內(nèi)容集中于座椅骨架結(jié)構(gòu)形式（分離式座椅骨架結(jié)構(gòu)）和材料特性兩個方面.

1.1座椅總成靜強度分析

試驗中有限元模型建模方法、邊界條件和仿真分析方法參照國標(biāo)GB15083-2006、GB11550-1995中的相關(guān)規(guī)定，制定客車座椅系統(tǒng)靜強度試驗方案.對座椅總成靜強度分析的載荷施加情況，GB15083-2006《客車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》中規(guī)定：通過座椅總成質(zhì)心處水平向前、水平向后對其施加相當(dāng)于座椅總成質(zhì)量20倍的載荷，座椅及其固定點應(yīng)能承受20倍以上非線性化載荷，并且座椅主體不得與車體分離以及座椅主體變形程度不得超過幾何參數(shù)規(guī)定范圍[2].這與美國客車安全技術(shù)法規(guī)（FMVSS-207）和歐洲客車標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)（ECE-R17）中對座椅總成靜強度的規(guī)定類似.對于前后、左右可調(diào)式座椅，調(diào)節(jié)裝置在座椅總成質(zhì)量20倍載荷沖擊下應(yīng)能保持原調(diào)節(jié)位置，在極限載荷沖擊后調(diào)節(jié)裝置允許失去調(diào)節(jié)功能.座椅靠背的剛性強度應(yīng)滿足追尾碰撞時乘員身體沿靠背向上滑動距離范圍以及靠背對乘員產(chǎn)生的回彈強度.座墊的有效深度、傾角、軟硬程度、摩擦系數(shù)應(yīng)滿足高強度碰撞時乘員頸椎傾角、胸部傾角、軀干基準(zhǔn)線與X軸間的夾角在安全范圍內(nèi).FMVSS-207和ECE-R17規(guī)定加載示意圖如1所示.

圖1　座椅總成靜強度加載示意圖

實驗對象為標(biāo)準(zhǔn)客車座椅，質(zhì)量為20 kg，模擬計算時所施加的載荷應(yīng)為3 913N.通過ABAQUS軟件仿真分析，在質(zhì)心處施加一個集中載荷，并通過多點約束將質(zhì)心與質(zhì)心附近區(qū)域連接.最大負荷力為209MPa，出現(xiàn)在調(diào)角器與靠背連接部位及座盆側(cè)板連接部位.而靠背采用的St12鋼板材料屈服極限為275MPa，其余部位的負荷力均在200MPa以下.座椅應(yīng)力分布如圖2所示.最大位移量為4mm，出現(xiàn)在靠背連接頭枕的橫管處，符合國標(biāo)和我國對座椅總成靜強度要求.座椅位移如圖3所示.

圖2　總成靜強度仿真應(yīng)力圖

圖3　總成靜強度仿真位移圖

1.2座椅靠背靜強度分析

人機工程學(xué)研究表明，保持脊柱的正常自然形態(tài)和正確乘坐姿勢，客車座椅靠背傾角略小于體腿夾角，達到95°～110°范圍，人體對座椅靠背施加的靜強度負荷力分布最均勻，座椅靠背安全性能最高.根據(jù)2000年美國FMVSS-207法規(guī)和中國客車座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法（GB15083-1994）中對靠背靜強度規(guī)定：對座椅靠背沿縱向向后施加相對于座椅基準(zhǔn)點R點（R點應(yīng)與安放在客車座椅中3DH裝置的軀干與大腿鉸接中心一致）372N·m力矩的持續(xù)負荷時，座椅骨架結(jié)構(gòu)及座椅固定點應(yīng)能承受同等以上沖擊載荷.試驗過程中及試驗完成后，座椅骨架、座椅固定點及位移系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)或鎖止機構(gòu)不得打開或失效，角調(diào)節(jié)機構(gòu)不得松脫，但允許在碰撞過程中產(chǎn)生不會增加傷害程度的永久變形或斷裂，且能承受規(guī)定載荷，且保持在原位置.歐洲客車標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)（ECE-R17）和中國客車座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法（GB15083-2006）中對靠背靜強度規(guī)定：對座椅靠背沿縱向向后施加相對于座椅基準(zhǔn)點R點530 N·m力矩的持續(xù)負荷時，座椅骨架及座椅固定點應(yīng)能承受同等以上載荷.試驗過程中及試驗完成后，座椅骨架、座椅固定點及位移系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)或鎖止機構(gòu)不得打開或失效，角調(diào)節(jié)機構(gòu)不得松脫[3].歐洲客車標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對靠背靜強度加載示意如圖4所示.

圖4　ECE-R17對靠背靜強度加載示意圖

對于整體式頭枕座椅，在距基準(zhǔn)點（R點）520mm處與參考線相垂直的平面上，且位于通過軀干基準(zhǔn)線兩側(cè)各80mm處的兩個縱向垂直面所包括的區(qū)域內(nèi)，對上框施加1 000N的恒定負荷力.加載時，在上框中部以一個集中載荷施加，通過MPC（多點約束）點將上框附近區(qū)域連接，使負荷力均勻分布.靠背上最大應(yīng)力值為225.7MPa，主要集中在靠背連接處與調(diào)角器部位.而靠背結(jié)構(gòu)采用的St12鋼板的屈服極限為275MPa，最大應(yīng)力值沒有超過材料的屈服極限.座椅靠背靜強度應(yīng)力如圖5所示.在最大應(yīng)力值作用下，座椅結(jié)構(gòu)發(fā)生位移的最大值出現(xiàn)在靠背連接頭枕的橫管處，最大位移量為11.7mm，滿足國標(biāo)對座椅靠背靜強度要求.靠背靜強度位移如圖6所示.

圖5　靠背靜強度應(yīng)力仿真圖

圖6　靠背靜強度位移仿真圖

2　客車座椅系統(tǒng)靜強度特性試驗

通過對座椅總成和靠背靜強度的有限元仿真分析，發(fā)現(xiàn)對座椅系統(tǒng)施加集中載荷時，最大應(yīng)力值主要出現(xiàn)在調(diào)角器部位與座盆側(cè)板連接部位.雖然有限元仿真最大應(yīng)力值都沒有超過材料的屈服極限，但座椅材料或結(jié)構(gòu)會隨著座椅使用壽命多次受到重復(fù)變化的載荷作用，在這種交變載荷或循環(huán)載荷作用下的金屬材料在低于強度屈服極限的應(yīng)力水平下會提前失效[4]，導(dǎo)致材料特性或功能結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞.客車座椅在行駛過程中承受著路面?zhèn)鬟f給車身的交變載荷[5]，這種交變載荷在帶給座椅材料和結(jié)構(gòu)疲勞破壞的同時還會嚴(yán)重影響座椅的使用安全性.

2.1座椅循環(huán)載荷實驗

實驗采用的座椅骨架主要材料為St12，調(diào)角器橫管為Q235，其它部位金屬結(jié)構(gòu)材料均為08Al.對座椅靠背頂部中心處施加頻率為30次/分鐘、550N以下的水平方向半正弦循環(huán)載荷實驗，得到座椅循環(huán)載荷曲線和座椅靠背骨架總成的疲勞壽命圖，如圖7、圖8所示.

圖7　座椅循環(huán)載荷曲線

圖8　座椅疲勞壽命圖

根據(jù)實驗結(jié)果可見：座椅調(diào)角器與座盆側(cè)板連接處的使用壽命較短，最低使用壽命為1.95+005次，嚴(yán)重影響座椅系統(tǒng)的使用壽命.因此，需要對這兩個部位進行結(jié)構(gòu)改進、材料優(yōu)化及功能構(gòu)件厚度增加，以提高二者的機械強度和抗疲勞程度，避免這兩個部位在法規(guī)加載時出現(xiàn)塑性變形和疲勞破壞，甚至是局部結(jié)構(gòu)因應(yīng)力變形而產(chǎn)生斷裂，影響座椅系統(tǒng)的整體安全性.

2.2座椅材料優(yōu)化與結(jié)構(gòu)改進

調(diào)角器橫管材料優(yōu)化方案：將Q235（普通碳素結(jié)構(gòu)鋼材料屈服極限235MPa）更換為強度更高的SS490（日本碳素鋼材料屈服極限285MPa），材料屈服極限大幅度提升50MPa.為了提高座椅調(diào)角器橫管的安全系數(shù)，橫管厚度可增加0.5～1mm，材料屈服極限可提升35～55MPa.座椅靠背連接處的底部縱梁采用的材料為08Al，應(yīng)力值達到191MPa，已接近材料的屈服強度極限，因此選用SS490（材料屈服極限285MPa），縱梁厚度減少0.5mm，材料屈服極限提升94MPa.座盆側(cè)板連接部位的仿真試驗應(yīng)力值已接近屈服極限，鑒于連接部位和連接塊是評估座椅失效與否的重要部件[6]，因此對前后連接塊進行結(jié)構(gòu)改進以提高它的安全系數(shù).因連接部位受到前后方向的沖擊載荷，在客車行駛中受到的循環(huán)載荷和交變載荷最為頻繁[7]，可采用SS490（材料屈服極限285MPa）提高屈服極限，并對前連接塊增加與前連接塊厚度相同的加強板.對后連接塊采用加強筋的方式，材料屈服極限可提高50MPa，從而提高座椅系統(tǒng)安全系數(shù).

座椅結(jié)構(gòu)改進方面，為了避免座盆側(cè)板連接部位和連接塊受到極限載荷的沖擊而失效，以及在車體前部受到撞擊向后擠壓變形時自動松開座椅的鎖緊裝置并推動座椅向后移動，為乘員提供較大逃生空間.在座架下部左右兩側(cè)的固定座架上卡裝有沿其縱向滑動的滑架，滑架與座架固定.在座椅一側(cè)的滑架立側(cè)面上安裝有橫向設(shè)置的旋緊螺栓，并在旋緊螺栓上設(shè)置套裝操作手柄，通過手柄旋轉(zhuǎn)可將旋緊螺栓定位于相匹配的凹槽板凹槽內(nèi)，凹槽與凸楞形成縱向滑動卡裝槽而鎖死.在固定座架上設(shè)置向后上方傾斜15°的拉簧固定架及緩沖拉簧.在客車前部受到撞擊向后變形過程中，乘員座椅在安全桿的推動下自動松開鎖緊裝置并向后移動，通過凹槽、定位凸楞、復(fù)位拉簧、拉簧固定架傾斜角的緩沖以及滑槽內(nèi)與客車前端連接的安全桿對套裝操作手柄的推動而使座椅自動后移，有效避免乘員被卡壓、擠壓現(xiàn)象，減緩座椅靠背對乘員瞬間擠壓載荷的傷害，保證突發(fā)事件時座椅工作的安全性.圖9是座椅結(jié)構(gòu)的改進圖.

3　結(jié)論

參考歐美和中國法規(guī)的有關(guān)規(guī)定，在座椅靜強度和后移量有限元模型的基礎(chǔ)上，對座椅總成靜強度和靠背靜強度仿真分析.根據(jù)試驗選擇加載和約束方式進行計算，通過仿真分析與試驗結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)施加集中載荷后的最大應(yīng)力值主要出現(xiàn)在調(diào)角器部位與座盆側(cè)板連接部位.針對這兩個部位施加水平方向半正弦循環(huán)載荷實驗，從實驗分析的座椅循環(huán)載荷曲線和座椅靠背骨架總成的疲勞壽命數(shù)據(jù)分析圖中發(fā)現(xiàn)，疲勞破壞最早發(fā)生和應(yīng)力值較大的部位主要在座椅部件之間的連接位置.針對座盆側(cè)板連接部位和調(diào)角器部位優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，使車體前部受到撞擊向后擠壓變形時自動松開座椅的鎖緊裝置并推動座椅向后移動，并尋找更加合理的材料優(yōu)化方案，大幅度提高材料屈服極限，從而提高座椅系統(tǒng)安全系數(shù).從座椅系統(tǒng)靜強度的改善方面提高人們乘坐客車的安全性.

圖9　座椅結(jié)構(gòu)改進示意圖

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（編校：李青）

The Correlation betw een Coach Seat Static Strength and Safety

LIUMingbin,YANGYanhong
（SchoolofArts,AnhuiPolytechnic University,Wuhu,Anhui241000,China）

From the point of view of safety performance and affecting factors in coach seat design,simulation analyses were carried outabout the seatassembly static strength and backreststatic strength,and experimentalanalyseswere also carried outabout the reclinerand the jointsofseatbasin and side platewhich are underhigher stress value andmost like?ly to experience fatigue damage.A more reasonable program for structure improvement and material optimization was found out：upon the impact from the frontend,the backward extrusion deformation automatically releases the seat locking device and push the seatback；thematerialQ235 for the horizontal tube of reclinerand 08Al for the bottom carling of the joints of backrestwere optimized with SS490 for its higher strength,providing a theoretical basis for the passenger seat safety design.

seat；safety；static strength；stress

TB472；TH164

A

1671-5365（2015）06-0013-04

2014-10-16修回：2014-11-12

國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201210363182）；安徽省教育廳項目（SK2013B062）；安徽工程大學(xué)校級教研重點項目（2014jyxm19）

劉明彬（1982-），男，講師，碩士，研究方向為客車座椅設(shè)計、造型藝術(shù)

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014-11-13 15：10網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20141113.1510.001.html

引用格式：劉明彬，楊艷紅.客車座椅靜強度與安全性的關(guān)系[J].宜賓學(xué)院學(xué)報,2015,15（6）：13-16.