載貨汽車防護(hù)裝置加載強(qiáng)度試驗(yàn)研究

孫勇，劉文營(yíng)，付松青

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

載貨汽車與乘用車或者行人發(fā)生碰撞、剮蹭或卷入等交通事故一直備受社會(huì)的關(guān)注，這些交通事故多發(fā)生在載貨汽車的前部、后部及側(cè)面，防護(hù)裝置主要是為了解決載貨汽車與乘用車和行人碰撞相容性問(wèn)題[1-2]。載貨汽車的防護(hù)裝置一般包括前下部防護(hù)裝置、后下部防護(hù)裝置和側(cè)面防護(hù)裝置。前下防護(hù)裝置的主要作用是在與乘用車發(fā)生碰撞時(shí)防止乘用車鉆入車輛前下部；后下防護(hù)裝置的主要作用是在與乘用車發(fā)生碰撞時(shí)防止乘用車鉆入車輛后下部；側(cè)面防護(hù)裝置的作用是避免未受保護(hù)的道路使用者跌到車輛側(cè)面而被卷入車輪下。

近年來(lái)，防護(hù)裝置的相關(guān)研究側(cè)重法規(guī)的解讀和單一防護(hù)裝置的仿真測(cè)試。唐波[3]對(duì)前下部防護(hù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了解讀，并對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的難點(diǎn)進(jìn)行了舉例說(shuō)明；陸善彬等[4]重新優(yōu)化設(shè)計(jì)了前下部防護(hù)裝置，解決了原車防護(hù)裝置剛度不足的問(wèn)題；關(guān)大鵬等[5]開(kāi)發(fā)了一系列前下防護(hù)裝置，并對(duì)前下防護(hù)進(jìn)行了相關(guān)的法規(guī)驗(yàn)證試驗(yàn)。JAJU等[6]、沈才華等[7]、司瑞雪等[8]利用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行了后下部防護(hù)裝置的碰撞設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，針對(duì)存在的不足之處提出了改進(jìn)優(yōu)化方案。覃禎員[9]對(duì)比了國(guó)內(nèi)外后下部防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)差異，并通過(guò)仿真模擬研究了靜態(tài)加載和移動(dòng)壁障試驗(yàn)變形特性，提出了對(duì)國(guó)標(biāo)的修改意見(jiàn)。季小冬[10]結(jié)合產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)側(cè)面防護(hù)裝置的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了解讀。

綜上所述，目前的研究多是對(duì)單一防護(hù)裝置的法規(guī)解讀和測(cè)試研究，并未有對(duì)整車防護(hù)裝置的全方位測(cè)試驗(yàn)證，且后下部防護(hù)和側(cè)面防護(hù)的解讀都是基于老標(biāo)準(zhǔn)研究，無(wú)法反映最新標(biāo)準(zhǔn)GB11567-2017的要求。本文作者對(duì)前下防護(hù)、后下防護(hù)和側(cè)面防護(hù)的最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了梳理歸納，并對(duì)某重型載貨汽車的3種防護(hù)裝置分別進(jìn)行加載強(qiáng)度的測(cè)試研究，指出了未來(lái)防護(hù)裝置強(qiáng)度檢驗(yàn)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

1 防護(hù)裝置標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

鑒于防護(hù)裝置的重要性，國(guó)內(nèi)推出了國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)防護(hù)裝置的剛度及相關(guān)尺寸等參數(shù)做出了詳細(xì)規(guī)定。GB 11567-2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》是參考?xì)W洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)法規(guī)ECER58對(duì)GB 11567.1-2001和GB 11567.2-2001的最新修訂版本。GB 26511-2011《商用車前下部防護(hù)要求》是參考ECE R93制定的前下部防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。不同類型防護(hù)裝置標(biāo)準(zhǔn)的加載強(qiáng)度要求如表1所示。

從表1可以看出，前下防護(hù)的最大加載力比后下部防護(hù)的最大加載力要大。主要原因是后下部防護(hù)裝置主要是為了防止轎車后鉆入，轎車本身質(zhì)量較輕，碰撞能量相對(duì)較??；貨車本身的質(zhì)量大，與其他車輛發(fā)生正碰和追尾碰撞時(shí)產(chǎn)生的能量更大，提高前下防護(hù)的加載強(qiáng)度可防止車輛鉆入或被壓入車底部。

一般前下部防護(hù)和后下部防護(hù)主要是通過(guò)螺栓、焊接或者鉚接等形式與車架連接，前下防護(hù)的離地高度相比后下部防護(hù)更低，這對(duì)于前下部防護(hù)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要求更高。前下部防護(hù)和后下部防護(hù)如果是左右縱向?qū)ΨQ型式，兩者可以從原先的五點(diǎn)加載簡(jiǎn)化為三點(diǎn)加載。

側(cè)面防護(hù)裝置主要是能防止行人跌入或者卷入車底，不需要太大的剛度，1 kN的加載強(qiáng)度相對(duì)較容易滿足，是3種防護(hù)類型中較容易滿足結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度試驗(yàn)的一類裝置。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)際，側(cè)面防護(hù)、后下部防護(hù)和前下部防護(hù)都可以劃分為3種類型，如圖1所示，從而有利于不同車型設(shè)計(jì)和不同平臺(tái)開(kāi)發(fā)的模塊化運(yùn)用，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，便于設(shè)計(jì)統(tǒng)一化。

圖1 防護(hù)試驗(yàn)分類

2 防護(hù)裝置加載強(qiáng)度測(cè)試

2.1 測(cè)試樣車參數(shù)

選用某N3類重型載貨汽車作為測(cè)試樣車，防護(hù)裝置的相關(guān)參數(shù)及整車參數(shù)如表2所示。

表2 載貨汽車防護(hù)裝置參數(shù)及整車參數(shù)

2.2 前下防護(hù)加載試驗(yàn)

車輛處于空載狀態(tài)，用鋼絲繩、剛性停車楔等將車輛固定在水平剛性平面上，前輪處于直線行駛位置，如圖2所示。

圖2 前下部防護(hù)加載試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，描述前下部防護(hù)裝置的尺寸安裝示意如圖3所示，并測(cè)量相關(guān)的尺寸參數(shù)如表3所示。

圖3 前下部防護(hù)裝置安裝要求示意

參數(shù)項(xiàng)P1左P2左P3中P2右P1右水平距離/mmL3=200L1=4700L2=470L'3=200實(shí)測(cè)高度/mmH=400H'=60

注：(1)L1=L2且L′1+L′2的值應(yīng)在700～1 200 mm之間(確切位置由制造商來(lái)制定)；L3=L′3≤200 mm；(2)點(diǎn)P1、P2、P3位于橫向構(gòu)件的外表面上，且在一個(gè)水平面內(nèi)。

根據(jù)表1中前下防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)GB 26511-2011規(guī)定，計(jì)算相應(yīng)的試驗(yàn)載荷：

樣車的最大總質(zhì)量m=25 500 kg。

P1：mg×50%=25 500×9.8×50%=125 kN，80 kN；

P2：mg×100%=25 500×9.8×100%=249 kN，160 kN；

P3：mg×50%=25 500×9.8×50%=125 kN，80 kN。

由上述得知：點(diǎn)P1和點(diǎn)P3加載80 kN，點(diǎn)P2加載160 kN，其中點(diǎn)P2加載測(cè)試曲線如圖4所示，整體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

圖4 前下防護(hù)加載測(cè)試曲線

參數(shù)項(xiàng)P1左P2左P3中P2右P1右載荷實(shí)測(cè)值/kN80.5160.680.5——水平最大變形量D/mm110.353.936.7——距離B/mm180180180——距離A=(B+D)/mm290.3233.9213.2——垂直位移Δh(負(fù)值表示降低)19107——

注：(1)最大變形量D為各載荷作用點(diǎn)在載荷施加時(shí)的最大移動(dòng)量。(2)距離B為載荷作用前，各載荷作用點(diǎn)距離車輛最前端的距離。(3)距離A為加載試驗(yàn)后各載荷作用點(diǎn)到車輛最前端的水平距離。

由于該樣車前下部防護(hù)裝置相對(duì)縱向中間平面軸對(duì)稱，所以點(diǎn)P1和點(diǎn)P2選擇一側(cè)進(jìn)行加載測(cè)試，此次試驗(yàn)選用左側(cè)加載。從圖4和表4可以看出，前下防護(hù)的最大變形量出現(xiàn)在點(diǎn)P1，雖然加載力不如點(diǎn)P2大，但是點(diǎn)P2處于防護(hù)裝置跟車架連接部位，有剛性支撐；點(diǎn)P1距離防護(hù)跟車架連接部位較遠(yuǎn)，力臂較長(zhǎng)，比點(diǎn)P2更容易發(fā)生變形。GB 26511-2011規(guī)定在試驗(yàn)完成后，前下防護(hù)前端面的各測(cè)試點(diǎn)到車輛最前端的水平距離應(yīng)不大于400 mm，同時(shí)要求試驗(yàn)完成后P1兩點(diǎn)之間的前下部防護(hù)下邊緣最大離地間隙應(yīng)不大于450 mm。從表4可以看出各載荷作用點(diǎn)到車輛最前端的水平距離A值最大為290.3 mm，小于400 mm，且試驗(yàn)后前下部防護(hù)下邊緣離地高(H-H′+Δh)最大為359 mm，小于450 mm，故該前下防護(hù)的加載強(qiáng)度滿足GB 26511-2011標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3 后下防護(hù)加載試驗(yàn)

后下部防護(hù)的試驗(yàn)條件同前下部防護(hù)試驗(yàn)，前下防護(hù)試驗(yàn)完成后樣車調(diào)轉(zhuǎn)車頭，尾部對(duì)向加載試驗(yàn)臺(tái)，按同樣的連接方式進(jìn)行固定，如圖5所示。依據(jù)GB 11567-2017標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，描述后下部防護(hù)裝置的尺寸安裝示意如圖6所示，并測(cè)量相關(guān)的尺寸參數(shù)如表5所示。

圖5 后下防護(hù)加載試驗(yàn)

圖6 后下部防護(hù)裝置安裝要求示意

參數(shù)項(xiàng)P3左P2左P3中P2右P3右水平距離/mmL1=300L3=450—L4=450L2=300L'1=250———L'2=250高度/mmH=520H'=60

注：(1)L1和L2應(yīng)為(300±25) mm。(2)L3=L4且L′3+L′4的值應(yīng)在700～1 000 mm 之間。(3)高度H應(yīng)不大于550 mm(N2、O3類車)或560 mm(N3、O4類車)。

根據(jù)表1中后下部防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)GB 11567-2017規(guī)定，計(jì)算相應(yīng)的試驗(yàn)載荷：

樣車的最大總質(zhì)量m=25 500 kg；

P2：mg×50%=25 500×9.8×50%=125 kN，100 kN ；

P3：mg×25%=25 500×9.8×25%=62.5 kN，50 kN。

由上述得知：點(diǎn)P2加載100 kN，點(diǎn)P3加載50 kN，P2加載曲線如圖7所示，整體加載強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表6所示。

該載貨汽車的后下部防護(hù)裝置以車輛縱向中心平面為軸對(duì)稱，選擇左側(cè)加載點(diǎn)加載。從圖7和表6可以看出，后下防護(hù)的最大變形量跟前下防護(hù)相似，位于三點(diǎn)加載的最外側(cè)位置，此情況出現(xiàn)同前下防護(hù)的結(jié)構(gòu)原理相類似。加載試驗(yàn)后各載荷作用點(diǎn)到車輛最后端的水平距離A最大值為153.5 mm，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值400 mm。表6數(shù)據(jù)結(jié)果表明該載貨汽車的后下防護(hù)裝置加載強(qiáng)度滿足GB 11567-2017的要求。

圖7 后下防護(hù)加載試驗(yàn)曲線

參數(shù)項(xiàng)P3左P2左P3中P2右P3右試驗(yàn)載荷/kN50.2101.250.9——最大變形量D/mm93.562.319.9——距離B/mm606060——距離A=(B+D)/mm153.5122.379.9——

注：(1)最大變形量D為各載荷作用點(diǎn)在載荷施加時(shí)的最大移動(dòng)量。(2)距離B為載荷作用前，各載荷作用點(diǎn)距離車輛最后端的距離。(3)距離A為加載試驗(yàn)后各載荷作用點(diǎn)到車輛最后端的水平距離。

2.4 側(cè)面防護(hù)加載試驗(yàn)

因側(cè)面防護(hù)加載強(qiáng)度小，加載試驗(yàn)需要專門的側(cè)面防護(hù)加載設(shè)備，與后下和前下防護(hù)加載設(shè)備不同。車輛處于水平、剛性、平滑的平面上，前輪處于直線行駛位置，輪胎應(yīng)充氣到推薦的壓力，如圖8所示。

圖8 側(cè)面防護(hù)加載試驗(yàn)

對(duì)于左、右側(cè)的側(cè)面防護(hù)裝置的連接方式和結(jié)構(gòu)相同且布局對(duì)稱的型式，可以只對(duì)其中一側(cè)的防護(hù)裝置進(jìn)行檢驗(yàn)即可。此載貨汽車的連接方式和結(jié)構(gòu)相同但是布局不對(duì)稱，需要對(duì)側(cè)面防護(hù)進(jìn)行左右兩側(cè)的加載檢驗(yàn)，最后一段250 mm內(nèi)變形量與側(cè)面防護(hù)結(jié)構(gòu)中前或后外伸出部分的長(zhǎng)度相關(guān)，如圖9所示?？紤]到多數(shù)車輛側(cè)面防護(hù)裝置的前緣位于超過(guò)25 mm的開(kāi)闊空間，前緣需要有連續(xù)且貫穿整個(gè)高度的垂直構(gòu)件，后緣成為潛在的最大變形量部位。從表7可以看出，最后一段250 mm內(nèi)變形均滿足限值要求，且對(duì)于側(cè)面防護(hù)其他部分，因防護(hù)裝置中間結(jié)構(gòu)垂直桿件間距較大受壓后變形量最大，結(jié)果仍滿足GB 11567-2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 側(cè)面防護(hù)裝置前后外伸示意

標(biāo)準(zhǔn)要求檢驗(yàn)結(jié)果左側(cè)右側(cè)用直徑(220±10) mm圓形平壓頭施加1 kN靜壓力而產(chǎn)生的變形應(yīng)滿足:(1)最后一段250 mm內(nèi)變形不大于30 mm(2)其余部分變形不大于150 mm(1)施加1.1 kN力,最后一段250 mm內(nèi)變形為23 mm;(2)施加1.0 kN力,其余部分變形最大為32 mm(1)施加1.2 kN力,最后一段250 mm內(nèi)變形為28 mm;(2)施加1.1 kN力,其余部分變形最大為25 mm

3 防護(hù)裝置加載檢驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì)

GB 26511-2011明確采用靜態(tài)加載方式對(duì)前下防護(hù)進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)，GB 11567-2017規(guī)定后下部防護(hù)裝置采用移動(dòng)壁障碰撞加載或車輛靜態(tài)加載檢驗(yàn)都是允許的，而側(cè)面防護(hù)裝置采用靜態(tài)加載強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)。由此可以看出載貨汽車防護(hù)裝置的加載檢驗(yàn)方式一般有2種：移動(dòng)壁障碰撞加載檢驗(yàn)和車輛靜態(tài)加載檢驗(yàn)。在工程實(shí)際加載檢驗(yàn)中，以車輛靜態(tài)加載檢驗(yàn)應(yīng)用最為廣泛。移動(dòng)壁障碰撞檢驗(yàn)在當(dāng)前的防護(hù)裝置加載檢驗(yàn)中存在著一定的困難，但是移動(dòng)壁障碰撞無(wú)疑是更接近現(xiàn)實(shí)交通碰撞事故的檢驗(yàn)方法，是未來(lái)防護(hù)裝置加載強(qiáng)度檢驗(yàn)技術(shù)的重要發(fā)展方向。

采用移動(dòng)壁障碰撞試驗(yàn)進(jìn)行防護(hù)裝置加載強(qiáng)度檢驗(yàn)需要解決以下3個(gè)方面的主要問(wèn)題：

(1)移動(dòng)壁障。目前采用移動(dòng)壁障進(jìn)行貨車防護(hù)裝置碰撞相容性的研究成果較少，無(wú)法提出合適的移動(dòng)壁障尺寸以及質(zhì)量參數(shù)要求。只有對(duì)移動(dòng)壁障進(jìn)行深入的研究，在大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試評(píng)價(jià)方法建立、提供技術(shù)支撐。

(2)檢驗(yàn)成本。靜態(tài)加載只需要將防護(hù)裝置加載設(shè)備在試驗(yàn)室位置固定后，每次移動(dòng)車輛至防護(hù)設(shè)備附近，從設(shè)備到測(cè)試方法、數(shù)據(jù)處理等流程已經(jīng)十分成熟，檢驗(yàn)成本較低。而移動(dòng)壁障、固定避障、高速攝像機(jī)、數(shù)據(jù)采集傳感器、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)要求都十分復(fù)雜且嚴(yán)格，檢驗(yàn)費(fèi)用相比靜態(tài)加載大幅度增加。

(3)碰撞能量。移動(dòng)壁障碰撞能量與靜態(tài)加載能量問(wèn)題是研究的重點(diǎn)，但行業(yè)相關(guān)研究還很少。目前普遍采用靜態(tài)加載檢驗(yàn)的關(guān)鍵原因就是按照GB 11567-2017標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，靜態(tài)加載能量相比移動(dòng)壁障的碰撞能量小很多，可以相對(duì)容易獲得法規(guī)的認(rèn)可。

綜上所述，防護(hù)裝置加載強(qiáng)度檢驗(yàn)會(huì)朝著更能體現(xiàn)實(shí)際交通碰撞事故的移動(dòng)壁障檢驗(yàn)方向發(fā)展。鑒于中國(guó)道路交通環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，且自主品牌商用車占據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的絕大多數(shù)份額，防護(hù)裝置的測(cè)試檢驗(yàn)需要充分考慮中國(guó)國(guó)情的因素，結(jié)合國(guó)內(nèi)防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加大貨車防護(hù)裝置的相關(guān)研究，為未來(lái)防護(hù)裝置強(qiáng)度檢驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)介紹了載貨汽車防護(hù)裝置的3種類型，并對(duì)不同類型防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的加載強(qiáng)度檢驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比分析。

(2)依據(jù)國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)載貨汽車3種類型的防護(hù)裝置依次進(jìn)行了實(shí)車加載檢驗(yàn)測(cè)試，詳細(xì)闡述了強(qiáng)度加載的相關(guān)參數(shù)和檢驗(yàn)流程，試驗(yàn)結(jié)果表明載貨汽車的防護(hù)裝置滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求。

(3)針對(duì)目前存在的靜態(tài)加載和移動(dòng)壁障2種不同檢驗(yàn)類型，分析了當(dāng)前工程實(shí)踐中存在的問(wèn)題，并指出移動(dòng)壁障碰撞測(cè)試方法是未來(lái)防護(hù)裝置檢驗(yàn)的重要技術(shù)發(fā)展方向。