客車正碰駕駛區(qū)安全空間優(yōu)化

路 斌， 韓 健， 楊圣淼， 胡化增

(中通客車股份有限公司， 山東 聊城 252000)

客車已成為人們?nèi)粘３鲂械闹饕煌üぞ咧?，客運事故也成為特大交通事故的主體。據(jù)統(tǒng)計，客車正面碰撞事故約占整個客運事故的50%～60%[1-2]?？蛙囈坏┌l(fā)生正面碰撞，駕駛員的損傷概率很大。主要原因是正面碰撞使得方向盤向后擠壓安全空間[3]。因此，優(yōu)化駕駛區(qū)安全空間具有重要意義。

1 整車仿真模型

1.1 仿真模型建立

在客車正向開發(fā)流程中，有限元仿真分析的方法已得到廣泛的應(yīng)用[4]。本文首先基于中通客車大量工程實際案例的經(jīng)驗，建立有效的客車仿真模型進行分析和優(yōu)化。仿真模型除了保留主體承載骨架、主要零部件、懸架系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)外，還建立了簡化的假人模型、安全帶等約束系統(tǒng)模型[5-7]。整車仿真模型如圖1所示。

圖1 整車有限元模型

1.2 網(wǎng)格劃分

客車車身骨架和車架型鋼截面均為矩形鋼管，使用2D面網(wǎng)格賦予厚度的方法進行網(wǎng)格化。對于懸架、發(fā)動機、變速箱等實體模型，直接采用六面體3D網(wǎng)格化[8-9]。此外，為了保證有限元模型的精度，網(wǎng)格劃分要滿足以下幾點[10]：

1) 網(wǎng)格劃分大小要均勻、合適，從精度及成本考慮，網(wǎng)格尺寸盡量控制在5～10 mm以內(nèi)。

2) 模型中的關(guān)鍵部位盡量避免采用三角形單元，比如前駕駛區(qū)段的骨架和零部件。為了提高計算精度，整車三角形單元總數(shù)需控制在5%以內(nèi)。

1.3 初始條件

建立剛性無限大平面，模擬剛性壁障和地面，動、靜摩擦系數(shù)分別為0.5、0.6。地面與輪胎接觸，動、靜摩擦系數(shù)分別為0.1、0.9。車身骨架與各零部件之間采用自動單面接觸方式，以防止碰撞接觸穿透?？刂婆鲎策^程中的沙漏能不超過總能量的5%[11]。為節(jié)省計算時間，整車與剛性壁障初始距離設(shè)為10 mm，初始碰撞速度設(shè)置為30 km/h。

2 仿真結(jié)果及改進措施

一般情況下，客車的方向機管柱焊接在前圍儀表臺支撐橫梁上。當(dāng)客車在發(fā)生正面碰撞時，前圍骨架受到撞擊產(chǎn)生塑性變形，逐漸被壓潰侵入駕駛區(qū)空間。這時方向機管柱也會隨著前圍骨架向后移動，從而導(dǎo)致方向盤擠壓駕駛員。圖2(a)為初始結(jié)構(gòu)示意圖，圖2(b)為正面碰撞后最大變形時刻(T=0.16 s)的駕駛區(qū)變形示意圖。由圖2可知，正碰最大變形時刻的前圍骨架彎梁被壓潰至與前圍立柱平齊，帶動方向盤侵入安全空間，擠壓駕駛員腹部和腿部，嚴(yán)重威脅駕駛員的生命安全。

(a) T=0 s

為了消除上述安全隱患，基于大量有限元分析結(jié)果論證，提出優(yōu)化改進方案，主要優(yōu)化思路如下：

1) 在方向機支架處設(shè)計專用的碰撞翻轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置，方向機支架與前圍橫梁連接處的型鋼選用屈服強度較低的材料。碰撞時，翻轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置先于方向盤接觸到剛性墻，方向機支架與前圍橫梁連接點處的型鋼首先發(fā)生塑性變形，翻轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置以塑性變形點為旋轉(zhuǎn)中心向后旋轉(zhuǎn)，引導(dǎo)方向機支架向前扭轉(zhuǎn)變形，從而帶動方向盤向遠離駕駛員方向運動，增大駕駛員與方向盤之間的安全距離。

2) 優(yōu)化前圍彎梁與儀表臺支撐橫梁連接部位的型鋼結(jié)構(gòu)和材料，對該連接型鋼設(shè)置合理的斜度。碰撞時該處的型鋼直接被壓潰，并斜向下運動，從而防止其推動儀表臺支撐橫梁水平向后移動，影響方向盤前翻效果。

3) 在車架前段設(shè)置吸能裝置，最大限度地降低碰撞加速度峰值，減弱碰撞過程中方向盤的前后擺動幅度。

3 改進效果與試驗驗證

3.1 改進效果

圖3為改進后駕駛區(qū)安全空間在碰撞過程中兩個時刻的變形過程。由圖3(a)可知，在T=0.08 s時，方向盤以方向機支架焊接點為旋轉(zhuǎn)中心，出現(xiàn)明顯的向前翻轉(zhuǎn)的趨勢。隨著碰撞變形加劇，方向盤前向翻轉(zhuǎn)幅度繼續(xù)增加。圖3(b)為最大變形時刻(T=0.17 s)的駕駛區(qū)安全空間狀態(tài)。

(a) T=0.08 s

圖4為改進前、后的假人腿部與方向盤豎直方向最小距離(初始距離為119 mm)隨時間變化曲線。由圖4可知，改進后，在T=0.075 s時，方向盤與假人腿部的安全距離達到最大；碰撞回彈穩(wěn)定后，方向盤與假人腿部的距離為285 mm左右，遠大于初始距離和改進前的距離。

圖4 假人腿部與方向盤豎直方向最小距離隨時間變化曲線

圖5為改進前、后假人胸部與方向盤水平方向最小距離(初始距離為142 mm)隨時間變化曲線。改進后，由于方向盤向前翻轉(zhuǎn)，方向盤與假人胸部的安全距離在前0.05 s內(nèi)也出現(xiàn)了短暫的增大趨勢，隨后開始逐漸減小。距離減小的主要是因為在碰撞過程中假人由于慣性，上肢軀干向前傾斜，安全帶被拉出所導(dǎo)致的。但當(dāng)假人受到安全帶的束縛，前傾位移達到最大時(T=0.13 s)，方向盤與假人胸部并未發(fā)生接觸，仍保持50 mm的安全距離。最大變形時刻T=0.17 s時，假人被安全帶拉回座椅原位置，此時胸部安全距離增大到118 mm。最終碰撞回彈穩(wěn)定后，方向盤與假人胸部的安全距離為90 mm左右，遠好于改進前的狀況。

圖5 假人胸部與方向盤水平方向最小距離隨時間變化曲線

改進后，在整個碰撞過程中，方向盤與假人之間未發(fā)生接觸擠壓，有效地保證了駕駛區(qū)的安全空間，防止駕駛員受到擠壓傷害。

3.2 試驗驗證

采用CAE分析后的改進方案對實車進行整改，然后按照30 km/h的行駛速度進行整車正碰試驗。圖6(a)為實車碰撞后客車前部變形狀態(tài)，圖6(b)為仿真模擬得到的客車前部骨架變形結(jié)構(gòu)。可以看到，兩圖前部骨架均呈現(xiàn)向下彎曲狀態(tài)，骨架變形趨勢和變形模式具有較高的吻合度。

(a) 試驗效果

圖7(a)為試驗后得到的最終駕駛區(qū)空間變形結(jié)果，其方向盤變形結(jié)果與碰撞穩(wěn)定后的仿真效果圖7(b)也基本保持一致。正面碰撞變形穩(wěn)定后，實際測量得到的駕駛區(qū)安全空間距離見表1。既驗證了仿真分析的準(zhǔn)確性，又表明該優(yōu)化方案的可行性。

表1 駕駛區(qū)生存空間距離 mm

(a) 試驗效果

4 結(jié)束語

本文使用有限元模型對客車正面碰撞時駕駛區(qū)安全空間的變形進行分析，提出了保障駕駛員安全的改進措施，有效地解決了方向盤侵入安全空間的問題。經(jīng)過測試，驗證了該方案的可行性。