新法規校車座椅的設計開發

陳建設，鄭紅武

（1.柳州五菱汽車工業有限公司，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）

隨著中國經濟的飛速發展，人民生活水平的不斷提高，對生命安全的重視程度也越來越高，面對不斷出現的校車安全事故，讓人們更加意識到校車安全必須解決。國家近期不斷出臺跟校車安全相關的法律法規。作為校車安全的重要組成部分——校車座椅，這一關乎學生生命安全的重要部件被單獨提出，并要求執行強制法規GB24406，其版本也由原來的2009，更新為2012。這一標準法規，詳細規定了校車座椅的組成、安裝、配置、強度等方面應該達到的要求，確保學生在車輛發生緊急情況下，傷害降到最低。

本文根據新法規的要求，以某款小學生校車座椅的結構設計為實例，介紹了如何進行校車座椅的設計開發。

1 新舊法規的對比分析

《專用校車學生座椅系統及其車輛固定件的強度》由GB 24406-2009變更為GB 24406-2012，其意義發生了很大變化，原來只是單純的強調強度，執行靜態試驗方法，而新標準則需要動靜結合，以實際的動態模擬碰撞，來檢驗傷害情況。具體不同點表現在以下幾點：

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

（2）2012版法規增加了校車上安裝于座椅前方的約束隔板，需要執行與座椅相同的動態試驗檢測；

（3）兩則法規的最大不同點在于，2012版將驗證前傾性能和座椅靠背后部的吸能特性的靜態試驗方法，修改為動態試驗方法，采用假人動態滑車碰撞，更加注重實際安全效果評價。

具體介紹如下：

2009版座椅的前傾性能，按照圖1要求對靠背施力，檢測其安全性。

圖1 力-位移曲線

2012版要求對座椅和隔板按照圖2進行模擬動態碰撞，并且使用符合GB 27887中規定的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，各進行一次動態試驗，通過對試驗后的傷害指標進行評價，判斷座椅是否合格，這樣更貼近交通事故的實際情況，也更加安全，但對座椅本身也提出更高要求。

2 現有座椅的狀態分析

通過對現在生產狀態的座椅進行詳細分析，以及結合多次試驗的結果，可以確定主要有以下兩點不足：

圖2 減速度或加速度-時間的曲線

（1）現在生產狀態的座椅強度很強，雖然強度滿足國家法規，但存在設計不合理，強度過剩，造成整車總質量及成本增加，具體結構形式見圖3。

圖3 現有座椅結構形式

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

3 新狀態座椅的三維設計

根據新法規的要求和對現狀態座椅進行的分析研究，確定我們需要注意的幾個方面：

（1）現在座椅強度是足夠的，但對于碰撞的安全性來說，是無法保證的，沒有針對動態碰撞傷害做專門的設計處理；

（2）新法規的動態碰撞試驗，要求座椅靠背具有足夠的彈性，能夠充分吸收碰撞過程產生的能量，避免對人員造成傷害；

（3）座椅抗后傾試驗，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，沖擊力對座椅的傷害，確保座椅不變形、不破壞；

（4）優化具體結構，降低產品成本費用。

根據上述情況，利用三維設計軟件UGNX7.5進行詳細的結構設計，初步完成的座椅結構模型見圖4。

圖4 初步完成的座椅結構模型

4 CAE分析及設計優化

CAE分析是在理論上評價設計是否滿足法規要求，主要分成靜態強度CAE分析以及動態碰撞模擬CAE分析。需要使用假人體數模模型，CAE分析主要是優化設計，指導完善設計，并讓實際試驗成功的可能性更大。由于試驗費用比較高昂，所以CAE分析更加重要，對縮短開發周期，也起到至關重要的作用。

4.1 座椅安全帶安固定點強度的CAE分析

進行座椅安全帶安固定點強度的CAE分析，由于此座椅設計是2人座，所以分析時安全帶也必須是2個安全帶。座椅骨架受力情況見下圖5，未發生嚴重變形或失效。

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，發生塑性變形，不符合法規要求，對設計進行優化，再做CAE分析，結果符合要求，見圖6 b。

圖6 靠背的抗后傾CAE分析

4.3 抗前傾的動態碰撞模擬CAE分析

做抗前傾的動態碰撞模擬CAE分析。

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

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中規定的6歲人體模型時的受力和傷害指標情況，并且按照系安全帶和不系安全帶兩種狀態來分析，圖10是系安全帶的情況，從分析結果來看（見圖11），符合法規要求：

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 設計完善及驗證

通過對上述CAE分析結果的研究，以及CAE分析人員的優化建議，對整個座椅的詳細結構進行設計優化，然后再重新進行一遍CAE分析工作，直到每一個分析都是通過的，在理論上是滿足法規要求的。然后，再進行工裝樣件的制作，制作樣椅，并到國家級實驗機構進行相關試驗驗證。根據試驗驗證情況，再結合CAE分析來完善最終的設計，并發布設計數據進行批量生產。

6 結束語

本次設計通過對新、舊法規的對比研究，以及對現狀態的座椅結構進行分析，并針對新法規更改較大的部分，進行適應性的設計更改，輔助CAE分析工具的應用，成功地設計開發出一款成本較低、安全性能較高的小學生校車座椅。

[1]GB24406-2009，專用小學生座椅及其車輛固定件的強度[S].

[2]GB24406-2012，專用校車學生座椅系統及其車輛固定件的強度[S].

[3]GB24407-2012，專用校車安全技術條件[S].