客車被動安全研究主要方法及內容

李仕鋒，丁良旭，曹源文

（1.重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074；2.國家客車質量監督檢驗中心，重慶 401122）

1 客車被動安全法規標準現狀

1.1 國外狀況

歐美客車的安全性在全球享有很高的聲譽，其客車安全法規相比其他國家要健全和完善，很多國家的法規也都是參照歐美標準修改制定的。目前涉及客車被動安全性的歐洲法規主要有：ECE R14《關于機動車安全帶安裝固定點認證的統一規定》、ECE R17《關于就座椅、座椅固定點和頭枕方面批準車輛的統一規定》、ECE R29《關于就商用車駕駛室乘員保護方面批準車輛的統一規定》、ECE R52《關于小型公共運輸車輛的結構的統一規定》、ECE R66《關于就上部結構強度方面批準大型客車的統一規定》和ECE R80《關于就座椅及其固定點方面批準大型客車座椅和車輛的統一規定》等。

美國汽車安全技術法規中涉及客車被動安全性的主要有：FMVSS 201《乘員在車內碰撞時的防護》、FMVSS 207《座椅系統》、FMVSS 208《汽車乘員碰撞保護》、FMVSS 210《座椅安全帶總成固定點》和FMVSS 217《客車緊急出口及車窗的保持與解鎖》等。至今，美國仍是世界上擁有最完整校車標準體系的國家，專門針對學童客車的被動安全法規就有三項：FMVSS 220《校車翻滾保護》、FMVSS 221《校車車身聯接強度》、FMVSS 222《校車乘員座椅及碰撞保護》。

上述法規中，在國際上被廣泛接受的客車被動安全法規是關于客車上部結構強度的標準ECE R66和ECE R52。ECE R66是動態試驗，考核客車傾翻時上部結構的承載能力；ECE R52是靜態試驗，考核客車傾翻后頂部朝下時上部結構的承載能力。許多國家對客車上部結構強度的法規，如澳大利亞設計規則ADR 59/00:1998《公共汽車傾翻強度》、南非SANS 1563:2005《大客車上部結構強度》、印度AIS-031《客車結構強度》和我國GB/T 17578-1998《客車上部結構強度的規定》等都是在ECE R66的基礎上修改制定的。相比ECE R52，ECE R66在國際上影響更深遠[1]。

ECE R66法規經過不斷修訂，現在已有3個系列版本：R66-00系列于1986年12月發布實施，現在使用得較少；R66-01系列于2005年11月開始實施，現在使用得最多，占我國客車出口認證試驗的絕大部分，與R66-00系列的主要區別：有乘員約束裝置的座椅上增加34 kg或68 kg配重，以真實再現車輛實際事故時的情景，同時鎖止懸架，使碰撞能量最大程度上被上部結構變形吸收，考核客車上部結構強度更加嚴格；R66-02系列于2010年8月開始實施，在R66-01系列的基礎上，增加了對16座以上的B級客車上部結構強度的要求，技術要求和試驗方法沒有變化。

1.2 國內狀況

目前，我國已頒布實施的客車被動安全標準涉及客車結構、座椅、安全帶等，主要包括GB/T 17578-1998《客車上部結構強度的規定》、GB 13057-2003《客車座椅及其車輛固定件的強度》、GB 18986-2003《輕型客車結構安全要求》、GB 14167-2006《汽車安全帶安裝固定點》、GB 13094-2007《客車結構安全要求》、GB 24406-2009《小學生校車座椅及其車輛固定件的強度》和GB 24407-2009《專用小學生校車安全技術條件》等。

GB 18986-2003中有對客車頂部結構強度的要求；GB 13094-2007規定自2011年2月1日開始強制執行對客車上部結構強度要求，主要技術要求需滿足GB/T 17578；GB 24406-2009和 GB 24407-2009是主要參考美國FMVSS 222制定的，GB 24407-2009明確規定專用小學生校車要滿足GB/T 17578中規定的上部結構強度要求，此部分已于2012年1月1日起正式實施；GB/T 17578-1998是等效采用ECE R66-00系列中整車傾翻試驗的規定，現已不能滿足現實要求，正在參照ECE R66-01系列修訂成為強制性標準GB 17578。據報批稿了解，修訂后的該標準要求在裝有乘員約束裝置的座椅上配重每個乘員質量的一半，65 kg對成人乘員也可配重，其他要求與ECE R66-01基本一致。

客車正面碰撞事故約占整個客車事故的60%，我國乃至世界至今仍未制定客車正面碰撞的相關標準，無法對客車前部結構碰撞性能進行評價。國內相關研究人員和企業，參照ECE R29《商用車駕駛室乘員保護》和GB 11551-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》，已開展了客車正面擺錘碰撞的試驗研究及障礙壁碰撞的仿真分析，提出了使用加重擺錘正面撞擊客車前部結構和使用臺車進行座椅強度及乘員保護的動態試驗方案，為客車正碰標準的制定進行了有益的探索。

2009年9月，我國已開始交通運輸部科技項目《營運客車安全評價標準》的編制工作。通過制定和修訂《客車上部結構強度規定及試驗方法》、《客車前部結構強度規定及計算機模擬計算要求》、《客車發動機可變進氣制動緩速裝置技術要求及試驗方法》、《客車輪胎爆胎保險裝置技術要求及試驗方法》和《客車用液力緩速器制動裝置技術要求及試驗方法》5項標準，提出針對有關營運客車安全標準的技術要求，制定切實可行的試驗方法，從而使我國營運客車安全標準體系更加完善。

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2 客車被動安全研究方法

客車被動安全研究方法目前主要有試驗研究和計算機仿真。試驗方法成本高，周期長，設備可能較昂貴，但試驗結果直觀、有效、可靠。為了降低成本，縮短開發周期，人為改變輸入條件等，現在基于有限元的客車被動安全性能數值仿真分析方法得到廣泛應用。但仿真分析仍需在試驗數據驗證后，才能放心采用。

2.1 試驗研究

汽車被動安全性的研究最早是通過試驗來進行的，主要包括臺架沖擊試驗、臺車碰撞模擬試驗和實車碰撞試驗等。國外利用尸體的臺車碰撞試驗研究了傾斜座椅中不常見但比較安全的一種工況，即將椅背向后傾斜的同時也將椅墊前端向上調整[2]。研究表明，該姿態在碰撞時，使座椅在一定程度上分散了安全帶給乘員的力，使得乘員比較安全，為乘員約束系統設計提供參考。

由于翻滾事故造成的高死亡率，車輛的翻滾安全性成為國內外近幾年車輛被動安全性研究的重點。統計分析發現，許多翻滾事故是由車輛的側向平動引起的，而已有的試驗方法未能考慮車輛在側向平動時乘員的運動姿態，只考慮了車輛翻滾過程中的乘員運動姿態。鑒于此，有研究人員開發了一種新的翻滾試驗方法[3]，即將臺車、假人和約束系統側向翻滾，臺車上裝有代表車輛懸架系統的彈簧。結果表明，該試驗方法有較好的重復性，同時能反映實車翻滾前和翻滾中乘員的運動姿態，為開發更安全的乘員約束系統提供了依據。

近年來，國內不少客車廠家為提升市場競爭力，搶占海外市場，成功開展了客車上部結構強度試驗（包括傾翻試驗和頂部靜壓試驗），座椅及其固定件強度、安全帶固定點強度等出口認證試驗。國家客車質量監督檢驗中心參照法規ECE R29《商用車駕駛室乘員保護》，采用正面擺錘撞擊的方式，對國內某款客車進行了探索性的正面碰撞試驗，同時結合客車與擺錘及障礙壁正面碰撞的仿真分析，提出了采用擺錘撞擊試驗和座椅動態碰撞試驗相結合替代客車障礙壁正面碰撞試驗的方案，既便于考核客車前部結構強度和對駕駛員的保護，又便于考核座椅強度和對車內乘員的保護，還降低了客車制造商的試驗成本，是一種較為穩妥、可行的試驗方法，為客車正面碰撞標準的制定提供了有益參考。

2.2 仿真研究

隨著計算機軟、硬件技術的發展及其在客車產品開發和試驗中的應用，基于有限元法的計算機模擬仿真技術在客車被動安全研究方面的應用扮演了愈來愈重要的角色。與實車碰撞試驗相比，計算機仿真分析具有周期短、費用低、可重復、數據獲取方便、不受時空和氣候條件限制的優越性，并且仿真結果可以對實車試驗進行預測，為實車試驗提供指導和幫助。

從文獻資料來看，在客車被動安全的計算機仿真研究方面，多數是結合試驗輔助以仿真分析來對比驗證模型建立的準確性，為后續的結構改進和優化奠定基礎。仿真研究對象主要集中在客車正面擺錘、障礙壁碰撞試驗、傾翻試驗、座椅動態試驗及人體局部生物力學等方面。

盡管仿真分析較試驗研究有比較優勢，但是采用計算機仿真分析并不意味著放棄試驗技術。仿真的結果只是對客車結構安全性的預先估計，只有最終的產品試驗才能真實反映產品的性能，并且模型中的參數和邊界條件要根據相關的試驗獲得，模型的正確性還要通過試驗來驗證。因此，試驗技術與仿真技術是相輔相成和相互促進的，以仿真分析和試驗驗證相結合的研究方法將是客車被動安全研究的主要方法。

3 客車被動安全研究主要內容

近年，我國通過學習和借鑒國外先進客車被動安全技術，除了在傳統的客車被動安全性方面開展相關研究外，現在主要圍繞三個領域開展研究[4]。

3.1 車體結構耐撞性研究

客車車體結構耐撞性研究主要是研究車身結構對碰撞能量的吸收特性，尋求改善車身結構耐撞性的方法，使得車身結構在外力沖擊下能以預計的方式變形，其變形量能控制在一定的范圍內，在保證客車乘員生存空間的前提下，車身變形吸收的能量最大，從而使傳遞給車內乘員的碰撞能量降低到最小，盡可能使乘員受傷害程度降到最低。

客車的翻滾安全性是國外客車車體結構耐撞性研究的熱點，歐洲和美國分別對翻滾開展了相關的試驗研究，同時制定了相應的法規ECE R66和FMVSS 220。圖1為匈牙利結合本國實際客車翻滾事故案例開展的三種形式的試驗研究[5]。經過案例分析和試驗對比發現，第三種試驗方法即ECE R66中規定的整車傾翻試驗方法，考核客車上部結構強度更為全面和嚴格。與歐洲區別很大的是美國對車輛翻滾安全性的考核采用平臺動態翻車的試驗方法，如圖2所示。要求將測試車輛放在平臺夾角為23°的平臺小車上，在不大于1 m的距離內，使平臺從50 km/h減速到零，測試車輛因慣性而向外拋出并著地翻滾后的乘員空間變化情況，要求平臺在減速和車輛翻倒過程中不改變運動方向，無側向和旋轉運動，減速度不小于20 g，持續時間不少于0.04 s。

國內目前對于客車車體結構耐撞性的研究，主要按照正碰、側碰、傾翻三種碰撞形式，分別開展了客車前部、側部、上部的結構吸能及強度、剛度等方面試驗研究和仿真分析。通過對沖壓殼體式與型材骨架式車輛傾翻試驗結果對比分析發現，沖壓殼體式車輛的試驗通過率相對偏低，建議廠家多采用型材骨架式更易滿足法規要求。另外，許多研究人員都在積極探索潛在的新型結構和材料，希望在減輕客車重量的同時提高其耐撞性能，同時還開始了焊點類型和分布位置對車體結構強度、剛度等方面影響的研究。

3.2 乘員約束與保護系統研究

乘員約束與保護系統在碰撞中與乘員直接發生作用，影響乘員傷害指標，是提高客車乘員安全性的重要環節，也是客車被動安全技術的核心。在保證客車車體耐撞性的前提下，研究和改善乘員約束與保護系統的結構參數和材料特性是進一步提高客車被動安全性的關鍵。

國外一直在致力于提高客車乘員約束與保護系統的研究，分別開展了安全帶、安全轉向系統、安全內飾件及智能約束系統等研究工作。先后設計了卷收器、自動鎖止卷收器和緊急自動鎖止卷收器等來提高安全帶的約束性能，還開發了安全帶預緊器、充氣式安全帶、兒童安全帶系統等。在安全轉向系統方面，開發的壓饋式轉向管柱能在轉向盤受到的碰撞力達到一定值時順利地產生位移（被壓饋），從而將轉向盤的碰撞阻力限制在一定范圍內。在安全內飾件研究方面，先后設計了安全座椅、吸能式轉向器、安全儀表板和膝墊等，并在不斷尋求吸能式內飾件襯墊材料[6]。另外，有研究人員利用計算機仿真技術對不同類型的假人，針對尾撞不同試驗標準，研究了主動式頭枕的作用，以及座椅其他參數對假人傷害指標的影響。能夠根據不同的乘員位置和體征、不同的碰撞形式和強度為乘員提供最優保護的智能式乘員約束系統一直在努力探索中，不斷有新的產品研制成功并推廣應用。

目前，我國客車乘員約束與保護系統主要由座椅和安全帶組成，未來我國客車除了進一步完善和改進這些系統外，還要開發更安全、更舒適的乘員約束系統。考察座椅的被動安全性能主要從靜態試驗和動態試驗來評價，動態試驗更能反映交通事故發生時，座椅強度和乘員動態響應情況。建議采用動態試驗來評價座椅及其車輛固定件的強度[7]。對比ECE R80和ADR 68/00中對臺車試驗的規定發現，后者在碰撞試驗條件和人體損傷限值等方面要求更為嚴格，被認為是目前世界上最嚴格的座椅動態試驗法規。國家客車監督檢驗中心通過多次試驗結果總結如下，為了能更順利地通過ADR 68/00要求[8]，建議廠家：首先，在座椅后靠背的重要位置采取良好的吸能措施，用以緩沖和吸收來自后排座椅乘客撞擊能量；其次，合理設計座椅靠背強度，使座椅靠背具有一定柔性，在碰撞過程中既保證變形又保持強度；再次，可采用帶有速度感應功能的鎖止式卷收器的安全帶，在碰撞瞬間感應速度變化，迅速張緊安全帶，將乘客固定在座位上。

3.3 人體碰撞生物力學研究

人體碰撞生物力學是客車被動安全技術研究的基礎，也是研究的難點，是一項多學科交叉的研究內容。它涉及工程學、人體解剖學、生理學和醫學等領域，主要是根據人體生理學和醫學把人體能耐受的沖擊極限值定量化，用工程學觀點來研究人體對碰撞沖擊的響應，以此來衡量乘員保護裝置的性能要求和需要進一步完善的程度。

目前，國外在碰撞生物力學領域開展的試驗研究主要包括兩類：一是研究生物體碰撞響應特性的基礎性試驗，如頭部損傷耐受度（HIC）和胸部損傷耐受度（VC）等就是通過此類試驗得到；二是研究汽車乘員約束和防護設施的碰撞試驗，碰撞試驗的危險性決定了必須采用模型來代替真人試驗。試驗模型主要有三類：一是生物力學模型，如志愿者試驗、尸體試驗、動物試驗等；二是機械假人模型。目前世界各國汽車安全性評價主要依賴假人模型試驗，因生物力學保真度界域的特殊性，使得至今尚未研制出滿足各個方向碰撞響應參數的假人。國外有研究人員比較了在低速尾撞工況下，志愿者和RID2尾撞假人頸部的動態響應和頸部傷害標準值（NIC），驗證了RID2假人有良好的生物仿真性[9]；三是人體數學模型，此類模型的建立、驗證和參數分析已成為碰撞生物力學仿真研究的重點。

國內對人體碰撞生物力學的研究起步較晚。目前的研究主要是跟蹤和引入國際前沿領域的研究成果，建立人體局部生物力學模型，通過相關的試驗驗證模型的可靠性，對其碰撞損傷機理進行研究，同時進行一些基礎的假人和動物試驗，逐步開展尸體和志愿者試驗。將生物力學研究和中國人體特征相結合，建立適用于中國人體防護研究的基礎數據庫、人體模型、試驗假人、損傷評價標準和人體耐受度指標等，將是我國碰撞生物力學研究的重要任務。

4 結束語

客車被動安全涉及的社會面廣，無論是駕乘人員，還是政府管理部門，都對未來客車安全性的要求愈來愈高。因此，只有不斷健全和完善客車安全法規，加強我國客車被動安全技術研究，不斷學習和借鑒國外先進技術，才能保證我國客車工業在激烈的國際市場競爭中立于不敗之地。

[1]王欣,丁良旭.客車被動安全試驗技術[J].客車技術與研究,2009，31(5):50-52.

[2]Wiechel J,Bolte J.Response of Reclined Post Mortem Human Subjects to FrontalImpact[C].SAE Paper,2006-01-0674.

[3]McCoy RW,Clifford C,etal.A Dynamic Component Rollover Crash TestSystem[C].SAE Paper,2006-01-0721.

[4]李克強，張金換，等.汽車安全技術發展研究[M].北京:中國科學技術出版社,2008:73-86.

[5]Matolcsy,M.The Severity of Bus Rollover Accidents.Scientific Society of Mechanical Engineers,2007 Paper NO.070989.

[6]Song Jian,Wang Weiwei,etal.Research Status and Prospects of Automotive Safety Technology[J].Automotive Safety and Energy,2010,No.2:98-106.

[7]覃禎員，王欣，顏長征，等.客車乘客座椅布置對乘員損傷影響的試驗研究[J].客車技術與研究，2011，33（4）：49-52.

[8]A National Standard Determined under Section 7 of the Act-Australi an.Design Rule 68/00 Occupant Protection in Buses[S].Motor Vehicle Standards Act.Australian.

[9]Croft AC,Philippens MMGM.The RID2 Biofidelic Rear Impact Dummy.A Validation Study Using Human Subjects in Low Speed Rear Impact FullScale Crash Tests Neck Injury Criterion[C].SAE Paper,2006-01-0067.