商用車車頂安全性法規分析及關鍵技術研究

黃巨成　雷飛

分析了兩種典型的商用車車頂安全性測試流程，比較兩種測試流程加載方式和約束方式存在的區別。為了考察不同加載方式和約束方式對商用車車頂安全性的影響，建立了商用車車頂安全性一般分析模型并對某型商用車車頂安全性進行分析。在一般分析模型基礎上，通過加入彈性元件和改變沖擊速度，分析彈性約束條件和高速沖擊對車頂安全性的影響。結果表明，在彈性約束條件和高速沖擊條件下車頂的耐撞性表現出不穩定性和局部變形的特點。本文研究的內容將為制定商用車車頂安全性測試標準提供參考。

一、引言

商用車車頂安全性是商用車乘員保護的重要組成部分。美國密歇根大學交通研究所的研究表明，在與商用車有關的交通事故中（TIFA， Trucks Involved in FatalAccidents），駕駛室正面碰撞和車頂垮塌是導致商用車乘員嚴重傷亡的兩種主要碰撞形式。駕駛室正面碰撞主要發生于車輛的正面碰撞事故和追尾事故中，其中，以商用車與前方商用車追尾為最嚴重的工況；車頂垮塌是另一種重要的傷亡形式，主要發生于商用車在運行過程中出現的翻車事故。

針對商用車的危險碰撞形式，世界主要經濟體和發達國家紛紛制定出相應的商用車乘員保護法規以保障商用車乘員的安全。其中，聯合國歐洲經濟委員會通過的 ECE-R29和美國汽車工程學會的推薦測試標準 SAE J2420、J2422引起了廣泛的關注，成為商用車乘員保護法規借鑒的典范。在這些法規中，正面碰撞乘員保護的試驗方法較為類似，而在車頂安全性評價方面存在較大差異。我國正在積極推進商用車乘員保護的法規制定工作，由于缺乏對國內商用車交通事故的詳細數據統計，目前處于對國際相關法規的消化吸收階段。本文針對 ECE-R29和 SAE-J2422在車頂安全性測試方面存在的差異，通過對碰撞工況的分析提出車頂安全性測試方法所涉及的關鍵技術，并通過數值模擬手段對這些關鍵技術進行對比分析，最后提出車頂安全性法規試驗的關鍵環節。

二、商用車交通事故統計

隨著我國商用車保有量的持續增加，與卡車相關的交通事故已經引起廣泛的關注。我國交通部門公布的交通事故統計資料顯示，我國道路交通事故中重型貨車事故是道路交通事故的主要事故類型之一。表 1列出 2011～2014年我國道路交通事故中死亡總數和重型貨車事故引起的死亡人數的情況。從表 1中可以看出，重型貨車交通事故引起的死亡人數雖然呈逐年下降的趨勢，但仍然占據著較大的比重。因此，需要對重型貨車引起的交通事故進行分析研究，確定主要的事故類型和傷亡情況。

在 M.C.Simon等人的研究“The Potential Gain to be achieved by Generalization of Seat Belts andAirbags in Truck”中，對法國 403起卡車交通事故進行了深入研究，將與貨車相關的交通事故分為 4種類型，分別是貨車與轎車碰撞事故、貨車與貨車碰撞事故、貨車與障礙物碰撞事故和貨車翻車事故。同時，將在這些事故中商用車乘員的受傷程度分為死亡、重傷、輕傷和未受傷 4個級別，具體的統計數據如表 2所示。

由表 2可以看出，轎車與卡車相撞和卡車翻車是與卡車相關交通事故的主要事故類型，分別占事故總數的 47.1%和 30.0%。其中，由卡車翻車引起的死亡人數占死亡總人數的 41.7%，重傷人數占總重傷人數的 41.4%，輕傷人數占總輕傷人數的 55.4%。該數據表明，卡車的翻車事故是造成嚴重人員傷亡的重要事故形式之一。在重型貨車翻車事故中，車頂垮塌和生存空間不足是引起乘員傷亡的主要原因。因此，需要對車頂安全性進行強制法規要求以盡可能降低乘員傷亡。

三、商用車車頂安全性相關法規

針對商用車交通事故的主要特點，歐洲經濟委員會和美國汽車工程學會分別提出了各自的商用車乘員保護測試方法，很多國家都在借鑒這兩種測試方法。瑞典則擁有獨立的商用車安全性測試法規，其法規被公認為最為嚴苛的商用車安全性測試法規。本文重點分析 ECE和 SAE法規在商用車車頂安全性測試方面的異同。SAE推薦的測試流程將商用車車頂安全性分為兩個階段，包括側圍上部的動態預加載和車頂的準靜態加載。ECE R29法規直接通過對商用車車頂加載進行安全性評價。

1. SAE測試法規分析

SAE J2422推薦測試流程從兩個階段對商用車車頂安全性進行分析，包括動態預加載和車頂準靜態加載兩個階段。其中，動態預加載用于模擬在商用車翻滾超過 90度時，駕駛室側圍上部受到的載荷；車頂的準靜態加載用于模擬車輛在 180度翻轉后車頂的受載情況。在測試過程中使用標準的駕駛室懸置，允許彈性和阻尼的存在。測試過程中的載荷通過剛性平板施加。

動態預載荷將駕駛室傾斜 20°角按照標準的懸置方式固定在試驗臺上，一個垂直于地面且與車架縱向平行的剛性墻沿垂直于剛性板的方向以一定的速度撞向駕駛室。駕駛室與剛性板的碰撞部位發生在駕駛室側圍上部，碰撞能量根據根據駕駛室翻轉所需的能量計算得出。動態預加載的測試布置如圖 1所示。在動態預載階段，剛性墻攜帶的能量對駕駛室翻轉能量乘以一定的放大系數確定，最大值不超過17625.6J。駕駛室的翻轉能量通過駕駛室尺寸、重量和車輛的質心位置確定，該能量近似相當于車輛從臨界平衡位置翻轉到側圍著地所產生的動能。

圖 1 SAE J2422測試中動態預加載部分示意圖

準靜態加載通過平行于駕駛室地板的剛性板沿著垂直于車頂的方向運動來實現。可以將駕駛室翻轉后以標準懸置固定在垂直于地面的平臺上，將進行預加載一側的駕駛室向下放置，剛性板沿著垂直于車頂平面的方向運動。準靜態加載過程主要測量剛性板對乘員空間的侵入量，特別需要關注駕駛員和乘員座椅位置的侵入量。準靜態加載的測試布置如圖 2所示。

2.ECE測試法規分析

ECE R29對商用車駕駛室乘員保護中對車頂的安全性測試方法進行了規定，該測試方法主要以等效載荷的形式在車頂上進行加載。駕駛室可以安裝在車架上或安裝在獨立的支架上，必須保證在試驗過程中車輛無明顯移動，為此，應拉上手制動、掛上檔，并用楔塊楔住前輪。懸架（彈簧、輪胎等）各部件的通過剛體構件進行剛性處理，消除各部件的變形。同時，需要保證在試驗過程中駕駛室安裝支架不能移動。ECE R29法規要求的約束情況如圖 3所示。

圖 2 SAE J2422測試中準靜態加載部分示意圖

圖 3 ECE R29中車頂強度試驗示意圖

駕駛室頂部應能承受相當于車輛前部的一個軸或多個軸的最大軸荷的靜載荷，但最大為 10，000kg。此靜載荷應通過形狀合適的剛體部件均勻地施加在駕駛室或座艙頂部構架的所有支承件上。測試完成后，通過 50百分位假人對生存空間進行評價，當座椅位于中間位置時，假人模型不應與車輛的非彈性部件發生接觸。同時要求在試驗過程中，車門不能開啟。

3.測試方法對比分析

兩種測試方法對比如表 3所示。SAE測試流程使用動態載荷和準靜態載荷進行加載，ECE法規則使用靜態載荷進行加載，在相同的能量作用下，不同的加載速度對駕駛室的結構受到不同的影響。同時，SAE測試流程使用標準懸置將駕駛室安裝于車架上，而 ECE法規則要求將駕駛室懸置的彈性元件進行剛性化處理，二者對駕駛室的約束條件要求不同。

四、車頂安全性分析關鍵技術

1.一般分析工況

由于兩種測試方法在測試流程上存在較大差異，為了考察這兩種方法在不同載荷和不同約束情況下的車頂強度，現假定一個通用的測試工況。駕駛室以一定方式支撐于試驗支架上，剛性板攜帶50KJ的能量以一定的速度向車頂運動，考察在此載荷作用下結構的響應。通過改變剛性板的質量可以同時考察不同的加載速度和不同邊界條件下結構的響應。以某型商用車駕駛室為例進行數值模擬分析，對該駕駛室的車頂安全性進行評價，駕駛室模型如圖 4所示。

圖 4車頂強度一般分析工況

在該工況條件下，設置剛性板質量為 1，000kg，以 10m/s的速度向車頂方向運動，駕駛室通過剛性件與支撐結構相連，駕駛室的最大變形如圖 5所示。由圖 5可知，該駕駛室結構能夠承受 50KJ能量以 10m/s的速度的沖擊，車頂在受到沖擊后有較大變形，后圍有一定的變形量。

圖 5一般分析工況下駕駛室最大變形圖

2.彈性支撐工況

在保持一般分析工況中加載方式不變的情況下，使用彈性元件將駕駛室連接在試驗支架上，考察車頂在此種情況下的變形。計算過程中的最大變形如圖6所示。由圖6可知，由于使用彈性支撐，車頂的變形和后圍的變形均小于使用剛性支撐時的情況。同時，由于駕駛室的左右及前后方向的彈性元件的剛度存在差異，在沖擊過程中，導致駕駛室左右變形不一致。

圖 6彈性支撐工況下駕駛室最大變形圖

3.高速沖擊工況

在保證剛性板沖擊能量不變的條件下，提高剛性板的沖擊速度，考察車頂在較高速度沖擊載荷作用下的變形情況。為了避免駕駛室的左右變形不一致情況，采用剛性元件與支撐結構相連。計算過程中的最大變形如圖 7所示。由圖 7可知，在高速沖擊載荷作用下，車頂的局部變形較大，后圍的變形較小，沖擊速度對駕駛室變形部位有明顯影響。

圖 7高速沖擊工況下駕駛室最大變形圖

五、結語

對比分析了 ECE法規和 SAE推薦測試標準中商用車駕駛室車頂剛度對乘員保護測試的要求，針對兩種測試方法在約束和載荷方面存在的差異，對國產某型商用車駕駛室進行車頂強度分析，獲得以下結論。

（1）兩種測試流程使用不同的方法對商用車車頂安全性進行分析，二者均以乘員的生存空間為評價原則。其中，SAE J2422測試流程側重考察翻車事故過程中車頂的響應，ECE R29法規則強調測試流程的操作可行性和穩定性。

（2）SAE J2422測試流程中使用預加動載荷和準靜態載荷的方式對車頂進行安全性分析，較為全面地考察了車輛在翻滾過程中所受的載荷。同時，在測試過程中使用標準駕駛室懸置，可以較為真實地反映車輛在翻車時的情況。

（3）ECE R29法規使用靜態載荷對車頂安全性進行分析，簡化了車頂安全性的分析流程，根據不同的車型施加不同的載荷，操作簡便，評價指標明確。法規要求在測試過程中對所涉及的彈性元件進行剛性化處理，消除了彈性元件對測試過程的影響，測試結果較為穩定。

（4）由于施加載荷的速度對分析結果有較為明顯的影響，合適的加載速度是商用車車頂安全性分析過程中需要確定的主要參數。因此，需要通過對翻車機理和商用車交通事故進行統計分析得到加載速度。