旅游观光车乘员保护结构强度试验方法研究

高永强 陈 静 王元强

(国家工程机械质量监督检验中心 北京 102100)

旅游观光车乘员保护结构强度试验方法研究

高永强 陈 静 王元强

(国家工程机械质量监督检验中心 北京 102100)

本文通过对比研究土方机械、客车及美国轻型多功能车乘员保护结构的试验验证技术要求及试验方法，结合观光车行业及观光车本身特点，分析确定了符合观光车要求的试验参数和判定原则，制定了适合观光车乘员保护结构使用的评价方法。

旅游观光车 乘员保护 试验验证 评价方法

近年来,随着人们生活水平的提升,出行旅游成为越来越多的人选择休闲放松的生活方式。各旅游景区生意火爆,游客熙攘。作为游客疏导和代步的交通工具,旅游观光车在景区的使用更加普遍和广泛。在此背景下,观光车行业发展迅速,市场蛋糕越来越大。为了增强竞争力,制造商们在产品的研发上下足了功夫,无论是在外观造型方面,还是在乘坐舒适性上,投入了较大的精力,车辆技术水平得到显著的提高。但是研发人员在车辆的安全性能上的考虑普遍不多,安全性能的提升较为缓慢。相比稳定性及安全车速等主要性能,乘员防护制造商重视程度普遍不够,需要提升的空间较大,尤其是乘员上部保护结构(即包括顶棚及立柱在内的车身结构)强度不足。由于没有标准和成熟的试验方法作为依托,缺乏试验数据,对观光车上部乘员保护结构的强度现状把握不足,观光车使用存在一定的隐患。为填补空白,建立较为恰当的试验验证方法和评价体系,笔者研究对比分析了我国在土方机械、客车以及美国低速轻型车辆的有关内容,希望能够找到适宜观光车的试验方法和技术要求,在观光车乘员保护结构强度的验证和提高上有所突破,为今后标准和法规的制订有所参考,同时也可以帮助企业更好的提高产品使用安全,更好地服务于社会。为了便于阐述,下文将车架以上的车身结构,包括顶棚在内的部分统称为乘员上部保护结构,简称乘员保护结构。

1 土方机械的乘员保护结构试验评价方法

土方机械是指压路机、挖掘机、装载机等用于建设使用的对土壤、岩石进行作业的工程机械。由于在施工时,路面高低不平,有些落差还较大,车辆在使用时就会有滚翻的可能,所以此类车辆通常会装设有滚翻保护结构简称(ROPS)。GB/T 17922—2014《土方机械 滚翻保护结构 实验室试验和性能要求》(等同采用ISO 3471:2008)中规定了滚翻保护结构的性能要求及实验室评价方法。其基本原理就是将车辆的保护结构按其与车架的联结方式固定在试验台架上,利用液压油缸按标准规定的加载位置、加载力以及能量对保护结构进行加载,加载的方向包括侧向、纵向和垂直三个方向(按车辆的正常使用方向)。保护结构可以产生一定的塑性或弹性变形,但这些变形都不得干涉乘员的正常区域(DLV)。图2是某装载机乘员保护结构在实验室内的测试照片。

图1 观光车结构

图2 乘员保护结构测试

相对于土方机械,观光车的长宽比更大,车辆的倾翻方式通常是侧翻,基本不会发生纵向翻滚,所以更多需要考虑的是观光车顶棚承受侧向力(能量)和垂直力的能力。从GB/T 17922—2014表1中选择重量(m≤10000kg)和驱动方式与观光车较为接近的轮式土方机械的加载参数见表1:

表1 观光车对应加载参数

某14座蓄电池旅游观光车无载自重为1150kg,如将该观光车按GB/T 17922—2014标准要求进行计算,则其顶棚上沿结构承受的侧向力应为6900N,其承受的侧向能量为1004.5J,垂直加载的力为22551.5N。在这样的力和能量的作用下,观光车顶棚变形不得干涉乘员的正常区域。由于土方机械的使用工况与观光车的使用工况差距甚远,该方法作为衡量观光车乘员保护结构强度的试验方法略失妥当。

2 客车的乘员保护结构试验评价方法

客车的使用场所与观光车类似,但其车速更高。标准GB/T 15089—2016《机动车辆及挂车分类》中按设计总重量将客车分为M2、M3类,按乘员位数及是否允许乘员站立,每类里又可分为A、B、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级。绝大多数观光车接近于M2类中的B级客车。此类客车的上部结构强度可以按GB 18986—2003《轻型客车结构安全要求》和GB 17578—2013《客车上部结构强度要求及试验方法》这两个标准。这两个标准由于颁布时间间隔较大,对客车上部结构强度的要求差距也较大。GB 18986—2003中要求客车的上部结构强度只要可以承载最大设计质量的均布静载荷即可。而GB 17578—2013规定了客车上部结构的强度要求及试验方法,其基本要求是当车辆发生侧向倾翻后,顶棚等上部结构的变形后,乘员的生存空间不得受到上部结构和生存空间之外的其他构件侵入,生存空间的内部构件也不应导致乘员伤害且不应突出变形结构的轮廓外。其基本的测试方法是通过一个可倾斜的测试平台将车辆慢慢倾斜到一个不稳定的平衡位置,将车辆倾翻,跌落比初始位置低800mm的撞击平面,观察倾翻后车辆是否满足生存空间的相关要求,同时用装在车内的高速摄像机录下车辆倾翻过程中内部的一些情况,观察内部构件的变形是否可能对乘员构成伤害,见图3。显然第二个标准更能直观的确认车辆倾翻后,上部结构对乘员的保护情况,较为科学。同时由于观光车为敞开式结构,与客车的蒙皮结构不同,观光车的乘员保护结构承受侧向力的能力更差,车辆倾翻时,对乘员的保护更为不利。就这两个标准比较,笔者认为第二个标准更适宜于观光车。图4为某校车倾翻试验后的照片。

该试验方法简单直接,但由于旅游观光车批量较小,单台试验成本较高,较难在全行业推广。

图3 客车倾翻试验示意图

图4 校车倾翻后的检查

3 美国轻型多功能车的乘员保护结构试验评价方法

在美国观光车并不是一个严格意义上的一类产品,属于轻型多功能车(Light utility vehicles)的范畴,起源于高尔夫球车。随着技术的发展应用领域不断拓展,以此为基础衍生出一系列其他用途的同类车辆如打猎车、沙滩车、钓鱼车等,产品的使用区域已经从封闭的固定场所扩展到了一般的道路使用。SAE J2258 DEC2010(此标准由美国机动车工程师学会2010年颁布)《Light utility vehicles》标准中规定了此类产品的一些安全技术要求。其中包括了乘员保护结构的要求。车速、横向稳定性及乘员保护结构有一个对应的关系,见图5,只有在车辆位于阴影部分的情况下,也即车速必须大于16km/h,且横向稳定性角度位于30°至20°之间的车辆才必须要求安装乘员保护结构(OPS)。如果车辆安装有乘员保护结构,则乘员保护结构必须通过如图6所示的验证。

测试块为一个刚性且不易变形的长方体木块构成,尺寸为1829mm×762mm。按图6所示的施力方式和角度对车辆乘员保护结构的左右上棱结构进行加压,施压机构以每秒钟不得超过0.5英寸的速度进行加压,直到力值达到1.5倍的车辆无载自重(最低不得小于2268kg),保持120s,测试块的移动不得超过127mm。此方法测试简单、灵活,试验成本低,但旅游观光车的实际使用工况与此类轻型多功能车不尽相同,试验参数的给出有待验证,方法的适用性一般。

图5 车速、乘员保护结构及稳定性角度关系图

图6 乘员保护结构试验示意图

4 适用于观光车乘员保护结构的试验评价方法

综合以上三种试验方法,结合试验设施的复杂性,车辆使用工况的异同以及单台试验成本,显然客车和轻型多功能车的方法更值得推荐,见表2。但二者仍有不足之处:客车的使用工况与观光车最为接近,但单台破坏性试验成本较高,难于在观光车行业推广;而轻型多功能车的试验方法简单,但车辆的使用工况与观光车不尽相同。笔者必须进一步研究,找到更优的试验方法。

前文提到观光车行业批量生产的产品少,非标单台的产品较多,每种型号的产品进行如图3的倾翻试验不够现实。如果利用加载装置在固定好的车辆上横梁处按计算好的等效冲击能量进行加载,验证车辆乘员保护结构是否能够承受这个能量,同时验证结构的变化是否侵犯车内的生存空间。此方法一方面可以较好地衡量和评价保护结构的优劣,另一方面由于可以在车辆结构上验证而不必使用完整的样机,样机就不会较大程度损伤。此方法是在依据观光车行业和其本身的特点,同时结合上述三种试验方法的基础上而形成的。分别确认试验的加载角度、加压力(能量)以及判定原则。

表2 不同试验方法的优缺点比较

4.1 加载角度的确定

不难得出,为模仿车辆跌落至低于水平位置800mm的平面上横梁所受到的冲击能量的方向(见图7),载荷的加载角度a应为:

式中:

L——上横梁与地面的高度,mm。

图7 试验加载角度

4.2 加压能量的确定

为求得加压能量,笔者做如下假设。笔者将处在临界位置的即将倾翻的观光车抽象为一个长方体如图8所示,其中车辆上横梁的高为L(单位mm,此处并不是车辆的总高,而是倾翻后与地面先接触的横梁离地面的高度),车辆的总宽为B(单位mm),跌落的台阶落差笔者按标准GB 17578—2013中所规定的800mm。由于观光车通常情况下左右布置是对称的,为了便于计算笔者认为车辆的重心位于车辆的纵向中心面内,同时在水平状态下重心的高度为h(单位mm,车辆的重心高度可以通过计算或是尾部悬挂法测得,这里不再赘述)。观光车在临界倾翻状态下,重心的高度变化为h1,此时车辆重心位于倾翻轴线上(见图8),不难得出此时的重心高度h1可由式(2)表示。当观光车倾翻后,处于图9的位置,此时车辆的重心高度变为h2,通过做如图所示的两条辅助线,可以求出倾翻后车辆重心高度h2,由式(3)表示(推导过程不再赘述)。车辆与地面的碰撞过程可以视为顶棚结构的上横梁承受车辆重心高度变化所产生的能量E。

图8 倾翻临界状态

图9 翻倒状态

其中M为车辆的有效质量,单位为kg,对于装有安全带约束装置的车辆其有效质量还应包括满载时乘员的重量每人按85kg计算,g为重力加速。静压载荷笔者选择车辆有效重量的1.5倍。

4.3 判定原则的确定

乘员上部保护结构承受对应的载荷达到一定的能量后所产生的塑性或弹性变形不得侵犯乘员的正常生存空间。按标准GB 17578—2013规定车辆生存空间的外廓通过在车厢内建立一个垂直横截面进行确定,将垂直横截面按标准规定的方式移动穿过整个车长所构成的空间体即为车辆的生存空间。生存空间是在车辆倾翻后提空给乘员生存可能的剩余空间见图10。观光车结构简单,通常座椅布置对称且均在同一平面。其生存空间为以图10中(a)图所描述的横截面沿车长方向扫描的一个均匀空间体。由于观光车为敞开式框架结构非蒙皮式,当上横梁发生变形后,车辆与地面的夹角会发生变化,地面会侵犯乘员的生存空间,这点尤其要注意。

图10 客车生存空间示意图

4.4 试验方法概述

试验设施可按图2构建,下部固定车辆或车架结构,利用油缸加载,加载的方向应可调,设置力及位移传感器,实时显示力并通过计算显示能量,加载应缓慢进行,不得大于每秒127mm,一般先达到力值,然后再达到能量值,保持120s,观察结构的变形情况。表3列出了试验所需的参数或计算公式:

表3 加载试验参数和公式

举例说明:某厂生产的14座蓄电池旅游观光车,经测量车辆上横梁的高L为2050mm,车宽B为1500mm,重心高度h为620mm,车辆有效质量M为2200kg。经计算加载角度67°,车架上横梁加载力32340N,加载能量8481J。

该方法可以有效地评价观光车上部乘员保护结构的强度,在等效倾翻试验的同时可降低试验成本,同时试验参数由具体车型参数确定,具有更好的针对性。诚然,受知识所限,理论及公式推导可能会有不妥之处。希望行业同仁以此为基础共同研究,确定一个可以在行业推广应用的方法,同时也可为标准的建立和法规的制订奠定基础,共同提升旅游观光车的安全从而助推行业健康发展。

［1］ GB/T 17922—2014 土方机械 滚翻保护结构 实验室试验和性能要求［S］．

［2］ GB/T 15089—2016 机动车辆及挂车分类 ［S］．

［3］ GB 18986—2003 轻型客车结构安全要求 ［S］．

［4］ GB 17578—2013 客车上部结构强度要求及试验方法 ［S］．

［5］ 高永强，刘丹，田志成．中美观光车标准体系对比分析 ［J］．中国特种设备安全，2016，32（3）：3-7+39．

［6］ SAE J2258 DEC2010 Light utility vehicles［S］．

Strength Test Method Research for the Passengers Protection Structure in Sightseeing Vehicle

Gao Yongqiang Chen Jing Wang Yuanqiang
(China National Supervision & Inspection Center for Quality of Construction Machinery Products Beijing 102100)

The paper is an analysis to determine the experimental parameters and assess principle for the passengers protection structure in sightseeing vehicle considering of the features of sightseeing industry and vehicle itself, to develop an evaluation method for it after comparing with the technical requirements and test methods of experimental verification for passengers protection structures fitted in earth-moving machinery, bus and American Light utility vehicles.

Sightseeing vehicle Passengers protection Experimental veri fi cation Evaluation method

X941

：B

1673-257X(2017)07-0028-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.07.007

高永强（1979～)， 男 本科，副所长，高级工程师，从事场车产品的标准研究、检验检测及认证工作。

高永强，E-mail： gyqhappy@163．com。

2017-03-28）