The design of bus rollover crash test rig

廖寶梁1，張　昱1，劉　鵬1，蔡建群2，孫　滿1

LIAO Bao-liang1, ZHANG Yu1, LIU Peng1, CAI Jian-qun2, SUN Man1

（1.山東省交通科學研究院，濟南 250031；2.濟南華科自動化設備有限公司，濟南 250000）

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客車側(cè)翻碰撞試驗臺的研制

The design of bus rollover crash test rig

廖寶梁1，張昱1，劉鵬1，蔡建群2，孫滿1

LIAO Bao-liang1, ZHANG Yu1, LIU Peng1, CAI Jian-qun2, SUN Man1

（1.山東省交通科學研究院，濟南 250031；2.濟南華科自動化設備有限公司，濟南 250000）

摘 要：客車側(cè)翻碰撞試驗臺是進行客車側(cè)翻碰撞試驗，檢驗車體結(jié)構(gòu)強度以及測量車輛質(zhì)心的裝置。根據(jù)現(xiàn)有歐盟ECE R66以及我國的GB/T17578標準，研制試驗臺。從系統(tǒng)組成，機械結(jié)構(gòu)強度校核，測控系統(tǒng)軟、硬件設計等方面，介紹了試驗臺的設計原理及試驗檢測方法。研究成果對開展客車側(cè)翻碰撞試驗、生產(chǎn)高強度車體結(jié)構(gòu)以及改善車輛側(cè)翻安全性能等方面都具有指導作用。

關(guān)鍵詞：側(cè)翻；碰撞；強度校核；測控系統(tǒng)

0 引言

近年來，客車側(cè)翻事故頻發(fā)，人員傷亡數(shù)量巨大，其原因多是由于客車上部結(jié)構(gòu)承受能力差，車身結(jié)構(gòu)解體導致乘客生存空間被侵入，翻轉(zhuǎn)時破碎裂片刺傷乘客造成二次傷亡?，F(xiàn)如今，提高車體結(jié)構(gòu)強度的措施由于現(xiàn)有措施的局限，無論從技術(shù)還是成本方面考慮，均無法完全落實。目前客車側(cè)翻安全性能驗證的國際標準采用歐盟的ECE R66《關(guān)于大客車上部結(jié)構(gòu)強度認證的統(tǒng)一技術(shù)規(guī)定》、ECE R107《關(guān)于批準雙層大客車通用結(jié)構(gòu)要求的統(tǒng)一規(guī)定》以及美國FMVSS208標準等。其他國家的標準，比如澳大利亞國家標準ADR59/00、南非國家標準SANS 1563以及我國的GB17578-2013《客車上部結(jié)構(gòu)強度要求及試驗方法》，都是在ECE R66的基礎(chǔ)上修訂的。在ECE R66中，通過采用整車傾翻試驗的方式檢驗客車上部結(jié)構(gòu)強度，得到廣泛認可，但由于其成本昂貴、周期較長，國內(nèi)對客車側(cè)翻碰撞試驗尚未強制執(zhí)行。

客車側(cè)翻碰撞試驗按照GB17578-2013要求，將試驗客車停放在一個能自動傾斜的水平試驗平臺上，該平臺與撞擊面高度差為800mm，采取措施防止客車縱向滑移和車輪的側(cè)向滑移并確保同步傾斜，客車在不受其他外力以及沒有搖晃的情況下，隨傾斜平面以不超過5°/s(0.087rad/s)的傾斜角速度側(cè)傾直至翻倒過來。標準規(guī)定，試驗期間及完成后，車身任何部位的形變都不允許侵入生存空間；生存空間內(nèi)的任何部位都不能突出至形變的車身結(jié)構(gòu)外。本文研制的側(cè)翻碰撞試驗臺可滿足長度為12m（國家對大型客車要求的最大長度）總重40t的客車進行必要的側(cè)翻碰撞試驗。

1 側(cè)翻碰撞試驗臺的總體結(jié)構(gòu)

側(cè)翻碰撞試驗臺設計采用鋼結(jié)構(gòu)框架，測控系統(tǒng)采用單片機及PLC結(jié)合形式，驅(qū)動液壓系統(tǒng)進行試驗臺舉升、側(cè)翻平臺動作，通過四個承重平板測量各個車輪在側(cè)傾過程中的重量變化，利用精密編碼器采集平臺轉(zhuǎn)動角度，并通過RS485傳輸方式將試驗數(shù)據(jù)儲存于工控機內(nèi)，同時利用大型LED顯示屏對側(cè)翻試驗數(shù)據(jù)進行實時顯示。

圖1　側(cè)翻碰撞試驗臺實物

1.1 系統(tǒng)組成

試驗臺包括舉升平臺、側(cè)翻平臺、承重平板、液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)角測試系統(tǒng)以及綜合測控系統(tǒng)幾部分構(gòu)成。舉升平臺完成平臺上車輛舉升功能，舉升高度可以任意設定；側(cè)翻平臺完成車輛平穩(wěn)側(cè)翻功能；承重平板共有四塊，測量車輪在平臺上的重量分布狀態(tài)以及側(cè)翻過程重量變化；液壓系統(tǒng)為舉升側(cè)翻動作提供驅(qū)動力；轉(zhuǎn)角測試系統(tǒng)測定車輛翻轉(zhuǎn)角度；綜合測控系統(tǒng)控制平臺各項動作，存儲數(shù)據(jù)信息并通過LED實時顯示。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　側(cè)翻碰撞試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主要機械結(jié)構(gòu)強度校核

1）舉升平臺強度校核

（1）機架的結(jié)構(gòu)型式如圖3所示。

（2）己知條件：

175×175×7×11H；

鋼截面積：S1=51.43cm2，數(shù)量2件；

100×100×6×8H；

鋼截面積：S2=21.9 cm2，數(shù)量2件；

機架最大承載狀態(tài)如圖4所示。

A,B,C三點為翻轉(zhuǎn)平臺對機架的力作用點。

D,E兩點為機架支撐點。

（3）靜止或水平舉升狀態(tài)機架最大剪應力計算：上圖狀態(tài)中a-a截面最大剪力為：

Q=F1+F2=26000Kgf

最大剪應力D=Q/S=26000/2(S1+S2) ，代入數(shù)字得：

最大剪應力D=177.28Kg/cm2或D=18.09Mpa

（4）機架承受彎矩和彎應力計算：

最大彎應矩為：

M=(F1+F2) ×LAD=26000×132.5=3.445×106Kg·cm

經(jīng)計算，由兩個175×175H鋼和兩個100×100H鋼所構(gòu)成的機架慣性矩J=243847.6cm4，中性軸位置距175×175H鋼22.93cm。

根據(jù)梁在圖4所示載荷作用下上部受拉下部受壓的特點，由四個H鋼組成的框架其抵抗拉應力的抗彎模量為：

W=J/65.82=243847.6/22.93=10634cm3

最大彎應力為：

σ=M/W=3.445×106/10634=324Kg/cm3

（5）安全系數(shù) n=235/33.05=7.11。

（6）翻轉(zhuǎn)油缸對機架產(chǎn)生的彎剪應力。

圖4　機架最大承載狀態(tài)

翻轉(zhuǎn)油缸的作用力T1～T4在圖3所示梁的縱向結(jié)構(gòu)中因T1,T2或T3,T4分別相對于支點D,E距離較短，故對梁形成的彎矩忽落不計?，F(xiàn)只研究翻轉(zhuǎn)油缸作用力T對梁的橫截面所產(chǎn)生的彎剪應力影響。

受力狀態(tài)如圖5所示。

己知條件：

T=60/4×sin60°=17.32t；

100×100×6×8H鋼截面積：S3=21.9cm2；

100×100×8角鋼截面積：S4=15.39cm2；

AE=320cm，AC=107.5cm

經(jīng)計算：

RA=9961kg RE=5039kg

最大剪應力在AC段，其值為：

D =Q/S=9961/(21.9+15.39)=267.1kg/cm2

圖3　機架結(jié)構(gòu)型式圖

圖5　翻轉(zhuǎn)油缸受力支架

圖6　受力支架斷面

最大彎矩在C點，其值為：

M=RA×AC=9961×107.5=1.07×106kg·cm

如果把圖5稱作翻轉(zhuǎn)油缸受力支架，則圖6就是受力支架斷面。

斷面的上橫梁是兩支100×100×8角鋼下斷面是兩支100×100H鋼經(jīng)計算兩支角鋼和H鋼組成的框架其慣性矩（相對于中性軸）為：

J=154734.42cm4

中性軸在距H鋼斷面中心線382mm處受力支架在力T的作用下，上部受壓，下部受拉，梁的抗彎(拉)模量為：

W=J/38.2=4050.6cm3

支架最大彎應力為：

σ=M/W=1.07×106/4050.6=264.35Kg/cm2

2）側(cè)翻平臺強度校核

（1）平臺受彎應力最大狀態(tài)如圖7所示。

圖7　平臺受彎應力最大狀態(tài)圖

圖7中，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3分別代表汽車前輪載荷，后橋前后軸載荷。設定后橋雙軸軸距為120cm，由裝配圖查得平臺最右端與D支點的距離是170cm。

根據(jù)國家相關(guān)規(guī)定查得后橋雙軸最大載荷F1,F2分別為13000kg。

（2）最大彎矩：

M=F3×170+F2×50=13000(170+50)=286×104kg·cm

（3）抗彎模量：

H鋼的抗彎模量：

446×199×8×12H鋼的WX=1300cm3

四條H鋼的抗彎模量為：

WH=1300×4=5200cm3

890×8鋼板具有的抗彎模量為：

W板=b×(46.22-44.62)/6

將b=89代入上式得：

W板=2155cm3

翻轉(zhuǎn)平臺的抗彎模量為：

W=WH+ W板=7355cm3

（4）最大應力：

σ=M/W=286×104/7355=389kg/cm2

Mmax=364×104kg·cm

圖8　彎矩圖

（5）翻轉(zhuǎn)平臺材料均為Q235許用應力為235MPa。

（6）安全系數(shù)：n=235/39.6=5.93。

3）承重平板強度校核

（1）承重平板的結(jié)構(gòu)形狀如圖9所示。

圖9　承重平板結(jié)構(gòu)圖

（2）己知條件244X175×7×11H鋼的抗彎模量W=502cm3，慣性矩JH=6120cm4，鋼的彈性模量為：E=206×109Pa=206×104kg/cm2。

（3）承重平板最大載荷及最大變形：是在被測汽車后橋為雙軸且雙軸中心也在浮動板長度方向中心上，汽車單軸最大載荷為13t，作用在每個車輪上的載荷是6500kg。

（4）承重平板承受的最大彎矩：

①設定車輪兩軸最小軸距為120cm。

②由裝配圖查得承重平板兩支點距為340.2cm。

圖11　平板彎應力圖

③梁的最大彎應力在M,N兩點處，其值為：

Mmax=RA×(340.2-120)/2=6500×110.1=71565kg·cm

④承重平板的抗彎模量為：

W=WH1+WH2+W板

其中：WH1=WH2=502cm3；

W板=bh2/6=93.2X(26.32-24.42)/6=1496cm3；

W=502+502+1496=2500cm3。

⑤承重平板最大彎應力為：

σ=M/W=715650/2500=286.26kg/cm2

σ=286.26/9.8=29.2Mpa

（5）承重平板剪應力計算

①244×175H鋼的截面積為：

2×56.24=112.48cm2

②最大剪應力為：

6500/112.48=57.78kg/cm2應力過小不預考慮。

2 側(cè)翻碰撞試驗臺測控系統(tǒng)

2.1 試驗臺測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

客車側(cè)翻碰撞試驗臺測控系統(tǒng)以STC系列單片機為主控器，試驗臺機械結(jié)構(gòu)的舉升、側(cè)翻動作通過PLC控制實現(xiàn)；試驗臺承重平板共四塊，每個平板通過4個懸臂式壓力傳感器采集客車側(cè)翻的瞬時力值；利用旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉(zhuǎn)換成電脈沖實現(xiàn)側(cè)翻角度測量；利用超聲波測距模塊實時監(jiān)測試驗臺上升下降距離。同時，系統(tǒng)采用大型LED顯示屏作為顯示終端；為方便遠程控制，系統(tǒng)利用無線遙控模塊實現(xiàn)側(cè)翻臺的升降、翻轉(zhuǎn)、急停等基礎(chǔ)動作。試驗臺測控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖12所示。

2.2 測控系統(tǒng)硬件設計

2.2.1 主控制器

STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘單片機，具有高速、低功耗、抗干擾等優(yōu)點。主控器電源模塊通過三端線性穩(wěn)壓芯片LM1117轉(zhuǎn)換輸出工作電壓3.5V；設計采用22.1184MHz的外部晶振為時鐘模塊，方便串口通訊；自帶8路10位A/D轉(zhuǎn)換滿足承重平板力值、角度的采集。

圖12　試驗臺測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2.2 LED顯示模塊

試驗臺LED顯示器分辨率196×64，直接與RS232串口連接，硬件電路設計簡單，具有亮度高、顯示尺寸易擴展、使用壽命長等優(yōu)點。

2.2.3 力值采集模塊

試驗臺共安裝4塊承載平板，每個平板重量均通過同一規(guī)格的懸臂式壓力傳感器采集力值，并通過AD7799轉(zhuǎn)換芯片ANI口輸入，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量發(fā)送給單片機。AD轉(zhuǎn)換芯片選取一路模擬信號輸入，外部晶振選用4.9152MHz，數(shù)字量輸出引腳21,22分別于單片機P1.5，P1.6相連，單片機最小系統(tǒng)及力值采集模塊電路圖如圖13所示。

2.2.4 角度采集模塊

角度采集模塊以歐姆龍系列A、B、Z三相聯(lián)接的旋轉(zhuǎn)編碼器Optoiso為核心部件，其分辨率為3600線高精度同時利用四分頻技術(shù)，通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸的角度轉(zhuǎn)換成電脈沖信號并以數(shù)字量輸出（REP），可達到0.025°的高精度角度測量，其電路圖如圖14所示。

2.2.5 超聲測距模塊

超聲波測距根據(jù)超聲脈沖回波渡越時間的方法，采用IO口TRIG觸發(fā)測距，有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)時間為超聲波從發(fā)射到返回的時間t。模塊包括聲波發(fā)射器、接收器與控制電路，測試距離=（高電平時間×聲速）/2。

2.2.6 無線遙控模塊

試驗臺通過無線遙控方式實現(xiàn)臺體的舉升、側(cè)翻動作。模塊采用固定碼無線編碼技術(shù)，12V直流供電，315MHz工作頻率，震蕩電阻270KΩ空曠地遙控距離可達500m。

2.2.7 PLC可編程控制器

試驗臺的上升、下落以及側(cè)翻、回復動作均由PLC控制器驅(qū)動液壓系統(tǒng)升降、側(cè)翻油閥的供油、回油實現(xiàn)的。該試驗臺的PLC控制器選用日本三菱公司生產(chǎn)的FX-3U型，該系列PLC內(nèi)置高達64K大容量的RAM存儲器，具有高速處理基本指令功能，內(nèi)置編程口可達到115.2kbps滿足與單片機高速通信的要求。

圖13　單片機最小系統(tǒng)及力值采集電路圖

圖14　角度測量模塊電路圖

2.3 測控系統(tǒng)軟件設計

試驗臺測控系統(tǒng)的軟件設計包括標定流程和試驗流程兩部分，標定流程用來標定試驗臺側(cè)翻傾角的AD值大小，試驗流程用于實時計算并顯示各承重板的瞬時力值及試驗平臺角度值。

2.3.1 標定流程

該流程分為：用戶登錄流程、脈沖數(shù)設定流程、傾角設定流程、AD設定流程和參數(shù)存儲流程。整個流程通過循環(huán)方式執(zhí)行標定命令，用戶首先通過登錄流程輸入用戶名和密碼進入標定界面，然后設定旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖數(shù)，設定標定傾角下的AD值，設定標定點的個數(shù)和每個標定點的物理值及AD值，最后存儲所有數(shù)據(jù)信息到EEPROM。整個設定界面在觸摸屏終端上完成，通過串口與單片機通訊。

2.3.2 試驗流程

試驗流程是系統(tǒng)軟件設計的核心，設計采用模塊化思想，將側(cè)翻試驗分為初始參數(shù)讀取、承載板力值采集、角度采集、距離采集、數(shù)據(jù)運算、觸摸屏顯示、LED大屏顯示等七個流程。側(cè)翻試驗過程中，單片機先讀取內(nèi)部EEPROM的存儲數(shù)據(jù)，隨后通過串口依次采集各個承載板的實時AD值、側(cè)翻角度脈沖數(shù)、距離值等數(shù)據(jù)，刷新數(shù)據(jù)緩存，并進行數(shù)據(jù)運算將試驗結(jié)果通過觸摸屏及LED大屏顯示。系統(tǒng)試驗流程圖如圖15所示。

力值采集是采集受力狀態(tài)下，承載板下的壓力傳感器的彈性形變量，并通過AD7799模塊將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，單片機通過串口掃描讀取各個承載板的實時力值。

圖15　系統(tǒng)試驗流程圖

側(cè)翻角度采集是通過中斷方式捕捉旋轉(zhuǎn)編碼器上升沿和下降沿的脈沖數(shù)，從而獲得臺體側(cè)翻角度，并利用A、B兩相脈沖的先后判斷臺體側(cè)翻、回復狀態(tài)，同時利用四分頻技術(shù)提高角度測量的精度，單片機通過串口掃描獲取實時角度。

超聲波測距流程用于測量臺面的上升距離，模塊初始化參數(shù)設置后，通過測量發(fā)出波與回波的時間差，精確計算往復距離，并通過讀取程序?qū)崟r顯示測量距離。

3 結(jié)束語

本文首先介紹了客車試驗臺的相關(guān)背景；隨后研究了系統(tǒng)組成，分析了舉升平臺、側(cè)翻平臺、承重平板的強度校核；然后對側(cè)翻試驗臺測控系統(tǒng)進行設計，包括硬件電路設計和軟件流程圖設計；該試驗臺已研制成功，并開展了相關(guān)車輛的側(cè)翻碰撞試驗。

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【上接第96頁】

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作者簡介：廖寶梁（1963 -），男，山東汶上人，研究員，學士，研究方向為汽車工程。

基金項目：山東省交通科技項目（2009Z37）

收稿日期：2015-09-01

中圖分類號：U462

文獻標識碼：B

文章編號：1009-0134(2016)01-0106-06