陳守安，馬運(yùn)好

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客車新型逃生窗設(shè)計(jì)與研究＊

陳守安，馬運(yùn)好

（宜賓學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，四川 宜賓 644000）

針對(duì)客車在緊急情況下乘客逃生不便等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有逃生機(jī)構(gòu)的大量類比研究，結(jié)合部分逃生機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)原理及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，在原有外推式車窗的基礎(chǔ)上，改裝和添加連桿附屬式結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)及組裝，試圖制作一種階梯式客車逃生車窗，幫助乘客以更小的力、更短的時(shí)間完成逃生，并降低甚至杜絕逃生過(guò)程中的二次傷害，保護(hù)乘客的安全。

客車；逃生車窗；連桿結(jié)構(gòu)；交通工具

1 概述

客車是各個(gè)城市間必不可少的一項(xiàng)交通工具，它對(duì)社會(huì)影響巨大，推動(dòng)著城際交通縱橫發(fā)展。現(xiàn)如今，客車行業(yè)發(fā)展速度迅猛，僅2017年，中國(guó)客車產(chǎn)銷量達(dá)到52.6萬(wàn)輛和52.7萬(wàn)輛，其中，長(zhǎng)度為5 m以上的客車銷售22.17萬(wàn)輛?？蛙囦N售量如此巨大，如果發(fā)生緊急情況，車上乘客們的逃生途徑就成為了對(duì)客車安全性的新挑戰(zhàn)[1]。

目前，大部分客車都是車窗密閉在車體內(nèi)的空調(diào)車，雖然在車輛設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了舒適性和安全性，發(fā)生緊急情況后乘客可以及時(shí)通過(guò)手動(dòng)開(kāi)啟的方式打開(kāi)車門逃離，也可以使用安全錘砸開(kāi)就近的車窗，翻窗逃生。但長(zhǎng)途客運(yùn)大巴高度基本在3.5～4 m之間，車窗底部到地面高度至少為2.5 m，在發(fā)送緊急情況時(shí)，很少有人會(huì)毫不考慮地打破車窗跳窗逃生[2]。且客車玻璃一般使用汽車級(jí)鋼化玻璃（個(gè)別還貼有防曬膜紙），價(jià)格往往在千元以上，許多乘客因?yàn)閮r(jià)格原因往往抱有僥幸心理，不會(huì)第一時(shí)間打破車窗；甚至有時(shí)找不到安全錘或不會(huì)正確使用救生錘來(lái)打碎車窗玻璃。在發(fā)生緊急情況時(shí)，安全錘只能及時(shí)敲碎其擺放位置左右兩扇玻璃窗，以至于大部分離這些窗口偏遠(yuǎn)的乘客在擁擠的車廂中，來(lái)不及從車窗所形成的安全通道逃生而失去生命。所以一款方便、便宜、省時(shí)、省力且可重復(fù)使用的安全逃生車窗，是目前所有客車以及乘客所急需的。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)現(xiàn)有逃生機(jī)構(gòu)的大量類比研究，結(jié)合部分逃生機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)原理及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究，從而設(shè)計(jì)出一種汽車新型逃生窗，解決乘客們可能會(huì)遇到的逃生問(wèn)題?，F(xiàn)有逃生裝置優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析如表1所示。

表1 現(xiàn)有逃生裝置優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

2 設(shè)計(jì)方案與運(yùn)行原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

客車新型安全逃生窗是在現(xiàn)有車窗的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的，具有打開(kāi)方便、可重復(fù)使用的功能。當(dāng)車輛發(fā)生緊急情況時(shí)，能夠?yàn)樘由咛峁┮粋€(gè)平穩(wěn)逃生的階梯，接地設(shè)計(jì)使逃生者安全、快速離開(kāi)危險(xiǎn)車體，避免二次傷害[3]。逃生窗主要由4部分構(gòu)成：①車窗外框支撐整體構(gòu)架，為定位基準(zhǔn)；②三塊大小不一的鋼化玻璃；③組合連桿機(jī)構(gòu)；④車

窗蓋子。如圖1所示。

在結(jié)構(gòu)方面采用連桿結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)連桿與短連桿之間連接鋼化玻璃，在確保安全的情況下，實(shí)現(xiàn)裝置在下滑過(guò)程中不會(huì)下滑速度太快或卡頓，達(dá)到預(yù)期位置形成階梯。連桿展開(kāi)直接形成三角形結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定、堅(jiān)固，通過(guò)受力分析該裝置可直接承受3個(gè)成年人的體重，如圖2所示。開(kāi)關(guān)在裝置與車體上部分連接部分采用了鉤子和凹槽的結(jié)構(gòu)，在發(fā)生事故需要使用裝置時(shí)，只需要按動(dòng)上部車窗手柄，即可觸發(fā)裝置打開(kāi)車窗框，并不需要過(guò)大的力量推動(dòng)，便可以使裝置按照預(yù)期的工作原理工作形成階梯，從而達(dá)到救援的目的，且開(kāi)關(guān)上裝有報(bào)警器，當(dāng)按壓的一瞬間開(kāi)關(guān)同時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，提醒乘客有危險(xiǎn)，提高逃生者的逃生概率，減少人員傷亡。

1—車窗外蓋；2—長(zhǎng)連桿；3—短連桿；4—車窗外框；5—車窗開(kāi)關(guān)；6—拉桿；7—鋼化玻璃；8—鋼化玻璃夾。

圖2 連桿示意圖

2.2 運(yùn)行原理

在車輛發(fā)生事故時(shí)，乘客只需要打開(kāi)上部開(kāi)關(guān)（車窗蓋與車窗外框連接部分）即可將鉤子和鉤槽分離，從而使鋼化玻璃與車體分離，因?yàn)橹亓υ蛳侣洌诓Ａ侣溥^(guò)程中，四連桿機(jī)構(gòu)按照預(yù)定軌跡展開(kāi)，3塊玻璃依次打開(kāi)，模型收縮樣式和模型展開(kāi)樣式分別如圖3和圖4所示。

上部拉桿展開(kāi)到最長(zhǎng)時(shí)，連桿與車體形成45°夾角，3塊玻璃錯(cuò)落水平展開(kāi)形成階梯，使乘客能夠沿車窗形成的階梯逃出，達(dá)到減小傷亡程度、最大限度地節(jié)約乘客的逃生時(shí)間和增大逃生概率的目的。實(shí)物閉合樣式和實(shí)物展開(kāi)樣式分別如圖5和圖6所示。

圖3 模型收縮圖

圖4 模型展開(kāi)圖

2.3 開(kāi)關(guān)安全性

開(kāi)關(guān)在裝置與車體上部分連接部分采用了鉤子和凹槽的結(jié)構(gòu)，如圖7所示，該結(jié)構(gòu)一方面可方便、快速地打開(kāi)車窗，在發(fā)生事故需要使用裝置時(shí)只需要按動(dòng)上部車窗手柄，即可以觸發(fā)裝置打開(kāi)車窗框，并不需要用太大的力量推動(dòng)，便可以使裝置按照預(yù)期的工作原理工作形成階梯，從而達(dá)到救援的目的。另一方面，方便車窗的重復(fù)使用，如果客車發(fā)生突發(fā)緊急情況，乘客不需要破壞車窗，只需推開(kāi)車窗即可逃生，即使出現(xiàn)恐慌式緊急撤離，也不影響車窗的二次使用。另外應(yīng)急開(kāi)關(guān)側(cè)面設(shè)置有報(bào)警裝置，報(bào)警裝置與手柄上的壓力傳感器相連，當(dāng)手柄有應(yīng)力感應(yīng)時(shí)，報(bào)警器就會(huì)報(bào)警，提醒乘客不要隨意打開(kāi)逃生窗；在緊急情況下，報(bào)警器可以提醒周邊乘客及時(shí)逃生[4]。開(kāi)關(guān)報(bào)警機(jī)構(gòu)如圖8所示。

圖5 實(shí)物閉合圖

圖6 實(shí)物展開(kāi)圖

圖7 開(kāi)關(guān)閉合圖

圖8 開(kāi)關(guān)報(bào)警機(jī)構(gòu)圖

3 Ansys有限元分析

3.1 材料選擇

由于該車窗除了需要符合公交汽車日常使用要求外，還需要在車輛發(fā)生事故時(shí)，作為階梯承載逃生者。所以，在選材方面除了需要考慮車窗玻璃的最大承受力度外，還需要考慮美觀、經(jīng)濟(jì)等因素[5]。所以，需要對(duì)材料在預(yù)設(shè)重力時(shí)受到的外力和內(nèi)力進(jìn)行研究和分析，進(jìn)而確定材料所需要滿足的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。在對(duì)內(nèi)力進(jìn)行分析時(shí)，主要分析預(yù)設(shè)重力下材料的應(yīng)力（m）、位移、應(yīng)變、拉伸和壓縮時(shí)材料的力學(xué)性能等[6]。考慮到材料是置于車輛外的（露天），在選材時(shí)，還需要對(duì)材料的耐腐蝕度、耐高溫度、耐磨度進(jìn)行考量。經(jīng)過(guò)詳細(xì)對(duì)比，預(yù)選聚乙烯作為車窗蓋的材料，鋼化玻璃作為階梯的承載材料，結(jié)構(gòu)鋼與鋁合金作為框架材料。

3.2 前置條件

為了評(píng)估裝置的承載性能，本文采用Ansys 16.0對(duì)裝置核心結(jié)構(gòu)在逃生時(shí)所承受的應(yīng)力、應(yīng)變情況進(jìn)行分析[7]。

受力分析預(yù)設(shè)條件：固定點(diǎn)為車壁，預(yù)設(shè)單塊玻璃承載100 kg（為100 kg成年人的重量），由于裝置為對(duì)稱承載構(gòu)件，為了方便分析，對(duì)裝置進(jìn)行了簡(jiǎn)化，僅對(duì)裝置的一半進(jìn)行分析[8]。所以，預(yù)設(shè)重量為500 N，滿載為1 500 N。分別分析了頂部鋼化玻璃承重、中部鋼化玻璃承重、底部鋼化玻璃承重、3塊玻璃同時(shí)承重等4種受力情況下的形變與應(yīng)力。

3.3 形變量分析

形變量分析如圖9所示。

圖9 形變量分析圖

在圖9中，頂部玻璃承載機(jī)構(gòu)承載最大形變量為0.060 6 mm，在最大彈性形變量0.2%之內(nèi)；中部玻璃承載機(jī)構(gòu)承載最大形變量為0.452 5 mm，在最大彈性形變量0.2%之內(nèi)；底部玻璃承載機(jī)構(gòu)承載最大形變量為0.686 7 mm，在最大彈性形變量0.2%之內(nèi)；滿載機(jī)構(gòu)承載最大形變量為1.175 5 mm，在最大彈性形變量0.2%之內(nèi)。

3.4 應(yīng)力分析

應(yīng)力分析如圖10所示。

圖10 應(yīng)力分析圖

在圖10中，頂部玻璃承載機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力為13.057 MPa，在許用應(yīng)力235 MPa范圍內(nèi)；中部玻璃承載機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力為21.545 MPa，在許用應(yīng)力235 MPa范圍內(nèi)；底部玻璃承載機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力為46.351 MPa，在許用應(yīng)力235 MPa范圍內(nèi)；滿載機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力為49.501 MPa，在許用應(yīng)力235 MPa范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本外推式階梯型客車逃生窗縮短了逃生窗的打開(kāi)時(shí)間，提高了逃生效率，同時(shí)，其連桿式結(jié)構(gòu)便于逃生窗的多次重復(fù)使用，節(jié)約了成本。逃生窗打開(kāi)的整體結(jié)構(gòu)為階梯式，階梯采用多連桿三角形機(jī)構(gòu)，且充分利用了多連桿中的死點(diǎn)特性提高了裝置的承載能力。

經(jīng)計(jì)算，逃生窗打開(kāi)形成的階梯可同時(shí)承載3個(gè)成人的體重，滿足逃生要求。但選擇鋼化玻璃作為階梯的承載面，存在機(jī)構(gòu)過(guò)重、成本相對(duì)較高的問(wèn)題，還有待進(jìn)一步優(yōu)化。階梯式客車新型逃生窗作為一種創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，可以同時(shí)滿足多人在緊急情況下的逃生需求，合理配置逃生窗的數(shù)量可以有效提高客車的逃生效率。

［1］申福林.2005年中國(guó)客車行業(yè)發(fā)展論壇中國(guó)客車學(xué)術(shù)年會(huì)論文集［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2015.

［2］唐劍波，楊佳宙，趙躍，等.空調(diào)客車外翻轉(zhuǎn)型車窗的設(shè)計(jì)［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（02）：33-35.

［3］曲繼方，宜亞麗，曲志剛.技術(shù)創(chuàng)新教程［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

［4］李俊波.公交車起火逃生指南［J］.汽車與安全，2015（01）：120-123.

［5］韓美娥，鄒炳文.工程力學(xué)［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2007.

［6］張育.整機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)探析［J］.科技與企業(yè)，2015（07）：253.

［7］佟乃強(qiáng).汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)熱力耦合研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

［8］吳偉強(qiáng).機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件修改建議［J］.汽車與安全，2014（08）：120-124.

U463.835

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.061

2095－6835（2018）22－0061－03

宜賓市科技局資助項(xiàng)目（編號(hào)：2016ZGY022）；四川省教育廳資助項(xiàng)目（編號(hào)：18ZB0656）；宜賓學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資助項(xiàng)目（編號(hào)：201610641017）

陳守安（1988—），碩士研究生，助教，主要研究方向?yàn)樾滦蜋C(jī)械傳動(dòng)。

〔編輯：張思楠〕