貴 琳，劉 雨龍，長(zhǎng) 岡宏

(一汽豐田技術(shù)開發(fā)有限公司 天津 300462)

0 引 言

福祉車一詞來(lái)自于日本，主要是指行動(dòng)不便人士可以直接方便上下的車輛，在日本以及一些歐美國(guó)家被廣泛應(yīng)用，但在中國(guó)，福祉車的發(fā)展才剛剛起步。大多數(shù)普通人是通過2008年北京舉辦第29屆夏季奧運(yùn)會(huì)時(shí)，北京市政府購(gòu)入的一批“特殊車輛”才知道了福祉車。20世紀(jì)90年代以來(lái)，中國(guó)人口老齡化進(jìn)程加快，推測(cè)到2050年80歲以上的老年人總數(shù)將達(dá)到1.08億人，失能老人的總數(shù)將達(dá)到9 750萬(wàn)人。另外，中國(guó)殘障人士數(shù)量也十分龐大，截止2020年2月，大約有8 500萬(wàn)人，約占總?cè)丝诘?.21%。隨著我國(guó)政府對(duì)于無(wú)障礙建設(shè)與輔助器具供應(yīng)和適配服務(wù)的支持力度不斷加大，人們對(duì)福祉車的使用需求也逐漸加大。

為了更好地服務(wù)北京冬殘奧會(huì)，一汽豐田開發(fā)了一款帶有電動(dòng)舉升裝置的福祉車。作為面向公共交通部門的福利車輛，這款車輛內(nèi)部沒有臺(tái)階，輪椅可以直接上下車，且有輪椅?？康膶Ｓ梦恢?、輪椅及其乘坐人員的專用約束系統(tǒng)。像傳統(tǒng)汽車的座椅一樣，輪椅約束系統(tǒng)是保障乘員在汽車行駛過程中安全性的主要裝置之一，因此，對(duì)其固定裝置的安全性、耐久性等方面的驗(yàn)證至關(guān)重要。這一方面也是豐田品質(zhì)的保障，故在開發(fā)過程中，需要評(píng)價(jià)其耐久性能是否滿足全生命周期的要求。

但現(xiàn)行的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)大多是關(guān)于輪椅約束系統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)試及沖擊評(píng)價(jià)要求，缺少其固定裝置車身安裝部的耐久性試驗(yàn)方法。為保證車輛在奧運(yùn)會(huì)服役期間安全運(yùn)行，以及奧運(yùn)會(huì)后的長(zhǎng)期使用，開發(fā)人員嘗試設(shè)計(jì)了一種試驗(yàn)方法。同時(shí)，為節(jié)約成本、縮短開發(fā)周期，仿真分析與試驗(yàn)手段相結(jié)合的模式也在本次開發(fā)中充分應(yīng)用。

本文結(jié)合一汽豐田的該款車型，對(duì)一種評(píng)價(jià)福祉車輪椅約束系統(tǒng)的固定裝置(以下簡(jiǎn)稱固定裝置)安裝部耐久性試驗(yàn)方法進(jìn)行整體論述。

1 用戶模擬——工況把握

1.1 用戶實(shí)際使用情況模擬

根據(jù)車輛布局，同時(shí)可滿足4名乘坐輪椅的殘障人士乘車，使用約束系統(tǒng)時(shí)，拉出掛鉤掛在輪椅的堅(jiān)固且適合的位置后，鎖緊拉帶即可。如圖1所示。

圖1 輪椅固定裝置使用狀態(tài)示例Fig.1 Example of using status of wheelchair fixator

1.2 工況分類與選定

使用工況分類的相關(guān)因素有3個(gè)，固定裝置導(dǎo)軌的安裝位置、輪椅在4個(gè)固定裝置范圍內(nèi)的停放位置以及用戶的輪椅種類。

1.2.1 固定裝置導(dǎo)軌的安裝位置

如圖2所示，每個(gè)導(dǎo)軌上有前、后2個(gè)位置供固定裝置連接使用。

圖2 前、后安裝位置Fig.2 Front and rear mounting positions

1.2.2 輪椅停放位置

如圖3所示，在前后4個(gè)固定裝置所限制的范圍內(nèi)，輪椅可任意停放，其極限位置有4種?？紤]左右對(duì)稱的情況，本次選擇左側(cè)(Ⅰ左前極限位置&Ⅲ左后極限位置)進(jìn)行測(cè)量。

圖3 輪椅停放極限位置Fig.3 Wheelchair parking limit positions

1.2.3 用戶輪椅種類

根據(jù)用戶使用的輪椅種類不同，掛鉤可用的固定位置數(shù)量會(huì)有不同。如圖4所示，圖中輪椅前側(cè)有2個(gè)位置可供固定使用。故本次工況劃分時(shí)，不考慮此影響因素。

圖4 輪椅上固定位置示例Fig.4 Examples of fixed positions on wheelchair

1.3 實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)量

利用廠內(nèi)現(xiàn)有的輪椅，測(cè)量不同工況下實(shí)際使用中的固定裝置拉帶的角度。分別測(cè)量每根拉帶中軸線與水平面和豎直面的夾角。如圖5所示，使用角度測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量。

圖5 角度測(cè)量示例Fig.5 Examples of angle measurement

1.4 結(jié)果匯總

以一號(hào)輪椅為例，測(cè)量結(jié)果匯總記錄如表1所示。

表1 測(cè)量結(jié)果整理示例Tab.1 Examples of measurement results

2 仿真分析——試驗(yàn)條件選定

為盡可能縮短開發(fā)周期及節(jié)約人員工時(shí)，通過CAE分析的形式，選定16個(gè)固定裝置中受力條件最惡劣的位置，進(jìn)行實(shí)車評(píng)價(jià)。整體分析流程如圖6所示：

圖6 CAE分析流程示例Fig.6 Example of CAE analysis process

2.1 模型制作及分析位置選定

通過對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，選出1-A、1-B及3-C3處位置進(jìn)行分析，其中前兩處焊點(diǎn)較少，后1處鈑金較薄，都是強(qiáng)度較弱的位置。在模型制作過程中，主要考察部位是固定裝置導(dǎo)軌與車身之間螺栓連接處，所以對(duì)其他接觸條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化。固定裝置簡(jiǎn)化模型如圖7所示。

圖7 CAE解析模型Fig.7 Analytical model of CAE

2.2 解析入力及目標(biāo)值

2.2.1 解析入力

以固定點(diǎn)1-A為例，根據(jù)實(shí)際測(cè)量的極限位置Ⅰ和Ⅲ的數(shù)據(jù)，在左右對(duì)稱的基礎(chǔ)上，可以得到極限位置Ⅱ和Ⅳ的數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。

表2 固定點(diǎn)解析入力示例Tab.2 Example of analytic force of fixed point

2.2.2 目標(biāo)值

根據(jù)車輛全生命周期以及用戶使用方式設(shè)定實(shí)驗(yàn)頻率及回?cái)?shù)，通過對(duì)車輛行駛過程的分析得出車輛制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的加速度較大，再根據(jù)S-N曲線得出CAE目標(biāo)值220 MPa。

2.3 仿真模型解析

2.3.1 模型及約束條件

固定點(diǎn)的模型如圖8所示，約束條件均為全部約束。

圖8 固定點(diǎn)1-A模型及約束條件Fig.8 Fixed point 1-A model and constraints

2.3.2 各固定點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果

使用計(jì)算軟件NASTRAN2018進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果可以得出，在Case-5工況下，安裝部產(chǎn)生的應(yīng)力最大，條件最為嚴(yán)苛。

2.3.3 應(yīng)力結(jié)果解析

從圖9可以看出螺栓連接處的應(yīng)力分布情況。Y向變形時(shí)，發(fā)生扭轉(zhuǎn)力矩，螺栓處產(chǎn)生應(yīng)力集中，放大20倍率后，可以看到其變形趨勢(shì)，如圖10所示。

圖9 固定點(diǎn)1-A應(yīng)力結(jié)果云圖Fig.9 Cloud chart of fixed point 1-A stress result

圖10 固定點(diǎn)1-A-Case-5應(yīng)力變形趨勢(shì)Fig.10 Stress and deformation trend of fixed point 1-Acase-5

產(chǎn)生的最大應(yīng)力為213 MPa，均在目標(biāo)值220 MPa范圍以內(nèi)。所以，從仿真結(jié)果可以得出，輪椅固定裝置與車身安裝部的疲勞強(qiáng)度沒有問題。

綜上所述，經(jīng)過CAE仿真分析，為實(shí)車試驗(yàn)選定的最終試驗(yàn)工況為Case-5，條件為固定點(diǎn)上下角度46°，左右角度62°。

3 耐久試驗(yàn)——實(shí)車確認(rèn)

在把握了仿真分析的結(jié)果后，最終還要進(jìn)行一輪實(shí)車上的耐久試驗(yàn)。以上述篩出的工況為試驗(yàn)條件，循環(huán)往復(fù)目標(biāo)回?cái)?shù)后，檢查固定裝置與車身安裝部的損傷情況，最終判斷其耐久性是否滿足開發(fā)要求。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)準(zhǔn)備工作主要包括被試車輛整備、試驗(yàn)設(shè)備及治具搭載、試驗(yàn)條件設(shè)置。為了盡量避免其他因素的影響，應(yīng)選擇與最終車輛狀態(tài)一致性最高的車輛，尤其是評(píng)價(jià)部位的結(jié)構(gòu)。按照評(píng)價(jià)需求，對(duì)車輛進(jìn)行整備。同時(shí)，應(yīng)盡可能再現(xiàn)條件狀態(tài)，考慮空間、重量、頻率等因素，選擇適合的施加載荷的設(shè)備，并通過適合的方式將設(shè)備與治具等穩(wěn)定的固定，以防在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)晃動(dòng)等問題，影響試驗(yàn)結(jié)果精度，甚至造成安全問題。最后根據(jù)仿真分析的結(jié)果，在實(shí)車上再現(xiàn)評(píng)價(jià)工況下的狀態(tài)，即將拉帶的角度設(shè)置到上下角度46°，左右角度62°。

3.2 試驗(yàn)過程和注意事項(xiàng)

試驗(yàn)準(zhǔn)備工作完成后，開始施加條件載荷至目標(biāo)壽命。

在試驗(yàn)過程中，應(yīng)注意觀察被試件的狀態(tài)，一旦發(fā)生破損等不良現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)停止試驗(yàn)，并針對(duì)發(fā)生現(xiàn)象進(jìn)行下一步分析。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

如圖11所示，實(shí)車確認(rèn)的結(jié)果與CAE分析一致，固定裝置與車身安裝部滿足目標(biāo)耐久性能。

與仿真分析不同，實(shí)車評(píng)價(jià)的結(jié)果更加直觀，比如有無(wú)斷裂、破損等，是否可以正常使用，再比如經(jīng)過特殊處理可以看到鈑金是否有裂紋。一方面，可以判斷安裝部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度耐久性能要求；另一方面，通過實(shí)車評(píng)價(jià)驗(yàn)證了仿真分析的可靠性，為之后其他類似的開發(fā)評(píng)價(jià)提供一種新的參考。

圖11 固定裝置安裝部實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Experimental results of fixator mounting unit

4 結(jié)論及展望

通過實(shí)車確認(rèn)，仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證仿真模型有一定可靠性，且作為分析篩選試驗(yàn)工況的手段，此種方法可以節(jié)約大量時(shí)間。福祉車的開發(fā)在我國(guó)才剛剛起步，隨著車企向出行服務(wù)方向轉(zhuǎn)型的大潮，未來(lái)市場(chǎng)可以提供的福祉車種類會(huì)日漸豐富，進(jìn)一步幫助殘障人士盡可能地享受社會(huì)生活帶來(lái)的幸福感。■