娄 磊，刘洪彬，郭庆祥

（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300）

前言

校车是学生专用的公共交通工具，其安全性能直接关系到学生这个特殊群体的生命安全。2011年，由于校车的交通事故频发，校车标准引起了社会的极大关注，对其与安全相关的标准进行了大规模的修订，安全要求相应提高。GB 24406—2012《专用校车学生座椅系统及其车辆固定件的强度》标准的发布与实施，有效地提高了校车及其座椅的安全性能，降低了事故中乘员的伤害程度和死亡人数。

目前该标准已实施多年，随着车辆安全保护技术的发展，其标准技术指标和试验方法落后的问题逐渐突显。因此，2020年底国标委对该标准的修订计划正式立项，将非等效采用联合国欧洲经济委员会标准UNRegulation No.80。

1 相关标准现状

1.1 美国标准

美国校车相关的标准包括FMVSS 220学童客车倾翻的防护、FMVSS 221学童客车的车身联结强度、FMVSS222学童客车乘员座椅和碰撞保护等一系列标准。

对于校车座椅，FMVSS 222考虑了在前碰撞和后碰撞事故过程中座椅系统（座椅及其与车辆的固定件）对乘员的约束保护作用，以及在交通事故中，座垫可能因与座椅骨架的连接不够牢固而脱开导致乘员伤亡。对座椅及其与车身的固定件仅采用静态评估方式。

此外，美国还制定了《美国校车运输要求与程序》，规定校车座椅应符合FMVSS222的要求，对于学龄前儿童座椅，仅须满足FMVSS225《儿童约束系统固定点》。

1.2 欧洲标准

欧洲没有专门针对校车座椅的标准，只有与之相近的客车座椅标准UNR80《就座椅及其与车辆固定件的强度方面批准大型客车座椅和车辆的统一规定》，它考虑了在客车发生前碰撞事故中，对乘员的约束保护作用。规定了客车座椅及其固定点的静态、动态试验方法和要求，根据厂家要求可以选用静态和动态试验方法的一种来进行产品相关性能的评估。由于静态试验不能有效评估实际交通事故中座椅强度性能，且已发生符合静态试验及要求的产品在碰撞事故中失效的案例，故目前欧标已计划取消静态试验方法。

1.3 我国标准

我国与校车座椅标准比较接近的是标准GB 13057—2014《客车座椅及其车辆固定件的强度》，该标准修改采用了UN R80标准，仅考虑了正面碰撞中对乘员的约束保护作用。有研究表明，静态试验工况与实际交通事故情况并不相符，不能有效检验产品性能，可能出现静态试验符合要求但动态试验超标的情况，因此取消了静态试验，仅保留动态试验，这也是目前安全类标准的发展趋势。相近的新标准GB 15083—2019《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》同样取消了座椅强度的静态试验方法。

我国的校车座椅标准GB 24406—2012《专用校车学生座椅系统及其车辆固定件的强度》参考了欧盟标准UN R80和美国标准FMVSS 222的内容。其中抗前倾性能代表了正面碰撞中的乘员保护性能，方法和要求参考了UN R80，并结合校车特殊的用户群体，使用P系列儿童假人和混III第5百分位假人进行动态试验考核；抗后倾性能代表了后面碰撞保护能力，采用了美标FMVSS 222中的静态试验方法和要求。

2 抗后倾静态试验方法

现行国标中，校车座椅的后向安全性能采用静态的试验方法进行测试，如图1所示。使用一特定形状的压头，在座椅G点上方343 mm处，水平向后推压座椅靠背。在5～30 s的加载时间内使座椅变形吸收的能量达到座椅座位数乘以316 J，然后保持在此位置5～10 s，最后在5～30 s时间内卸载。

图1 抗后倾静态试验照片

在试验过程中，座椅应满足以下要求：压头的推力不应超过9 786 N；压头的位移不应超过254 mm；变形后座椅的任何部位与其他座椅的距离不应小于102 mm；座椅不应完全脱离其连接件。

3 动态试验方法研究

3.1 基础波形

在汽车碰撞安全领域中，常用台车动态试验模拟汽车碰撞过程。其工作原理是：实际车辆碰撞中，车辆结构变形吸能，车辆乘员舱承受加速冲击，该冲击传递到车内部件和乘员；而台车试验中，直接通过试验设备推动台车产生加速度，加速度通过台车传递至其上安装的部件和假人。因此加速度波形是台车碰撞试验中最关键的输入条件。

现行标准中抗后倾试验方法考核的是追尾事故乘员向后的运动过程中座椅的强度和吸能特性。转化为动态试验，应考虑被追尾车辆的实际加速度量级。对于小型乘用车，对应追尾事故的碰撞试验方法，通常采用的加速度波形峰值为5g～12g，速度变化量为16～24 km/h，这是基于事故数据统计、车辆后端强度特性、乘员伤害数据等多方面因素提取的试验参数。对于客车、校车等大中型车辆，目前没有对应追尾事故的标准和试验方法。这类车辆自身质量较大，虽然被小型车辆追尾时，车身加速度很低不会造成伤害，但是被重型车辆追尾时依然会产生较大的加速度冲击。有研究表明，某款客车被17 t的载货车追尾时，车辆质心位置的加速度可达10g～20g，速度变化量也在20 km/h左右。

基于以上调研情况，选取美标FMVSS202a和全球技术法规GTR No.7 phase1中规定的加速度波形作为研究基础波形，如图2所示。其加速度峰值为8g～10g，速度变化量为16～18 km/h。

图2 基础加速度波形

3.2 仿真分析

与静态试验相比，动态试验更接近真实的碰撞事故，其作用过程约为100 ms，远比静态试验的加载过程短，瞬间的碰撞能量输入，实际上对于产品提出了更为严格的要求。同时考虑到标准的更新，不宜有过大的难度提升，因此采取了能量等效原则，让新的动态试验中座椅吸收的总能量与静态试验相仿。

本研究使用了某校车企业成熟的CAE模型，该模型已通过对标并应用于产品开发，因此是准确、可靠的。

将3个5百分位假人定位在座椅上，如图3所示，并按照上述基础波形进行仿真分析。结果显示，在这个碰撞过程中，座椅吸收的总能量为681 J。相比于静态试验每个座位316 J即3个座位吸收总能量为948 J而言，有些偏低。为此，将基础波形沿纵轴进行放大，分别乘以1.2倍和乘以1.5倍，保持时间轴不变，仿真结果见表1。Base×1.2的工况，座椅吸收的总内能为1 037 J，座椅骨架的最大应变为0.22，最大应力为404 MPa。可见，其碰撞强度略高于且很接近现行的静态方法。

图3 仿真模型

表1 仿真结果对比

因此，将Base×1.2的波形确定为校车座椅后撞动态试验中的加速度波形输入，具体参数见图4和表2，波形的速度变化量在20～21 km/h范围内。

图4 试验加速度波形

表2 波形参数

4 强度与伤害要求

抗后倾静态试验要求主要包含座椅强度要求和吸能要求两方面。其中座椅靠背的位移不应超过254 mm，座椅及其连接件不应完全脱离，这两点是强度要求。另外两点，即靠背所受的力不应超过9 786 N，变形后座椅与其他座椅原始位置的最小距离不应小于102 mm，是吸能要求。

转变为动态试验后，应继续从这两方面对座椅进行考核。

4.1 座椅强度要求

对应座椅靠背的位移不应超过254 mm这条要求，将其转化为座椅后撞试验中通常使用的靠背角度变化量来评估。以初始的座椅靠背角25°为起点，在343 mm高度位置向后位移为254 mm时，经过简单的三角函数计算可得，此时靠背角变化量为25.4°。因此将本条要求等效转变为座椅靠背的最大后倾角度不应超过25°。

对于座椅及其连接件不应在试验中完全脱离这条要求，在动态试验中继续保留。

4.2 假人伤害要求

对于座椅吸能要求，在动态试验中直接采用假人伤害来评估。

在后撞工况的碰撞强度下，人体主要的受伤部位通常是头颈部，因此采用头部HIC指标和颈部N指标作为假人伤害的判据。

在碰撞安全试验中，头部伤害指标HIC，主要是用HIC和HIC两种，从应用范围区分，HIC是就气囊对头部保护性能的评价，因此更多用于驾驶员和副驾驶位置的试验，对于后排没有前方安全气囊的位置则多使用HIC进行评价。校车的使用状况与汽车后排位置相同，前方没有安全气囊，头部会与前方座椅发生碰撞接触。因此选用HIC作为头部伤害判据。其限值采用与校车座椅标准中正面碰撞相同的限值500。

N是一个综合性的颈部伤害指标，它是结合颈部张力和颈部转矩的综合评判指标，现已经开始广泛应用。国际上很多研究结果和标准中，都使用1.0作为N伤害指标的限值。

对于5百分位成年假人，颈部受伤概率与N指标有如下函数关系：

当N=1.0时，可算得颈部受到AIS3级以上伤害的概率为22%，这与UNR80标准中胸部伤害限值对应的受伤概率一致。也就是说，颈部伤害的严重性低于头部，与胸部相当，这是符合正常规律的。因此本文中在校车标准中使用1.0作为颈部伤害N的限值。

5 结论

在GB 24406—2012标准修订中，计划将抗后倾静态试验升级为后撞动态试验。通过文献研究和仿真分析，提出了后撞台车试验中输入的加速度波形的详细参数和速度变化范围。

同时为后撞动态试验配套了相应的试验要求。

在本文的研究过程中采用个体为研究对象，所以提出的试验方法和试验要求是否对所有的校车座椅具有普适性，是否适应现阶段的产品技术现状，均有待验证。以后将继续开展大量的验证试验，论证并完善试验方法和要求，使标准修订更为科学合理。