BEHAVIOUR OF BUSES STRUCTURE IN RELATION TO REQUIREMENTS OF NO. 66 UN-ECE REGULATION

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 1 BEHAVIOUR OF BUSES STRUCTURE IN RELATION TO REQUIREMENTS OF NO. 66 UN-ECE REGULATION Zbigniew Barszcz Tadeusz Diupero Automotive Industry Institute ul. Jagielloska 55, Warszawa, Poland tel.: , fax: z.barszcz@pimot.org.pl tel.: blb@pimot.org.pl Abstract In the paper are presented same general conclusions concerning the structure strength of buses subjected to the tests according to UN-ECE Regulation No. 66, particularly in relation to method based on a roll-over test on a body section of vehicle. This conclusions are based on our test experiences in PIMOT. In compliance with the Regulations the vehicle can be checked with four methods described in the contribution. On purpose research is the qualification of the safety in the area of the protected space, qualified also as the space of the survival for passengers, compactly dependent from the degree of the deformation of the body investigated vehicle. Most objective is the method of the complete to turn over. From economic consideration preferred is the leaning method on the upset of the chosen segment of the body. Besides one adverted on the computer simulation based for the finite elements method. Keywords: buses, rollover, passive safety, No. 66 UN-ECE Regulation, testing methods ZACHOWANIE SI KONSTRUKCJI AUTOBUSÓW POD KTEM WYMAGA ZAWARTYCH W REGULAMINIE NR 66 EKG ONZ Streszczenie W artykule przedstawiono pewne ogólne wnioski dotyczce wytrzymaoci konstrukcji autobusów przedstawionych do bada zgodnie z Regulaminem nr 66 EKG-ONZ, a w szczególnoci w odniesieniu si do metody opartej na przewracaniu segmentu nadwozia pojazdu. Wnioski te oparte s o wasne dowiadczenia badawcze w PIMOT. Zgodnie z Regulaminem homologacji podlegaj jednopokadowe pojazdy przeznaczone do przewozu wicej ni 16 pasaerów oraz zaogi. Zgodnie z Regulaminem pojazd mona sprawdza czterema metodami opisanymi w artykule. Celem bada jest okrelenie bezpieczestwa w obszarze przestrzeni chronionej, okrelanej równie jako przestrze przeycia dla pasaerów, cile zalenego od stopnia deformacji nadwozia badanego pojazdu. Najbardziej obiektywn jest metoda przewrócenia kompletnego. Ze wzgldów ekonomicznych preferowana jest metoda oparta na przewracaniu wybranego segmentu nadwozia. Ponadto zwrócono uwag na symulacj komputerow opart o metod elementów skoczonych. Sowa kluczowe: autobusy, przewracanie, bezpieczestwo bierne, Regulamin nr 66 EKG ONZ, metody bada 1. Wprowadzenie Wraz z przyjciem do stosowania w Polsce Regulaminu nr 66 EKG ONZ [1], dotyczcego bezpieczestwa duych pojazdów do przewozu osób (autobusów), w zakresie wytrzymaoci

2 Z. Barszcz, T. Diupero konstrukcji, pojawia si potrzeba przeprowadzania odpowiednich bada, przewidzianych w Regulaminie, w Przemysowym Instytucie Motoryzacji. Istotnym czynnikiem oceny autobusu podczas próby przewracania na bok, z okrelonej wysokoci i przy okrelonych warunkach wynikajcych bezporednio z Regulaminu nr 66 EKG ONZ, jest okrelenie bezpieczestwa biernego konstrukcji, sprowadzonego do bezpieczestwa w tzw. przestrzeni chronionej, zwizanego bezporednio z moliwoci rozpraszania energii kinetycznej przez elementy konstrukcji nonej nadwozia (zamiana energii kinetycznej zderzenia na prac odksztacenia konstrukcji). Naszym celem jest przedstawienie, w oparciu o wasne dowiadczenia wynikajce z bada na zgodno z Regulaminem nr 66 EKG ONZ, pewnych ogólnych wniosków dotyczcych konstrukcji przedstawianych do bada jak i otrzymanych wyników z odniesieniem si do przewidzianych w Regulaminie metod badawczych. 2. Podstawowe wymagania i metody bada wynikajce z Regulaminu nr 66 EKG ONZ Zgodnie z Regulaminem nr 66 EKG ONZ [1] homologacji podlegaj jednopokadowe pojazdy przeznaczone do przewozu wicej ni 16 pasaerów (siedzcych lub stojcych) nie liczc kierowcy i zaogi. Podstawowe wymagania odnosz si bezporednio do wytrzymaoci konstrukcji nonej pojazdu. Wynika z nich, e podczas badania jedn z moliwych metod badawczych lub po obliczeniach opisanych w Regulaminie: - adna przemieszczana cz pojazdu nie moe si znale w przestrzeni chronionej przedstawionej na Rys. 1., - adna cz przestrzeni chronionej nie moe si wysun na zewntrz odksztaconej konstrukcji. szablon wyznaczajcy przestrze chronion dopuszczalny kt deformacji plastycznej supka Rys. 1. Przyjty model deformacji konstrukcji nonej autobusu wzgldem szablonu wyznaczajcego przestrze chronion Fig. 1. Assumed deformation model of a bus load bearing structure in relation to the template determining residual space Zgodnie z Regulaminem pojazd sprawdza si jedn z czterech metod a mianowicie poprzez: - przewrócenie kompletnego pojazdu metod opisan w zaczniku 3 do Regulaminu, 48

3 BEHAVIOUR OF BUSES STRUCTURE IN RELATION TO REQUIREMENTS OF NO. 66 UN-ECE... - przewrócenie segmentu nadwozia lub czci reprezentujcych kompletny pojazd metod opisan w zaczniku 4 do Regulaminu, - badanie za pomoc wahada segmentu lub segmentów nadwozia metod opisan w zaczniku 5 do Regulaminu, - sprawdzenie wytrzymaoci konstrukcji nonej za pomoc oblicze zgodnie z zacznikiem 6 do Regulaminu. Na Rys. 2. przedstawiono schematycznie sposób przeprowadzenia próby przewracania caego pojazdu jak równie segmentu (nie dotyczy badania za pomoc wahada). Stojcy na ruchomej platformie autobus (segment) jest przechylany z ma prdkoci (nie przekraczajc 0,087 rad/s) do momentu utraty statecznoci poprzecznej, nastpnie autobus ten wykonuje czciowy obrót wokó osi równolegej do osi pojazdu a w kocowej fazie uderza bokiem (krawdzi dachu) o podoe. Celem wymienionych powyej metod bada jest okrelenie bezpieczestwa w obszarze przestrzeni chronionej, okrelanej równie jako przestrze przeycia dla pasaerów, cile zalenego od stopnia deformacji nadwozia badanego pojazdu. Z poród wymienionych metod najbardziej obiektywn jest metoda przewrócenia kompletnego (rzeczywistego) pojazdu (Rys. 3.). Jednak ze wzgldu na wysokie koszty, zwizane bezporednio ze zniszczeniem badanego autobusu, stosowana jest niezwykle rzadko, gównie w wypadku maych autobusów. Do najczciej stosowanych naley metoda badania oparta na przewróceniu wskazanego segmentu (segmentów) nadwozia. W H c g ' c g h Hs c''g 800 mm Rys. 2. Schemat ruchu pojazdu podczas próby przewracania kompletnego nadwozia autobusu lub reprezentujcego go segmentu Fig. 2. Scheme of the rollover test of a complete bus body or a representative body section Rys. 3. Przykadowa próba przewrócenia rzeczywistego autobusu Fig. 3. Example of the rollover test of the existing bus 49

4 Z. Barszcz, T. Diupero Podane w dalszej czci uwagi, wyniki bada jak równie pewne ograniczenia wynikaj z wasnych dowiadcze zwizanych ze stosowaniem gównie tej metody przy ocenie badanych konstrukcji autobusów. 3. Badanie metod segmentu nadwozia Zgodnie z Regulaminem [1] segment nadwozia reprezentuje cz pojazdu nieobcionego i oznacza segment zawierajcy, co najmniej dwa jednakowe supki z kadej strony stanowice cz lub czci konstrukcji pojazdu (Rys. 4.). Rys. 4. Przykad segmentów uytych do bada Fig. 4. Example of the body sections used in tests Naley przez to rozumie, e pojedynczy segment oznacza cz pojazdu znajdujc si pomidzy supkami wraz z podog, ram, cianami bocznymi i dachem. Wybrany segment (segmenty) reprezentuje pod wzgldem konstrukcji cay pojazd. Takie cechy jak geometria segmentu, o obrotu w czasie próby i pooenie rodka masy w kierunku pionowym i poprzecznym powinny by reprezentatywne dla kompletnego pojazdu. Podczas próby przewracania segmentu obowizuj identyczne wymagania jak dla caego pojazdu, dotyczce bezpieczestwa w tzw. przestrzeni chronionej. Pozytywny wynik uzyskany podczas przewracania segmentu nadwozia (Rys. 5. i 6.) jest niewystarczajcy do penej oceny przedstawionego do bada autobusu. Zgodnie z wymaganiami punktu 8.1 Regulaminu nr 66 EKG ONZ, jeeli badaniu poddawane s segmenty nadwozia, to naley upewni si, e pojazd spenia warunki okrelone w dodatku 2, zacznika 5 do tego Regulaminu, w zakresie wymaga, co do rozmieszczenia czci konstrukcji nonej pojazdu pochaniajcych gówn cz energii. Punktem wyjcia do sprawdzenia tych warunków jest okrelenie cakowitej energii E * moliwej do pochonicia przez kompletn konstrukcj pojazdu. Energia ta jest obliczana zgodnie z dodatkiem 1, zacznika 5 do Regulaminu, w oparciu o podstawowe dane pojazdu a mianowicie: mas nieobcionego pojazdu (z dodatkow mas 75kg zastpujc kierowc), W - cakowit szeroko pojazdu, H - wysoko pojazdu i H s - wysoko rodka masy nieobcionego pojazdu (Rys. 2.). W wypadku, gdy ksztat przekroju poprzecznego znacznie odbiega od ksztatu prostoktnego warto cakowitej energii E * naley oblicza ze wzoru opartego na przemieszczeniu rodka masy h, wyznaczonym metod graficzn (Rys. 2.). 50

5 BEHAVIOUR OF BUSES STRUCTURE IN RELATION TO REQUIREMENTS OF NO. 66 UN-ECE... Z naszych dowiadcze wynika, e energia E * obliczana w ten sposób jest czasami wysza okoo 20% od energii bazujcej tylko na wymiarach poprzecznych. W nastpnym kroku, na podstawie dostarczonej dokumentacji konstrukcyjnej oraz informacji od producenta, okrelana jest liczba supków (powyej dolnej krawdzi okien) decydujcych o wytrzymaoci konstrukcji nonej autobusu. Istotna jest zarówno liczba supków jak równie liczba i dokadne ich pooenie (w kierunku wzdunym) przed i za rodkiem masy analizowanej konstrukcji pojazdu. Ilo energii E i, która moe by pochonita przez i-ty supek okrelana jest na podstawie dodatkowego eksperymentu na stanowisku badawczym oraz oblicze symulacyjnych z wykorzystaniem MES. Rys. 5. Deformacje segmentów pokazanych na Rys. 4. uzyskane po ich przewróceniu Fig. 5. Deformation of the body sections showed in the Fig. 4 after the rollover test Rys. 6. Deformacja przedniej czci autobusu po jej przewróceniu (segment potrójny) Fig. 6. Deformation of the front bus section after the rollover test (triple body section) Otrzymane w wyniku opisanego toku postpowania dane w kocowej fazie su do sprawdzenia wymaga, co do rozmieszczenia czci konstrukcji nonej pojazdu pochaniajcych gówn cz energii chyba, e wynik uzyskany podczas przewracania segmentu by negatywny (Rys. 7.). Naley tu nadmieni, e spenienie tylko samych wymaga, bez przewrócenia segmentu, jest niewystarczajce do penej oceny wytrzymaociowej analizowanej konstrukcji. 51

6 Z. Barszcz, T. Diupero Rys. 7. Negatywny wynik uzyskany podczas przewracania segmentu nadwozia autobusu Fig. 7. Negative result of the rollover test of the bus body section 4. Okrelenie energii pochanianej przez pojedynczy supek konstrukcji nonej pojazdu Na Rys. 1. pokazano przyjmowany do oblicze model deformacji konstrukcji nonej autobusu wzgldem szablonu wyznaczajcego przestrze chronion. Zaoono paski, uproszczony model deformacji w poszczególnych przekrojach, przechodzcych przez supki konstrukcji nonej autobusu. W modelu tym zaoono moliwo powstawania przegubów plastycznych, w supkach okiennych na dole i na górze, w okolicy ich czenia z pozostaymi elementami konstrukcyjnymi (po dwa w kadym supku). W celu okrelenia iloci energii moliwej do pochonicia przez pojedynczy przegub plastyczny i-tego supka, dla wytypowanych profili zamknitych - elementów belkowych o okrelonych przekrojach poprzecznych, (z których wykonane s supki midzyokienne w przewaajcej liczbie duych autobusów), przeprowadzane s: - testy dowiadczalne (na stanowisku badawczym) dynamicznego gicia belek, podpartych na dwu podporach, przez spadajc z okrelonej wysokoci mas, w celu okrelenia tzw. kta deformacji plastycznej [2], [3]; - obliczenia symulacyjne (z wykorzystaniem MES), odwzorowujce test dynamiczny elementów belkowych uytych w tecie, w celu dobrania waciwego modelu materiau, przy jednoczesnym zapewnieniu zgodnoci wyników z symulacji, z wynikami uzyskanymi na stanowisku badawczym (weryfikacja zgodnoci symulacji komputerowej z eksperymentem); - obliczenia symulacyjne, w oparciu o dobrany model obliczeniowy, w celu okrelenia, dla zadanego dopuszczalnego kta deformacji plastycznej (bez penetracji w obszar przestrzeni chronionej - Rys. 1.), energii pochanianej przez pojedynczy przegub plastyczny i-tego supka. Testy dowiadczalne dynamicznego gicia cienkociennych profili zamknitych (elementów belkowych) przeprowadzane s na stanowisku badawczym pokazanym na Rys. 8. Schematyczne dane dotyczce stanowiska przedstawione s na Rys. 9. W zalenoci od przekroju stalowego profilu analizowanej konstrukcji s do dyspozycji cztery masy (15, 30, 45 i 60 kg) w ksztacie walca. Powstajce w czasie dynamicznego zginania due deformacje zwizane s z powstawaniem przegubu plastycznego, w rejonie zetknicia si spadajcej masy z elementem belkowym. Pokazany na Rys. 9., otrzymany z eksperymentu, kt deformacji plastycznej suy bezporednio do porównywania wyników eksperymentu dynamicznego z wynikami symulacji komputerowej. 52

7 BEHAVIOUR OF BUSES STRUCTURE IN RELATION TO REQUIREMENTS OF NO. 66 UN-ECE... m = 45kg (15, 30, 45, 60) V = 3 do 8m/s Rys. 8. Stanowisko do dynamicznego zginania elementów belkowych Fig. 8. Test stand for impact bending of beam elements Rys. 9. Schemat stanowiska Fig. 9. Scheme of a test stand Do oblicze symulacyjnych z wykorzystaniem MES przyjto nastpujc zaleno, naprenia - w funkcji odksztacenia - (wyduenia jednostkowego) [2], opisujc w zakresie plastycznym model materiau, z którego wykonane s supki konstrukcji nonej autobusu: gdzie: = R e o m, (1) R e o E, R e granica plastycznoci (przyjmowana na podstawie atestów materiaowych), E modu sprystoci podunej. Wykadnik - m (wystpujcy we wzorze opisujcym model materiau) jest kadorazowo dobierany w wyniku kolejnych symulacji komputerowych, bezporednio na podstawie porównywania wyników uzyskiwanych na stanowisku dowiadczalnym z wynikami uzyskiwanymi z oblicze. Rys. 10. przedstawia porównanie ksztatu wybranego, przykadowego elementu belkowego (w okolicy miejsca powstawania przegubu plastycznego) uzyskanego z eksperymentu dynamicznego gicia (strona lewa), z ksztatem tego samego elementu uzyskanym w wyniku symulacji komputerowej po identyfikacji modelu materiau. Kolejne obliczenia oparte o zidentyfikowane modele materiau pozwalaj kadorazowo na jednoznaczne okrelenie energii pochanianej przez analizowane profile szkieletu nadwozia w zalenoci od zadanego, uzyskanego z analizowanej konstrukcji lub eksperymentu, kta deformacji plastycznej (Rys. 11., h wysoko z jakiej zrzucana jest masa uyta do wymuszenia deformacji). Uyte oprogramowanie: MSC.Patran program graficzny do przygotowywania modeli MES i prezentacji wyników oblicze, MSC.Dytran solver do realizacji oblicze symulacyjnych (przeznaczony do rozwizywania szybkozmiennych procesów dynamicznych, silnie nieliniowych z uwzgldnieniem duych deformacji plastycznych). 53

8 Z. Barszcz, T. Diupero Rys. 10. Porównanie wyników dowiadczalnych z wynikami symulacji komputerowej dla elementu belkowego o wymiarach poprzecznych 60x30x2 (stal ) Fig. 10. Comparison of the test and computer simulation results for a beam element with lateral dimensions 60x30x2 (steel ) Rys. 11. Energia wewntrzna w funkcji kta deformacji plastycznej dla profilu 60x40x2 Fig. 11. Internal energy as a function of plastic deformation angle for the section 60x40x2 5. Badanie metod segmentu nadwozia pojazdów przystosowanych do przewozu osób na bazie samochodów typu furgon W wypadku duych autobusów elementami konstrukcji nonej nadwozia s najczciej stalowe cienkocienne profile zamknite o przekroju prostoktnym i kwadratowym. Z elementów tych zbudowane s przede wszystkim szkielety cian bocznych i dachu nadwozia. Jednak coraz czciej, w wypadku mniejszych pojazdów kategorii M 2, przedstawiona do bada konstrukcja nie jest typow konstrukcj szkieletowo-kratownicow. Konstrukcje takie powstaj z przystosowania pojazdów kategorii N 2 (tzw. furgonów) na pojazdy do przewozu osób i s zbudowane podobnie jak samochody osobowe, w przewaajcej czci, z toczonych i spawanych blach. Zapotrzebowanie na tego typu 54

9 BEHAVIOUR OF BUSES STRUCTURE IN RELATION TO REQUIREMENTS OF NO. 66 UN-ECE... konstrukcje i liczba firm zajmujcych si ich adaptacj wiadczy, e budowa tego typu pojazdów jest ekonomicznie uzasadniona. Przystosowanie typowego furgonu do przewozu osób polega gównie na zamontowaniu foteli, okien (najczciej w miejsca do tego przewidziane) oraz do czsto do modyfikacji drzwi. Czasami modyfikacje konstrukcyjne s duo wiksze i polegaj na wstawieniu nowych, wikszych ram okiennych a nawet na wydueniu ramy pojazdu bazowego. Z naszych dowiadcze, z tego typu pojazdami przedstawianymi do bada na zgodno z Regulaminem nr 66 EKG ONZ wynika, e naley dla nich wykluczy badanie poprzez przewrócenie segmentu nadwozia. Wytrzymao tego typu konstrukcji zaley przede wszystkim od wytrzymaoci konstrukcji nonej przedniej i tylnej czci nadwozia autobusu (Rys. 12. i 13.). Rys. 12. Deformacja przedniej i tylnej czci nadwozia adaptowanego na bazie furgonu Mercedes Sprinter po przewróceniu zgodnie wymaganiami Regulaminu (wynik pozytywny) Fig. 12. Deformation of the front and rear sections of a bus body adapted on the basis of Mercedes Sprinter van after rollover test according to requirements of Regulation (the positive result) Rys. 13. Negatywny wynik uzyskany podczas przewracania segmentu nadwozia pokazanego na Rys. 12 Fig. 13. Negative result of the rollover test of the body section showed in the Fig Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych dotychczas bada na zgodno z Regulaminem nr 66 EKG ONZ moemy stwierdzi, e ze strony producentów pojazdów, ze wzgldów ekonomicznych, preferowana jest metoda oparta na przewracaniu wybranego segmentu (segmentów) nadwozia. Z zachowania si badanych konstrukcji autobusów wynika, e z powodzeniem mona stosowa t metod w odniesieniu do autobusów, gdzie elementami 55

10 Z. Barszcz, T. Diupero konstrukcji nonej s stalowe cienkocienne profile zamknite o przekroju prostoktnym i kwadratowym, z których zbudowany jest szkielet cian bocznych i dachu nadwozia. W metodzie tej przy sprawdzeniu warunków, co do rozmieszczenia czci konstrukcji nonej pojazdu (supków) pochaniajcych gówn cz energii, podstaw jest, oparta na eksperymencie, waciwa identyfikacja parametrów przyjmowanego modelu materiau, z którego s wykonane stalowe profile analizowanej konstrukcji. W wypadku homologacji pojazdów przystosowanych do przewozu osób i zbudowanych na bazie istniejcych furgonów, najbardziej wiarygodn metod jest metoda przewracania caego pojazdu. Regulamin nr 66 EKG ONZ, jako jedn z metod bada dopuszcza równie moliwo oceny konstrukcji na podstawie oblicze np. metod elementów skoczonych MES (FEM). Metoda ta bazuje na trójwymiarowym modelu geometrycznym konstrukcji pojazdu. Brak takiego modelu generuje dodatkowo do due koszty zwizane z jego budow. Podczas numerycznej symulacji komputerowej, której celem jest odzwierciedlenie rzeczywistego eksperymentu dotyczcego przewrócenia kompletnego pojazdu na jeden bok, obliczenia powinny uwzgldnia, zgodnie z rzeczywistoci, zachowanie si konstrukcji w wypadku wystpienia duych odksztace plastycznych. Z dowiadcze Przemysowego Instytutu Motoryzacji, jak równie innych orodków zajmujcych si badaniami tego typu wynika, e niezalenie od specjalistycznego oprogramowania stosowanego do oblicze, w celu uzyskania zgodnoci wyników symulacji z eksperymentem, wymagane s badania na stanowisku badawczym. Badania te analogicznie jak opisane powyej przy badaniu segmentu, powinny dotyczy przede wszystkim identyfikacji parametrów modeli materiaów przyjmowanych do oblicze, jak równie (dla nowych typów pojazdów) czci lub caego segmentu konstrukcji nonej w celu sprawdzenia zaoe przyjtych do oblicze. Uzyskane wyniki bada symulacyjnych (oblicze) mog suy do oceny badanej konstrukcji pod ktem spenienia wymaga okrelonych w Regulaminie nr 66 EKG ONZ pod warunkiem, e model matematyczny zastosowany do oblicze bdzie zweryfikowany przez badania na stanowisku badawczym. Literatura [1] Regulamin nr 66 EKG ONZ, Jednolite przepisy dotyczce homologacji duych pojazdów do przewozu osób w zakresie wytrzymaoci konstrukcji. [2] Barszcz, Z., Krzemie-Ojak, P., Okrelenie energii pochanianej przez profile zamknite szkieletu nadwozia autobusu w zakresie duych odksztace plastycznych, Czasopismo Techniczne Mechanika, z. 7-M/2004, pp , Kraków [3] Pavlata, P., Lacina, L., A methodology of the bus structure rollover simulation using FEM, Materiay konferencyjne, EUROPAM 2001, Heidelberg [4] Sprawozdania z bada, Sprawozdania z bada na zgodno z Regulaminem nr 66 EKG ONZ, Przemysowy Instytut Motoryzacji, Warszawa