大客车车体设计技术介绍.pdf

2車輛研測資訊 2004-05 一. 前言 大客車是所有道路車種中乘載量最高的交通工 具，根據交通部統計資料顯示目前我國大客車總數 為25,737輛，約佔汽車總數6,170,215輛(不含機車) 之4.17%。雖然其數量與比例皆遠不及於其他車 種，但就A1事故(註：A1類係指造成人員當場或二 十四小時內死亡之交通事故)之發生率與嚴重性而 言，大客車每萬輛之肇事率為1.95%，死亡率亦為 3.13%，遠高於小客車之比率(肇事率為0.13%，死 亡率為0.14)，由此可知，大客車若發生交通事故， 對於生命財產安全影響甚大，因此本文將簡介大客 車相關設計分析技術與國內外現行法規等，並介紹 大客車測試方法與電腦輔助工程分析方法，提出車 體設計技術之流程概念，以期後續能在運用此技術 於大客車車體產業上，對於國內大客車行車安全能 有所助益。 二.大客車需求概要 (一) 大客車車輛登記數的增加 由下圖一中所示，大客車車輛登記數自民國85 年之後幾乎每兩年增加近千輛以上，可能原因為近 年來政府施行週休二日因而帶動了國內的旅遊風 氣，另外客運運輸業者為提升乘客搭乘品質，將原 為49人座之大客車內部空間加大，而將49人座降為 35人座，甚至降到配有豪華座椅的23人座，單輛乘 載人數減少，相對的車輛需求數增加，所以車輛的 需求量也就逐年增加。 (二) 大客車車齡的老化 由下表一中可知10年以上之大客車佔大客車總 車輛數的三分之一，車齡五年以上的則高達三分之 二以上，由於社會的成長，對於服務品質的要求不 斷提昇，老舊車輛勢必將加速淘汰，因此亦將陸續 帶動大客車的需求。 財團法人車輛研究測試中心林育正 車輛研測資訊 2004-05 3 產業新知 小結: 以上兩個現象均反應出，大客車總數與需求量 於近來逐步增加，因此車體結構安全亦隨著大客車 的數量增加而愈顯重要。 三.大客車國內外安全法規概要 目前我國大客車法規主要為大客車尺度與傾斜 穩定度等規定，而國外大客車安全法規除有尺度之 規定外，在結構安全方面主要區分為兩種，一種是 傾斜穩定度法規，其要求是使大客車盡可能的不產 生翻覆，是屬於事前預防的觀念，但此方式有一主 要缺點，即通過傾斜穩定法規的車子僅代表其重心 較低，較不易翻覆但並無法檢驗其結構強度是否足 夠；另一種是結構強度法規，其要求是當客車翻覆 時，其變形空間不至於傷害到乘員的安全空間，是 屬於事故發生時保護乘員的觀念，但此方法需作破 壞性檢測，將耗費較多測試成本， 與大客車相關的 結構強度法規有歐洲大客車車體翻覆法規(ECE R66)與美國校車車頂擠壓法規(FMVSS 220)(只針對 校車)等，未來國內大客車結構強度的規定亦將朝 向大客車車體翻覆法規(ECE R66)的方式進行規 劃，大客車車體翻覆法規(ECE R66)主要簡述如下 (大客車相關法規項目見表二) : 大客車車體翻覆法規(ECE R66)中規定下列四 種方式擇一執行: A. 完成整車翻覆試驗(翻覆平台見圖二所示，翻覆 方式見圖三所示)。 B. 以局部車身段或代表整車之區段，進行翻覆試 驗。 C. 以一個或多個車身段，進行擺錘衝擊試驗。 D. 以計算模擬的方式確認車身結構強度。 以上四種執行方式均須滿足翻覆變形後，任何 骨架皆不得侵入乘員安全空間中(乘員安全空間之 定義如圖四所示)。 表一、大客車車齡統計分析表 圖一.大客車車輛登記數年度分析 0 200 400 600 800 1000 1200 83848586878889909192 年別 成 長 量 輛 大客車(輛) 營業(輛)自用(輛)小計(輛) 1年以下10611074.15 13年341699351513.6 35年3387171355813.8 57年3920341426116.5 710年5238971560921.8 10年以上74821205868733.75 總計23549279325737- 車齡百分比() PS:上表為93年1月份統計結果 圖二.翻覆平台要求 四. 大客車車體測試概要 大客車之車體測試除可更確切的了解車體結構 特性，以及驗證其是否符合法規要求外，亦可作為 比對電腦模擬結果是否正確之用，因此大客車車體 測試的相關研究於未來法規推動上及車體設計上仍 其必要性，以下簡單說明大客車車體之基本測試方 式: (一) 大客車靜態量測: 1. 實施方式: 以整車或打造局部車身段執行非破壞型剛 性應力量測，以放置沙包的方式將每個座位配 重(滿載考量)， 並於底盤大樑之縱樑與橫樑焊 接等幾個特徵點黏貼應變計，以量取應變值。 2. 量測目的: 由所量取所得的應變值除了可作為結構強 度的判斷依據外，亦可作為電腦輔助工程分析 結果的驗證比對之用。 4車輛研測資訊 2004-05 圖三.車體翻覆方式 圖四.乘員安全空間之定義 表二.大客車結構安全法規概要 ECE R36Construction of Public Service Vehicles大客車車身各部規格 ECE R66Strength of Super Structure (Large Passenger Vehicle)大客車車身結構強度 FMVSS No.220School bus rollover protection校車翻覆保護 FMVSS No.222School Bus Passenger Seating and Crash Protection校車乘員乘坐及撞擊防護 中華民國交通部車輛型式安全審驗作業要點附件二大客車各部規格大客車各部規格 國家法規編號法規項目名稱中文名稱 美國 歐洲ECE (二) 大客車翻覆量測: 1. 實施方法: 依ECE R66翻覆法規要求之第二種檢測項 目，局部車身段翻覆測試，(局部車身段之翻覆 試驗如圖五所示)，測試方式為，設置一離地高 為80公分且可傾翻之平台，將局部車身段置於 平台上並於該平台一端施加力量，使局部車身 段從平台上翻覆下來，因法規要求所有骨架於 變形過程中均不可侵入乘員安全空間中，因此 可在局部車身段乘員安全空間範圍的邊界上， 安裝一軟性材質(如圖六中梯形框所示)，翻覆 過程若侵入安全空間中，則車身段骨架將接觸 到軟性物質致使之產生變形，最後以觀察此軟 性物質是否產生局部變形之方式判斷是否符合 法規要求;另外亦可由量取相對位移的方式(如 圖七所示)確認變形過程中車身骨架之相對位 移，是否侵犯入乘員安全空間中，或是以高速 攝影機拍攝其變形歷程等方式來作判斷。 2. 量測目的: 檢驗大客車結構是否滿足ECE R66法規要 求，若不符合則施行改良，另外測試後 之變形 結果可提供電腦模擬比對之用。 五. 大客車車體分析概要 由於大客車造價甚高，若以測試(破壞性檢測) 來驗證其車體結構之安全性將耗費大量測試成本， 若運用電腦模擬分析技術於車體設計分析上，將可 大大降低許多開發時間與成本，以分析方式除可探 討各種使用狀況，所以亦可累積許多數據資料，逐 步建立較為完整的大客車車體設計技術，因此本文 對於大客車車體分析作了許多探討與研究，主要有 車體結構剛性、應力、自重與振動等分析，另外為 了以電腦分析虛擬法規之測試程序，來確認車體結 構是否符合法規要求，故研究歐洲大客車ECE R66 滾翻法規之細部執行過程，並嘗試於電腦中建立模 擬方法，除此之外亦探討大客車車體撞擊，為後續 車體設計工作作相關準備。本文分析所使用之前處 理軟體為HYPER-MESH 6.0與FEMB 28，解析軟體 (solver)為ABAQUS 6.2與LS-DYNA 970，後處理軟 體HYPER-MESH6.0與LS-POST等；分析方式如下 所述。 (一) 車體靜態分析: 主要是探討大客車多種結構靜態特性，分析項 目主要有，車體結構彎曲剛性分析，分析結果如圖 車輛研測資訊 2004-05 5 產業新知 圖五.車身段翻覆測試 圖六.梯形框為軟性材質 圖七. 變形量測方式(位移計) 八，車體結構扭曲剛性分析，分析結果如圖 九，車 體自然振動分析，分析結果如圖 十，車體結構自重 分析，分析結果如圖 十一。 (二) 大客車結構法規模擬分析: 主要研究如何重現大客車翻覆(ECE R66)法規 測試過程，建立虛擬測試之程序方法，作為檢驗結 構是否符合國外現行法規要求，以及作為後續車體 研究與設計之相關參考， 模擬ECE R66翻覆分析之 作法為，首先使用前處理軟體HYPER-MESH 6.0建 構車體網格，再轉到前處理軟體FEMB 28中作邊界 條件及各種設定，最後以動態分析軟體LS-DYNA 970作分析，為了節省電腦運算時間，先由動力學 簡單算出車體接觸地面的角度與相對速度，然後再 將這些數據輸入軟體中作分析，分析結果如圖 十二 中所示。 (三) 車體撞擊分析: 探討車體於碰撞發生時車體結構之變形量與應 力分佈是否符合安全性，並找出結構補強位置與方 式等，主要作法為，以一合理之相對速度撞擊硬 牆，用LS-DYNA 970執行車體結構前方碰撞分析， 撞擊後變形結果如圖十三所示，圖中圈圈處表示變 形與應力較為嚴重的區域。 6車輛研測資訊 2004-05 圖八.車體彎曲剛性圖十三.車體前方撞擊分析 圖十二.車體翻覆分析 圖十一.車體自重分析 圖十.車體自然振動模態 圖九.車體扭曲剛性 六. 大客車車體設計開發技術需求概要 大客車車體設計開發中經常會遇到許多問題 (如圖十四所示)，本文依所蒐集許多大客車車體廠 的意見與相關資料，就車體設計技術面來探討大客 車車體設計技術之需求與未來應重點發展的關鍵技 術: (一) 電腦圖學(CAD)與電腦輔助工程分析(CAE)技術: 由於科技的進步造就了電腦軟硬體的迅速成 長，一個完整大客車車體設計流程應是先以 AUTOCAD、PRO-E或SOLIDWORK等電腦繪圖軟 體(CAD)設計繪製車體，再以電腦輔助工程分析技 術(CAE)來驗證結構是否符合安全與設計需求，驗 證後若不符合則需回饋原設計，修改設計圖，之後 再以CAE軟體再次分析確認，直至車體設計符合要 由求為止，最後才開始依此設計圖或設計概念打造 車體，經過電腦輔助驗證並依圖所打造的車體較易 確保產品的一致性與優良性，因此提昇電腦繪圖與 結構分析之技術應是車體業者建立研發能量與因應 未來法規要求的重要需求之一。 (二) 結構設計與偵錯改良技術: 目前國內大客車車體廠大都以經驗判斷的方式 來設計車體以及改良靜態使用與疲勞等問題，因此 結構加強的同時也容易造成車身過重，且骨架加強 位置若不正確，對於車體整體的強度未必有效。另 外對於振動，車體翻覆及車輛碰撞等更為複雜的問 題，於結構設計時更加難以判斷，所以骨架加強與 否，應以多種角度綜合考量，再運用電腦分析等技 術協助車體設計加強偵錯改良的能力。 (三) 整車打造技術: 目前國內幾乎無整體式大客車車體，大多向國 外底盤廠之國內代理 商購買底盤，再於底盤上焊接 車身骨架來打造車體，此打造方式除價格較高外， 以結構安全的角度而言，整體式車體有許多優於有 底盤車體的優點，所以國外較為先進的國家大都採 用整體式車體，因此整體式車體的設計技術亦應是 國內大多數車體廠的重點技術需求之一。 (四) 生產線方式打造車體之技術需求: 國內大客車車體打造(因規模及工廠面積等因 素)大多是以固定底盤，在底盤上搭起骨架來打造 車體，如此將難以大量生產，也較難降低打造成 本，若以生產線方式打造車體可大大降低打造成 本，較易確保品質一致性，對於簡化國內大客車車 型數量也有所助益，但此項技術礙於目前國內大客 車產業現況而較難以短時間內達成，但後續若能朝 此目標努力將有助於降低大客車產業的生產成本並 有效提昇其設計技術。 車輛研測資訊 2004-05 7 產業新知 車身過重22% 穩定度 欠佳6% 操控性 欠佳6% 左右搖晃8% 振動過大11% 悍道斷裂11% 底盤結構生鏽腐蝕17% 噪音過大19% 圖十四.大客車車體結構設計常遇問題 七.結論 本文對於大客車車體設計之相關技術已作了概 略性的探討，並規劃出一車體設計的流程概念圖 (見圖十五)，後續期能運用法規、檢測與設計分析 等技術，結合業界實務設計打造經驗共同提昇大客 車車體設計技術，為提供一個安全且舒適的大客車 行車環境貢獻心力。 八.參考文獻 1 國內大客車車體產業現況調查報告,車輛研究 測試中心,民92.4 2 國內大客車車體結構調查報告,車輛研究測試 中心,民92.6 3 大客車車體設計技術建立評估與規劃報告技術 報告，車輛研究測試中心,民92.12 4 交通部統計月報93年1月月刊 5 歐洲ECE R66法規條文 6 美國FMVSS 220 法規條文 7 Jeffrey C.Elias, Lisa K. Sullivan, Linda B. McCray“Lanrge School Bus Safety Restraint Evaluation”, The 17th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV) , Paper Number：345 (2001) 8 Hiroyuki,Yoshihiro,Fujio,Shungo,“Research on Bus Passenger Safety in Frontal Impacts”, The 17th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV) , Paper Number：287 (2001) 9 Linda McCray, Aida Barsan-Anelli, “ Simulations of Large School Bus Safety Restraint-NHTSA”, The 17th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV) , Paper Number：313 (2001) 10 E.Larrode, A. Miravete, F. J. Fernandez, “A New Concept of a Bus Structure Made of Composite Materials by Using Continuous Transversal Frames”, Composite Structure, Vol.32 345-356 (1995) 11 Shinichi Yahagi, Takurou Miyazaki, “Safety Measures for the Structure of Trucks and Buses”, The 16th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV), Paper Number：98-S4-O-02 (1998) 8車輛研測資訊 2004-05 車體設計完成 訂定標準規格 進行車體骨架設計繪圖與網格切割 車體剛性應力與振動分析車體剛性應力與振動測試 調整分析模型測試與分析比對是否符合要求? 車體 ECE R66 翻覆分析車體 ECE R66 翻覆測試 調整分析模型 測試與分析比對是否符合要求? 車體設計改良 (修改原始結構) 是否符合法規要求? 是 否 否 否 是 是 圖十五.車體設計流程圖 12 F. Alexander Berg, Walter Niewohner, “Pointers Toward the Improvement of Safety in Buses, Derived from an Analysis of 371 Accidents Involing Buses in Germany and from Crush Test Results”, The 16th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV), Paper Number：98-S4-O-03 (1998) 13 Matyas Matolcsy, “Development Possibilities in Relation to ECE Regulation 66 (Bus Rollover Protection)”, The 16th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV), Paper Number：98-S4-O-04 (1998) 14 Dusan Kecman, james Lenard, Pete Thomas, “Safety of Seats in Minibuses-Proposal for a Dynamic Test ” , The 16th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV), Paper Number：98-S4-O-14 (1998) 15 Sandor Vincze, “European Test Methods for Superstructures of Buses and Coaches Related to ECE R66(The Applied Hungarian Calculation Method)”, The 16th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV), Paper Number：98-S4-P-18 (1998) 16 Sandor Vincze, Zoltan Tatai, “Simulations of Bus-Seat Impact According to ECE Regulations”, The 16th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV), Paper Number：98-S4-P-19 (1998) 17 Michael De Santis, Andre Chamberland, Paul Lemay, Claude Guerette, “Criteria for th