歐盟L類車翻滾防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)方法解析

文/丁元虎

【機(jī)動(dòng)車專欄】

歐盟L類車翻滾防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)方法解析

文/丁元虎

L類車輛翻滾防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度關(guān)系到乘員的安全。本文介紹了歐洲新框架法規(guī)發(fā)布的情況，并對翻滾防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)從設(shè)備、方法、判定等方面展開了較為詳細(xì)的闡述，結(jié)合國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比，望相關(guān)試驗(yàn)人員和標(biāo)準(zhǔn)編制人員參考。

L類翻滾防護(hù)結(jié)構(gòu) 試驗(yàn) 標(biāo)準(zhǔn)

2013—2014年歐盟陸續(xù)頒布了新歐盟L類車輛認(rèn)證法規(guī)，這一系列法規(guī)已經(jīng)在2016年1月正式實(shí)施。新法規(guī)體系對老法規(guī)體系進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理，刪除了一些過時(shí)的要求，增添了不少適應(yīng)新的技術(shù)發(fā)展潮流的要求。如新增對L類車的要求——（EU）No. 3/2014 ANNEX XI 翻滾防護(hù)結(jié)構(gòu)（ROPS）強(qiáng)度要求。

一、ROPS運(yùn)用現(xiàn)狀

ROPS是從拖拉機(jī)借鑒過來的一個(gè)概念，上世紀(jì)50年代瑞典首次在拖拉機(jī)上引入ROPS裝置。此后，因?yàn)檗r(nóng)機(jī)翻車造成的人員傷亡比例下降了70%，各國開始效仿，1981年澳大利亞也把拖拉機(jī)上的ROPS納入強(qiáng)制安裝范圍。同樣。在歐洲，四輪全地形車（ATV）作為能上路行駛的車輛，由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其行駛路面的復(fù)雜性，對ROPS的要求也被納入法規(guī)。

ROPS作為L7e-B2類車強(qiáng)制考察的項(xiàng)目之一，其試驗(yàn)方法和要求值得我們?nèi)パ芯亢蛥⒖肌榇耍瑢OPS的試驗(yàn)方法和判定條件進(jìn)行解析，并結(jié)合國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比。

二、試驗(yàn)內(nèi)容

1. 適用車型

在（EU） NO 168法規(guī)中，針對L7e-B 類車輛在非道路和硬鋪裝公路行駛的使用特性，引入了最高車速限制牌及其安裝位置、ROPS等要求。L7e-B2 類車作為此試驗(yàn)的適用對象，首先應(yīng)該對其結(jié)構(gòu)有較完整的了解。表1列出了該類車的關(guān)鍵參數(shù)。

表1 L7e-B2 類車主要參數(shù)

從表1中可以看出該類車有如下特點(diǎn)：① 離地間隙大，底盤高，通過性好（越野性能強(qiáng)），但帶來了重心偏高的問題；② 經(jīng)常行駛在非硬鋪道路和各種崎嶇的道路上。這兩個(gè)特點(diǎn)決定了該類車輛發(fā)生翻車的可能性較大。出于對乘員安全的考慮，ROPS的質(zhì)量直接關(guān)系到乘員的生命安全。ROPS強(qiáng)度試驗(yàn)為評估該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度提供了評估方法，其中涉及到試驗(yàn)的過程和判定的依據(jù)。

2. 試驗(yàn)過程

理論上說，翻滾運(yùn)動(dòng)可以分解為兩種運(yùn)動(dòng)，其一為側(cè)翻，其二為滾動(dòng)。在側(cè)翻過程中，從乘員的角度觀察主要是受側(cè)向力，而在滾動(dòng)的過程中就還要涉及到頂部的壓力了。在該法規(guī)中涉及到的三種加載方式，即不同翻滾運(yùn)動(dòng)形式的模擬。接著，從最關(guān)鍵的加載過程進(jìn)行分析。

① 加載過程

該試驗(yàn)涉及到三次加載，每一次的加載位置不同，分別模擬的是實(shí)際翻滾過程中的不同情況。下文列出了三次加載對應(yīng)的加載方式、位置及終止條件，具體的加載終止判定過程會(huì)在下文展開講解。

? 平行于車輛縱向中心平面垂直加載（見圖1）

圖1 力加載示意圖

圖1中，力的施加方式和位置：選擇較容易破壞的一側(cè)進(jìn)行試驗(yàn)。Wmax：頂部三分之一最寬處的寬度；施力點(diǎn)在經(jīng)過頂部三分之一最寬處的縱向平面向里Wmax/6處。

加載終止條件：防護(hù)結(jié)構(gòu)吸收能量的限值：Ev≥1.4mtest或力的施加限值Fv≤2mtestg（mtest：整備質(zhì)量加驅(qū)動(dòng)電池質(zhì)量）。

? 平行于車輛橫向中心平面垂直加載（見圖2）

圖2 力加載示意圖

力的施加方式和位置：在駕駛員座位R點(diǎn)往前300 mm的位置；

加載終止條件：防護(hù)結(jié)構(gòu)吸收能量的限值Ev≥1.4 mtest或力的施加限值Fv≤2mtestg（mtest：整備質(zhì)量加驅(qū)動(dòng)電池質(zhì)量）。

? 水平力與垂直力同時(shí)施加（見圖3）

圖3 力加載示意圖

圖3中，力的施加方式和位置：垂直力的施加位置與圖1縱向垂直加載力的位置相同；水平力的施加位置在垂直力的同一側(cè)，圖1中提到的最寬點(diǎn)處。

加載終止條件：水平力Fh=0.5mtestg，垂直力Fv=0.5Fvmax（mtest：整備質(zhì)量加驅(qū)動(dòng)電池質(zhì)量；Fvmax：第一部分試驗(yàn)達(dá)到的最大力值）。

② 加載終止條件

從能量守恒角度考慮，車輛發(fā)生碰撞的過程，是一個(gè)大能量耗散的過程。其中，能量主要通過以下兩種方式轉(zhuǎn)移：一種是通過乘員與約束系統(tǒng)構(gòu)件的接觸而導(dǎo)致約束系統(tǒng)的變形，將能量轉(zhuǎn)移，稱為約束系統(tǒng)能量；另外一種是通過約束系統(tǒng)的連接作用將能量轉(zhuǎn)移至整車前端構(gòu)件的變形，稱為結(jié)構(gòu)緩沖能量。在該法規(guī)中，主要考察在車輛翻滾狀態(tài)下結(jié)構(gòu)緩沖吸收的能量，提出了吸收能量E大于1.4 mtest作為試驗(yàn)終止條件之一。至于為什么選擇1.4 mtest作為參考量，目前還沒找到確實(shí)的資料證明。但根據(jù)動(dòng)能公式E= mv2/2，可以估算出：E =1.4mtest為試樣從170 mm左右的高度自由落體產(chǎn)生的動(dòng)能。該高度其實(shí)能覆蓋大部分的翻滾情況（一些極端情況除外）。結(jié)合試驗(yàn)過程，考慮到加載橫梁寬度較窄，在這個(gè)條件下產(chǎn)生形變，基本能覆蓋實(shí)際翻滾發(fā)生時(shí)裝置發(fā)生的形變。

當(dāng)車輛完全翻過來時(shí)，防翻滾裝置相當(dāng)于承受一個(gè)大小為車輛和乘員總質(zhì)量相當(dāng)?shù)膲毫Α８鶕?jù)（EU） NO.3 法規(guī)中對車輛質(zhì)量的規(guī)定，L7e-B類車的最大允許載荷不允許超過車輛整備質(zhì)量。當(dāng)翻滾發(fā)生時(shí)，施加在ROPS上的垂向力不會(huì)超過2mtestg。所以，F(xiàn) = 2mtestg成為另外一個(gè)試驗(yàn)結(jié)束條件。

在現(xiàn)有的四輪全地形車上，翻滾防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)一般為鋼管結(jié)構(gòu)。下面我們結(jié)合鋼管結(jié)構(gòu)的受力特性，分析一下試驗(yàn)加載過程（見圖4）。在試驗(yàn)加載初期，試件處于彈性工作階段，此階段載荷隨位移快速上升，曲線上表現(xiàn)為一條向上陡峭的曲線。隨著載荷繼續(xù)增加，試件受壓邊緣纖維屈服，載荷達(dá)到屈服荷，曲線稍微偏折，斜率有所降低，載荷增幅變小，曲線進(jìn)入彎折上升段。繼續(xù)加載，鋼管出現(xiàn)屈曲變形，此時(shí)載荷稱為屈曲載荷。隨后，載荷仍能少量增加，載荷達(dá)到極限承載力以后，載荷隨位移的增加而減小，P-Δ曲線進(jìn)入下降段。

圖4 P-Δ曲線

通過以上兩個(gè)試驗(yàn)終止條件，可以得到四種試驗(yàn)情況判定：

第一種情況（圖5），在加載力F<2mtestg 時(shí)，吸收的能量已達(dá)到1.4mtest。根據(jù)能量吸收公式Ev=F×D/1 000測算，此時(shí)的變形量(D)>70 mm。因?yàn)椋藭r(shí)加載還處于彈性變形階段，結(jié)合材料力學(xué)考慮，這種情況是不太可能發(fā)生的。因?yàn)椋头瓭L裝置的材料和尺寸來說，不大可能有這么大的彈性變形量。

圖5 第一種試驗(yàn)終止情況

第二種情況（圖6），在吸收能量達(dá)到1.4mtest之前，F(xiàn)已經(jīng)達(dá)到2mtestg。在這種情況下，當(dāng)F=2mtestg時(shí)，即可停止試驗(yàn)。

圖6 第二種試驗(yàn)終止情況

第三（圖7）、第四種情況（圖8）考慮的是當(dāng)屈服載荷小于2mtestg的情況。此時(shí)，F(xiàn)永遠(yuǎn)無法達(dá)到2mtestg。第三種情況則與第一種情況有相似之處，不大可能出現(xiàn)。第四種情況，是要E到達(dá)1.4mtest，試驗(yàn)結(jié)束。

圖7 第三種試驗(yàn)終止情況

圖8 第四種試驗(yàn)終止情況

在我們的實(shí)際試驗(yàn)中，所有的試驗(yàn)結(jié)束條件都出現(xiàn)在第二種情況，即加載力達(dá)到2mtestg停止加載，這也與上述理論上的分析相符。

⑤ 試驗(yàn)結(jié)果判定

在ECE R29 附件三中有一種專門針對確定生存空間的假人尺寸的描述，其尺寸是根據(jù)50百分位假人確定的，本試驗(yàn)中也可以用這個(gè)尺寸的假人替代。

本試驗(yàn)的判定標(biāo)準(zhǔn)即在三次測試后，容身區(qū)（容身區(qū)指的是由混合型III 50百分位男性測試假人在所有乘座位置以正常姿勢坐定后所占據(jù)的空間）內(nèi)無防護(hù)結(jié)構(gòu)侵入，且容身區(qū)任何部分都不暴露在防護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域外。需要注意的是必須保證每個(gè)乘坐位置都滿足以上要求。

3. 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對比

在國內(nèi)，四輪ATV雖然不是道路用車，但作為全地形車也有較完整的法規(guī)體系。在GB/T 24937-2010 《全地形車安全防護(hù)裝置》中，對翻滾防護(hù)裝置的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法作了詳細(xì)的闡述。國標(biāo)中對翻滾防護(hù)裝置的加載如圖9所示，其加載方式是參考了FMVSS 216《轎車車頂抗壓強(qiáng)度》中的加載方法。

圖9 翻滾防護(hù)裝置的加載

在試驗(yàn)中，加載裝置沿如圖方向以不大于13 mm/s速度加載，直至加載力達(dá)到1.5倍的最大允許質(zhì)量。該過程應(yīng)在120 s內(nèi)完成，加載完成后試驗(yàn)裝置下表面的距離不應(yīng)超過127 mm。翻滾防護(hù)裝置的左前部與右前部都應(yīng)滿足上述要求。

與歐標(biāo)相比，兩者的考察內(nèi)容和方法差別還是蠻大的。從試驗(yàn)方法上看，國標(biāo)主要參照了美標(biāo)轎車的頂部抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，而歐標(biāo)對ROPS強(qiáng)度的試驗(yàn)方法則主要來源于拖拉機(jī)的ROPS強(qiáng)度試驗(yàn)。從目標(biāo)上來看，兩者是一致的，都是為了防止車輛翻滾對乘員造成的傷害。但從兩者試驗(yàn)方法可以看出，兩者的側(cè)重點(diǎn)是不一樣的：轎車事故大部分是在平坦路面上發(fā)生的，而國標(biāo)試驗(yàn)考察的側(cè)重點(diǎn)其實(shí)是在側(cè)翻后對生存空間的侵入。歐標(biāo)則考慮到防滾、防護(hù)裝置的三種工況，包括：縱向垂直、水平垂直以及橫向與縱向同時(shí)加載的狀況。其最后一種狀況有點(diǎn)類似國標(biāo)考察的狀況。就四輪全地形車可能遭遇的路況而言，歐標(biāo)考察的三種狀況都很有必要。因?yàn)椋匦诬囆旭偟穆访娓I車還是有很大區(qū)別。

就判定標(biāo)準(zhǔn)來說，國標(biāo)給定的是一個(gè)加載裝置的位移不超過127 mm，歐標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn)則是不準(zhǔn)有車輛結(jié)構(gòu)侵入50百分位男性假人的容身區(qū)。概括地說，國標(biāo)是在一個(gè)距離上的判定，歐標(biāo)則是根據(jù)空間的判定；從覆蓋的范圍來看，根據(jù)空間來判定更有說服力。因?yàn)椋瑔畏较蛏系男巫儾⒉荒芘卸ㄒ粋€(gè)整體的形變狀況。

三、結(jié) 束

通過以上對翻滾防護(hù)裝置強(qiáng)度試驗(yàn)的解析，對于試驗(yàn)人員，希望可以對該試驗(yàn)有比較清楚的了解，對試驗(yàn)過程中的模糊點(diǎn)應(yīng)能有比較準(zhǔn)確的把握，特別是對力的施加位置、試驗(yàn)結(jié)束條件的判定；對于標(biāo)準(zhǔn)編制人員來說，希望可以在此基礎(chǔ)上對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作進(jìn)一步的比較，從經(jīng)濟(jì)性和安全性等角度考慮，找到更合適的試驗(yàn)方法。隨著全球化的不斷推進(jìn)，全球標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的統(tǒng)一作為一個(gè)大的趨勢，歐標(biāo)對翻滾防護(hù)裝置強(qiáng)度的要求，值得我們?nèi)パ芯亢徒梃b，對保證車輛的質(zhì)量和乘員的安全有重大意義。

L-category vehicle rollover protection structure strength is related to occupant safety. This paper introduces the situation of the release of new European framework legislation, elaborates the rollover protection structure strength test from the aspects of equipment, methods, determination, etc. The paper compares it with the domestic standard. It is hoped that the findings will provide references for relevant test personnel and standards-developing personnel.

L-category rollover protective structure (ROPS); Test; Standards

（作者單位：上海機(jī)動(dòng)車檢測中心技術(shù)有限公司）