歐盟L類車翻滾防護結構強度試驗方法解析

文/丁元虎

【機動車專欄】

歐盟L類車翻滾防護結構強度試驗方法解析

文/丁元虎

L類車輛翻滾防護結構強度關系到乘員的安全。本文介紹了歐洲新框架法規發布的情況，并對翻滾防護結構強度試驗從設備、方法、判定等方面展開了較為詳細的闡述，結合國內標準進行了對比，望相關試驗人員和標準編制人員參考。

L類翻滾防護結構 試驗 標準

2013—2014年歐盟陸續頒布了新歐盟L類車輛認證法規，這一系列法規已經在2016年1月正式實施。新法規體系對老法規體系進行了系統的梳理，刪除了一些過時的要求，增添了不少適應新的技術發展潮流的要求。如新增對L類車的要求——（EU）No. 3/2014 ANNEX XI 翻滾防護結構（ROPS）強度要求。

一、ROPS運用現狀

ROPS是從拖拉機借鑒過來的一個概念，上世紀50年代瑞典首次在拖拉機上引入ROPS裝置。此后，因為農機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上的ROPS納入強制安裝范圍。同樣。在歐洲，四輪全地形車（ATV）作為能上路行駛的車輛，由于其自身結構特點及其行駛路面的復雜性，對ROPS的要求也被納入法規。

ROPS作為L7e-B2類車強制考察的項目之一，其試驗方法和要求值得我們去研究和參考。為此，對ROPS的試驗方法和判定條件進行解析，并結合國內相關標準進行了對比。

二、試驗內容

1. 適用車型

在（EU） NO 168法規中，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 類車作為此試驗的適用對象，首先應該對其結構有較完整的了解。表1列出了該類車的關鍵參數。

表1 L7e-B2 類車主要參數

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

2. 試驗過程

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

① 加載過程

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

? 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進行試驗。Wmax：頂部三分之一最寬處的寬度；施力點在經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：防護結構吸收能量的限值：Ev≥1.4mtest或力的施加限值Fv≤2mtestg（mtest：整備質量加驅動電池質量）。

? 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點往前300 mm的位置；

加載終止條件：防護結構吸收能量的限值Ev≥1.4 mtest或力的施加限值Fv≤2mtestg（mtest：整備質量加驅動電池質量）。

? 水平力與垂直力同時施加（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，圖1中提到的最寬點處。

加載終止條件：水平力Fh=0.5mtestg，垂直力Fv=0.5Fvmax（mtest：整備質量加驅動電池質量；Fvmax：第一部分試驗達到的最大力值）。

② 加載終止條件

從能量守恒角度考慮，車輛發生碰撞的過程，是一個大能量耗散的過程。其中，能量主要通過以下兩種方式轉移：一種是通過乘員與約束系統構件的接觸而導致約束系統的變形，將能量轉移，稱為約束系統能量；另外一種是通過約束系統的連接作用將能量轉移至整車前端構件的變形，稱為結構緩沖能量。在該法規中，主要考察在車輛翻滾狀態下結構緩沖吸收的能量，提出了吸收能量E大于1.4 mtest作為試驗終止條件之一。至于為什么選擇1.4 mtest作為參考量，目前還沒找到確實的資料證明。但根據動能公式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生的動能。該高度其實能覆蓋大部分的翻滾情況（一些極端情況除外）。結合試驗過程，考慮到加載橫梁寬度較窄，在這個條件下產生形變，基本能覆蓋實際翻滾發生時裝置發生的形變。

當車輛完全翻過來時，防翻滾裝置相當于承受一個大小為車輛和乘員總質量相當的壓力。根據（EU） NO.3 法規中對車輛質量的規定，L7e-B類車的最大允許載荷不允許超過車輛整備質量。當翻滾發生時，施加在ROPS上的垂向力不會超過2mtestg。所以，F = 2mtestg成為另外一個試驗結束條件。

在現有的四輪全地形車上，翻滾防護裝置結構一般為鋼管結構。下面我們結合鋼管結構的受力特性，分析一下試驗加載過程（見圖4）。在試驗加載初期，試件處于彈性工作階段，此階段載荷隨位移快速上升，曲線上表現為一條向上陡峭的曲線。隨著載荷繼續增加，試件受壓邊緣纖維屈服，載荷達到屈服荷，曲線稍微偏折，斜率有所降低，載荷增幅變小，曲線進入彎折上升段。繼續加載，鋼管出現屈曲變形，此時載荷稱為屈曲載荷。隨后，載荷仍能少量增加，載荷達到極限承載力以后，載荷隨位移的增加而減小，P-Δ曲線進入下降段。

圖4 P-Δ曲線

通過以上兩個試驗終止條件，可以得到四種試驗情況判定：

第一種情況（圖5），在加載力F<2mtestg 時，吸收的能量已達到1.4mtest。根據能量吸收公式Ev=F×D/1 000測算，此時的變形量(D)>70 mm。因為，此時加載還處于彈性變形階段，結合材料力學考慮，這種情況是不太可能發生的。因為，就翻滾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 第一種試驗終止情況

第二種情況（圖6），在吸收能量達到1.4mtest之前，F已經達到2mtestg。在這種情況下，當F=2mtestg時，即可停止試驗。

圖6 第二種試驗終止情況

第三（圖7）、第四種情況（圖8）考慮的是當屈服載荷小于2mtestg的情況。此時，F永遠無法達到2mtestg。第三種情況則與第一種情況有相似之處，不大可能出現。第四種情況，是要E到達1.4mtest，試驗結束。

圖7 第三種試驗終止情況

圖8 第四種試驗終止情況

在我們的實際試驗中，所有的試驗結束條件都出現在第二種情況，即加載力達到2mtestg停止加載，這也與上述理論上的分析相符。

⑤ 試驗結果判定

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50百分位假人確定的，本試驗中也可以用這個尺寸的假人替代。

本試驗的判定標準即在三次測試后，容身區（容身區指的是由混合型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的空間）內無防護結構侵入，且容身區任何部分都不暴露在防護結構區域外。需要注意的是必須保證每個乘坐位置都滿足以上要求。

3. 相關標準對比

在國內，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體系。在GB/T 24937-2010 《全地形車安全防護裝置》中，對翻滾防護裝置的技術要求和試驗方法作了詳細的闡述。國標中對翻滾防護裝置的加載如圖9所示，其加載方式是參考了FMVSS 216《轎車車頂抗壓強度》中的加載方法。

圖9 翻滾防護裝置的加載

在試驗中，加載裝置沿如圖方向以不大于13 mm/s速度加載，直至加載力達到1.5倍的最大允許質量。該過程應在120 s內完成，加載完成后試驗裝置下表面的距離不應超過127 mm。翻滾防護裝置的左前部與右前部都應滿足上述要求。

與歐標相比，兩者的考察內容和方法差別還是蠻大的。從試驗方法上看，國標主要參照了美標轎車的頂部抗壓強度試驗方法，而歐標對ROPS強度的試驗方法則主要來源于拖拉機的ROPS強度試驗。從目標上來看，兩者是一致的，都是為了防止車輛翻滾對乘員造成的傷害。但從兩者試驗方法可以看出，兩者的側重點是不一樣的：轎車事故大部分是在平坦路面上發生的，而國標試驗考察的側重點其實是在側翻后對生存空間的侵入。歐標則考慮到防滾、防護裝置的三種工況，包括：縱向垂直、水平垂直以及橫向與縱向同時加載的狀況。其最后一種狀況有點類似國標考察的狀況。就四輪全地形車可能遭遇的路況而言，歐標考察的三種狀況都很有必要。因為，全地形車行駛的路面跟轎車還是有很大區別。

就判定標準來說，國標給定的是一個加載裝置的位移不超過127 mm，歐標的判定標準則是不準有車輛結構侵入50百分位男性假人的容身區。概括地說，國標是在一個距離上的判定，歐標則是根據空間的判定；從覆蓋的范圍來看，根據空間來判定更有說服力。因為，單方向上的形變并不能判定一個整體的形變狀況。

三、結 束

通過以上對翻滾防護裝置強度試驗的解析，對于試驗人員，希望可以對該試驗有比較清楚的了解，對試驗過程中的模糊點應能有比較準確的把握，特別是對力的施加位置、試驗結束條件的判定；對于標準編制人員來說，希望可以在此基礎上對相關標準作進一步的比較，從經濟性和安全性等角度考慮，找到更合適的試驗方法。隨著全球化的不斷推進，全球標準法規的統一作為一個大的趨勢，歐標對翻滾防護裝置強度的要求，值得我們去研究和借鑒，對保證車輛的質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：上海機動車檢測中心技術有限公司）