欧盟L类车翻滚防护结构强度试验方法解析

文/丁元虎

【机动车专栏】

欧盟L类车翻滚防护结构强度试验方法解析

文/丁元虎

L类车辆翻滚防护结构强度关系到乘员的安全。本文介绍了欧洲新框架法规发布的情况，并对翻滚防护结构强度试验从设备、方法、判定等方面展开了较为详细的阐述，结合国内标准进行了对比，望相关试验人员和标准编制人员参考。

L类翻滚防护结构 试验 标准

2013—2014年欧盟陆续颁布了新欧盟L类车辆认证法规，这一系列法规已经在2016年1月正式实施。新法规体系对老法规体系进行了系统的梳理，删除了一些过时的要求，增添了不少适应新的技术发展潮流的要求。如新增对L类车的要求——（EU）No. 3/2014 ANNEX XI 翻滚防护结构（ROPS）强度要求。

一、ROPS运用现状

ROPS是从拖拉机借鉴过来的一个概念，上世纪50年代瑞典首次在拖拉机上引入ROPS装置。此后，因为农机翻车造成的人员伤亡比例下降了70%，各国开始效仿，1981年澳大利亚也把拖拉机上的ROPS纳入强制安装范围。同样。在欧洲，四轮全地形车（ATV）作为能上路行驶的车辆，由于其自身结构特点及其行驶路面的复杂性，对ROPS的要求也被纳入法规。

ROPS作为L7e-B2类车强制考察的项目之一，其试验方法和要求值得我们去研究和参考。为此，对ROPS的试验方法和判定条件进行解析，并结合国内相关标准进行了对比。

二、试验内容

1. 适用车型

在（EU） NO 168法规中，针对L7e-B 类车辆在非道路和硬铺装公路行驶的使用特性，引入了最高车速限制牌及其安装位置、ROPS等要求。L7e-B2 类车作为此试验的适用对象，首先应该对其结构有较完整的了解。表1列出了该类车的关键参数。

表1 L7e-B2 类车主要参数

从表1中可以看出该类车有如下特点：① 离地间隙大，底盘高，通过性好（越野性能强），但带来了重心偏高的问题；② 经常行驶在非硬铺道路和各种崎岖的道路上。这两个特点决定了该类车辆发生翻车的可能性较大。出于对乘员安全的考虑，ROPS的质量直接关系到乘员的生命安全。ROPS强度试验为评估该结构的强度提供了评估方法，其中涉及到试验的过程和判定的依据。

2. 试验过程

理论上说，翻滚运动可以分解为两种运动，其一为侧翻，其二为滚动。在侧翻过程中，从乘员的角度观察主要是受侧向力，而在滚动的过程中就还要涉及到顶部的压力了。在该法规中涉及到的三种加载方式，即不同翻滚运动形式的模拟。接着，从最关键的加载过程进行分析。

① 加载过程

该试验涉及到三次加载，每一次的加载位置不同，分别模拟的是实际翻滚过程中的不同情况。下文列出了三次加载对应的加载方式、位置及终止条件，具体的加载终止判定过程会在下文展开讲解。

• 平行于车辆纵向中心平面垂直加载（见图1）

图1 力加载示意图

图1中，力的施加方式和位置：选择较容易破坏的一侧进行试验。Wmax：顶部三分之一最宽处的宽度；施力点在经过顶部三分之一最宽处的纵向平面向里Wmax/6处。

加载终止条件：防护结构吸收能量的限值：Ev≥1.4mtest或力的施加限值Fv≤2mtestg（mtest：整备质量加驱动电池质量）。

• 平行于车辆横向中心平面垂直加载（见图2）

图2 力加载示意图

力的施加方式和位置：在驾驶员座位R点往前300 mm的位置；

加载终止条件：防护结构吸收能量的限值Ev≥1.4 mtest或力的施加限值Fv≤2mtestg（mtest：整备质量加驱动电池质量）。

• 水平力与垂直力同时施加（见图3）

图3 力加载示意图

图3中，力的施加方式和位置：垂直力的施加位置与图1纵向垂直加载力的位置相同；水平力的施加位置在垂直力的同一侧，图1中提到的最宽点处。

加载终止条件：水平力Fh=0.5mtestg，垂直力Fv=0.5Fvmax（mtest：整备质量加驱动电池质量；Fvmax：第一部分试验达到的最大力值）。

② 加载终止条件

从能量守恒角度考虑，车辆发生碰撞的过程，是一个大能量耗散的过程。其中，能量主要通过以下两种方式转移：一种是通过乘员与约束系统构件的接触而导致约束系统的变形，将能量转移，称为约束系统能量；另外一种是通过约束系统的连接作用将能量转移至整车前端构件的变形，称为结构缓冲能量。在该法规中，主要考察在车辆翻滚状态下结构缓冲吸收的能量，提出了吸收能量E大于1.4 mtest作为试验终止条件之一。至于为什么选择1.4 mtest作为参考量，目前还没找到确实的资料证明。但根据动能公式E= mv2/2，可以估算出：E =1.4mtest为试样从170 mm左右的高度自由落体产生的动能。该高度其实能覆盖大部分的翻滚情况（一些极端情况除外）。结合试验过程，考虑到加载横梁宽度较窄，在这个条件下产生形变，基本能覆盖实际翻滚发生时装置发生的形变。

当车辆完全翻过来时，防翻滚装置相当于承受一个大小为车辆和乘员总质量相当的压力。根据（EU） NO.3 法规中对车辆质量的规定，L7e-B类车的最大允许载荷不允许超过车辆整备质量。当翻滚发生时，施加在ROPS上的垂向力不会超过2mtestg。所以，F = 2mtestg成为另外一个试验结束条件。

在现有的四轮全地形车上，翻滚防护装置结构一般为钢管结构。下面我们结合钢管结构的受力特性，分析一下试验加载过程（见图4）。在试验加载初期，试件处于弹性工作阶段，此阶段载荷随位移快速上升，曲线上表现为一条向上陡峭的曲线。随着载荷继续增加，试件受压边缘纤维屈服，载荷达到屈服荷，曲线稍微偏折，斜率有所降低，载荷增幅变小，曲线进入弯折上升段。继续加载，钢管出现屈曲变形，此时载荷称为屈曲载荷。随后，载荷仍能少量增加，载荷达到极限承载力以后，载荷随位移的增加而减小，P-Δ曲线进入下降段。

图4 P-Δ曲线

通过以上两个试验终止条件，可以得到四种试验情况判定：

第一种情况（图5），在加载力F<2mtestg 时，吸收的能量已达到1.4mtest。根据能量吸收公式Ev=F×D/1 000测算，此时的变形量(D)>70 mm。因为，此时加载还处于弹性变形阶段，结合材料力学考虑，这种情况是不太可能发生的。因为，就翻滚装置的材料和尺寸来说，不大可能有这么大的弹性变形量。

图5 第一种试验终止情况

第二种情况（图6），在吸收能量达到1.4mtest之前，F已经达到2mtestg。在这种情况下，当F=2mtestg时，即可停止试验。

图6 第二种试验终止情况

第三（图7）、第四种情况（图8）考虑的是当屈服载荷小于2mtestg的情况。此时，F永远无法达到2mtestg。第三种情况则与第一种情况有相似之处，不大可能出现。第四种情况，是要E到达1.4mtest，试验结束。

图7 第三种试验终止情况

图8 第四种试验终止情况

在我们的实际试验中，所有的试验结束条件都出现在第二种情况，即加载力达到2mtestg停止加载，这也与上述理论上的分析相符。

⑤ 试验结果判定

在ECE R29 附件三中有一种专门针对确定生存空间的假人尺寸的描述，其尺寸是根据50百分位假人确定的，本试验中也可以用这个尺寸的假人替代。

本试验的判定标准即在三次测试后，容身区（容身区指的是由混合型III 50百分位男性测试假人在所有乘座位置以正常姿势坐定后所占据的空间）内无防护结构侵入，且容身区任何部分都不暴露在防护结构区域外。需要注意的是必须保证每个乘坐位置都满足以上要求。

3. 相关标准对比

在国内，四轮ATV虽然不是道路用车，但作为全地形车也有较完整的法规体系。在GB/T 24937-2010 《全地形车安全防护装置》中，对翻滚防护装置的技术要求和试验方法作了详细的阐述。国标中对翻滚防护装置的加载如图9所示，其加载方式是参考了FMVSS 216《轿车车顶抗压强度》中的加载方法。

图9 翻滚防护装置的加载

在试验中，加载装置沿如图方向以不大于13 mm/s速度加载，直至加载力达到1.5倍的最大允许质量。该过程应在120 s内完成，加载完成后试验装置下表面的距离不应超过127 mm。翻滚防护装置的左前部与右前部都应满足上述要求。

与欧标相比，两者的考察内容和方法差别还是蛮大的。从试验方法上看，国标主要参照了美标轿车的顶部抗压强度试验方法，而欧标对ROPS强度的试验方法则主要来源于拖拉机的ROPS强度试验。从目标上来看，两者是一致的，都是为了防止车辆翻滚对乘员造成的伤害。但从两者试验方法可以看出，两者的侧重点是不一样的：轿车事故大部分是在平坦路面上发生的，而国标试验考察的侧重点其实是在侧翻后对生存空间的侵入。欧标则考虑到防滚、防护装置的三种工况，包括：纵向垂直、水平垂直以及横向与纵向同时加载的状况。其最后一种状况有点类似国标考察的状况。就四轮全地形车可能遭遇的路况而言，欧标考察的三种状况都很有必要。因为，全地形车行驶的路面跟轿车还是有很大区别。

就判定标准来说，国标给定的是一个加载装置的位移不超过127 mm，欧标的判定标准则是不准有车辆结构侵入50百分位男性假人的容身区。概括地说，国标是在一个距离上的判定，欧标则是根据空间的判定；从覆盖的范围来看，根据空间来判定更有说服力。因为，单方向上的形变并不能判定一个整体的形变状况。

三、结 束

通过以上对翻滚防护装置强度试验的解析，对于试验人员，希望可以对该试验有比较清楚的了解，对试验过程中的模糊点应能有比较准确的把握，特别是对力的施加位置、试验结束条件的判定；对于标准编制人员来说，希望可以在此基础上对相关标准作进一步的比较，从经济性和安全性等角度考虑，找到更合适的试验方法。随着全球化的不断推进，全球标准法规的统一作为一个大的趋势，欧标对翻滚防护装置强度的要求，值得我们去研究和借鉴，对保证车辆的质量和乘员的安全有重大意义。

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

（作者单位：上海机动车检测中心技术有限公司）