基于FMVSS法規(guī)解讀車輛滾翻保護(hù)性能評(píng)價(jià)

李海斌 王坤 朱其文

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心）

汽車在高速行駛狀態(tài)下遇路面濕滑不平、駕駛?cè)瞬僮鞑划?dāng)、車輛輪胎異常以及發(fā)生刮擦碰撞等情況時(shí)極易失控引發(fā)滾翻事故。在美國(guó)，滾翻事故占比不足3%，但造成的死亡人數(shù)卻占碰撞事故死亡總?cè)藬?shù)的33%[1]。在我國(guó)，由車輛滾翻造成的重大傷亡事故亦屢見(jiàn)不鮮。因此，建立車輛滾翻保護(hù)性能評(píng)價(jià)體系，完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于提升車輛安全性能至關(guān)重要。

1 概述

美國(guó)早在20世紀(jì)70年代就頒布了車輛頂部抗壓強(qiáng)度法規(guī)FMVSS216，旨在提升滾翻事故中車輛對(duì)乘員的保護(hù)能力。而后，美國(guó)政府相繼修訂和頒布了FMVSS 208、FMVSS216a、FMVSS226 等聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車法規(guī)，規(guī)定了動(dòng)態(tài)滾翻、靜態(tài)頂部壓潰、乘員模擬拋出等測(cè)試條件下車輛的安全性能。表1示出FMVSS滾翻保護(hù)相關(guān)法規(guī)。

表1 FMVSS滾翻保護(hù)相關(guān)法規(guī)概況[2-5]

車輛發(fā)生滾翻事故時(shí)，如果乘員被約束在車內(nèi)，車體變形會(huì)導(dǎo)致乘員頭、頸部受傷；而當(dāng)乘員被部分或全部拋出車外后，身體則會(huì)遭受車外物體的撞擊。NHTSA（National HighwayTraffic SafetyAdministration，美國(guó)高速公路安全管理局）通過(guò)立法來(lái)降低上述狀況發(fā)生的概率，以降低乘員在事故中的受傷風(fēng)險(xiǎn)。FMVSS 216、FMVSS216a保證車輛頂部具有足夠的抗壓能力來(lái)抵抗?jié)L翻事故中遭受的撞擊；FMVSS208則較為真實(shí)地再現(xiàn)了車輛在滾翻事故中，并使用假人評(píng)估乘員被拋出車外的風(fēng)險(xiǎn)，如果車輛通過(guò)了FMVSS 208動(dòng)態(tài)滾翻測(cè)試，F(xiàn)MVSS216、FMVSS216a是免測(cè)試的[3]；FMVSS226 的推出旨在降低乘員頭部通過(guò)車窗被拋出車外的可能?？梢?jiàn)，美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)較為全面地考慮了車輛滾翻事故中乘員受傷的原因，形成了一套互補(bǔ)的滾翻保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

2 標(biāo)準(zhǔn)解讀

2.1 FMVSS 216a車頂抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

FMVSS216a發(fā)布于2009年，到2015年9月1日，全部新生產(chǎn)車輛均需滿足其要求。標(biāo)準(zhǔn)要求整備空載質(zhì)量小于2 722 kg的車輛，車頂需承受相當(dāng)于3倍整備車重的擠壓力；整備空載質(zhì)量大于2 722 kg但不超過(guò)4 536 kg的車輛，車頂需承受相當(dāng)于1.5倍整備車重的擠壓力。車輛頂部沿加載方向的變形不得超過(guò)127 mm，HPF（Head Positioning Fixture，頭部定位裝置）測(cè)得的作用力不得超過(guò)222 N[3]。

與FMVSS 216相比，F(xiàn)MVSS 216a新增了HPF的受力要求，這就要求駕駛艙空間較小的車輛在滾翻事故中能夠以更小的車頂變形來(lái)抵抗撞擊，避免乘員頭部被變形的車頂擠壓，有效降低乘員受到的傷害，車內(nèi)空間較大的車輛在車頂變形達(dá)到127 mm時(shí)，頂部與HPF不會(huì)發(fā)生接觸，因此則無(wú)需考慮這一要求[2-3]。

進(jìn)行FMVSS216a試驗(yàn)前，需對(duì)車輛進(jìn)行調(diào)整，將輪胎按照制造商設(shè)定值充氣，車重調(diào)整為整備空載狀態(tài)，去除車頂非結(jié)構(gòu)部件。將車輛放置在平面上，并將駕駛員側(cè)和乘員側(cè)座椅均調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)計(jì)參考位置[6]。

完成車輛調(diào)整后，需將HRMD（Head Restraint Mesuring Device，頭枕測(cè)量裝置）安裝在 HPM（H-Point-Manikin，H 點(diǎn)假人，參見(jiàn) SAE J826）上，測(cè)量并記錄HRMD頭部位置，這一步驟用于確定第50百分位男性假人頭部的位置。然后固定車輛，安裝HPM并進(jìn)行調(diào)整，令其頭部中心與HRMD測(cè)得的頭部中心位置重合[6]。

調(diào)整加載裝置或被試車輛，使加載裝置下表面縱向中心線穿過(guò)與車頂?shù)慕佑|點(diǎn)或接觸區(qū)域中心；加載裝置下表面的前緣中點(diǎn)在車頂外表面最前點(diǎn)向前254 mm的橫向垂直平面不超過(guò)10 mm的范圍內(nèi)。調(diào)整加載裝置與車頂接觸后開(kāi)始試驗(yàn)，以不超過(guò)12.7 mm/s的速度對(duì)車頂進(jìn)行加載，直至達(dá)到規(guī)定載荷[2-3]。圖1示出車頂抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)示意圖。

圖1 車頂抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)示意圖

FMVSS 216a使用準(zhǔn)靜態(tài)壓潰的方式對(duì)車輛頂部強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，旨在保證車輛在滾翻事故中遭受撞擊后仍具有足夠的生存空間，為乘員頭頸部提供保護(hù)。但實(shí)際事故中，乘員的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)較為復(fù)雜，可能導(dǎo)致身體其他部位的損傷，頭頸部也可能撞擊車頂以外的其他部件受到傷害，因此，NHTSA制定了動(dòng)態(tài)滾翻測(cè)試方法，模擬車輛發(fā)生滾翻的事故狀態(tài)。

2.2 FMVSS 208動(dòng)態(tài)滾翻試驗(yàn)

FMVSS 208主要規(guī)定車輛在可能發(fā)生的碰撞事故（正面碰撞、不系安全帶測(cè)試、側(cè)面碰撞和滾翻）中對(duì)乘員的保護(hù)能力。其中，動(dòng)態(tài)滾翻測(cè)試要求測(cè)試假人所有部分應(yīng)該被汽車乘員車廂外表面包含，即假人身體的任意部位不得超出車廂外表面輪廓。

為了確保試驗(yàn)可重復(fù)進(jìn)行，F(xiàn)MVSS 208動(dòng)態(tài)滾翻測(cè)試采用了翻車平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。汽車被自由的安放在與水平面成23°的剛性平坦平臺(tái)上，剎車處于松開(kāi)狀態(tài)，變速箱置于空擋位置。平臺(tái)底端為垂直于平臺(tái)高度為4英寸的剛性的凸起，用以保持輪胎的靜止。凸起內(nèi)表面和平臺(tái)的上表面交界處距滾動(dòng)表面高度為9英寸。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，除凸起外，沒(méi)有其他的車輛約束裝置[4,7]，如圖2所示。

試驗(yàn)前，需對(duì)車輛進(jìn)行調(diào)整，將輪胎按照制造商設(shè)定值充氣，車重調(diào)整為全載荷狀態(tài)。調(diào)整座椅、頭枕，并在前排外側(cè)座椅安放混合III型50百分位假人。調(diào)整轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使輪轂居中，然后放置車輛，關(guān)閉車窗、車門，但不鎖止車門[4]。

圖2 翻車平臺(tái)示意圖

翻滾平臺(tái)帶動(dòng)車輛以50 km/h的橫向速度水平運(yùn)動(dòng)，并且在不超過(guò)915 mm的距離內(nèi)減速為0，獲得至少20 g持續(xù)時(shí)間超過(guò)0.04 s的減速度。使得汽車翻滾到水平剛性的均勻混凝土平面上[4]。

與靜態(tài)的頂部抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)不同，動(dòng)態(tài)滾翻測(cè)試過(guò)程中，車輛發(fā)生劇烈翻轉(zhuǎn)，車頂也可能多次撞擊地面，車內(nèi)乘員也可能撞擊到車輛的任意位置，一旦乘員身體超出車輛外表面輪廓，則有可能被甩出車外或撞擊地面，造成重傷。但實(shí)際上，除撞擊玻璃外，乘員身體由于受車身框架的約束很難超出車輛輪廓。

因此，NHTSA制定了防拋出標(biāo)準(zhǔn)FMVSS 226，旨在降低滾翻或側(cè)碰事故中，乘員身體被部分或全部拋出車外的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 FMVSS 226防拋出試驗(yàn)

FMVSS 226是分階段實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)，表2示出分段實(shí)施日程表，2017年后，美國(guó)本土銷售的全部車輛均需要滿足FMVSS226標(biāo)準(zhǔn)。

表2 FMVSS 226分段實(shí)施表[5,8]

FMVSS226防拋試驗(yàn)采用質(zhì)量為（18±0.05）kg的直線導(dǎo)向頭部模型測(cè)試車輛相應(yīng)部件阻止乘員被拋出的性能。試驗(yàn)在部件上進(jìn)行，每輛車最多測(cè)試3排側(cè)面采光口，每個(gè)側(cè)面采光口最多選取4個(gè)位置進(jìn)行測(cè)試。在278 J（（20±0.5）km/h）和 178 J（（16±0.5） km/h）2 個(gè)能量等級(jí)撞擊下，頭部模型撞擊采光口內(nèi)表面后移動(dòng)距離不得超過(guò)100 mm，如圖3所示[8]。

圖3 頭型移動(dòng)距離判定

撞擊目標(biāo)點(diǎn)的選擇區(qū)域?yàn)椴晒饪谕饩壪騼?nèi)偏移（25±2）mm，每個(gè)側(cè)面采光口都劃分為4份，劃分線為過(guò)幾何中心的水平線和垂直線，如圖4所示。2個(gè)初級(jí)撞擊目標(biāo)點(diǎn)首先放置在圖4所示的2個(gè)斜對(duì)角位置，頭型輪廓線與采光口偏移線相切[5]，如圖5所示。

圖4 區(qū)域劃分及確定幾何中心

圖5 初級(jí)撞擊目標(biāo)點(diǎn)確定

2個(gè)二級(jí)撞擊目標(biāo)點(diǎn)在位于2個(gè)初級(jí)撞擊目標(biāo)點(diǎn)水平方向上的等分點(diǎn)處，頭型輪廓線分別與偏移線上端和下端接觸，如圖6所示[5]。

對(duì)于尺寸較小的車窗，2個(gè)二級(jí)撞擊目標(biāo)點(diǎn)距離可能太近，當(dāng)撞擊點(diǎn)之間水平距離＜135mm，垂直距離＜170mm時(shí)，去除二級(jí)撞擊目標(biāo)點(diǎn)，如果2個(gè)初級(jí)撞擊目標(biāo)點(diǎn)之間的距離＞360 mm，在兩點(diǎn)連線中點(diǎn)處放置1個(gè)二級(jí)撞擊目標(biāo)點(diǎn)，如圖7所示[5]。

對(duì)于小車窗，如圖8所示，不必放置4個(gè)撞擊目標(biāo)點(diǎn)，在畫(huà)出4個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的位置后，去掉水平間距＜135mm以及垂直間距＜170 mm的目標(biāo)點(diǎn)，如圖9所示[5]。

圖8 小車窗示意圖

圖9 小車窗目標(biāo)點(diǎn)確定

對(duì)于尺寸更小的小窗，如果無(wú)論是水平放置還是垂直放置都會(huì)導(dǎo)致頭型輪廓線與偏移線相交，則可以5°為增量，自由轉(zhuǎn)動(dòng)頭型以適應(yīng)車窗，確定撞擊目標(biāo)點(diǎn)，如圖 10所示[5]。

圖10 小窗確定撞擊目標(biāo)點(diǎn)的方法

當(dāng)垂直方向放置頭型時(shí)可能會(huì)由于車窗的尺寸限制而無(wú)法布置4個(gè)撞擊目標(biāo)點(diǎn)，這時(shí)可以以水平方向放置頭型，確定撞擊目標(biāo)點(diǎn)，如圖11所示。按照水平方向放置頭型確定撞擊目標(biāo)點(diǎn)的規(guī)則與前述方式相同[5]。

圖11 頭型以水平姿態(tài)放置時(shí)確定撞擊目標(biāo)點(diǎn)示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)從提升車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和防止乘員拋出等方面對(duì)車輛性能提出要求，以保證車輛在滾翻事故中具有足夠的保護(hù)性能。實(shí)際上，F(xiàn)MVSS 201和FMVSS 201U內(nèi)飾件對(duì)頭部的沖擊保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)也一定程度上保證了乘員被約束在車內(nèi)撞擊車內(nèi)構(gòu)件時(shí)的安全。所以說(shuō)，美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)形成了一套獨(dú)特的滾翻保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)體系，標(biāo)準(zhǔn)之間互為補(bǔ)償，從多個(gè)方面保護(hù)乘員免受嚴(yán)重傷害。同時(shí)，這套標(biāo)準(zhǔn)也提高了整車新產(chǎn)品研發(fā)的難度和投入。

針對(duì)滾翻保護(hù)，我國(guó)目前只推出了頂部抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，且標(biāo)準(zhǔn)劃定的限值遠(yuǎn)低于FMVSS 216a。由于標(biāo)準(zhǔn)體系的差異，國(guó)內(nèi)汽車生產(chǎn)商尤其是自主品牌開(kāi)發(fā)的車型很難進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng)。這對(duì)于我國(guó)汽車產(chǎn)品安全性能的提升和汽車產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展都是不利的。因此，為改善車輛安全性能，減少乘員傷亡，我國(guó)會(huì)繼續(xù)完善相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，對(duì)車輛滾翻保護(hù)性能提出更高要求。