基于FMVSS法规解读车辆滚翻保护性能评价

李海斌 王坤 朱其文

（中国汽车技术研究中心）

汽车在高速行驶状态下遇路面湿滑不平、驾驶人操作不当、车辆轮胎异常以及发生刮擦碰撞等情况时极易失控引发滚翻事故。在美国，滚翻事故占比不足3%，但造成的死亡人数却占碰撞事故死亡总人数的33%[1]。在我国，由车辆滚翻造成的重大伤亡事故亦屡见不鲜。因此，建立车辆滚翻保护性能评价体系，完善相关标准对于提升车辆安全性能至关重要。

1 概述

美国早在20世纪70年代就颁布了车辆顶部抗压强度法规FMVSS216，旨在提升滚翻事故中车辆对乘员的保护能力。而后，美国政府相继修订和颁布了FMVSS 208、FMVSS216a、FMVSS226 等联邦机动车法规，规定了动态滚翻、静态顶部压溃、乘员模拟抛出等测试条件下车辆的安全性能。表1示出FMVSS滚翻保护相关法规。

表1 FMVSS滚翻保护相关法规概况[2-5]

车辆发生滚翻事故时，如果乘员被约束在车内，车体变形会导致乘员头、颈部受伤；而当乘员被部分或全部抛出车外后，身体则会遭受车外物体的撞击。NHTSA（National HighwayTraffic SafetyAdministration，美国高速公路安全管理局）通过立法来降低上述状况发生的概率，以降低乘员在事故中的受伤风险。FMVSS 216、FMVSS216a保证车辆顶部具有足够的抗压能力来抵抗滚翻事故中遭受的撞击；FMVSS208则较为真实地再现了车辆在滚翻事故中，并使用假人评估乘员被抛出车外的风险，如果车辆通过了FMVSS 208动态滚翻测试，FMVSS216、FMVSS216a是免测试的[3]；FMVSS226 的推出旨在降低乘员头部通过车窗被抛出车外的可能。可见，美国联邦机动车标准较为全面地考虑了车辆滚翻事故中乘员受伤的原因，形成了一套互补的滚翻保护标准体系。

2 标准解读

2.1 FMVSS 216a车顶抗压强度试验

FMVSS216a发布于2009年，到2015年9月1日，全部新生产车辆均需满足其要求。标准要求整备空载质量小于2 722 kg的车辆，车顶需承受相当于3倍整备车重的挤压力；整备空载质量大于2 722 kg但不超过4 536 kg的车辆，车顶需承受相当于1.5倍整备车重的挤压力。车辆顶部沿加载方向的变形不得超过127 mm，HPF（Head Positioning Fixture，头部定位装置）测得的作用力不得超过222 N[3]。

与FMVSS 216相比，FMVSS 216a新增了HPF的受力要求，这就要求驾驶舱空间较小的车辆在滚翻事故中能够以更小的车顶变形来抵抗撞击，避免乘员头部被变形的车顶挤压，有效降低乘员受到的伤害，车内空间较大的车辆在车顶变形达到127 mm时，顶部与HPF不会发生接触，因此则无需考虑这一要求[2-3]。

进行FMVSS216a试验前，需对车辆进行调整，将轮胎按照制造商设定值充气，车重调整为整备空载状态，去除车顶非结构部件。将车辆放置在平面上，并将驾驶员侧和乘员侧座椅均调整到标准规定的设计参考位置[6]。

完成车辆调整后，需将HRMD（Head Restraint Mesuring Device，头枕测量装置）安装在 HPM（H-Point-Manikin，H 点假人，参见 SAE J826）上，测量并记录HRMD头部位置，这一步骤用于确定第50百分位男性假人头部的位置。然后固定车辆，安装HPM并进行调整，令其头部中心与HRMD测得的头部中心位置重合[6]。

调整加载装置或被试车辆，使加载装置下表面纵向中心线穿过与车顶的接触点或接触区域中心；加载装置下表面的前缘中点在车顶外表面最前点向前254 mm的横向垂直平面不超过10 mm的范围内。调整加载装置与车顶接触后开始试验，以不超过12.7 mm/s的速度对车顶进行加载，直至达到规定载荷[2-3]。图1示出车顶抗压强度试验示意图。

图1 车顶抗压强度试验示意图

FMVSS 216a使用准静态压溃的方式对车辆顶部强度进行测试，旨在保证车辆在滚翻事故中遭受撞击后仍具有足够的生存空间，为乘员头颈部提供保护。但实际事故中，乘员的运动姿态较为复杂，可能导致身体其他部位的损伤，头颈部也可能撞击车顶以外的其他部件受到伤害，因此，NHTSA制定了动态滚翻测试方法，模拟车辆发生滚翻的事故状态。

2.2 FMVSS 208动态滚翻试验

FMVSS 208主要规定车辆在可能发生的碰撞事故（正面碰撞、不系安全带测试、侧面碰撞和滚翻）中对乘员的保护能力。其中，动态滚翻测试要求测试假人所有部分应该被汽车乘员车厢外表面包含，即假人身体的任意部位不得超出车厢外表面轮廓。

为了确保试验可重复进行，FMVSS 208动态滚翻测试采用了翻车平台进行测试。汽车被自由的安放在与水平面成23°的刚性平坦平台上，刹车处于松开状态，变速箱置于空挡位置。平台底端为垂直于平台高度为4英寸的刚性的凸起，用以保持轮胎的静止。凸起内表面和平台的上表面交界处距滚动表面高度为9英寸。平台运动时，除凸起外，没有其他的车辆约束装置[4,7]，如图2所示。

试验前，需对车辆进行调整，将轮胎按照制造商设定值充气，车重调整为全载荷状态。调整座椅、头枕，并在前排外侧座椅安放混合III型50百分位假人。调整转向系统，使轮毂居中，然后放置车辆，关闭车窗、车门，但不锁止车门[4]。

图2 翻车平台示意图

翻滚平台带动车辆以50 km/h的横向速度水平运动，并且在不超过915 mm的距离内减速为0，获得至少20 g持续时间超过0.04 s的减速度。使得汽车翻滚到水平刚性的均匀混凝土平面上[4]。

与静态的顶部抗压强度试验不同，动态滚翻测试过程中，车辆发生剧烈翻转，车顶也可能多次撞击地面，车内乘员也可能撞击到车辆的任意位置，一旦乘员身体超出车辆外表面轮廓，则有可能被甩出车外或撞击地面，造成重伤。但实际上，除撞击玻璃外，乘员身体由于受车身框架的约束很难超出车辆轮廓。

因此，NHTSA制定了防抛出标准FMVSS 226，旨在降低滚翻或侧碰事故中，乘员身体被部分或全部抛出车外的风险。

2.3 FMVSS 226防抛出试验

FMVSS 226是分阶段实施的标准，表2示出分段实施日程表，2017年后，美国本土销售的全部车辆均需要满足FMVSS226标准。

表2 FMVSS 226分段实施表[5,8]

FMVSS226防抛试验采用质量为（18±0.05）kg的直线导向头部模型测试车辆相应部件阻止乘员被抛出的性能。试验在部件上进行，每辆车最多测试3排侧面采光口，每个侧面采光口最多选取4个位置进行测试。在278 J（（20±0.5）km/h）和 178 J（（16±0.5） km/h）2 个能量等级撞击下，头部模型撞击采光口内表面后移动距离不得超过100 mm，如图3所示[8]。

图3 头型移动距离判定

撞击目标点的选择区域为采光口外缘向内偏移（25±2）mm，每个侧面采光口都划分为4份，划分线为过几何中心的水平线和垂直线，如图4所示。2个初级撞击目标点首先放置在图4所示的2个斜对角位置，头型轮廓线与采光口偏移线相切[5]，如图5所示。

图4 区域划分及确定几何中心

图5 初级撞击目标点确定

2个二级撞击目标点在位于2个初级撞击目标点水平方向上的等分点处，头型轮廓线分别与偏移线上端和下端接触，如图6所示[5]。

对于尺寸较小的车窗，2个二级撞击目标点距离可能太近，当撞击点之间水平距离＜135mm，垂直距离＜170mm时，去除二级撞击目标点，如果2个初级撞击目标点之间的距离＞360 mm，在两点连线中点处放置1个二级撞击目标点，如图7所示[5]。

对于小车窗，如图8所示，不必放置4个撞击目标点，在画出4个目标点的位置后，去掉水平间距＜135mm以及垂直间距＜170 mm的目标点，如图9所示[5]。

图8 小车窗示意图

图9 小车窗目标点确定

对于尺寸更小的小窗，如果无论是水平放置还是垂直放置都会导致头型轮廓线与偏移线相交，则可以5°为增量，自由转动头型以适应车窗，确定撞击目标点，如图 10所示[5]。

图10 小窗确定撞击目标点的方法

当垂直方向放置头型时可能会由于车窗的尺寸限制而无法布置4个撞击目标点，这时可以以水平方向放置头型，确定撞击目标点，如图11所示。按照水平方向放置头型确定撞击目标点的规则与前述方式相同[5]。

图11 头型以水平姿态放置时确定撞击目标点示意图

3 结语

综上所述，美国联邦机动车标准从提升车身结构强度和防止乘员抛出等方面对车辆性能提出要求，以保证车辆在滚翻事故中具有足够的保护性能。实际上，FMVSS 201和FMVSS 201U内饰件对头部的冲击保护标准也一定程度上保证了乘员被约束在车内撞击车内构件时的安全。所以说，美国联邦机动车标准已经形成了一套独特的滚翻保护标准体系，标准之间互为补偿，从多个方面保护乘员免受严重伤害。同时，这套标准也提高了整车新产品研发的难度和投入。

针对滚翻保护，我国目前只推出了顶部抗压强度试验标准，且标准划定的限值远低于FMVSS 216a。由于标准体系的差异，国内汽车生产商尤其是自主品牌开发的车型很难进入美国市场。这对于我国汽车产品安全性能的提升和汽车产业的长远发展都是不利的。因此，为改善车辆安全性能，减少乘员伤亡，我国会继续完善相应的标准和法规，对车辆滚翻保护性能提出更高要求。