基于ADAMS的汽車側(cè)翻穩(wěn)定性仿真分析

張 雷，金智林，趙曰賀，趙 鋒

(南京航空航天大學車輛工程系，南京 210016)

汽車側(cè)翻是一種致命的交通事故。美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)的交通事故年度報告越來越多地關注各種類型車輛的側(cè)翻傷亡率及造成的財產(chǎn)損失。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明:2012年美國有561.5萬車次交通事故，汽車側(cè)翻事故占2.0%，但汽車側(cè)翻傷亡人數(shù)占交通事故傷亡人數(shù)的20.3%［1］。在我國，據(jù)公安部統(tǒng)計，2013年發(fā)生的特大交通事故共16起，造成的傷亡人數(shù)高達219人，其中由于汽車側(cè)翻引起的交通事故5起，造成的人員傷亡人數(shù)為77人。統(tǒng)計顯示，由于汽車側(cè)翻引起的人員傷亡比例高達35%。因此，汽車側(cè)翻及防翻控制的研究逐漸受到人們的重視［2－4］。

汽車側(cè)翻主要分為絆倒型側(cè)翻和非絆倒型側(cè)翻兩大類［5］。絆倒型側(cè)翻是指汽車行駛時由于路面障礙物或者路面不平度以及側(cè)向風等引起的側(cè)翻，此時汽車的水平側(cè)向力不再與各車垂向輪載荷以及路面附著系數(shù)相關，僅僅與車速、障礙物尺寸以及風速相關。非絆倒型側(cè)翻則是汽車在高速緊急的轉(zhuǎn)向過程中由較大的側(cè)向加速度引起的側(cè)翻。目前國內(nèi)外對非絆倒型汽車側(cè)翻的研究較多:金智林等［6］研究了汽車側(cè)翻預警算法，基于側(cè)翻預警設計了防側(cè)翻控制策略;褚端峰等［7］運用滑?？刂品椒ㄔO計了半主動懸架的汽車防側(cè)翻控制器;Larish等［8］結(jié)合駕駛員轉(zhuǎn)向輸入提出了一種有預測能力的側(cè)翻評價指標，應用CarSim軟件及實驗進行了分析和驗證;Yoon等［9］進行了防側(cè)翻的汽車集成底盤控制研究，設計了一種人車閉環(huán)系統(tǒng)的底盤集成控制算法，用虛擬測試實驗進行了驗證。ADAMS作為一款多體動力學仿真軟件，在汽車相關的仿真中能夠有效地降低人車實驗的危險性和成本，同時能仿真駕駛員差異性等因素的影響。李志剛等［10］運用ADAMS研究了微型客車急轉(zhuǎn)彎的側(cè)翻傾向，揭示了客車結(jié)構參數(shù)、行駛參數(shù)、外部工況對側(cè)翻傾向性的影響;時曉杰等［11］基于ADAMS對汽車側(cè)翻風險影響因素進行了正交試驗，得到了影響因素的主次關系。雖然國內(nèi)外對車輛本身結(jié)構與側(cè)翻之間的關系有很多相關研究，但是對于駕駛員的操作與車輛側(cè)翻之間關系的研究相對較少。

本文運用ADAMS仿真軟件對駕駛員能夠控制的車輛側(cè)翻因素進行了仿真分析，定性地得出相關因素與汽車側(cè)翻性能之間的變化規(guī)律，對汽車駕駛員的操作有著指導性意義，可為切實降低側(cè)翻事故的發(fā)生率提供科學依據(jù)。

1 汽車側(cè)翻模型及評價指標

1.1 多體動力學模型

為更加精確分析汽車側(cè)翻過程的動態(tài)性能，基于Adams/Car模塊化方法建立整車多體動力學模型。根據(jù)某SUV的特性狀況，建立前懸架、后懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)及車身等子模塊的模型，然后將整車重心位置及慣性矩等難以直接獲取的參數(shù)設置為可修正參數(shù)。多體動力學模型如圖1所示。設置前后懸架為雙橫臂式，其余參數(shù)設置如表1所示。

圖1 多體動力學模型

表1 某SUV車參數(shù)

1.2 側(cè)翻評價指標

為理論分析汽車側(cè)翻的評價指標，將汽車簡化為側(cè)傾平面模型，如圖2所示。

圖2 側(cè)傾平面模型

汽車在轉(zhuǎn)向時會產(chǎn)生側(cè)向加速度

式中:v為側(cè)向速度;u為縱向行駛速度;R為轉(zhuǎn)向半徑。

考慮到汽車左右兩側(cè)動力學特性的對稱性，假設汽車向左轉(zhuǎn)彎，則左側(cè)車輪載荷減小，右側(cè)車輪載荷增加，對右側(cè)車輪與地面的接觸點取矩，則力矩方程為

其中:m為整車質(zhì)量;tw為輪距寬度;hCG為汽車重心高度;FL為左側(cè)車輪的垂向載荷。

當力矩平衡時，總力矩為0，則

可以看出:當側(cè)向加速度足夠大時，左側(cè)車輪垂向載荷變?yōu)?，即左側(cè)車輪離地。側(cè)向加速度由縱向速度和轉(zhuǎn)彎半徑直接決定，因此控制好方向盤轉(zhuǎn)角和行駛速度能有效防止側(cè)翻。

根據(jù)上述分析，引入汽車側(cè)翻研究中常用的側(cè)翻評價指標，即橫向載荷轉(zhuǎn)移率 LTR(lateral load transfer ratio)來評定汽車的側(cè)翻。

式中:FLF，F(xiàn)LR，F(xiàn)RF，F(xiàn)RR分別為左前輪、左后輪、右前輪、右后輪的垂向載荷，可在ADAMS/Car分析中直接輸出。

當橫向載荷轉(zhuǎn)移率LTR的絕對值小于1時，汽車未側(cè)翻;當LTR絕對值等于1時，認為汽車處于側(cè)翻的臨界狀態(tài);當LTR絕對值大于1時，認為汽車已經(jīng)側(cè)翻。

2 典型工況仿真分析

考慮到駕駛員實際操作中的復雜性，很難完全模擬各種情況下駕駛員操縱車輛行駛的路徑。選取側(cè)翻試驗中的典型行駛工況——“魚鉤”行駛工況(fish-hook)和正弦轉(zhuǎn)向工況(swept-sine steer)——進行汽車側(cè)翻性能分析。其中“魚鉤”行駛工況是由美國NHTSA針對汽車的側(cè)翻穩(wěn)定性而提出的試驗工況，主要用于檢驗車輛在極限轉(zhuǎn)彎工況下的側(cè)翻穩(wěn)定性。正弦轉(zhuǎn)向工況可用來研究和評價轉(zhuǎn)向頻率對汽車側(cè)翻性能的影響。實驗汽車主要參數(shù)如表1所示。

2.1 Fish-hook工況

汽車在標準側(cè)翻實驗的fish-hook工況運行，設置仿真初始車速為30 m/s，方向盤轉(zhuǎn)角為180°，轉(zhuǎn)向速率為50(°)/s。觀察各個車輪的垂向載荷隨時間的變化曲線及橫向載荷轉(zhuǎn)移率曲線。改變仿真的初始車速，當橫向載荷轉(zhuǎn)移率絕對值最大值正好等于1時，記錄此時車速為側(cè)翻臨界車速。

圖3和圖4為方向盤轉(zhuǎn)角為180°，轉(zhuǎn)向速率為50(°)/s，初始車速為36.9 m/s時的仿真結(jié)果?？梢钥闯?當汽車運行到5 s左右時，右前輪和右后輪垂直載荷為正好為0，橫向載荷轉(zhuǎn)移率為1，表明汽車右側(cè)車輪離地，達到臨界側(cè)翻危險狀態(tài)。

圖3 fish-hook工況車輪垂直載荷

圖4 汽車在fish-hook工況的橫向載荷轉(zhuǎn)移率

改變方向盤轉(zhuǎn)角，保持方向盤轉(zhuǎn)向速率為50(°)/s時，獲得方向盤轉(zhuǎn)角在50°～300°范圍內(nèi)的汽車側(cè)翻臨界速度，從而得到側(cè)翻臨界速度與方向盤轉(zhuǎn)角關系，如圖5所示。

圖5 側(cè)翻臨界速度與方向盤轉(zhuǎn)角關系

同理，改變方向盤轉(zhuǎn)角速率，保持方向盤轉(zhuǎn)角幅值為180°，得到汽車側(cè)翻臨界速度與方向盤轉(zhuǎn)速關系，如圖6所示。

圖6 側(cè)翻臨界速度與方向盤轉(zhuǎn)速的關系

從圖5和圖6可以看出:在轉(zhuǎn)向速率一定的情況下，方向盤轉(zhuǎn)角越大，側(cè)翻臨界速度越小，且方向盤在小轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)變化時臨界速度變化明顯，而當方向盤轉(zhuǎn)角一定時，側(cè)翻臨界速度隨著轉(zhuǎn)向速率的增大而減小。因此，方向盤轉(zhuǎn)角越大，駕駛員操縱方向盤的速度越快，則汽車越容易發(fā)生側(cè)翻。

2.2 Swept-sine工況

為研究方向盤轉(zhuǎn)向頻率對汽車側(cè)翻性能的影響，選擇swept-sine的方向盤轉(zhuǎn)角輸入，分別得出各個車輪的垂向載荷隨時間的變化曲線及橫向載荷轉(zhuǎn)移率隨時間的變化關系，如圖7、8所示?？梢钥闯?當汽車運行到7.7 s左右時，左前輪和左后輪垂直載荷為正好為0，表明汽車左側(cè)車輪離地，且橫向載荷轉(zhuǎn)移率為－1，汽車達到臨界側(cè)翻危險狀態(tài)，此時的汽車側(cè)翻臨界車速為36.1 m/s。

圖7 swept-sine工況車輪垂直載荷

圖8 汽車在swept-sine工況的橫向載荷轉(zhuǎn)移率

分別改變方向盤的轉(zhuǎn)向頻率和轉(zhuǎn)角幅值，獲得不同方向盤轉(zhuǎn)角幅值，得到汽車發(fā)生側(cè)翻的臨界速度與轉(zhuǎn)向頻率之間的關系曲線，如圖9所示。

圖9 側(cè)翻臨界速度與轉(zhuǎn)向頻率關系

從圖9可以看出:當轉(zhuǎn)角幅值一定時，汽車側(cè)翻臨界車速隨轉(zhuǎn)向頻率的增加而增大;當方向盤轉(zhuǎn)向頻率一定時，側(cè)翻臨界速度隨著方向轉(zhuǎn)角幅值的增大而減小。即汽車發(fā)生側(cè)翻危險時，需要駕駛員有靈敏的反應速度和駕駛經(jīng)驗，快速地以小幅值調(diào)節(jié)方向盤，可降低汽車側(cè)翻危險。

3 結(jié)論

1)單方向操作時，駕駛員操縱方向盤的速度越快，方向盤轉(zhuǎn)角越大，則汽車側(cè)翻臨界速度越小，即汽車越容易發(fā)生側(cè)翻。

2)汽車發(fā)生側(cè)翻危險時，需要駕駛員有靈敏的反應速度和駕駛經(jīng)驗，快速、反復地以小幅值調(diào)節(jié)方向盤，可降低汽車側(cè)翻危險。

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