基于ADAMS的汽車側(cè)翻仿真分析

周博，申海龍

(大連交通大學(xué) 動車運用與維護工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

基于ADAMS的汽車側(cè)翻仿真分析

周博，申海龍

(大連交通大學(xué) 動車運用與維護工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

研究了汽車側(cè)翻影響因素對其側(cè)翻的影響程度，應(yīng)用ADAMS/Car模塊建立汽車側(cè)翻的動力學(xué)模型，基于ADAMS的仿真原理，對影響汽車側(cè)翻的因素：速度、彎道半徑、路面附著系數(shù)和質(zhì)心高度進行分析，獲得了各因素對汽車側(cè)翻影響的趨勢.應(yīng)用正交試驗法，以輪胎橫向荷載轉(zhuǎn)移率的最大值作為側(cè)翻風險的評價指標，對汽車側(cè)翻因素的影響程度進行分析.研究表明所研究的四個主要因素的影響程度由大到小依次為彎道半徑、車速、質(zhì)心高度、數(shù)路面附著系數(shù)，為提高公路運輸安全，提供了很有參考價值的理論數(shù)據(jù).

汽車側(cè)翻；ADAMS；正交試驗；穩(wěn)定性

0 引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，汽車保有量正在逐年增加.在給人們生活帶來便利的同時，也給道路交通安全帶來了巨大壓力.尤其是汽車側(cè)翻引發(fā)的事故，具有傷亡嚴重、死亡率高等特點.根據(jù)國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)顯示，每年全國各地發(fā)生交通事故的總量在470萬左右，與車輛相關(guān)的安全事故就占25%.可想而知，車輛事故總量巨大.

汽車作為一個復(fù)雜的多體動力學(xué)系統(tǒng)，其側(cè)翻的影響因素與車速、質(zhì)心高度、路面線型等密切相關(guān).目前，國內(nèi)外很多專家和研究機構(gòu)都對這方面的工作展開了系統(tǒng)的研究.文獻[1- 2]形成了“基于汽車彎道橫向載荷轉(zhuǎn)移率(LTR)的控制理論”，“汽車側(cè)翻失穩(wěn)評價指標RSF理論體系”等.并根據(jù)相關(guān)理論，提出了許多著名的汽車動力學(xué)模型，有力地推動了汽車側(cè)翻研究工作的快速發(fā)展.文獻[3- 5]對汽車側(cè)向振動特性的研究、可變懸架側(cè)翻模型以及汽車操縱穩(wěn)定性的研究都取得了重要成就.文獻[6]研究了高寬比、方向盤轉(zhuǎn)角等因素對客車側(cè)翻的影響程度.目前雖然很多學(xué)者都對汽車側(cè)翻影響因素做了大量研究，但對側(cè)翻影響因素的變化趨勢以及變化幅度的量化方面的研究并不多見.

本文利用ADAMS/Car模塊建立起整車模型，并對影響汽車側(cè)翻的幾個主要因素進行分析，獲得了各因素對汽車側(cè)翻的影響趨勢.通過正交試驗的方法，對汽車側(cè)翻因素的影響程度進行分析，有助于人們主動預(yù)防汽車側(cè)翻風險發(fā)生，對提高公路運輸安全有重要意義.

1 汽車側(cè)翻機理與模型建立

1.1 汽車側(cè)翻機理

汽車的側(cè)翻種類大體上可以分為兩類，一類是汽車通過彎道時由于過度轉(zhuǎn)向而引起的“急轉(zhuǎn)側(cè)翻”，是指汽車在彎道上行駛時，由于側(cè)向加速度超過安全值，使得內(nèi)側(cè)車輪的垂直反力為零而引起的側(cè)翻；另一類則是“絆倒側(cè)翻”，是指汽車在行駛時產(chǎn)生側(cè)向滑移，使車身與路面上的障礙物相撞而引起的絆倒側(cè)翻.本文主要對汽車發(fā)生“絆倒側(cè)翻”的情況進行分析.

圖1所示的是考慮在急轉(zhuǎn)過程中懸架質(zhì)心發(fā)生偏移的急轉(zhuǎn)側(cè)翻模型[7].對彎道外輪與地面的接觸點p取力矩平衡方程有：

msayhg-msg[B/2-Φ(hg-hr)]+FziB=0

式中,

其中，ms為整車的質(zhì)量;B為汽車輪距;ay為汽車側(cè)向加速度;hg為質(zhì)心距地面的高度;hr為側(cè)傾中心距地面的高度;Fzi為汽車內(nèi)側(cè)車輪受到的垂向反力;Φ為汽車質(zhì)心的側(cè)傾角度.

圖1 急轉(zhuǎn)側(cè)翻模型

當Fzi=0時，汽車開始發(fā)生側(cè)翻，此時汽車在側(cè)傾平面內(nèi)不能保持平衡.汽車開始側(cè)翻時的側(cè)翻闕值，由下式給出：

1.2 整車模型建立

一個完整的整車模型包括：前后懸架、前后輪胎、車身、動力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等.由于汽車結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，要想將其完整的表達出來，不但增加了模型的復(fù)雜性，也增加了仿真時間，使仿真效率大大的減低了.因此，在不影響仿真分析的前提下對汽車彎道側(cè)翻沒有影響的車體結(jié)構(gòu)進行簡化：

(1)將車身結(jié)構(gòu)簡化成一個質(zhì)點，使車身質(zhì)量集中在這一點；

(2)將變速箱、傳動軸、制動系統(tǒng)等略去，靠通訊器來連接.

ADAMS軟件采用自下而上的建模原理，即整車模型是基于子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立起來的，而子

圖2 整車模型

系統(tǒng)則是由模板建立起來的.在ADAMS/Car模塊中集成了許多子系統(tǒng)的模板，在建模過程中，需要對各子系統(tǒng)的模板特性(質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、定位參數(shù)等)進行修改，并建立各組件之間的約束關(guān)系[10].建立好的整車模型如圖2所示.

2 影響側(cè)翻的因素分析

在進行仿真分析前，除了需要完整的汽車模型之外，還需要編寫仿真控制文件和道路文件.仿真控制文件設(shè)置主要包括行車速度和彎道半徑，路面文件主要設(shè)置路面附著系數(shù).在我國，汽車正常行駛速度范圍在20～120 km/h，路面彎道半徑一般都在30 m以上.路面附著系數(shù)與路面紋理和外界條件有關(guān)，不同情況下路面附著系數(shù)從0.1～0.8不等，正常情況下的路面附著系數(shù)在0.8左右[9].

2.1 行車速度對汽車側(cè)翻的影響

通過對比汽車在不同速度下的運動軌跡曲線，可以很直觀的看出行車速度的大小對汽車側(cè)翻的影響.仿真控制文件采用自定義編寫，設(shè)置汽車進入彎道的初始速度分別為20、70、105及120 km/h，并以該速度進入半徑為100 m，附著系數(shù)為0.8的彎道.定義運行時間和結(jié)束條件，設(shè)置汽車進入彎道為右轉(zhuǎn)彎即汽車左輪為彎道外輪.將編寫好的控制文件導(dǎo)入，并運行仿真，得到汽車運動軌跡曲線.

根據(jù)公式ay=fg=v2/r計算可知，汽車臨界速度安全值為28 m/s.由圖3可知，汽車在直角轉(zhuǎn)彎過程中，當速度低于臨界加速度安全值，即由5.5增加到19.4 m/s時，速度增幅2.5倍，但運動軌跡幾乎沒有發(fā)生偏移，此時汽車沒有發(fā)生側(cè)滑.當速度高于臨界加速度安全值，由29增加到33.3 m/s時，速度增幅只有15%，但此時運動軌跡偏移量增幅高達32%，汽車發(fā)生嚴重側(cè)滑.可見，車速一旦超過臨界速度安全值，對汽車側(cè)翻影響呈快速增長趨勢.

圖3 不同行車速度時汽車的運動軌跡

2.2 路面彎道半徑對汽車側(cè)翻的影響

選用側(cè)向加速度指標來評價汽車的側(cè)翻趨勢.設(shè)置路面彎道半徑參數(shù)分別為100、55、40、30 m.選擇附著系數(shù)為0.8的干燥平坦路面，速度為72 km/h，進行仿真.

由圖4分析可知，汽車的側(cè)向加速度隨著彎道半徑的減小逐漸增加.當彎道半徑高于安全值51 m時，即側(cè)向加速度低于0.8 g時，側(cè)向加速度增加到最大值后穩(wěn)定不變.當其低于彎道半徑安全值時，達到最大值后側(cè)向加速度波動較大，汽車處于不穩(wěn)定狀態(tài).當彎道半徑為100 m時，側(cè)向加速度增加到0.4 g所用時間2 s.而當彎道半徑為40 m時，側(cè)向加速度增加到0.85 g時，所用的時間為1 s，側(cè)向加速度響應(yīng)時間縮小1倍，但加速度增加幅值變?yōu)樵瓉淼?倍.可見，當彎道半徑低于安全值時，側(cè)向加速度響應(yīng)迅速.在緊急情況下給駕駛員的反應(yīng)時間也大大減小，對主動預(yù)防側(cè)翻是很不利的.

圖4 不同彎道半徑時汽車的側(cè)向加速度

2.3 路面附著系數(shù)對汽車側(cè)翻的影響

以汽車的左輪(彎道外輪)作為研究對象，對不同路面附著系數(shù)條件下的輪胎受力進行分析.取干燥路面附著系數(shù)值為0.8，潮濕路面附著系數(shù)值為0.5，下雨天的路面附著系數(shù)為0.4，普通雪天為0.2，壓實雪、接近冰的路面附著系數(shù)取0.1.選取行車速度為54 km/h，路面的彎道半徑為50 m.定義好汽車的運行時間與結(jié)束條件，將編好的控制文件導(dǎo)入后進行仿真.

由圖5可以看出，進入彎道以后，左輪的側(cè)向力開始反向迅速增大.當路面的附著系數(shù)為0.1、0.2、0.4時，汽車會產(chǎn)生打滑.此時側(cè)向力最大值隨著附著系數(shù)增大也增大，且側(cè)向力增加幅值幾乎都為2.2倍.這是因為此時汽車受的是滑動摩擦力，其最大值隨著路面附著系數(shù)增大會增大，而側(cè)向力大小此時等于滑動摩擦力.當附著系數(shù)為0.5、0.8時，此時汽車不會側(cè)滑，所受的是靜摩擦力，附著系數(shù)越大側(cè)滑趨勢越小，所以當路面附著系數(shù)為0.8時左輪的最大側(cè)向力小于0.5的時候.

圖5 不同路面附著系數(shù)時汽車的左輪的側(cè)向力

圖6中的曲線由下到上依次是附著系數(shù)為0.1、0.2、0.4、0.5和0.8時的垂向力曲線圖.進入彎道后可以看出，在側(cè)滑(附著系數(shù)為0.1、0.2、0.4)時，隨著附著系數(shù)的增大汽車左后輪的垂向力開始不斷增大.當附著系數(shù)為0.1時，垂向力由4 300 N增加到4 600 N，垂向力增幅7%.當附著系數(shù)變?yōu)?.2時，垂向力增幅12%.當附著系數(shù)為0.4時，垂向力增幅23%.可知，在側(cè)滑階段，彎道外輪的垂向力隨著附著系數(shù)的增加而增大.而當汽車沒有側(cè)滑(附著系數(shù)為0.5、0.8)時，左后輪的垂向力增大趨勢幾乎相同，垂向力增幅26%.

圖6 不同路面附著系數(shù)時汽車的左輪的垂向力

2.4 質(zhì)心高度對汽車側(cè)翻的影響

圖7為不同質(zhì)心高度時汽車的側(cè)傾角度曲線圖.原車質(zhì)心高度為500 mm，取質(zhì)心高度每次等幅增加100 mm.

從圖7可以看出，隨著汽車質(zhì)心高度的增加，汽車的側(cè)傾角度也在不斷的增大.質(zhì)心高度每增加100 mm，側(cè)傾角增加0.5°，質(zhì)心高度與側(cè)傾角度呈線性增長趨勢.同時，隨著質(zhì)心高度的增加，側(cè)傾角響應(yīng)時間增加，降低了瞬態(tài)響應(yīng)性能，對整車的操縱穩(wěn)定性不利.

圖7 不同質(zhì)心高度時汽車的側(cè)傾角度

3 影響側(cè)翻的因素綜合評價

3.1 側(cè)翻風險度量指標

目前為止，用于評價汽車側(cè)翻的指標不少，最常用的就是側(cè)向加速度、側(cè)傾角、輪胎橫向荷載轉(zhuǎn)移率(LTR)等.LTR指標與側(cè)向加速度、側(cè)傾角指標相比可信度要高[10].

橫向荷轉(zhuǎn)移率就是指在汽車發(fā)生側(cè)傾時，車身的側(cè)傾造成汽車左、右輪一側(cè)的垂向載荷增加，另一側(cè)垂向載荷減小的現(xiàn)象.當減小的一側(cè)車輪的垂向載荷剛好為零時，汽車處于失控的邊緣，在一定的條件下汽車將會發(fā)生側(cè)翻.橫向軸荷轉(zhuǎn)移率(Lateral-loadtransferrate，LTR)的表達式：

LTR=(F1-F2)/(F1+F2)

式中,F1為外側(cè)車輪的垂直載荷;F2為內(nèi)側(cè)車輪的垂直載荷.LTR的變化范圍為[-1，1].當LTR=0時，左右輪載荷相同，汽車沒有發(fā)生側(cè)傾.當LTR=1時，內(nèi)側(cè)車輪的垂直載荷為零，汽車將要發(fā)生側(cè)翻[11].

通過ADAMS軟件輸出輪胎橫向荷載轉(zhuǎn)移率變化曲線.并把汽車轉(zhuǎn)向過程中LTR出現(xiàn)的最大值定義為LTRmax.用LTRmax來描述汽車在轉(zhuǎn)向過程中的側(cè)翻傾向，并以LTRmax為衡量汽車側(cè)翻風險的度量指標.

3.2 側(cè)翻影響因素的討論

本文采用正交試驗的方法來進行討論.根據(jù)單一試驗原理，選取了影響汽車側(cè)翻的幾個主要因素進行正交試驗.分別是汽車質(zhì)心高度h、車速v、路面彎道半徑r和路面附著系數(shù)f.選取LTRmax作為試驗研究的目標函數(shù).因為在正交試驗中確定每個因素的水平數(shù)一般以2～4個水平為宜，所以本文在各側(cè)翻因素合理的范圍內(nèi)盡量分散的選取3個水平.如表1所示.為了減少試驗的復(fù)雜性又保證試驗的精度，采用L9(34)正交表進行正交試驗.忽略各因子間的交互作用，依據(jù)正交試驗方案，利用聯(lián)合仿真模型逐一進行仿真試驗，記錄試驗結(jié)果.

表1 側(cè)翻因素水平表

通過ADAMS軟件對9組試驗依次進行仿真，得到各次試驗的LTRmax值.如表2所示.

表2 正交試驗結(jié)果表

3.3 側(cè)翻影響因素與指標趨勢圖

圖8 彎道半徑對荷載轉(zhuǎn)移率的影響

圖9 車速對荷載轉(zhuǎn)移率的影響

圖10 質(zhì)心高度對荷載轉(zhuǎn)移率的影響

圖11 附著系數(shù)對荷載轉(zhuǎn)移率的影響

4 結(jié)論

本文主要應(yīng)用ADAMS軟件的CAR模塊，根據(jù)ADAMS建模原理建立物理模型，編寫道路文件和驅(qū)動控制文件后對影響汽車側(cè)翻的幾個因素進行分析.并通過正交試驗的方法對汽車側(cè)翻因素的影響程度進行分析.得到如下結(jié)論：

(1)隨著行車速度的增加，汽車發(fā)生側(cè)翻的風險也在增加.當速度低于安全值時，速度的增加對側(cè)翻影響不大.當速度超過了安全值后，會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足現(xiàn)象，對汽車側(cè)翻影響也將呈幾何增長趨勢;

(2)越小的彎道半徑，汽車越容易產(chǎn)生側(cè)滑.尤其是當彎道半徑低于安全值時，側(cè)滑趨勢更為嚴重;

(3)路面附著系數(shù)是影響汽車側(cè)滑和側(cè)翻的一個重要參數(shù).當附著系數(shù)小于0.5時，汽車易發(fā)生側(cè)滑事故，且附著系數(shù)越小，側(cè)滑趨勢越明顯.當附著系數(shù)大于0.5時，如果遇到車速過快，又在急轉(zhuǎn)彎的情況下，汽車很容易發(fā)生急轉(zhuǎn)側(cè)翻;

(4)質(zhì)心高度越大，汽車側(cè)翻風險越高.質(zhì)心高度每增加100 mm，側(cè)傾角增加0.5°，質(zhì)心高度與側(cè)傾角度呈線性增長趨勢.同時，隨著質(zhì)心高度增加，側(cè)傾角響應(yīng)時間增加，降低了瞬態(tài)響應(yīng)性能，對整車的操縱穩(wěn)定性也不利;

(5)彎道半徑與車速對汽車側(cè)翻影響最大，質(zhì)心高度其次.附著系數(shù)雖然最小，但它卻是汽車側(cè)滑的主要因素，而嚴重側(cè)滑將發(fā)生絆倒側(cè)翻.

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Analysis and Research of Vehicle Rollover Simulation based on ADAMS

ZHOU Bo，SHEN Hailong

(School of EMU Application and Maintenance Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

In order to study the influence of rollover risk factors on vehicle rollover,a dynamic model of vehicle rollover was established in the ADAMS/Car module,and the simulations of rollover were performed with different conditions under the environment of ADAMS.The thesis analyzed the conditions causing the rollover,i.e.driving speed,curve radius,road adhesion coefficient and mass center of height.The influence trends of each factor on vehicle rollover were obtained.By using the orthogonal experiment method with the risk index of the maximum tire lateral load transfer rate,rollover risk factors were evaluated,and their impact degrees on the vehicle rollover were obtained.The impact degrees on the rollover are curve radius,driving speed,mass center of height and road adhesion coefficient in descending order,which provided some valuable data for the vehicle safety .

vehiclerollover；ADAMS；orthogonal test；stability

1673- 9590(2017)05- 0027- 06

A

2016- 11- 28

周博(1972-)，男，副教授，碩士，主要從事現(xiàn)代車輛設(shè)計理論及方法的研究 E-mail:zhoubo@djtu.edu.cn.