某客車急轉(zhuǎn)彎側(cè)翻穩(wěn)定性分析

趙治軍，張?zhí)煊?，黃喆，吳巖

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

前言

客車的翻車事故雖然發(fā)生率雖不如正撞、尾撞高，但容易造成群死群傷，產(chǎn)生了嚴(yán)重的社會(huì)危害。據(jù)美國(guó)公路交通安全管理局(NHTSA)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)輕型客車發(fā)生側(cè)翻的事故只占所有交通事故的30%，但是卻占到交通事故中死亡人數(shù)的1/3，每年死于汽車滾翻事故的人數(shù)約10000人；根據(jù)我國(guó)公安部交通管理局的資料，2007年全國(guó)交通事故中，翻車事故死亡人數(shù)占機(jī)動(dòng)車乘員死亡人數(shù)的近 20%[1]?？梢姡嚌L翻事故的死亡率明顯高于總體交通事故死亡率的平均水平，是一種惡性的交通事故。由于微型客車重心較高，更容易發(fā)生事故。

目前對(duì)客車側(cè)翻研究主要有以下方法：1）通過對(duì)復(fù)雜的客車系統(tǒng)建立等效的物理模型進(jìn)行理論分析和推導(dǎo)；2）通過試驗(yàn)來進(jìn)行研究，這種方法成本較高，并且試驗(yàn)人員操作風(fēng)險(xiǎn)較高，所以目前并沒有充分開展；3）隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使用動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)客車在高速行駛急轉(zhuǎn)彎情況下進(jìn)行穩(wěn)定性仿真，能夠進(jìn)行較好的側(cè)翻傾向性預(yù)測(cè)和評(píng)估。

1 動(dòng)力學(xué)模型建立

本文以某型號(hào)8m客車作為仿真車型，使用動(dòng)力學(xué)軟件TruckSim對(duì)該客車進(jìn)行參數(shù)化建模，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)其急轉(zhuǎn)彎側(cè)翻穩(wěn)定性的分析。通過設(shè)置 TruckSim軟件中 Test specifica tions模塊實(shí)現(xiàn)整車的參數(shù)化建模，該模塊共包括了車體、空氣動(dòng)力學(xué)、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、輪胎、車橋與懸架等共七大部分。

1.1 某客車參數(shù)化描述

首先在TruckSim的Test specifications模塊中選擇Tour Bus Loaded，其相關(guān)的參數(shù)如表1所示。

表1 某客車參數(shù)

1.2 試驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

這部分在 TruckSim的 Test specifications模塊中Proce-dure下設(shè)置。魚鉤工況直接選用軟件自帶的試驗(yàn)配置，仿真環(huán)境選用3D road模型。

2 虛擬試驗(yàn)

目前國(guó)內(nèi)外嚴(yán)格針對(duì)車輛側(cè)翻的評(píng)估試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)還沒有頒布，現(xiàn)在比較通用的對(duì)汽車穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)的試驗(yàn)有 J-turn試驗(yàn)和魚鉤(Fish-hook)試驗(yàn)。由于Fishhook的行車路線可以近似看作兩次J-Turn的疊加，所以本文選擇Fish-hook試驗(yàn)?zāi)M汽車緊急避障這種側(cè)翻的典型工況。具體分析的對(duì)象是汽車行駛因素中的超速、超載和過度轉(zhuǎn)向三種因素。其中超載由客車質(zhì)心高度的變化來表征，過度轉(zhuǎn)向則由方向盤轉(zhuǎn)向角度和角速度來描述。

2.1 魚鉤試驗(yàn)工況

魚鉤試驗(yàn)被認(rèn)為是模擬側(cè)翻的最佳工況。因?yàn)樵摴r中的第二次大幅度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)常引發(fā)車輛側(cè)翻。本章利用魚鉤試驗(yàn)討論方向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)角速度對(duì)側(cè)翻穩(wěn)定性的影響，并以此說明駕駛員在慌亂情形下過度轉(zhuǎn)向帶來的危害。

2.1.1 方向盤最大轉(zhuǎn)角對(duì)側(cè)翻穩(wěn)定性的影響

試驗(yàn)的入線車速定為 80km/h，方向盤最大轉(zhuǎn)角分為 80°、120°和150°三種情況，如圖1所示。

圖1 魚鉤試驗(yàn)的方向盤轉(zhuǎn)角輸入

圖2說明了橫擺角速度表征的車輛橫向穩(wěn)定性能隨方向盤最大轉(zhuǎn)角的增大而下降，這兩個(gè)參數(shù)都是隨著方向盤最大轉(zhuǎn)角的增加而變化幅度越來越大。在方向盤最大轉(zhuǎn)角達(dá)到150°時(shí)，橫擺角速度急速減小，這說明客車己經(jīng)發(fā)生了側(cè)翻。

圖2 不同方向盤轉(zhuǎn)角的橫擺角速度

圖3-4是不同方向盤最大轉(zhuǎn)角時(shí)客車側(cè)向加速度和側(cè)傾角的變化曲線?？梢钥闯?，方向盤最大轉(zhuǎn)角越大，側(cè)向加速度和側(cè)傾角越大，車輛越容易發(fā)生側(cè)翻。方向盤最大轉(zhuǎn)角達(dá)到150°時(shí)，側(cè)傾角無限增大，這表明客車正在發(fā)生側(cè)翻。

圖3 不同方向盤轉(zhuǎn)角的側(cè)向加速度

圖4 不同方向盤轉(zhuǎn)角的側(cè)傾角

圖5-6是不同方向盤最大轉(zhuǎn)角時(shí)客車左右輪胎垂直作用力的變化曲線。可以看出，方向盤最大轉(zhuǎn)角越大，左右輪胎質(zhì)量轉(zhuǎn)移越大，車輛越容易發(fā)生側(cè)翻。方向盤最大轉(zhuǎn)角達(dá)到150°時(shí)，內(nèi)側(cè)車輪垂直作用力為0N，這表明客車正在發(fā)生側(cè)翻。

圖5 外側(cè)車輪垂直作用力

圖6 內(nèi)側(cè)車輪垂直作用力

2.1.2 方向盤轉(zhuǎn)角速度對(duì)側(cè)翻穩(wěn)定性的影響

本文設(shè)置了250°/S和100°/S兩種方向盤轉(zhuǎn)角速度，如圖7所示。

圖7 魚鉤試驗(yàn)的方向盤轉(zhuǎn)角輸入

圖8 不同方向盤轉(zhuǎn)角速度的橫擺角速度

圖9 不同方向盤轉(zhuǎn)角速度的側(cè)向加速度

圖8所示，方向盤轉(zhuǎn)角速度小，橫擺角速度的變化都要慢一些，但峰值和方向盤轉(zhuǎn)角大的情況基本一致。這說明，方向盤轉(zhuǎn)角速度的變化對(duì)車輛的橫向穩(wěn)定性能影響不大。圖9-10說明方向盤轉(zhuǎn)角速度小的情況下，車輛的側(cè)向加速度和側(cè)傾角變化幅值都要相對(duì)小一些。

圖10 不同方向盤轉(zhuǎn)角速度的側(cè)傾角

圖11-12則更為明顯的表明，方向盤轉(zhuǎn)角速度100°/s的客車，其轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)側(cè)輪胎的垂直反力并未下降至零；而方向盤角速度為250°/s的客車己經(jīng)進(jìn)入了側(cè)翻臨界狀態(tài)。

圖11 不同方向盤轉(zhuǎn)角速度的內(nèi)側(cè)輪胎垂直反力

圖12 不同方向盤轉(zhuǎn)角速度的外側(cè)輪胎垂直反力

3 結(jié)論

本文以某款8m客車為基礎(chǔ)，建立了動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行了魚鉤試驗(yàn)，分析了方向盤轉(zhuǎn)角與客車側(cè)向加速度、輪胎垂直反力的關(guān)系，探討了側(cè)翻傾向性，估測(cè)出在這種試驗(yàn)條件下8m客車急轉(zhuǎn)彎不側(cè)翻的側(cè)向加速度不宜超過0.8g。在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步分析了單個(gè)參數(shù)對(duì)客車側(cè)翻穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)角對(duì)側(cè)翻傾向性影響最為明顯，方向盤角速度也有較大的影響。