重型車輛變載工況下彎道路段安全車速仿真

蔣佳辰 李培慶 吾澤胤 張 浩

（1、浙江科技學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，浙江 杭州310013 2、東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京210018）

重型載貨車輛作是物流運(yùn)輸中主要使用的交通工具，重心高，質(zhì)量大，長(zhǎng)寬比高等物理特點(diǎn)，導(dǎo)致其高速過(guò)彎時(shí)發(fā)生側(cè)翻的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通車輛，因此研究重型載貨車輛在高速公路彎道路段的行車安全問(wèn)題，對(duì)于保護(hù)人員安全，提高運(yùn)輸效率都有重要的意義。

對(duì)于車輛側(cè)翻的研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)非絆倒型汽車側(cè)翻研究較多。長(zhǎng)安大學(xué)王恒等[2]通過(guò)ADAMS/CAR 軟件建立車輛側(cè)翻瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)模型，研究了不同工況下車輛彎道路段安全行車速度區(qū)間。滁州學(xué)院時(shí)曉杰等[3]基于ADAMS/CAR 軟件以魚鉤轉(zhuǎn)向側(cè)翻實(shí)驗(yàn)為手段研究路面摩擦系數(shù)，車輛行駛速度，方向盤角速度以及質(zhì)心高度等參數(shù)對(duì)車輛側(cè)翻的影響程度，指出行駛速度是影響車輛側(cè)翻的最明顯因素。長(zhǎng)沙交通學(xué)院張丕付等[4]通過(guò)建立載貨車輛運(yùn)動(dòng)微分方程，研究了貨物在車廂中所處位置對(duì)于車輛操縱穩(wěn)定性的影響。張利[5]等對(duì)貨車交通事故與道路集合線性的關(guān)系相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并用曲線半徑、超高、縱坡的坡度和坡長(zhǎng)等影響貨車安全的條件作為實(shí)驗(yàn)因素進(jìn)行仿真得出載重安全閾值表。

圖1 彎道路段重型車輛側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型

綜上所述，現(xiàn)有對(duì)于車輛側(cè)翻因素研究大多從車輛結(jié)構(gòu)等外部環(huán)境出發(fā)，很少考慮載貨量的不同對(duì)載貨車輛在高速公路彎道路段行車安全造成的影響。本文基于ADAMS/CAR 仿真軟件，通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)鸟{駛條件，車輛參數(shù)，模擬了三種不同的載貨狀態(tài)下的重型載貨車輛在高速公路彎道路段的行車狀態(tài)，分析其在側(cè)翻臨界狀態(tài)下的車輪受力情況，為高速公路管理部門提供重型車輛的限速參考。

1 側(cè)翻動(dòng)力學(xué)建模與側(cè)翻評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

重型載貨車輛在彎道路段行駛時(shí)，在離心力的作用會(huì)出現(xiàn)側(cè)翻或側(cè)滑狀態(tài)，首先建立彎道路段重型車輛側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型如圖1 所示。

在實(shí)際情況中，由于輪胎動(dòng)載荷的不斷變化，每個(gè)車輪所受垂向力均不同，由側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型可得每個(gè)車輪的垂向力為

式中，F(xiàn)z1i，F(xiàn)z2i分別表示前后軸內(nèi)外側(cè)車輪垂向力。

由于外側(cè)車輪的垂向力大于內(nèi)側(cè)，那么內(nèi)側(cè)車輪由于載荷較小，地面提供的反作用力有限，將首先發(fā)生側(cè)滑。

當(dāng)內(nèi)側(cè)某一車輪垂向力為零時(shí)，該輪將無(wú)法提供縱向力與側(cè)向力。若此時(shí)駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，將只有其余車輪提供縱向力和橫向力，這種狀態(tài)極有可能導(dǎo)致車輛陷入側(cè)翻或側(cè)滑的危險(xiǎn)狀態(tài)。

因此本文選取單一車輪垂向力作為側(cè)翻評(píng)價(jià)指標(biāo)，當(dāng)某一車輪的垂向力為零時(shí)，判定此時(shí)實(shí)驗(yàn)車輛達(dá)到側(cè)翻或側(cè)滑臨界時(shí)刻。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 側(cè)滑仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程

通過(guò)在ADAMS/CAR 軟件中的實(shí)驗(yàn)車輛車輪側(cè)向力，垂向力變化情況來(lái)判斷車輛的行駛狀態(tài)。若車輛安全通過(guò)彎道，則繼續(xù)提高初始速度，直到某一輪胎所受垂向力變?yōu)榱悖瑒t判定實(shí)驗(yàn)車輛即將發(fā)生側(cè)翻，并將此速度作為彎道行車安全速度閾值。

2.2 仿真結(jié)果分析

臨界側(cè)翻閾值：

通過(guò)改變載重狀態(tài)和車速進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，獲得不同載重狀態(tài)，圓曲線半徑下的車速- 半徑表，如圖2 所示。

圖2 三種載重狀態(tài)

從表中可以看出：

（1）重型載貨車輛的載重情況對(duì)彎道路段的側(cè)滑極限有著顯著影響，不同半徑和載重條件下的臨界側(cè)翻閾值差異明顯，但都普遍高于設(shè)計(jì)車速。其中，載重量較低（空載）的重載車輛的界側(cè)翻閾值比載重量較高（半載及滿載）的重載車輛側(cè)翻閾值更高，即減少載重可以獲得更高的安全行車速度裕度，而載重較多時(shí)應(yīng)更謹(jǐn)慎得選擇駕駛策略。

（2）臨界側(cè)翻閾值與彎道半徑總體呈增長(zhǎng)關(guān)系，并且隨彎道半徑的增大而提高。在彎道半徑為0～100m 時(shí)閾值增長(zhǎng)幅度較為平緩，且不同載重條件下的重載車輛臨界側(cè)翻閾值相近，因此在低半徑彎道上應(yīng)盡量保持低速行駛。在彎道半徑為100～700m 臨界側(cè)翻閾值增長(zhǎng)幅度變得劇烈，此時(shí)重載車輛的側(cè)翻閾值隨著載重量的提高而降低。在彎道半徑達(dá)到700m 以上時(shí)，重載車輛臨界側(cè)翻閾值趨于穩(wěn)定，不同載重條件下的重載車輛臨界側(cè)翻閾值接近。

（3）在相同彎道半徑條件下，重載車輛的臨界側(cè)翻閾值隨著載重量的提高而降低，載重量越大，臨界側(cè)翻閾值越低。在載重量保持不變的情況下，重載車輛的臨界側(cè)翻閾值隨著彎道半徑的增大而提高，其中空載條件下增長(zhǎng)幅度最大，滿載條件下增長(zhǎng)幅度最小。

3 結(jié)論

選取車輪垂向力和側(cè)向力的受力情況為重型載貨車輛側(cè)翻事故的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得到不同半徑，不同載重情況下的安全行車速度閾值，閾值36～183km/h。