曾 誠 吳初娜 孟興凱 王藝穎

（1.交通運輸部公路科學研究院汽車運輸技術研究中心 北京100088；2.長安大學汽車學院 西安710064）

0 引 言

車輛在道路上行駛時，常常會遇到前方道路突然出現(xiàn)障礙物、前車突然緊急制動等危險情形，此時大多數(shù)的駕駛員往往會下意識地采取緊急轉向的措施予以避讓，由此引發(fā)車輛失控，進一步加劇了人員的傷亡和財產的損失。

近年來，隨著道路運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，因駕駛員在高速行駛狀態(tài)下緊急轉向而引發(fā)的重特大道路客貨運輸事故時有發(fā)生。據(jù)公安部道路交通事故統(tǒng)計表明［1］，在2009～2013年間發(fā)生的105起重特大道路交通事故中，有17起事故中駕駛員存在高速緊急轉向行為，約占重特大交通事故總數(shù)的16.19%。這17起事故共造成了231人死亡，216人受傷?；诮煌ㄊ鹿史治隹芍?，如果駕駛員在高速行駛時采取緊急轉向措施，極易導致車輛發(fā)生側翻，特別是轉向時的第2次大幅度回轉運動［2］。

道路客貨運輸直接關系到人民群眾生命財產和國家重要戰(zhàn)略物資的安全，因此保證道路客貨運輸?shù)陌踩谴_保交通運輸健康發(fā)展的重要前提。相對于微型車來說，大客車具有質心位置高、整備質量大、體積大等特點，因而在緊急轉向時更容易因轉彎半徑過小而瞬時產生過大的離心力?？蛙囓嚿碓陔x心力的作用下發(fā)生側傾，從而引起質心位置的偏移，導致客車出現(xiàn)側滑、側翻等失穩(wěn)狀態(tài)，進而引發(fā)交通事故。

國內外研究學者針對車輛的行駛安全性進行了大量深入的分析研究，很多學者定性或定量地分析了車輛結構［3］、道路環(huán)境［4］、路面狀況［5］，以及行駛速度［6］等因素對車輛行駛安全性的影響，也有部分研究學者基于車輛動力學模型，建立了車輛急轉彎防側滑、防側翻的預測模型和控制策略，如PID控制、最優(yōu)化控制、滑模控制、魯棒控制等［2，7－10］。而鮮有學者針對客車駕駛員的不同緊急轉向操作研究，例如，客車駕駛員以不同的轉向速度或轉向幅度進行緊急轉向，由此造成的對客車行駛安全性的影響進行研究。相關的研究表明，在低附著系數(shù)路面緊急轉向時，車輛往往先發(fā)生側滑，在側滑的過程中容易因與路面的障礙物或路緣發(fā)生碰撞而發(fā)生絆倒型側翻；而在高附著系數(shù)路面緊急轉向時，車輛先發(fā)生側翻［11］。為此，本文采用Trucksim仿真軟件，以福田歐Ⅴ客車BJ6940為例，通過對客車駕駛員分別以不同的轉向幅度或在不同的行駛速度下進行緊急轉向時，車輛動力學變化特性的仿真試驗，研究客車駕駛員的不同緊急轉向操作對客車側翻穩(wěn)定性的影響，并建立不同緊急轉向工況與車輛側翻風險之間的量化關系。研究成果對于提高道路運輸駕駛員的行車安全性，降低交通事故發(fā)生率有著重要的理論意義和工程應用價值。

1 大客車緊急轉向風險分析

1.1 緊急轉向大客車受力分析

客車駕駛員在高速直線行駛過程中若采取緊急轉向操作，客車在離心力的作用下，受力特性會發(fā)生變化。若忽略輪胎側偏特性、車橋側傾等一些因素的變化，簡化客車受力情況見圖1。

圖1 大客車緊急轉向受力示意圖Fig.1 The force diagram of bus hard steering

圖1中將xoy坐標系選于客車質心處，客車在x，y方向上的受力情況為

式中：Fx，F(xiàn)y為客車在x，y方向上的受力，N；FYl，F(xiàn)Yr為左、右輪所受的側向力，N；Fzl，F(xiàn)zr為左、右輪所受的垂直反力，N；mg為客車重量，N；Fc為車身所受離心力，N。

分別以左、右輪與地面的接觸面中心點為矩心，客車所受的力矩為

式中：Mr，Ml為以左、右輪與地面的接觸面中心點為矩心的力矩，N；B為軸距，m；φ為車身側傾角，（°）；hr為側傾中心高，m；hg為質心高，m。

1.2 緊急轉向風險分析

當客車質心離心力大于左、右輪上的最大側向力之和時，客車會發(fā)生向道路外側的滑移。即客車發(fā)生側滑的條件為

車身在離心力的作用下會產生側傾角，當側傾角過大而形成傾覆力矩時，車身開始以外側車輪接地中心點為矩點發(fā)生翻轉趨勢。當內側車輪離開地面時，是客車開始發(fā)生側翻的臨界條件。即客車發(fā)生側翻的條件為

由式（4）可知，影響客車發(fā)生側滑的因素主要有離心力和左、右輪所受的最大側向力。由式（5）可知，影響客車發(fā)生側翻的因素主要有離心力和側傾角。輪胎的最大側向力取決于附著條件，側傾角的大小取決于離心力，而離心力的大小主要取決于客車的行駛速度和轉彎半徑，因此，客車駕駛員若在高速行駛狀況下緊急轉向，往往因瞬間轉彎半徑過小而產生過大的離心力，從而引發(fā)客車的側滑或側翻。

針對緊急轉向時客車駕駛員的不同緊急轉向操作對應所產生的側翻風險的大小，以選用輪胎載荷轉移率LTR這個指標進行度量。LTR的計算公式為

式中，n為客車的車軸數(shù)。

LTR的值在［0，1］之間變化，LTR越接近0，表明客車發(fā)生側翻的可能性越低；反之，LTR越接近1，客車發(fā)生側翻的可能性越高［12］。相關研究表明［13］，采用LTR來評價客車發(fā)生側翻的風險度具有較高的可信度，其可以用于表征客車的側翻穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)建模和仿真試驗設計

2.1 系統(tǒng)建模

以福田歐V客車BJ6940為例，其主要的結構參數(shù)設置見表1。

表1 仿真客車結構參數(shù)Tab.1 The structure parameters of simulation bus

采用Trucksim中的三維平整路面作為道路模型，仿真道路為車道寬度3.5m的直線路段。采用魚鉤轉向（fishhook）試驗模擬客車駕駛員的緊急轉向行為。仿真試驗為開環(huán)試驗，通過固定客車轉向盤的轉角輸入來實現(xiàn)客車的緊急轉向操作，轉向盤轉角輸入與時間的關系見圖2。

圖2 轉向盤轉角輸入與時間的關系Fig.2 The relationship between steering angle and time

2.2 仿真試驗設計

《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法 轉向瞬態(tài)響應試驗（轉向盤轉角階躍輸入）》（GB／T 6323.2－1994）中規(guī)定，車輛進行瞬態(tài)橫擺響應試驗時，轉向盤的轉角速度應不小于200（!）／s，因此選用500（!）／s的轉角速度代表緊急轉向。相關研究指出，干燥路面和濕滑路面的附著系數(shù)分別在0.75和0.4左右［14］。由1.2節(jié)的論述可知，不同緊急轉向操作對客車側翻穩(wěn)定性的影響程度，主要取決于客車行駛速度和轉向盤轉角幅度這2個因素。為了量化分析客車駕駛員在不同的路面條件下以不同的操作方式緊急轉向對客車側翻穩(wěn)定性的影響，本文設計了如表2所列的仿真試驗。

表2 仿真試驗設計Tab.2 The geometry parameters of simulation road

3 仿真結果分析

3.1 不同行駛速度下緊急轉向仿真結果分析

在該仿真試驗中，設定客車分別以80，90，100或110km／h的行駛速度分別通過1段平直的干燥路段和濕滑路段時，皆以500（!）／s的轉角速度、80!的轉角幅度模擬緊急轉向操作。

緊急轉向過程中，客車的質心側偏角隨行駛時間的變化情況見圖3。若質心側偏角過大，易引起側滑。從圖3可知，客車駕駛員緊急轉向時，在相同的轉角速度和轉角幅度下，不論是在干燥路面還是在濕滑路面，質心側偏角均與行駛速度呈正比，且客車在回轉時的質心側偏角要大于第1次轉向時的角度，尤其是在濕滑路面上。另外，在相同的行駛速度下，濕滑路面上產生的質心側偏角顯著大于干燥路面。表明緊急轉向時，行駛速度越高，客車發(fā)生側滑的風險也越大，且濕滑路面上發(fā)生側滑的風險要顯著大于干燥路面。

圖3 不同行駛速度下緊急轉向質心側偏角的變化Fig.3 The slip angles while emergency steering under different speed

緊急轉向過程中，客車的側傾角隨行駛時間的變化情況見圖4。若側傾角過大，易引起側翻。從圖4可知，客車駕駛員緊急轉向時，在相同的轉角速度和轉角幅度下，若在干燥路面上，側傾角與行駛速度呈正比，且客車在回轉時的側傾角要大于第1次轉向時的角度；若在濕滑路面上，側傾角與行駛速度呈反比，且客車在回轉時的側傾角近似于第1次轉向時的角度。另外，在相同的行駛速度下，干燥路面上產生的側傾角顯著大于濕滑路面。表明緊急轉向時，干燥路面上發(fā)生側翻的風險要顯著大于濕滑路面，且行駛速度越高，發(fā)生側翻的風險也就越大。

緊急轉向過程中，客車的側向加速度隨行駛時間的變化見圖5。若在干燥路面上，側向加速度與行駛速度呈正比，表明行駛速度越高，客車越容易發(fā)生側翻；若在濕滑路面上，隨著行駛速度的增加，側向加速度未發(fā)生明顯的變化，表明客車發(fā)生側翻的風險性受行駛速度的影響較小。綜合圖3－圖5可知，客車緊急轉向時，隨著行駛速度的增加，在低附著系數(shù)路面上，客車易發(fā)生側滑，反之在高附著系數(shù)路面上，客車易發(fā)生側翻。

圖4 不同行駛速度下緊急轉向側傾角的變化Fig.4 The roll angles while emergency steering under different speed

圖5 不同行駛速度下緊急轉向側向加速度的變化Fig.5 The lateral acceleration while emergency steering under different speed

根據(jù)式（5）的側翻穩(wěn)定性的計算公式，通過仿真獲取大客車前后6個輪胎的垂直載荷數(shù)據(jù)后，計算LTR值來評價在不同行駛速度下進行緊急轉向，大客車發(fā)生側翻的風險性大小。不同行駛速度下緊急轉向的LTR值見圖6。

圖6 不同行駛速度下緊急轉向的側翻穩(wěn)定性Fig.6 The rollover stability while emergency steering under different speed

由圖6可見，客車駕駛員緊急轉向時，在相同的轉角速度和轉角幅度下，若在干燥路面上，隨著行駛速度的增加，LTR值越趨向于1，表明客車的側翻穩(wěn)定性越趨向于降低，發(fā)生側翻的風險度越來越高。若在濕滑路面上，隨著行駛速度的增加，LTR值均在0.4附近變化，表明客車的側翻穩(wěn)定性受行駛速度的影響不大。

3.2 不同轉角幅度的緊急轉向仿真結果分析

在該仿真試驗中，設定客車以100km／h的行駛速度分別通過一段平直的干燥路段和濕滑路段時，在500（!）／s的轉角速度下，分別以60!，80!和100!的轉角幅度模擬緊急轉向操作。

緊急轉向過程中，客車的質心側偏角隨行駛時間的變化情況見圖7?？蛙囻{駛員緊急轉向時，在相同的轉角速度和行駛速度下，不論是在干燥路面還是在濕滑路面，質心側偏角均與轉角幅度呈正比，且客車在回轉時的質心側偏角要大于第1次轉向時的角度，尤其是在濕滑路面上。另外，在相同的轉角幅度下，濕滑路面上產生的質心側偏角顯著大于干燥路面。表明緊急轉向時，轉角幅度越大，客車發(fā)生側滑的風險也越大，且濕滑路面上發(fā)生側滑的風險要顯著大于干燥路面。

圖7 不同轉角幅度緊急轉向質心側偏角的變化Fig.7 The slip angles while emergency steering under different angles

緊急轉向過程中，客車的側傾角隨行駛時間的變化情況見圖8?？蛙囻{駛員緊急轉向時，在相同的轉角速度和行駛速度下，若在干燥路面上，側傾角與轉角幅度呈正比，且客車在回轉時的側傾角要大于第1次轉向時的角度；若在濕滑路面上，側傾角與轉角幅度呈反比，且客車在回轉時的側傾角近似于第1次轉向時的角度。另外，在相同的轉角幅度下，干燥路面上產生的側傾角顯著大于濕滑路面。表明緊急轉向時，干燥路面上發(fā)生側翻的風險要顯著大于濕滑路面，且轉角幅度越大，發(fā)生側翻的風險也就越大。

緊急轉向過程中，客車的側向加速度隨行駛時間的變化見圖9。若在干燥路面上，側向加速度與轉角幅度呈正比，表明行駛速度越高，客車越容易發(fā)生側翻；若在濕滑路面上，隨著轉角幅度的增大，側向加速度未發(fā)生明顯的變化，表明客車發(fā)生側翻的風險性受行駛速度的影響較小。綜合圖7～圖9可知，客車緊急轉向時，隨著轉角幅度的增加，在低附著系數(shù)路面上，客車易發(fā)生側滑，反之在高附著系數(shù)路面上，客車易發(fā)生側翻。

圖8 不同轉角幅度緊急轉向側傾角的變化Fig.8 The roll angles while emergency steering under different angles

圖9 不同行駛速度下緊急轉向側向加速度的變化Fig.9 The lateral acceleration while emergency steering under different angles

根據(jù)式（5）的側翻穩(wěn)定性的計算公式，通過仿真獲取大客車前后6個輪胎的垂直載荷數(shù)據(jù)后，計算LTR值來評價以不同的轉角幅度進行緊急轉向時，大客車發(fā)生側翻的風險性大小。不同轉角幅度的緊急轉向的LTR值見圖10。

圖10 不同轉角幅度緊急轉向的側翻穩(wěn)定性Fig.10 The rollover stability while emergency steering under different angles

從圖10中可知，客車駕駛員緊急轉向時，在相同的轉角速度和行駛速度下，若在干燥路面上，隨著行駛速度的增加，LTR值越趨向于1，表明客車的側翻穩(wěn)定性越趨向于降低，發(fā)生側翻的風險度越來越高。若在濕滑路面上，隨著行駛速度的增加，LTR值均在0.5附近變化，表明客車的側翻穩(wěn)定性受行駛速度的影響不大。

4 結 論

1）在高附著系數(shù)路面（如干燥路面）緊急轉向時，行駛速度和轉角幅度與客車的側翻穩(wěn)定性皆呈負相關關系。行駛速度越高，駕駛員轉動轉向盤的轉角幅度越大，輪胎載荷轉移率LTR越趨向于1，客車發(fā)生側翻的風險度越高。

2）在低附著系數(shù)路面（如濕滑、冰雪路面）緊急轉向時，行駛速度和轉角幅度對客車的側翻穩(wěn)定性的影響不大，主要是影響客車的側滑穩(wěn)定性。行駛速度越高，駕駛員轉動轉向盤的轉角幅度越大，客車發(fā)生側滑的風險度越高。

3）客車駕駛員在第2次緊急回轉時所產生的車輛側翻或側滑風險要顯著大于第1次緊急轉向時所產生的車輛側翻或側滑風險。因此客車駕駛員應盡量避免在高速行駛狀態(tài)下大幅度地急轉、急回轉向盤。

仿真結果表明，行駛速度和轉角幅度對于緊急轉向時的安全性有著顯著的影響，降低行駛速度或減小轉角幅度有助于提高客車緊急轉向時的行駛安全性。因此，駕駛員在日常行車過程中，應杜絕在高速狀態(tài)下緊急轉向操作，以避免發(fā)生車輛失控、側滑和側翻等危險。

由于本文的研究方法是仿真分析，考慮到軟件中所創(chuàng)建的車輛、道路等模型的性能往往優(yōu)于現(xiàn)實中的車輛和道路，因此，存在仿真分析結果往往優(yōu)于實車運行結果這一缺陷，即車輛在仿真中未發(fā)生側翻的工況下，在實車運行時有可能發(fā)生側翻。但是無論是仿真方法還是實車試驗，車輛行駛安全性的變化趨勢是一致的。因此，本文的仿真分析結果，對于在高速緊急轉向時，客車側翻穩(wěn)定性的影響分析是有一定理論意義和參考價值的。

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