張 雷，金智林，趙曰賀，趙 鋒

(南京航空航天大學(xué)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(bào)告越來越多地關(guān)注各種類型車輛的側(cè)翻傷亡率及造成的財(cái)產(chǎn)損失。統(tǒng)計(jì)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(jì)，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(dá)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(jì)顯示，由于汽車側(cè)翻引起的人員傷亡比例高達(dá)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(shí)由于路面障礙物或者路面不平度以及側(cè)向風(fēng)等引起的側(cè)翻，此時(shí)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(guān)，僅僅與車速、障礙物尺寸以及風(fēng)速相關(guān)。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(yù)警算法，基于側(cè)翻預(yù)警設(shè)計(jì)了防側(cè)翻控制策略;褚端峰等［7］運(yùn)用滑?？刂品椒ㄔO(shè)計(jì)了半主動(dòng)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(yù)測能力的側(cè)翻評價(jià)指標(biāo)，應(yīng)用CarSim軟件及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析和驗(yàn)證;Yoon等［9］進(jìn)行了防側(cè)翻的汽車集成底盤控制研究，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。ADAMS作為一款多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，在汽車相關(guān)的仿真中能夠有效地降低人車實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性和成本，同時(shí)能仿真駕駛員差異性等因素的影響。李志剛等［10］運(yùn)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(gòu)參數(shù)、行駛參數(shù)、外部工況對側(cè)翻傾向性的影響;時(shí)曉杰等［11］基于ADAMS對汽車側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)影響因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)，得到了影響因素的主次關(guān)系。雖然國內(nèi)外對車輛本身結(jié)構(gòu)與側(cè)翻之間的關(guān)系有很多相關(guān)研究，但是對于駕駛員的操作與車輛側(cè)翻之間關(guān)系的研究相對較少。

本文運(yùn)用ADAMS仿真軟件對駕駛員能夠控制的車輛側(cè)翻因素進(jìn)行了仿真分析，定性地得出相關(guān)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(dǎo)性意義，可為切實(shí)降低側(cè)翻事故的發(fā)生率提供科學(xué)依據(jù)。

1 汽車側(cè)翻模型及評價(jià)指標(biāo)

1.1 多體動(dòng)力學(xué)模型

為更加精確分析汽車側(cè)翻過程的動(dòng)態(tài)性能，基于Adams/Car模塊化方法建立整車多體動(dòng)力學(xué)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(dòng)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(shè)置為可修正參數(shù)。多體動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。設(shè)置前后懸架為雙橫臂式，其余參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖1 多體動(dòng)力學(xué)模型

表1 某SUV車參數(shù)

1.2 側(cè)翻評價(jià)指標(biāo)

為理論分析汽車側(cè)翻的評價(jià)指標(biāo)，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(shí)會(huì)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(dòng)力學(xué)特性的對稱性，假設(shè)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(diǎn)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(dāng)力矩平衡時(shí)，總力矩為0，則

可以看出:當(dāng)側(cè)向加速度足夠大時(shí)，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(jià)指標(biāo)，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(dāng)橫向載荷轉(zhuǎn)移率LTR的絕對值小于1時(shí)，汽車未側(cè)翻;當(dāng)LTR絕對值等于1時(shí)，認(rèn)為汽車處于側(cè)翻的臨界狀態(tài);當(dāng)LTR絕對值大于1時(shí)，認(rèn)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(shí)際操作中的復(fù)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(yàn)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(jìn)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(yàn)工況，主要用于檢驗(yàn)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(jià)轉(zhuǎn)向頻率對汽車側(cè)翻性能的影響。實(shí)驗(yàn)汽車主要參數(shù)如表1所示。

2.1 Fish-hook工況

汽車在標(biāo)準(zhǔn)側(cè)翻實(shí)驗(yàn)的fish-hook工況運(yùn)行，設(shè)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(gè)車輪的垂向載荷隨時(shí)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(dāng)橫向載荷轉(zhuǎn)移率絕對值最大值正好等于1時(shí)，記錄此時(shí)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(shí)的仿真結(jié)果。可以看出:當(dāng)汽車運(yùn)行到5 s左右時(shí)，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(dá)到臨界側(cè)翻危險(xiǎn)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(shí)，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(guān)系，如圖5所示。

圖5 側(cè)翻臨界速度與方向盤轉(zhuǎn)角關(guān)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(guān)系，如圖6所示。

圖6 側(cè)翻臨界速度與方向盤轉(zhuǎn)速的關(guān)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(shí)臨界速度變化明顯，而當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)角一定時(shí)，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(gè)車輪的垂向載荷隨時(shí)間的變化曲線及橫向載荷轉(zhuǎn)移率隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖7、8所示。可以看出:當(dāng)汽車運(yùn)行到7.7 s左右時(shí)，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(dá)到臨界側(cè)翻危險(xiǎn)狀態(tài)，此時(shí)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(guān)系曲線，如圖9所示。

圖9 側(cè)翻臨界速度與轉(zhuǎn)向頻率關(guān)系

從圖9可以看出:當(dāng)轉(zhuǎn)角幅值一定時(shí)，汽車側(cè)翻臨界車速隨轉(zhuǎn)向頻率的增加而增大;當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)向頻率一定時(shí)，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(xiǎn)時(shí)，需要駕駛員有靈敏的反應(yīng)速度和駕駛經(jīng)驗(yàn)，快速地以小幅值調(diào)節(jié)方向盤，可降低汽車側(cè)翻危險(xiǎn)。

3 結(jié)論

1)單方向操作時(shí)，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(xiǎn)時(shí)，需要駕駛員有靈敏的反應(yīng)速度和駕駛經(jīng)驗(yàn)，快速、反復(fù)地以小幅值調(diào)節(jié)方向盤，可降低汽車側(cè)翻危險(xiǎn)。

［1］National Highway Traffic Safety Administration，Traffic safety facts 2012:a compilation of motor vehicle crash data from the fatality analysis reporting system and the general estimates system ［R］.Washington:Department of Transportation，2014:77－85.

［2］金智林，馬翠貞，張甲樂，等.采用電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的SUV防側(cè)翻魯棒控制［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(1):1－6.

［3］來飛.客車側(cè)傾及側(cè)翻安全性綜合評價(jià)方法［J］.客車技術(shù)與研究，2014(3):5－7，12.

［4］陳毅華，徐健康，毛建國，等.基于TTR的汽車側(cè)翻預(yù)警研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(7):11－14，54.

［5］徐中明，于海興，伍小龍，等.車輛側(cè)翻指標(biāo)與側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)因素分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36(3):25－31.

［6］金智林，張鴻生，馬翠貞.基于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的汽車側(cè)翻預(yù)警［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48(14):128－133.

［7］褚端峰，李剛炎.半主動(dòng)懸架汽車防側(cè)翻控制研究［J］.汽車工程，2012，34(5):399－402.

［8］Larish C，Piyabongkarn D，Tsourapas V，et al.A new predictive lateral load transfer ratio for rollover prevention systems［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2013，62(7):2982－2936.

［9］Yoon J，Cho W，Kang J，et al.Design and evaluation of a unified chassis control system for rollover prevention and vehicle stability improvement on a virtual test track［J］.Control Engineering Practice，2010，18(6):585－597.

［10］李志剛，沈明，鄒猛，等.基于多體動(dòng)力學(xué)的微型客車急轉(zhuǎn)彎側(cè)翻傾向性仿真［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，50(8):1286－1289.

［11］時(shí)曉杰，何杰.基于ADAMS/CAR的車輛側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)因素研究［J］.公路交通科技，2014，31(10):130－133.