周博，申海龍

(大連交通大學(xué) 動(dòng)車(chē)運(yùn)用與維護(hù)工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

基于ADAMS的汽車(chē)側(cè)翻仿真分析

周博，申海龍

(大連交通大學(xué) 動(dòng)車(chē)運(yùn)用與維護(hù)工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

研究了汽車(chē)側(cè)翻影響因素對(duì)其側(cè)翻的影響程度，應(yīng)用ADAMS/Car模塊建立汽車(chē)側(cè)翻的動(dòng)力學(xué)模型，基于ADAMS的仿真原理，對(duì)影響汽車(chē)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(jìn)行分析，獲得了各因素對(duì)汽車(chē)側(cè)翻影響的趨勢(shì).應(yīng)用正交試驗(yàn)法，以輪胎橫向荷載轉(zhuǎn)移率的最大值作為側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)汽車(chē)側(cè)翻因素的影響程度進(jìn)行分析.研究表明所研究的四個(gè)主要因素的影響程度由大到小依次為彎道半徑、車(chē)速、質(zhì)心高度、數(shù)路面附著系數(shù)，為提高公路運(yùn)輸安全，提供了很有參考價(jià)值的理論數(shù)據(jù).

汽車(chē)側(cè)翻；ADAMS；正交試驗(yàn)；穩(wěn)定性

0 引言

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，汽車(chē)保有量正在逐年增加.在給人們生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也給道路交通安全帶來(lái)了巨大壓力.尤其是汽車(chē)側(cè)翻引發(fā)的事故，具有傷亡嚴(yán)重、死亡率高等特點(diǎn).根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)顯示，每年全國(guó)各地發(fā)生交通事故的總量在470萬(wàn)左右，與車(chē)輛相關(guān)的安全事故就占25%.可想而知，車(chē)輛事故總量巨大.

汽車(chē)作為一個(gè)復(fù)雜的多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其側(cè)翻的影響因素與車(chē)速、質(zhì)心高度、路面線型等密切相關(guān).目前，國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家和研究機(jī)構(gòu)都對(duì)這方面的工作展開(kāi)了系統(tǒng)的研究.文獻(xiàn)[1- 2]形成了“基于汽車(chē)彎道橫向載荷轉(zhuǎn)移率(LTR)的控制理論”，“汽車(chē)側(cè)翻失穩(wěn)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(chē)動(dòng)力學(xué)模型，有力地推動(dòng)了汽車(chē)側(cè)翻研究工作的快速發(fā)展.文獻(xiàn)[3- 5]對(duì)汽車(chē)側(cè)向振動(dòng)特性的研究、可變懸架側(cè)翻模型以及汽車(chē)操縱穩(wěn)定性的研究都取得了重要成就.文獻(xiàn)[6]研究了高寬比、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角等因素對(duì)客車(chē)側(cè)翻的影響程度.目前雖然很多學(xué)者都對(duì)汽車(chē)側(cè)翻影響因素做了大量研究，但對(duì)側(cè)翻影響因素的變化趨勢(shì)以及變化幅度的量化方面的研究并不多見(jiàn).

本文利用ADAMS/Car模塊建立起整車(chē)模型，并對(duì)影響汽車(chē)側(cè)翻的幾個(gè)主要因素進(jìn)行分析，獲得了各因素對(duì)汽車(chē)側(cè)翻的影響趨勢(shì).通過(guò)正交試驗(yàn)的方法，對(duì)汽車(chē)側(cè)翻因素的影響程度進(jìn)行分析，有助于人們主動(dòng)預(yù)防汽車(chē)側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生，對(duì)提高公路運(yùn)輸安全有重要意義.

1 汽車(chē)側(cè)翻機(jī)理與模型建立

1.1 汽車(chē)側(cè)翻機(jī)理

汽車(chē)的側(cè)翻種類(lèi)大體上可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是汽車(chē)通過(guò)彎道時(shí)由于過(guò)度轉(zhuǎn)向而引起的“急轉(zhuǎn)側(cè)翻”，是指汽車(chē)在彎道上行駛時(shí)，由于側(cè)向加速度超過(guò)安全值，使得內(nèi)側(cè)車(chē)輪的垂直反力為零而引起的側(cè)翻；另一類(lèi)則是“絆倒側(cè)翻”，是指汽車(chē)在行駛時(shí)產(chǎn)生側(cè)向滑移，使車(chē)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(duì)汽車(chē)發(fā)生“絆倒側(cè)翻”的情況進(jìn)行分析.

圖1所示的是考慮在急轉(zhuǎn)過(guò)程中懸架質(zhì)心發(fā)生偏移的急轉(zhuǎn)側(cè)翻模型[7].對(duì)彎道外輪與地面的接觸點(diǎn)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(chē)的質(zhì)量;B為汽車(chē)輪距;ay為汽車(chē)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(chē)內(nèi)側(cè)車(chē)輪受到的垂向反力;Φ為汽車(chē)質(zhì)心的側(cè)傾角度.

圖1 急轉(zhuǎn)側(cè)翻模型

當(dāng)Fzi=0時(shí)，汽車(chē)開(kāi)始發(fā)生側(cè)翻，此時(shí)汽車(chē)在側(cè)傾平面內(nèi)不能保持平衡.汽車(chē)開(kāi)始側(cè)翻時(shí)的側(cè)翻闕值，由下式給出：

1.2 整車(chē)模型建立

一個(gè)完整的整車(chē)模型包括：前后懸架、前后輪胎、車(chē)身、動(dòng)力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等.由于汽車(chē)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，要想將其完整的表達(dá)出來(lái)，不但增加了模型的復(fù)雜性，也增加了仿真時(shí)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(duì)汽車(chē)彎道側(cè)翻沒(méi)有影響的車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化：

(1)將車(chē)身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，使車(chē)身質(zhì)量集中在這一點(diǎn)；

(2)將變速箱、傳動(dòng)軸、制動(dòng)系統(tǒng)等略去，靠通訊器來(lái)連接.

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

圖2 整車(chē)模型

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

2 影響側(cè)翻的因素分析

在進(jìn)行仿真分析前，除了需要完整的汽車(chē)模型之外，還需要編寫(xiě)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(chē)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(guó)，汽車(chē)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(chē)速度對(duì)汽車(chē)側(cè)翻的影響

通過(guò)對(duì)比汽車(chē)在不同速度下的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，可以很直觀的看出行車(chē)速度的大小對(duì)汽車(chē)側(cè)翻的影響.仿真控制文件采用自定義編寫(xiě)，設(shè)置汽車(chē)進(jìn)入彎道的初始速度分別為20、70、105及120 km/h，并以該速度進(jìn)入半徑為100 m，附著系數(shù)為0.8的彎道.定義運(yùn)行時(shí)間和結(jié)束條件，設(shè)置汽車(chē)進(jìn)入彎道為右轉(zhuǎn)彎即汽車(chē)左輪為彎道外輪.將編寫(xiě)好的控制文件導(dǎo)入，并運(yùn)行仿真，得到汽車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線.

根據(jù)公式ay=fg=v2/r計(jì)算可知，汽車(chē)臨界速度安全值為28 m/s.由圖3可知，汽車(chē)在直角轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，當(dāng)速度低于臨界加速度安全值，即由5.5增加到19.4 m/s時(shí)，速度增幅2.5倍，但運(yùn)動(dòng)軌跡幾乎沒(méi)有發(fā)生偏移，此時(shí)汽車(chē)沒(méi)有發(fā)生側(cè)滑.當(dāng)速度高于臨界加速度安全值，由29增加到33.3 m/s時(shí)，速度增幅只有15%，但此時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡偏移量增幅高達(dá)32%，汽車(chē)發(fā)生嚴(yán)重側(cè)滑.可見(jiàn)，車(chē)速一旦超過(guò)臨界速度安全值，對(duì)汽車(chē)側(cè)翻影響呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì).

圖3 不同行車(chē)速度時(shí)汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡

2.2 路面彎道半徑對(duì)汽車(chē)側(cè)翻的影響

選用側(cè)向加速度指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)汽車(chē)的側(cè)翻趨勢(shì).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(jìn)行仿真.

由圖4分析可知，汽車(chē)的側(cè)向加速度隨著彎道半徑的減小逐漸增加.當(dāng)彎道半徑高于安全值51 m時(shí)，即側(cè)向加速度低于0.8 g時(shí)，側(cè)向加速度增加到最大值后穩(wěn)定不變.當(dāng)其低于彎道半徑安全值時(shí)，達(dá)到最大值后側(cè)向加速度波動(dòng)較大，汽車(chē)處于不穩(wěn)定狀態(tài).當(dāng)彎道半徑為100 m時(shí)，側(cè)向加速度增加到0.4 g所用時(shí)間2 s.而當(dāng)彎道半徑為40 m時(shí)，側(cè)向加速度增加到0.85 g時(shí)，所用的時(shí)間為1 s，側(cè)向加速度響應(yīng)時(shí)間縮小1倍，但加速度增加幅值變?yōu)樵瓉?lái)的2倍.可見(jiàn)，當(dāng)彎道半徑低于安全值時(shí)，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(shí)間也大大減小，對(duì)主動(dòng)預(yù)防側(cè)翻是很不利的.

圖4 不同彎道半徑時(shí)汽車(chē)的側(cè)向加速度

2.3 路面附著系數(shù)對(duì)汽車(chē)側(cè)翻的影響

以汽車(chē)的左輪(彎道外輪)作為研究對(duì)象，對(duì)不同路面附著系數(shù)條件下的輪胎受力進(jìn)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(shí)雪、接近冰的路面附著系數(shù)取0.1.選取行車(chē)速度為54 km/h，路面的彎道半徑為50 m.定義好汽車(chē)的運(yùn)行時(shí)間與結(jié)束條件，將編好的控制文件導(dǎo)入后進(jìn)行仿真.

由圖5可以看出，進(jìn)入彎道以后，左輪的側(cè)向力開(kāi)始反向迅速增大.當(dāng)路面的附著系數(shù)為0.1、0.2、0.4時(shí)，汽車(chē)會(huì)產(chǎn)生打滑.此時(shí)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?yàn)榇藭r(shí)汽車(chē)受的是滑動(dòng)摩擦力，其最大值隨著路面附著系數(shù)增大會(huì)增大，而側(cè)向力大小此時(shí)等于滑動(dòng)摩擦力.當(dāng)附著系數(shù)為0.5、0.8時(shí)，此時(shí)汽車(chē)不會(huì)側(cè)滑，所受的是靜摩擦力，附著系數(shù)越大側(cè)滑趨勢(shì)越小，所以當(dāng)路面附著系數(shù)為0.8時(shí)左輪的最大側(cè)向力小于0.5的時(shí)候.

圖5 不同路面附著系數(shù)時(shí)汽車(chē)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(shí)的垂向力曲線圖.進(jìn)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(shí)，隨著附著系數(shù)的增大汽車(chē)左后輪的垂向力開(kāi)始不斷增大.當(dāng)附著系數(shù)為0.1時(shí)，垂向力由4 300 N增加到4 600 N，垂向力增幅7%.當(dāng)附著系數(shù)變?yōu)?.2時(shí)，垂向力增幅12%.當(dāng)附著系數(shù)為0.4時(shí)，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(dāng)汽車(chē)沒(méi)有側(cè)滑(附著系數(shù)為0.5、0.8)時(shí)，左后輪的垂向力增大趨勢(shì)幾乎相同，垂向力增幅26%.

圖6 不同路面附著系數(shù)時(shí)汽車(chē)的左輪的垂向力

2.4 質(zhì)心高度對(duì)汽車(chē)側(cè)翻的影響

圖7為不同質(zhì)心高度時(shí)汽車(chē)的側(cè)傾角度曲線圖.原車(chē)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(chē)質(zhì)心高度的增加，汽車(chē)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(zhǎng)趨勢(shì).同時(shí)，隨著質(zhì)心高度的增加，側(cè)傾角響應(yīng)時(shí)間增加，降低了瞬態(tài)響應(yīng)性能，對(duì)整車(chē)的操縱穩(wěn)定性不利.

圖7 不同質(zhì)心高度時(shí)汽車(chē)的側(cè)傾角度

3 影響側(cè)翻的因素綜合評(píng)價(jià)

3.1 側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)度量指標(biāo)

目前為止，用于評(píng)價(jià)汽車(chē)側(cè)翻的指標(biāo)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(biāo)與側(cè)向加速度、側(cè)傾角指標(biāo)相比可信度要高[10].

橫向荷轉(zhuǎn)移率就是指在汽車(chē)發(fā)生側(cè)傾時(shí)，車(chē)身的側(cè)傾造成汽車(chē)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(dāng)減小的一側(cè)車(chē)輪的垂向載荷剛好為零時(shí)，汽車(chē)處于失控的邊緣，在一定的條件下汽車(chē)將會(huì)發(fā)生側(cè)翻.橫向軸荷轉(zhuǎn)移率(Lateral-loadtransferrate，LTR)的表達(dá)式：

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

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

通過(guò)ADAMS軟件輸出輪胎橫向荷載轉(zhuǎn)移率變化曲線.并把汽車(chē)轉(zhuǎn)向過(guò)程中LTR出現(xiàn)的最大值定義為L(zhǎng)TRmax.用LTRmax來(lái)描述汽車(chē)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的側(cè)翻傾向，并以LTRmax為衡量汽車(chē)側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)的度量指標(biāo).

3.2 側(cè)翻影響因素的討論

本文采用正交試驗(yàn)的方法來(lái)進(jìn)行討論.根據(jù)單一試驗(yàn)原理，選取了影響汽車(chē)側(cè)翻的幾個(gè)主要因素進(jìn)行正交試驗(yàn).分別是汽車(chē)質(zhì)心高度h、車(chē)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(yàn)研究的目標(biāo)函數(shù).因?yàn)樵谡辉囼?yàn)中確定每個(gè)因素的水平數(shù)一般以2～4個(gè)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(gè)水平.如表1所示.為了減少試驗(yàn)的復(fù)雜性又保證試驗(yàn)的精度，采用L9(34)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn).忽略各因子間的交互作用，依據(jù)正交試驗(yàn)方案，利用聯(lián)合仿真模型逐一進(jìn)行仿真試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)結(jié)果.

表1 側(cè)翻因素水平表

通過(guò)ADAMS軟件對(duì)9組試驗(yàn)依次進(jìn)行仿真，得到各次試驗(yàn)的LTRmax值.如表2所示.

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果表

3.3 側(cè)翻影響因素與指標(biāo)趨勢(shì)圖

圖8 彎道半徑對(duì)荷載轉(zhuǎn)移率的影響

圖9 車(chē)速對(duì)荷載轉(zhuǎn)移率的影響

圖10 質(zhì)心高度對(duì)荷載轉(zhuǎn)移率的影響

圖11 附著系數(shù)對(duì)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(xiě)道路文件和驅(qū)動(dòng)控制文件后對(duì)影響汽車(chē)側(cè)翻的幾個(gè)因素進(jìn)行分析.并通過(guò)正交試驗(yàn)的方法對(duì)汽車(chē)側(cè)翻因素的影響程度進(jìn)行分析.得到如下結(jié)論：

(1)隨著行車(chē)速度的增加，汽車(chē)發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)也在增加.當(dāng)速度低于安全值時(shí)，速度的增加對(duì)側(cè)翻影響不大.當(dāng)速度超過(guò)了安全值后，會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足現(xiàn)象，對(duì)汽車(chē)側(cè)翻影響也將呈幾何增長(zhǎng)趨勢(shì);

(2)越小的彎道半徑，汽車(chē)越容易產(chǎn)生側(cè)滑.尤其是當(dāng)彎道半徑低于安全值時(shí)，側(cè)滑趨勢(shì)更為嚴(yán)重;

(3)路面附著系數(shù)是影響汽車(chē)側(cè)滑和側(cè)翻的一個(gè)重要參數(shù).當(dāng)附著系數(shù)小于0.5時(shí)，汽車(chē)易發(fā)生側(cè)滑事故，且附著系數(shù)越小，側(cè)滑趨勢(shì)越明顯.當(dāng)附著系數(shù)大于0.5時(shí)，如果遇到車(chē)速過(guò)快，又在急轉(zhuǎn)彎的情況下，汽車(chē)很容易發(fā)生急轉(zhuǎn)側(cè)翻;

(4)質(zhì)心高度越大，汽車(chē)側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)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(zhǎng)趨勢(shì).同時(shí)，隨著質(zhì)心高度增加，側(cè)傾角響應(yīng)時(shí)間增加，降低了瞬態(tài)響應(yīng)性能，對(duì)整車(chē)的操縱穩(wěn)定性也不利;

(5)彎道半徑與車(chē)速對(duì)汽車(chē)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(chē)側(cè)滑的主要因素，而嚴(yán)重側(cè)滑將發(fā)生絆倒側(cè)翻.

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[10]徐中明，于海興，伍小龍．車(chē)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.

[11]王睿，李顯生．基于橫向載荷轉(zhuǎn)移量的客車(chē)側(cè)傾穩(wěn)定性分析[J] ．湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013,40(5):49- 54.

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(chē)輛設(shè)計(jì)理論及方法的研究 E-mail:zhoubo@djtu.edu.cn.