魏卓

奇瑞萬達(dá)貴州客車股份有限公司 貴州省貴陽市 550009

1 引言

在眾多的影響安全的交通事故中，城市公共交通中的客車側(cè)傾所導(dǎo)致的側(cè)翻事件占比較為巨大，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球在交通事故發(fā)生中，由于客車側(cè)傾問題所引發(fā)的事故占比就已經(jīng)接近5%，而所造成的人員傷亡更是巨大，占比超過20%。為了能夠有效提升城市公共交通中客車的運(yùn)行穩(wěn)定性，保障客車運(yùn)輸安全，需要在客車出廠之前對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)側(cè)傾的穩(wěn)定性測試，從而判斷客車的基礎(chǔ)性能。

2 客車側(cè)傾的仿真模型建立

本文所在的客車生產(chǎn)單位為城市公共交通中大型的純電動(dòng)客車，這類客車由于牽引動(dòng)力為電力，因此與一般燃油客車在運(yùn)行穩(wěn)定性方面存在一定的差別。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)側(cè)傾穩(wěn)定性研究時(shí)，本文首先依托側(cè)傾特點(diǎn)建立了仿真模型。

2.1 線性三自由度模型

線性三自由度模型是通過對(duì)純電動(dòng)客車的運(yùn)行裝填和側(cè)傾平面特性進(jìn)行模擬而構(gòu)成的一種仿真分析模型，在這種模型之中，純電動(dòng)客車需要同時(shí)具備“自行車狀態(tài)模型”和“側(cè)傾平面模型”兩個(gè)部分。為了能夠完美還原客車的運(yùn)行特征，需要對(duì)電動(dòng)客車的輪胎運(yùn)行狀態(tài)、行駛平均車速以及重心高度數(shù)據(jù)進(jìn)行充分判斷，并確定影響因素。筆者在進(jìn)行模型建設(shè)時(shí)，對(duì)電動(dòng)客車這幾方面的力學(xué)特征進(jìn)行了一定程度的簡化，使之成為以下幾個(gè)方面。

首先，在模型建構(gòu)當(dāng)中，為了能夠單純地進(jìn)行動(dòng)態(tài)側(cè)傾的評(píng)價(jià)和模擬，需要通過對(duì)左右兩側(cè)的車輪進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，并通過X軸對(duì)稱的方式，對(duì)車輪實(shí)時(shí)位置信息進(jìn)行獲取，與此同時(shí)，需要忽略掉客車在運(yùn)行過程中俯仰方向上所形成的縱向動(dòng)力特征；其次，由于輪胎與客車本身具有較小的轉(zhuǎn)角，因此設(shè)定的質(zhì)心速度數(shù)值應(yīng)當(dāng)為近似常數(shù)；其三，應(yīng)當(dāng)對(duì)不構(gòu)成動(dòng)態(tài)側(cè)傾影響的后軸、非簧載質(zhì)量以及輪胎和懸架線性因素等影響進(jìn)行忽略，避免使模型數(shù)據(jù)過于復(fù)雜；最后，應(yīng)當(dāng)對(duì)客車運(yùn)行狀態(tài)中的橫向速度。橫擺角速度以及側(cè)傾角變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)客車行駛速度的變化，構(gòu)建線性處理方法。

2.2 客車輪胎側(cè)向力模型

在客車的運(yùn)行過程中，客車隨著輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)與地面之間形成接觸的摩擦力，這個(gè)摩擦力就是客車所具有的輪胎側(cè)向力。側(cè)向力在客車運(yùn)行中影響深遠(yuǎn)，一旦發(fā)生變化或波動(dòng)，就會(huì)造成客車出現(xiàn)側(cè)傾現(xiàn)象，進(jìn)而造成側(cè)滑、甩尾甚至是側(cè)翻[1]。在相關(guān)研究中，研究人員通常會(huì)將輪胎側(cè)向力數(shù)據(jù)和輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)相互結(jié)合形成輪胎側(cè)向力模型，通過模型對(duì)客車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。側(cè)向力模型的建設(shè)為了保證準(zhǔn)確性和針對(duì)性，一般不對(duì)非線性因素進(jìn)行分析，因此能夠造成側(cè)向力偏移影響的數(shù)據(jù)都可以通過聯(lián)立方程來完成表現(xiàn)。在模型內(nèi)部，前輪的側(cè)向力數(shù)據(jù)為Fj，后輪側(cè)向力數(shù)據(jù)為Fi，而主要的數(shù)據(jù)內(nèi)容為輪側(cè)偏剛度數(shù)值，用kj和ki進(jìn)行表示，側(cè)偏角數(shù)值則通過βj和βi來進(jìn)行表示。模型計(jì)算方法如公式1所示。

公式1：Fj=-kjβj

通過聯(lián)立方程可以最終獲得輪胎側(cè)向力和輪胎轉(zhuǎn)角之間存在的關(guān)系，從而表現(xiàn)出客車在車輪胎與地面之間關(guān)系中，并不維持垂直角度，而具有一定傾斜角度。而這種傾斜角度能夠?qū)蛙噭?dòng)態(tài)側(cè)傾進(jìn)行描述。

3 基于客車動(dòng)態(tài)側(cè)傾規(guī)律的測試方案設(shè)計(jì)

3.1 客車動(dòng)態(tài)側(cè)傾形成的規(guī)律

通過模型的模擬仿真分析能夠了解到，客車在其特性方面存在有側(cè)傾的可能，這種側(cè)傾由于客車狀態(tài)的不同可以被分為靜態(tài)側(cè)傾和動(dòng)態(tài)側(cè)傾。其中靜態(tài)側(cè)傾為客車靜止?fàn)顟B(tài)發(fā)生側(cè)傾，而動(dòng)態(tài)側(cè)傾為客車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生側(cè)傾。本文所研究的為動(dòng)態(tài)側(cè)傾現(xiàn)象。一般來說，客車在行使過程中發(fā)生側(cè)傾主要由幾個(gè)方面的特征，首先是急速轉(zhuǎn)彎特征，客車在行駛中，車速較高，而在過彎時(shí)，由于彎道半徑較小，客車受到向心力影響，會(huì)向內(nèi)彎發(fā)生側(cè)傾；其次是緊急避障特征，客車處于中低速行駛時(shí)，為了避免前方障礙，需要大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，造成側(cè)傾；其三是超車特征，客車駕駛員為了超越前方車輛，需要進(jìn)行三次以上的轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤操作，而在這個(gè)過程中，客車容易出現(xiàn)側(cè)傾。

3.2 利用模型開展穩(wěn)定性測試

開展對(duì)于客車的動(dòng)態(tài)側(cè)傾穩(wěn)定性測試，可以在模型之中對(duì)真實(shí)動(dòng)態(tài)情況進(jìn)行模擬仿真，從而完成側(cè)傾穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。一般來說，模型測試對(duì)于客車的分析，主要的分析對(duì)象在與客車行駛時(shí)的曲率變化和過渡曲線變化情況之上，再利用恒定的速度控制，完成測試數(shù)據(jù)獲取。

3.2.1 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)測試

在模型分析當(dāng)中，通過對(duì)客車方向盤控制條件中，選取階躍條件，并開展等速的圓周行駛，這一過程中客車所表現(xiàn)出的側(cè)傾變化情況，被稱為客車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，通過穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的模擬可以對(duì)真實(shí)情況下客車在進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時(shí)的動(dòng)態(tài)側(cè)傾情況作出判斷。在分析中，一般需要依托力平衡原則，對(duì)客車圓周運(yùn)動(dòng)下的橫擺角速度進(jìn)行獲取，并將計(jì)算所得的角速度增益作為客車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)評(píng)價(jià)的指標(biāo)數(shù)值。

在實(shí)際分析中，分析人員一般利用客車在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的前后軸距變化作為計(jì)算方法，最終得出穩(wěn)定因素K的取值范圍[2]。一般來說，K的取值通常有三種不同的情況，其中，當(dāng)K值為零時(shí)，表明當(dāng)前狀態(tài)下客車運(yùn)行狀態(tài)為中性轉(zhuǎn)向，這一時(shí)間段內(nèi)，橫擺角速度所表現(xiàn)出的增益與車速之間形成固定的線性關(guān)系，其中，隨著車速的不斷增加，橫擺角速度也會(huì)隨之增加。此外側(cè)傾角增益同樣會(huì)隨著車速增加而增加；當(dāng)K值為正數(shù)時(shí)，表明客車當(dāng)前狀態(tài)為不足轉(zhuǎn)向，客車的橫擺角速度增益并不能夠與車速之間構(gòu)成現(xiàn)行關(guān)系。當(dāng)行駛速度為時(shí)，作為特征車速。橫擺角增益數(shù)值將達(dá)到最高，隨后又逐漸降低；當(dāng)K值為負(fù)值時(shí)，客車則為過度轉(zhuǎn)向。這一狀態(tài)之中，橫擺角所表現(xiàn)出的速度增益則會(huì)與行車速度呈現(xiàn)出同步增加趨勢。當(dāng)行車速度達(dá)到臨界值時(shí)，其所形成的橫擺角增益則會(huì)表現(xiàn)出無限增長趨勢，因此這一車速被稱為臨界車速，臨界車速下車輛的行駛速度會(huì)隨K值變化發(fā)生變化，逐漸減小。

3.2.2 側(cè)傾平衡穩(wěn)定性測試

在客車運(yùn)行過程中，容易受到環(huán)境或公共交通服務(wù)需求的影響，出現(xiàn)極限工況條件，在這種行駛條件之中，車輛會(huì)由于喪失穩(wěn)定性平衡而使得客車內(nèi)側(cè)輪胎出現(xiàn)垂直負(fù)荷變化，當(dāng)垂直負(fù)荷降低為零時(shí)，外側(cè)輪胎所構(gòu)成的垂直負(fù)荷則會(huì)無限增加，最終造成不平衡而發(fā)生側(cè)傾。在模型分析中，一般需要對(duì)兩側(cè)輪胎的垂直負(fù)荷變化情況進(jìn)行模擬，再利用穩(wěn)定性約束條件對(duì)客車失控狀態(tài)進(jìn)行分析，最終依托平衡條件對(duì)客車穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，如公式2所示。

在公式之中，數(shù)值H表述客車所具有的重心高度，而L代表客車輪胎間距數(shù)據(jù)。

3.3 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)測試

在客車的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，由于受到既有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求，其輪距寬度通常都是固定的，從靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)中能夠看到客車重心高度和輪距變化所具有的影響。但是在實(shí)際的客車運(yùn)行中，客車的穩(wěn)定性還會(huì)受到方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)、車速變化的影響，因此需要全面衡量側(cè)傾影響條件，利用穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)影響因素進(jìn)行表達(dá)。相較于靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)的測試分析在模型之中應(yīng)當(dāng)具備幾個(gè)要素。首先，兩者之間系數(shù)雖然保持一致，但是系數(shù)大小的影響不同[3] 。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)中系數(shù)越大，表明客車抗側(cè)翻能力越明顯，側(cè)傾危險(xiǎn)性就越低；其次，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)所考量的因素范圍相較于靜態(tài)系數(shù)只多不少，在進(jìn)行模型測試時(shí)需要從多個(gè)方面進(jìn)行危險(xiǎn)性判斷；最后，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)當(dāng)考量客車各零部件參數(shù)，描述參數(shù)變化下的影響特點(diǎn)。

4 客車防側(cè)傾的應(yīng)對(duì)策略

在目前的技術(shù)手段之中，為了合理避免客車出現(xiàn)動(dòng)態(tài)側(cè)傾現(xiàn)象，控制危險(xiǎn)系數(shù)，一般采用電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)ESP加以控制。在系統(tǒng)內(nèi)部，ESP系統(tǒng)能夠通過對(duì)客車的縱向和側(cè)向兩個(gè)方向的綜合控制，對(duì)客車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。一旦客車出現(xiàn)狀態(tài)誤差時(shí)，ESP系統(tǒng)能夠利用閉環(huán)控制方式迅速識(shí)別，并利用在輪胎上施加作用力的方式，抵抗客車輪胎出現(xiàn)過高的橫擺力矩，從而保障車輛安全。這種控制方法是較為普遍的差動(dòng)制動(dòng)方法，在本文所在單位的客車設(shè)計(jì)中，一般客車都預(yù)先安裝有TCS系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的運(yùn)用使得差動(dòng)制動(dòng)不需要額外加裝制動(dòng)裝置，客車可以通過預(yù)警算法來完成側(cè)翻控制。ESP在判斷車輛平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，則直接關(guān)閉制動(dòng)算法，維持穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

綜上所述，城市公共交通中所廣泛運(yùn)用的純電力客車，在運(yùn)行過程中受到環(huán)境因素和行車因素影響，容易出現(xiàn)動(dòng)態(tài)側(cè)傾現(xiàn)象，造成穩(wěn)定性降低。為了能夠在客車生產(chǎn)中對(duì)側(cè)傾影響加以控制，可以通過建立仿真模型的方式，對(duì)客車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行十分全面的模擬分析，通過仿真模擬，對(duì)不同環(huán)境中客車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性的精準(zhǔn)測試。