某客车急转弯侧翻稳定性分析

10.16638/ki.1671-7988.2018.13.011
某客车急转弯侧翻稳定性分析
赵治军，张天宇，黄喆，吴岩
（长安大学汽车学院，陕西西安710064）
摘要：随着道路交通的快速发展，公路旅客运输蓬勃发展总体客运量年年攀升。

然而，有关客车的重、特大事故屡见不鲜，给人民群众的生命和财产安全带来了相当大的损失。

其中，客车侧翻事故无论在数量上还是人员伤亡和经济损失的程度上都已成为仅次于碰撞的第二大道路交通事故形态。

文章以一款8m客车为基础，通过Trucksim 软件建立了客车动力学模型，进行了急转弯稳定性虚拟试验。

通过鱼钩试验(Fish-hook)分析了方向盘转角与客车侧向加速度、轮胎垂直反力的关系，探讨了侧翻倾向性。

通过单因素的仿真试验，揭示了方向盘最大转角、方向盘角速度对8m客车侧翻倾向性的影响，表明方向盘转角对侧翻倾向性影响最为明显，方向盘角速度也有较大的影响。

该研究结果对于8m客车设计改进、风险预测和减少交通事故的发生具有科学意义。

关键词：客车侧翻；鱼钩试验；侧翻倾向性；Trucksim
中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2018)13-36-03
Analysis of Rollover Stability of a Passenger Car
Zhao Zhijun, Zhang Tianyu, Huang Zhe, Wu Yan
( Automotive College of Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )
Abstract: With the rapid development of road traffic, Highway passenger transport is booming and overall passenger volume rises year after year. However, there have been lots of bus accidents and those accidents lead to the considerable losses of people's lives and property. Among them, the bus rollover accident in terms of the number or casualties have become second only to the collision of the bus. A dynamics model was developed to analyze 8m-bus dynamics and sharp turn stability. The relationships between the steering wheel angle, lateral acceleration, and tire vertical force were obtained using the fish-hook virtual tests. The influences of bus structure, traffic conditions, and external conditions on the rollover tendency were also analyzed in single-factor experiments. The results show that the the max angle is one of the most important parameters with the vehicle 's center of gravity and other parameters also having some influence on the rollover tendency. These results can be used to improve 8m-bus redesigns, improve risk prediction, and reduce the incidence of traffic accidents.
Keywords: Rollover; Fish-hook; Rollover tendency; Trucksim
CLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)13-36-03
前言
客车的翻车事故虽然发生率虽不如正撞、尾撞高，但容易造成群死群伤，产生了严重的社会危害。

据美国公路交通安全管理局(NHTSA)统计，美国轻型客车发生侧翻的事故只占所有交通事故的30%，但是却占到交通事故中死亡人数的1/3，每年死于汽车滚翻事故的人数约10000人；根据我国公安部交通管理局的资料，2007年全国交通事故中，翻车事故
作者简介：赵治军，长安大学，硕士，车辆控制技术。

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赵治军 等：某客车急转弯侧翻稳定性分析
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死亡人数占机动车乘员死亡人数的近20%[1]。

可见，汽车滚翻事故的死亡率明显高于总体交通事故死亡率的平均水平，是一种恶性的交通事故。

由于微型客车重心较高，更容易发生事故。

目前对客车侧翻研究主要有以下方法：1）通过对复杂的客车系统建立等效的物理模型进行理论分析和推导；2）通过试验来进行研究，这种方法成本较高，并且试验人员操作风险较高，所以目前并没有充分开展；3）随着计算机技术的发展，使用动力学仿真软件对客车在高速行驶急转弯情况下进行稳定性仿真，能够进行较好的侧翻倾向性预测和评估。

1 动力学模型建立
本文以某型号8m 客车作为仿真车型，使用动力学软件TruckSim 对该客车进行参数化建模，进而实现对其急转弯侧翻稳定性的分析。

通过设置TruckSim 软件中Test specifica tions 模块实现整车的参数化建模，该模块共包括了车体、空气动力学、转向系、制动系、动力传动系统、轮胎、车桥与悬架等共七大部分。

1.1 某客车参数化描述
首先在TruckSim 的Test specifications 模块中选择Tour Bus Loaded ，其相关的参数如表1所示。

表1 某客车参数
1.2 试验环境设置
这部分在TruckSim 的Test specifications 模块中Proce -dure 下设置。

鱼钩工况直接选用软件自带的试验配置，仿真环境选用3D road 模型。

2 虚拟试验
目前国内外严格针对车辆侧翻的评估试验标准还没有颁布，现在比较通用的对汽车稳定性进行评价的试验有J-turn 试验和鱼钩(Fish-hook)试验。

由于Fishhook 的行车路线可以近似看作两次J-Turn 的叠加，所以本文选择Fish-hook 试验模拟汽车紧急避障这种侧翻的典型工况。

具体分析的对象是汽车行驶因素中的超速、超载和过度转向三种因素。

其中超载由客车质心高度的变化来表征，过度转向则由方向盘转向角度和角速度来描述。

2.1 鱼钩试验工况
鱼钩试验被认为是模拟侧翻的最佳工况。

因为该工况中的第二次大幅度回转运动经常引发车辆侧翻。

本章利用鱼钩试验讨论方向盘转角和转角速度对侧翻稳定性的影响，并以此说明驾驶员在慌乱情形下过度转向带来的危害。

2.1.1 方向盘最大转角对侧翻稳定性的影响
试验的入线车速定为80km/h ，方向盘最大转角分为80°、120°和150°三种情况，如图1所示。

图1 鱼钩试验的方向盘转角输入
图2说明了横摆角速度表征的车辆横向稳定性能随方向盘最大转角的增大而下降，这两个参数都是随着方向盘最大转角的增加而变化幅度越来越大。

在方向盘最大转角达到150°时，横摆角速度急速减小，这说明客车己经发生了侧翻。

图2 不同方向盘转角的横摆角速度
图3-4是不同方向盘最大转角时客车侧向加速度和侧倾角的变化曲线。

可以看出，方向盘最大转角越大，侧向加速度和侧倾角越大，车辆越容易发生侧翻。

方向盘最大转角达到150°时，侧倾角无限增大，这表明客车正在发生侧翻。

图3 不同方向盘转角的侧向加速度
汽车实用技术
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图4 不同方向盘转角的侧倾角
图5-6是不同方向盘最大转角时客车左右轮胎垂直作用
力的变化曲线。

可以看出，方向盘最大转角越大，左右轮胎质量转移越大，车辆越容易发生侧翻。

方向盘最大转角达到150°时，内侧车轮垂直作用力为0N，这表明客车正在发生侧翻。

图5 外侧车轮垂直作用力
图6 内侧车轮垂直作用力
2.1.2 方向盘转角速度对侧翻稳定性的影响
本文设置了250°/S和100°/S两种方向盘转角速度，如图7所示。

图7 鱼钩试验的方向盘转角输入
图8 不同方向盘转角速度的横摆角速度
图9 不同方向盘转角速度的侧向加速度
图8所示，方向盘转角速度小，横摆角速度的变化都要慢一些，但峰值和方向盘转角大的情况基本一致。

这说明，方向盘转角速度的变化对车辆的横向稳定性能影响不大。

图9-10说明方向盘转角速度小的情况下，车辆的侧向加速度和侧倾角变化幅值都要相对小一些。

图10 不同方向盘转角速度的侧倾角
图11-12则更为明显的表明，方向盘转角速度100°/s的客车，其转弯时内侧轮胎的垂直反力并未下降至零；而方向盘角速度为250°/s的客车己经进入了侧翻临界状态。

图11 不同方向盘转角速度的内侧轮胎垂直反力
图12 不同方向盘转角速度的外侧轮胎垂直反力
3 结论
本文以某款8m客车为基础，建立了动力学模型，进行了鱼钩试验，分析了方向盘转角与客车侧向加速度、轮胎垂直反力的关系，探讨了侧翻倾向性，估测出在这种试验条件下8m客车急转弯不侧翻的侧向加速度不宜超过0.8g。

在此基础之上，进一步分析了单个参数对客车侧翻稳定性的影响，发现方向盘转角对侧翻倾向性影响最为明显，方向盘角速度也有较大的影响。

参考文献
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