汽車側翻穩定性的仿真研究

賈會星，江雪峰

（滁州職業技術學院，安徽滁州239000）

汽車側翻穩定性的仿真研究

賈會星，江雪峰

（滁州職業技術學院，安徽滁州239000）

本文主要對汽車在斜坡縱向行駛和轉向行駛時的側翻穩定性進行了研究，建立了汽車在斜坡行駛和轉向行駛時的側翻模型，并利用MATLAB/SIMULINK仿真軟件進行了仿真分析，其結論可為汽車在設計階段通過改進汽車的結構提高汽車抗側翻性能，在駕駛汽車過程中通過合理的駕駛操作提高汽車行駛穩定性提供了理論依據。

汽車側翻；穩定性；仿真

一、引言

汽車側翻是指汽車在行駛過程中繞其縱軸線轉動90°或更大的角度，以至車身與地面相接觸的一種極其危險的側向運動。很多因素可能引起汽車的側翻，包括汽車結構、駕駛員和道路條件等。汽車側翻大體上可分為兩類，一類是由于汽車曲線運動引起的側翻，另一類是絆倒側翻。前者主要是由于汽車在道路上行駛時，由于汽車的側向加速度超過一定限值，使得汽車內側車輪的垂直反力為零而引起的側翻；后者是指汽車行駛時產生側向滑移，與路面上的障礙物側向撞擊而將其絆倒。[1]

隨著科技的發展，轎車中ABS、EBD、TCS、ESP等技術已經普及應用，并且轎車行駛的路況也較好，故轎車因為自身結構方面的原因引起側翻的可能性很小。而對于重型汽車、非公路車輛、農用運輸車等，一方面其懸架系統及車身部件技術水平較低，另一方面其行駛的路況較差，行駛過程中發生側翻的可能性較大，故對重型汽車、非公路車輛、農用運輸車等進行側翻穩定性研究，對提高這些車輛工作的安全性意義重大。本文主要以非獨立懸架重型載貨汽車為研究對象，對汽車在坡道行駛和轉向行駛時導致的側向加速度過大引起的側翻進行研究。

（一）汽車側翻模型的建立

1、汽車坡道行駛時的側翻模型

汽車在坡道縱向行駛時，由于重力的原因其車身重心發生了偏移，同時由于車輪和懸架的彈性，車身也發生了傾斜，其示意圖如圖1所示。

圖中，Gs為汽車車身的簧載質量所受的重力；Gu為汽車的車橋車輪所受的重力；Fy1，Fy2分別為地面給車輪的側向附著力；Fz1，Fz2分別為地面給車輪的支撐反力；hg為汽車車身簧載質量的重心高度；hr是汽車車橋車輪質量的重心高度；φ為由于懸架變形引起車身的側傾角度；β為汽車行駛道路的坡度夾角；B是輪距；e為汽車側傾導致車身簧載質量重心的偏移量。

在建模過程中，考慮到車輪變形量相對較小，故車輪變形引起汽車車身重心的偏移忽略不計，由圖1所示的受力分析，可得：

圖1 汽車坡道縱向行駛受力示意圖

其中Fy1，Fy2還需滿足地面附著條件的要求，即Fy1=φFz1，Fy2=φFz2，式中φ表示路面的附著系數，結合公式（1）（2），可知φ=tanβ，這里若地面附著系數較小，即φ比tanβ小，則汽車將在坡道上產生側滑。為了研究汽車側翻穩定性與汽車行駛坡道之間的關系，這里假設地面附著系數足夠，即φ比tanβ大的多。

圖1中，對力Fz1的作用點取矩可得：

由公式（3），可求得：

由公式（2），可知：

選取汽車橫向載荷轉移率LTR的絕對值為側翻穩定性指標，LTR定義為左右側輪胎垂直載荷之差與總的輪胎載荷比值[2]，即

汽車側傾時，左右輪胎的垂直載荷發生轉移，當一側輪胎離地（如圖1所示），Fz2為零時，認為汽車達到側翻的臨界狀態，即將發生側翻，此時LTR值為1，而當汽車沒有側翻趨勢時，其兩側車輪所受載荷應當一致，即Fz1，Fz2兩者大小相等，此時LTR值為0，可見LTR值越小，汽車行駛時的側翻穩定性越好，而LTR值越大，越接近1時，汽車行駛側翻穩定性越差，行駛發生側翻的可能性越大。由公式（4）（5）（6）可得：

由圖1的幾何關系可知，e=（hg-hr）sin準，由懸架的變形而產生的車身側傾角相對較小，這里可近似認為準≈sin準，則e≈（hg-hr）準，公式（7）可改寫成：

2、汽車轉向行駛時的側翻模型

汽車在轉向行駛時，由于轉向離心力和車輪、懸架的彈性變形，車身也會發生傾斜，使車身重心發生偏移，其示意圖如圖2所示。圖中Fsy為汽車車身的簧載質量所受的轉向離心力；Fuy為車橋車輪所受的轉向離心力。

圖2 汽車轉向行駛受力示意圖

由圖2所示的受力分析，可得：

同理，這里也假設地面附著系數足夠，汽車不會發生側滑。式（9）中，車身和車橋所受的轉向離心力分別為：

式中，g為重力加速度；R為汽車轉向半徑；V為汽車轉向時的行駛車速。圖2中對力Fz1的作用點取矩可得：

由公式（13）可得：

結合公式（10），可知：

結合公式（6），可知汽車轉向行駛時的側翻穩定性指標LRT為：

代入公式（11）（12）最終可得：

（二）仿真分析

1、仿真模型

利用MATLAB/SIMULINK軟件，根據公式（8）和公式（17）建立仿真模型如圖3和圖4所示，圖3為汽車在坡道行駛時的LTR仿真模型，圖4為汽車在轉向行駛時的LTR仿真模型。

圖3 汽車坡道行駛時的LTR仿真模型

圖4 汽車轉向行駛時的LTR仿真模型

2、仿真結果分析

根據建立的仿真模型，選擇合適的汽車結構參數進行仿真，仿真結果如下圖所示，圖5為LTR與斜坡角度之間的關系，可以看出斜坡的角度對汽車側翻穩定性影響很大，隨著斜坡角度的增加，LTR的值增加非常快，汽車發生側翻的可能性迅速增加。同時車身的側傾角越大，汽車側翻穩定性也會變差，但汽車車身側傾角相對而言較小，故對汽車側翻穩定性影響不大。

圖5 LTR與斜坡角度之間的關系

圖6 LTR與車身重量之間的關系

圖6為LTR與車身重量之間的關系，可以看出隨著車身載重量Gs的增加，LTR的值也增加，故車身裝載量增加，側翻穩定性變差，但同時可以看出在車身載重量Gs不變的情況下，汽車車橋的重量Gu（非簧載質量）增大，LTR的值變小，故較重的車橋有利于提高汽車側翻穩定性。

圖7為LTR與汽車重心高度之間的關系，可以看出隨著車身重心hg的變高，LTR的值增加，汽車的側翻穩定性變差，但在車身重心hg不變的情況下，增高車橋的重心hr，LTR的值變小，可見降低汽車車身的重心高度，增加汽車車橋（非簧載質量）的重心高度有利于改善汽車的側翻穩定性。對于汽車車橋的重心高度，一般為車輪的中心距離地面的距離，故實際上增加車輪半徑即可提高車橋的重心高度，即在車身重心hg不變的情況下適當增加車輪的半徑（使用較大的車輪），可以改善汽車行駛穩定性。

圖8為LTR與汽車轉向行駛車速之間的關系，可以看出隨著轉向時車速的提高，LTR的值迅速增大，側翻穩定性迅速惡化，由圖8還可以看出在車速較低時，轉向半徑對汽車轉向側翻穩定性影響不大，但隨著車速增加，轉向半徑越小即汽車轉向角度越大，LTR的值增加越快。可見低速轉向時，轉向半徑的大小對汽車行駛側翻穩定性影響不大，但高速時轉向半徑越大（轉向角度越小），行駛穩定性越好。

圖9所示為汽車輪距與LTR之間的關系，可見隨著輪距的增加，LTR的數值變小，行駛穩定性變好，適當增加輪距有利于提高汽車行駛的側翻穩定性。

圖7 LTR與汽車重心高度之間的關系

圖8 LTR與汽車轉向行駛車速之間的關系

圖9 LTR與汽車輪距之間的關系

（三）結論

本文對汽車在斜坡縱向行駛和汽車轉向行駛時的受力狀況進行了分析，并引用汽車橫向載荷轉移率LTR的絕對值為側翻穩定性指標，對汽車在這兩種工況下的側翻穩定性進行了研究，利用MATLAB/ SIMULINK仿真軟件，建立了汽車在這兩種工況下的LTR仿真模型，并選取適當的參數進行了仿真研究。

通過對仿真結果的分析，得出在斜坡行駛時，隨著車身載重量增大，重心的提高，側翻穩定性變差；但適當增加車橋重量，在車身重心不變的情況下使用較大的車輪有利于改善汽車側翻穩定性；轉向行駛時，較低的車速和較大的轉向半徑有利于保持汽車行駛的穩定性，適當增加汽車輪距有利于提高汽車側翻穩定性。這為汽車在設計階段通過改進汽車的結構提高汽車抗側翻性能，在駕駛汽車過程中通過合理的駕駛操作提高汽車行駛穩定性提供了理論依據。

本文在建立模型的過程中，忽略了地面附著性能的影響，認為地面附著性能足夠好，同時沒有考慮汽車車輪行駛時的縱向力對車輪所受側向力的影響，這是本項研究后續需要重點研究的方向。

[1]余志生主編.汽車理論（第4版）[M].北京：機械工業出版社，2006

[2]金智林，翁建生，胡海巖.汽車側翻及穩定性分析[J].機械科學與技術.2007，(3):355-358.

[3]賈會星，程振東，田晉躍.鉸接車輛轉向側翻過程仿真[J].筑路機械與施工機械化.2005,（11）：54－56.

[4]田晉躍,賈會星.鉸接車輛側傾過程動態仿真[J].農業機械學報.2006，(7)：26－29.

[5]金智林，翁建生，胡海巖.汽車側翻預警及防側翻控制[J].動力學與控制學報.2007,(4):365-368.

G416.6

A

1671-5993（2011）01-0056-04

2011-03-16

安徽省高等學校優秀青年人才基金項目，項目編號：2010SQRL214

賈會星（1978－），男，安徽來安人，工學碩士，滁州職業技術學院機電系汽車教研室主任，講師。