客車動態(tài)側傾穩(wěn)定性的測試方法探究

魏卓

奇瑞萬達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傾所導致的側翻事件占比較為巨大，據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球在交通事故發(fā)生中，由于客車側傾問題所引發(fā)的事故占比就已經接近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行穩(wěn)定性，保障客車運輸安全，需要在客車出廠之前對其進行動態(tài)側傾的穩(wěn)定性測試，從而判斷客車的基礎性能。

2 客車側傾的仿真模型建立

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

2.1 線性三自由度模型

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

首先，在模型建構當中，為了能夠單純地進行動態(tài)側傾的評價和模擬，需要通過對左右兩側的車輪進行動力學分析，并通過X軸對稱的方式，對車輪實時位置信息進行獲取，與此同時，需要忽略掉客車在運行過程中俯仰方向上所形成的縱向動力特征；其次，由于輪胎與客車本身具有較小的轉角，因此設定的質心速度數(shù)值應當為近似常數(shù)；其三，應當對不構成動態(tài)側傾影響的后軸、非簧載質量以及輪胎和懸架線性因素等影響進行忽略，避免使模型數(shù)據(jù)過于復雜；最后，應當對客車運行狀態(tài)中的橫向速度。橫擺角速度以及側傾角變化規(guī)律進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并根據(jù)客車行駛速度的變化，構建線性處理方法。

2.2 客車輪胎側向力模型

在客車的運行過程中，客車隨著輪胎轉動會與地面之間形成接觸的摩擦力，這個摩擦力就是客車所具有的輪胎側向力。側向力在客車運行中影響深遠，一旦發(fā)生變化或波動，就會造成客車出現(xiàn)側傾現(xiàn)象，進而造成側滑、甩尾甚至是側翻[1]。在相關研究中，研究人員通常會將輪胎側向力數(shù)據(jù)和輪轉角數(shù)據(jù)相互結合形成輪胎側向力模型，通過模型對客車運行狀態(tài)進行分析。側向力模型的建設為了保證準確性和針對性，一般不對非線性因素進行分析，因此能夠造成側向力偏移影響的數(shù)據(jù)都可以通過聯(lián)立方程來完成表現(xiàn)。在模型內部，前輪的側向力數(shù)據(jù)為Fj，后輪側向力數(shù)據(jù)為Fi，而主要的數(shù)據(jù)內容為輪側偏剛度數(shù)值，用kj和ki進行表示，側偏角數(shù)值則通過βj和βi來進行表示。模型計算方法如公式1所示。

公式1：Fj=-kjβj

通過聯(lián)立方程可以最終獲得輪胎側向力和輪胎轉角之間存在的關系，從而表現(xiàn)出客車在車輪胎與地面之間關系中，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對客車動態(tài)側傾進行描述。

3 基于客車動態(tài)側傾規(guī)律的測試方案設計

3.1 客車動態(tài)側傾形成的規(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傾的可能，這種側傾由于客車狀態(tài)的不同可以被分為靜態(tài)側傾和動態(tài)側傾。其中靜態(tài)側傾為客車靜止狀態(tài)發(fā)生側傾，而動態(tài)側傾為客車的運動狀態(tài)發(fā)生側傾。本文所研究的為動態(tài)側傾現(xiàn)象。一般來說，客車在行使過程中發(fā)生側傾主要由幾個方面的特征，首先是急速轉彎特征，客車在行駛中，車速較高，而在過彎時，由于彎道半徑較小，客車受到向心力影響，會向內彎發(fā)生側傾；其次是緊急避障特征，客車處于中低速行駛時，為了避免前方障礙，需要大幅度轉動方向盤，造成側傾；其三是超車特征，客車駕駛員為了超越前方車輛，需要進行三次以上的轉動方向盤操作，而在這個過程中，客車容易出現(xiàn)側傾。

3.2 利用模型開展穩(wěn)定性測試

開展對于客車的動態(tài)側傾穩(wěn)定性測試，可以在模型之中對真實動態(tài)情況進行模擬仿真，從而完成側傾穩(wěn)定性的評價。一般來說，模型測試對于客車的分析，主要的分析對象在與客車行駛時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)響應測試

在模型分析當中，通過對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)出的側傾變化情況，被稱為客車的穩(wěn)態(tài)響應，通過穩(wěn)態(tài)響應的模擬可以對真實情況下客車在進行轉彎時的動態(tài)側傾情況作出判斷。在分析中，一般需要依托力平衡原則，對客車圓周運動下的橫擺角速度進行獲取，并將計算所得的角速度增益作為客車穩(wěn)態(tài)響應評價的指標數(shù)值。

在實際分析中，分析人員一般利用客車在不同運動狀態(tài)下的前后軸距變化作為計算方法，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K值為零時，表明當前狀態(tài)下客車運行狀態(tài)為中性轉向，這一時間段內，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系，其中，隨著車速的不斷增加，橫擺角速度也會隨之增加。此外側傾角增益同樣會隨著車速增加而增加；當K值為正數(shù)時，表明客車當前狀態(tài)為不足轉向，客車的橫擺角速度增益并不能夠與車速之間構成現(xiàn)行關系。當行駛速度為時，作為特征車速。橫擺角增益數(shù)值將達到最高，隨后又逐漸降低；當K值為負值時，客車則為過度轉向。這一狀態(tài)之中，橫擺角所表現(xiàn)出的速度增益則會與行車速度呈現(xiàn)出同步增加趨勢。當行車速度達到臨界值時，其所形成的橫擺角增益則會表現(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隨K值變化發(fā)生變化，逐漸減小。

3.2.2 側傾平衡穩(wěn)定性測試

在客車運行過程中，容易受到環(huán)境或公共交通服務需求的影響，出現(xiàn)極限工況條件，在這種行駛條件之中，車輛會由于喪失穩(wěn)定性平衡而使得客車內側輪胎出現(xiàn)垂直負荷變化，當垂直負荷降低為零時，外側輪胎所構成的垂直負荷則會無限增加，最終造成不平衡而發(fā)生側傾。在模型分析中，一般需要對兩側輪胎的垂直負荷變化情況進行模擬，再利用穩(wěn)定性約束條件對客車失控狀態(tài)進行分析，最終依托平衡條件對客車穩(wěn)定性進行評價，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 動態(tài)穩(wěn)定系數(shù)測試

在客車的設計和生產過程中，由于受到既有的設計標準和要求，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。但是在實際的客車運行中，客車的穩(wěn)定性還會受到方向盤轉動、車速變化的影響，因此需要全面衡量側傾影響條件，利用穩(wěn)定性系數(shù)對影響因素進行表達。相較于靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)，動態(tài)穩(wěn)定系數(shù)的測試分析在模型之中應當具備幾個要素。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] 。動態(tài)穩(wěn)定系數(shù)中系數(shù)越大，表明客車抗側翻能力越明顯，側傾危險性就越低；其次，動態(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，在進行模型測試時需要從多個方面進行危險性判斷；最后，動態(tài)穩(wěn)定系數(shù)應當考量客車各零部件參數(shù)，描述參數(shù)變化下的影響特點。

4 客車防側傾的應對策略

在目前的技術手段之中，為了合理避免客車出現(xiàn)動態(tài)側傾現(xiàn)象，控制危險系數(shù)，一般采用電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)ESP加以控制。在系統(tǒng)內部，ESP系統(tǒng)能夠通過對客車的縱向和側向兩個方向的綜合控制，對客車的運行狀態(tài)進行識別。一旦客車出現(xiàn)狀態(tài)誤差時，ESP系統(tǒng)能夠利用閉環(huán)控制方式迅速識別，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制動方法，在本文所在單位的客車設計中，一般客車都預先安裝有TCS系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的運用使得差動制動不需要額外加裝制動裝置，客車可以通過預警算法來完成側翻控制。ESP在判斷車輛平穩(wěn)運行時，則直接關閉制動算法，維持穩(wěn)定運行。

5 結語

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