車輛側翻穩定性研究現狀與對策

高攀 陳世興 鄒胤 劉揚開 王文慶 李國杰

（1. 廣東技術師范大學工業實訓中心, 廣州 510000；2. 廣東技術師范大學汽車與交通工程學院, 廣州 510000）

主題詞：汽車工程 側翻穩定性 側翻建模 側翻預警 防側翻控制

LTR Lateral load Transfer Ratio

TTR Time To Rollover

ESP Electronic Stability Program

1 前言

隨著汽車在生產、生活中的普及和應用，人們對汽車可靠性和安全性的要求不斷提高，然而汽車側翻屢有發生，尤其是重型牽引車和重型自卸車，由于此類車輛尺寸大、質心高，當駕駛員緊急躲避障礙物而急速轉向時，車輛極易側翻，造成較大的人員傷害和經濟損失。另外隨著智能駕駛汽車的研發，緊急情況下車輛安全操作閾值對于避免事故尤為重要，因此需要加大對車輛側翻穩定性的認識和研究。

本文從側翻的定義出發，細化了側翻的傳統分類，分別闡述了不同類型車輛側翻的特點、影響因素和研究方法，系統總結了與側翻相關的影響因素，并對側翻試驗和仿真研究方法應用領域做了對比，最后闡述了主動防側翻控制和側翻預警熱點技術，并展望了側翻研究方向，以期為車輛側翻研究和工程應用提供參考和指導。

2 側翻分類

從引起車輛側翻的主要原因來分，汽車側翻可以分為曲線側翻和絆倒側翻，曲線側翻是指汽車在道路上行駛時，由于側向加速度達到一定的限值，使得汽車內側輪胎的垂直反力為0 N，車輛繞車輛縱軸轉動超過90°；絆倒側翻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”。對比來看，曲線側翻是車輛在自身較大側向加速度情況下的失穩，主要是由于車速較快時快速轉向引起，而絆倒型側翻則是在外界瞬時較大側向、垂向力或加速度輸入下的失穩，主要是側向滑移絆倒或者單側車輪經過路面凸包引起，數據統計顯示絆倒型側翻數量遠超過其它類型的側翻。

曲線側翻從側翻過程來看可細分為準靜態側翻和瞬態側翻，區別主要是達到側翻閾值的速度，準靜態側翻是以較為平穩的狀態達到側翻閾值，具體參數來看主要是車輛從正常行駛狀態到失穩側翻過程中，其側傾角逐漸增大，側傾加速度數值較小并保持相對穩定，比如車輛轉彎和穩態回轉試驗工況，是一個準靜態過程；瞬態側翻則是車輛高速行駛中以較快的速度轉動轉向盤，在短時間內達到甚至超過車輛側翻閾值，具體參數來看，側翻過程中側傾角在較大側傾角加速度下急劇增大，短時間內達到甚至超過側翻閾值，因此不可忽視慣性力的影響，可看作是動態響應過程。與曲線側翻不同，絆倒側翻主要是車輛與地面之間的附著力不夠導致側向滑移，與障礙物撞擊而絆倒，絆倒型側翻與車輛外界因素關聯性較大，如路面附著力、側滑速度、路面障礙物等，對比如表1所示。

表1 車輛側翻分類

3 側翻穩定性評價指標

車輛側翻穩定性評價指標可用于判定車輛的主動抗側翻能力，是描述車輛側翻安全性的重要指標。依定義，車輛繞縱軸旋轉90°以上才能稱得上為側翻，但車輛在轉動角度不超過90°達到或接近側翻指標時就處于一種不穩定的狀態，整車就有側翻的傾向，合適的側翻指標不僅能指導車輛抗側翻性能設計方向，表征車輛抗側翻性能，需注意的是，側翻指標也是側翻預警和防側翻控制的基礎，由于車輛側翻是人-車-路綜合作用的結果，其側翻因素較多，因此需要綜合考慮精確度和簡便性，選取合適的側翻指標。

側向加速度、側傾角、橫向載荷轉移率是常見的評價側翻穩定性的指標，這些指標一般有2種使用方法，一種是通過傳感器直接測得相關的物理量，或者通過測量參數進行簡單的運算得到側向加速度或側傾角側翻指標，但是直接測量參數由于車輛行駛狀態的差別，只能在準靜態側翻中能有較好的表現，而在較復雜側翻過程中準確率較低，并不能適用所有的工況，如表2所示。另外直接測量的側向加速度、側傾角側翻指標與側翻事故關聯性統計中成正態分布，如需得到要經過大量的仿真和試驗，并通過數理統計得到合適的閾值，可能會降低車輛側向加速能力，降低工程應用精度。Hac A對側傾角、側向加速度在表征車輛側翻狀態進行了詳細的闡述，直接監測的側傾角雖然簡單可以預測平滑路面正常行駛車輛的側傾狀態，但對于載貨汽車、凹凸路面行駛車輛或者大側傾角行駛狀態預測效果較差。而采用側傾率積分得到側傾角的預測方法，不涉及車輛的具體設計參數，可以預測較大的側傾角，也對載荷狀態有較好的適應率，但是對于誤差累計和路面坡度較為敏感，易造成較大的預測誤差，同樣基于懸架測量的側傾角預估對于凹凸路面和坡度路面效果也較差，但基于側向加速度、側傾率、側傾角和側向速度的觀測器模型，根據整車的狀態調整權重參數，可形成預測性能較好的側翻指標。另外一種應用方法是通過動力學建模計算的方式得到側向加速度或者側傾角，通過布置傳感器測量得到動力學模型需要的參數，進行實時計算，得到側向加速度或者側傾角指標，依據預測模型的精度調整動力學模型復雜度，可充分考慮車載質量、懸架設計、減振器調教和輪胎剛度參數，計算出側翻穩定性指標。

表2 側翻穩定性評價指標

橫向載荷轉移率（Lateral Load Transfer Ratio,LTR）表征車輛曲線行駛過程中，車輛橫向左右兩側車輪垂向載荷的轉移情況，如式（1）所示。當車輛正常行駛時，內外側車輪垂向載荷大致相等，LTR 接近于0，當車輛轉彎或者一側車輪離地，LTR接近于1，統一在0～1之間，橫向載荷轉移率LTR準確表征車輛側翻危險的程度與路面附著系數有很大關系，路面附著系數越大，其準確度也越高。徐中明通過大量仿真數據統計，常見路面的附著系數為0.8左右，其準確度可達到35%，當附著系數為0.9，其準確度可到達90%，但是LTR指標并不能通過傳感器直接得到，輪胎與路面之間的載荷同樣也不能通過測量得到。因此，便需要進行動力學模型間接計算得到，公式（1）基于車輛側傾模型，采用車輛自身的設計參數和車身狀態參數，不涉及外部對車輛的輸入，因此指標受到廣泛的應用。

式中，為內側車輪垂向載荷，為外側車輪垂向載荷。=m+m為車輛的總質量，m為簧上質量，m為簧下質量，a為車輛側向加速度，h為車輛簧上質量質心到側傾中心的高度，l為輪距，為車身側傾角。

基于LTR，Phanomchoeng通過整車4 自由度動力學模型，分別考慮簧上垂向和側傾運動以及簧下兩側垂向運動，推導出考慮外界輸入的側翻指標，其推導過程并不復雜，但模型的復雜程度大大增加，且需車身兩側分別增加一個垂向加速度傳感器。改進型指標不僅可以應用于側向加速度過大引起的曲線側翻，也可以應用于外界輸入引起的絆倒側翻。

絆倒側翻包括了側翻階段和翻滾階段，側翻階段主要通過力學建模找出側翻碰撞力和作用時間的關系，翻滾階段一般采用能量的方法描述車輛側翻穩定狀態。當重心投影在未離地一側車輪與地面接觸線上且側傾速度為0時，定義車輛勢能為側翻極限勢能，車輛當前時刻勢能和側傾方向動能之和為側翻總機械能，當側翻總機械能大于極限勢能時，便出現翻滾現象。

4 車輛側翻穩定性影響因素

車輛側翻是人、車、路面綜合作用下，使車輛繞縱軸轉動超過閾值的一種非理想運動，汽車結構復雜，行駛工況多樣，因此側翻涉及到的因素也較多，除駕駛習慣和路面等外在因素，車輛結構參數同樣對側翻具有較大的影響。

駕駛習慣主要涉及車速和轉向盤操作，路面主要涉及路面附著系數和路面障礙物，研究表明車速對于側翻具有較大影響，轉向盤轉動速度對側翻影響相對較小，而與車輛結構相關主要參數包括質量、高寬比、側傾剛度、阻尼和制動力，涉及到整車布置、懸架、輪胎、轉向、制動和橫向穩定桿多個主要零部件。

車輛準靜態側翻是一個近似穩態的側翻過程，側傾角加速度較小且平穩，可忽略慣性力的影響，主要由整車質量、高寬比和路面附著系數決定，瞬態側翻是車輛動態響應的結果，不可忽略側傾剛度和阻尼的影響，除整車布置和懸架系統外，轉向系統、制動系統、輪胎和橫向穩定桿都有一定的影響，而絆倒型側翻受路面影響較大，與整車布置和輪胎附著性能相關，如表3所示。

表3 與側翻穩定性相關的車輛系統

外在因素中，路面附著系數主要決定了側翻發生的概率，在高附著系數道路行駛，當側向加速度較大時，易發生曲線側翻，當附著系數較低時，雖不易發生曲線側翻，但卻容易發生絆倒型側翻。

增大整車寬高比是提高側翻穩定性的基礎和最有效的方法，車輛設計階段便需要綜合考慮整車布置，盡可能降低整車質心高度，提高輪距，有研究表明相同條件下具有0.4側翻閾值的滿載重型貨車發生側翻事故的概率約是0.65的空載重型貨車的10 倍，可見質心高度對側翻閾值具有重要的影響，另外在進行油罐車、混凝土攪拌車抗側翻性能計算時，應考慮車輛行駛中質心高度的變化。

車輛的側傾剛度和阻尼對瞬態側翻有較大影響，主要與懸架系統、減振器、橫向穩定桿、襯套、輪胎零部件相關，依照整車質量合理的匹配懸架剛度，一般懸架剛度越大，阻尼越大，同樣工況下整車側傾角越小，抗側翻穩定性也越好。需注意的是，懸架剛度也不宜過大，且過大的懸架剛度將降低整車的舒適性能，可以通過試驗或建模優化車輛的懸架剛度和阻尼；輪胎剛度對于側翻穩定性的影響與懸架類似，通過調教減振器阻尼系數，可以降低車輛的動態超調量，提升車輛的瞬態抗側翻性能，此外通過優化懸架導向系統，提高側傾中心的位置，減小側傾力臂，匹配橫向穩定桿，同樣可以提升側傾穩定性。目前，液壓空氣懸架較多在高端乘用車和載貨車上應用，其非線性剛度和阻尼特性對側傾穩定性也有較大的改善，在小側傾角或側傾率時側傾剛度較小，保持整車的舒適性，大側傾角或側傾率時側傾剛度較大，保持整車的側傾穩定性。

輪胎側偏剛度對側翻穩定性也有一定的影響，前后輪側偏剛度比越大，車輛的側翻穩定性越低，需注意的是，輪胎側偏特性與輪胎氣壓關系較大，應保證輪胎氣壓不低于標準值。

制動對于側翻的影響主要集中在制動力的分配上，左右制動力的不同使整車產生橫擺力矩，以此降低側翻力矩的作用，采用差動制動控制策略可有效的降低車輛的瞬時側向加速度和橫向載荷轉移率，降低車輛側翻風險，此防側翻控制方案已經得到較多的應用。

5 車輛側翻穩定性研究方法

在整車開發前期，應對整車的側翻穩定性進行規劃設計，保證車輛的側翻穩定性，同時兼顧舒適性、操控性以及承載能力等性能，目前側翻的研究手段主要包括動力學建模、仿真和試驗。

5.1 動力學建模與分析

動力學建模主要是通過建立考慮側傾的動力學方程，研究側翻穩定性的因素，基于研究問題差異和模型復雜程度，國內外學者建立了不同自由度的整車動力學模型，進行車輛的側翻穩定性分析，包括車輛在高速急轉彎時不發生側翻的平衡穩定性分析和汽車受到外界干擾時不會偏離當前狀態的系統穩定性分析。

兩自由度動力學模型只考慮了車輛的橫擺運動和側向運動，是最為簡單的整車側傾動力學模型，如圖1所示。2自由度模型可分析輪胎側偏剛度、車速、質心高、整車整備質量和轉角對車輛橫擺速度、側向速度和加速度的影響，由于簡化過多，不能考慮整車左右側側傾狀態。因此，兩自由度動力學模型結合側傾平面模型，建立3自由度側翻動力學模型，如圖2 所示，包括車輛的側向運動，橫擺運動和側傾運動。該模型簡單但是又反映了側翻的一般規律，因此應用廣泛，該模型成為了研究側翻的基礎模型，許多學者采用該模型分析了質心、車速、懸架剛度、阻尼主要參數對汽車側傾穩定性的影響，且許多學者在此模型基礎上進一步改進模型。宋小文提出了一種考慮懸架和輪胎變形的改進型側翻模型，并基于該模型提出懸架剛度和減振器阻尼系數的調整策略。金智林提出了汽車側翻準動態穩定因子，包含了車速、前輪轉角、輪胎和懸架變形，可以更加全面的表述側翻的狀態。此外，在3自由度側翻模型基礎上，也有一些學者建立更多自由的模型對整車參數進行研究。

圖1 2自由度模型[2]

圖2 3自由度側翻模型[24]

值得注意的是，隨著近年車輛電氣化程度的提高，車輛本身具有的傳感器種類越來越豐富，數量也大幅增加，而動力學模型需要車輛狀態參數的輸入，因此狀態參數的獲取和處理對于模型的準確性和實時性都非常重要。同樣的動力學模型，參數的獲取和數據擬合都對預測結果有較大的影響，需要針對數據的特征選取合適的數據處理方式。Wang C針對側傾角和側傾率估計采用卡爾曼濾波，而采用遺忘因子遞歸最小二乘法估計重心高度。

5.2 仿真建模與分析

動力學建模不僅可用于指導車輛設計方向，而且也能用于車輛狀態實時監測，但存在建模復雜，求解困難，且參數簡化過多的問題，而采用計算機輔助的仿真建模成為研究車輛側翻的重要補充，仿真建模能考慮更多的整車參數，有效提高側翻模型的精度。目前車輛側翻仿真建模主要以基于CarSim、TruckSim和Adams為代表的多體動力學模型為主，綜合考慮質量、質心、懸架、輪胎、橫向穩定桿、車速和轉向建立整車模型，可以更加細化考慮如襯套，桿件連接結構，后續通過零部件試驗和整車試驗進行模型對標，滿足工程應用精度。

整車動力學模型搭建流程如圖3 所示，首先需要獲得建模所需的整車參數和零部件參數，其中整車參數主要關注整車質量分配和整車的慣量信息，包括關鍵總成如動力總成、車架、車身、車橋等質量較大零部件的質量、質心位置以及慣量信息；零部件特性參數主要是懸架、輪胎、襯套，橫向穩定桿等連接件的剛度和阻尼。據此建立整車模型，最后設定仿真行駛工況，便可進行側翻穩定性影響因素分析和參數敏感性分析。采用仿真建模的方法可以考慮更多的參數和更多的自由度，例如高新華采用Adams 建立車輛的124 自由度的仿真模型，分析了J-Turn 工況和魚鉤工況下車輛的行駛狀態，這在數學建模中較難實現。另外，也可以采用仿真模型大批量的研究側翻指標與側翻風險之間的關聯，上千次的側翻工況在現實試驗中基本是不可能完成的。

圖3 車輛側翻仿真建模流程

仿真建模具有建模過程簡單、結果精確、考慮因素全面、計算效率高的優點，但模型精度嚴重依賴試驗對標，對于建模水平和對標水平要求較高。

5.3 試驗搭建與試驗分析

側翻試驗臺是最為常見的準靜態側翻裝置，如圖4所示，側翻試驗臺一側為可伸縮油缸，另一側為鉸鏈和角度傳感器，試驗時整車放置在稱重平臺上，油缸伸長后通過稱重傳感器測量輪荷，角度傳感器測量傾斜角度，當油缸側輪荷為0 時，整車處于臨界側翻狀態，記錄此時角度傳感器的角度，便可評估整車的準靜態側翻穩定性。

圖4 車輛側翻試驗平臺示意[32]

車輛的動態側翻試驗目前較為通用的方法主要是J-turn 試驗和魚鉤（Fish-hook）試驗，具體試驗方法如表4所示，可以看出側翻試驗車速較高，并且轉向劇烈，試驗工況特別危險，限制了側翻試驗的開展，不過隨著近年無人駕駛技術的進步，相信側翻的試驗研究會有進一步的發展。

表4 側翻常用試驗介紹

SAE International推薦的絆倒型側翻試驗臺如圖5所示，車輛放置在側翻試驗臺上，平臺移動過程中突然減速造成車輛的翻滾，以此來研究車輛的翻滾狀態和駕駛員受傷害情況，建立了標準的側翻試驗流程。

圖5 絆倒型側翻試驗臺示意[32]

6 預防側翻的措施

側翻作為最為嚴重的安全問題之一，其危害程度僅次于碰撞事故，隨著我國交通運輸業的發展，汽車的保有量大幅增加，車輛事故數也呈現遞增的趨勢，因此，車輛開發中抗側翻性能研究已經成為車輛安全的重要方面，其中主動防側翻控制和側翻預警是目前主要的2個研究方向。

6.1 主動防側翻控制

車輛在設計階段，應通過合理的結構設計和整車參數匹配，盡可能的提高車輛的側翻閾值。目前，增大寬高比、優化懸架導向桿系提高側傾中心高度、提高側傾剛度和優化側傾阻尼這些手段可以提高車輛的側翻閾值。但是，從研究和市場來看，寬高比受法規和整車參數限制提升空間有限，越是成熟車型其越難以提高，懸架導向桿系也是同樣的情況，一旦車型確定其優化空間也較為有限。隨著車輛向電動化和智能化方向發展，大量新技術和新手段在車輛上開始使用，尤其是主動控制技術得到大量的研究和應用，效果明顯，其中如主動和半主動懸架、主動轉向、差動制動以及懸架轉向制動聯合措施等，在不需要較大變動車輛結構的前提下，可大幅提升車輛的抗側翻能力，降低車輛側翻率。

半主動懸架依據車架或車身側傾角和側傾加速度參數實時調整懸架阻尼力，從而改善車身瞬態側傾振動狀態。相比阻尼，側傾剛度對側傾穩定性影響更大，而主動懸架不僅可以調節阻尼力的大小，也可以調節懸架的剛度提高側傾剛度，從而提升抗側翻穩定性，另外橫向穩定桿在車輛側傾運動中也能提供較大的側傾剛度，目前有些車輛已經配備主動橫向穩定桿系統，在車輛發生側傾狀態下液壓動作，產生反向側傾力矩，可將側傾角和側傾角加速度降低20%～40%，效果顯著。半主動懸架只需要控制阻尼，不需要動力源，能量消耗較小，成本相對較低，主動懸架不僅可實時調節阻尼，也能調節剛度，不僅可以滿足車輛的側翻穩定性，也能滿足車輛的平順性、操控性要求，從使用效果來看，主動懸架對于車輛抗側翻效果遠好于半主動懸架，但成本會增加較多，因此現階段車輛可考慮半主動懸架在車輛上的使用，深入挖掘半主動懸架的優勢，不僅可調節車身側傾振動狀態，也可優化乘坐舒適性。

差動制動通過在左右兩側車輪上分配不同制動力產生的橫擺力矩改善車輛側傾狀態，降低車輛的側向加速度、車輛的側傾角和橫向載荷轉移率的絕對值，提高車輛的側傾穩定性，目前差動制動技術在乘用車領域已經得到較多應用，如電子車身穩定系統（Electronic Stability Program,ESP）便是主動控制制動力的系統，差動制動與制動力大小、輪胎垂直載荷和附著橢圓相關，其中關鍵點便是目標車輪的選擇，首先采用仿真或實驗驗證不同車輪制動下影響相關性，確定控制對象，然后對側翻數據進行分析尋求規律，制定合適的控制策略。從原理來看，差動制動不需要更改太多結構，只需在制動系統上做工作，易于在現有車型中實現。

主動轉向是轉向系統依據預先設計的邏輯，在特定情況下做出相對獨立于駕駛員輸入的轉向干預，表現為車輪轉角修正角度與駕駛員輸入引起的前輪轉向角度疊加控制車輛的行駛狀態，相比無控制狀態，橫向載荷轉移率降低，提高車輛的側翻穩定性，目前線控轉向系統技術的應用不僅可以將車輛的側向加速度限定在安全范圍內，防止車輛在高速急轉彎工況下發生側翻，同時也提高了車輛的操縱穩定性，但是需注意的是主動轉向系統改變了駕駛意圖，可能會躲避不開障礙物，同樣也可以采取主動懸架和差動制動聯合控制的方案進行控制，充分利用各措施的優點，提升車輛側翻穩定性。

6.2 車輛側翻預警

車輛側翻預警系統是在車輛接近側翻閾值前給出預警信號采取措施，避免車輛側翻事故的發生，預警系統主要是基于模型的預警系統，首先采集車速、前輪轉角和側傾角數據，通過整車側翻動力學模型，計算車輛接下來預警時間內的側翻加速度或者橫向載荷轉移率指標，最后依據車輛側翻閾值指標進行車輛狀態判定，基于模型的預警系統其計算精度和模型復雜程度相關，具體算法邏輯如圖6所示，由于整車行駛過程中，預警算法一直處于計算中，除側翻預警算法外，為了減輕計算量，相對會設定一個預警時間閾值，一般為2～3 s，如在預警時間閾值內不發生側翻，則認為車輛處于安全狀態，側翻預警算法的研究同樣采用仿真的方法，通過動力學模型與MATLAB∕Simulink聯合仿真便可以評估算法有效性。

圖6 側翻預警流程

7 車輛側翻研究方向

車輛的準靜態側翻通過計算和試驗已經能夠取得較準確的結果，但是瞬態側翻和絆倒型側翻影響因素復雜，且試驗成本和風險較高，仍需進行更為深入的研究，目前車輛側翻穩定性的研究重點主要包括以下3點：

（1）建立更加準確的側翻預警模型

側翻預警模型的精度和復雜度一般是矛盾的，建立滿足工程精度的側翻動力學模型，盡可能降低模型計算量，一個合理的模型是研究車輛側翻問題和側翻預警的基礎，不僅可對車輛側翻參數進行敏感性研究，而且可以在整車設計初期對抗側翻性能做出控制和預測。目前，無論數學模型和仿真模型都缺乏足夠多的試驗數據修正和對標，因此有必要進一步提升模型的精度和適應性。

（2）預防側翻的措施

側翻事故經常造成嚴重的經濟損失和人身傷害，因此，不斷采用新的技術手段提升車輛的防止側翻穩定性，降低側翻事故率將仍然是未來車輛安全的重要內容，隨著車輛電動化和智能化的發展，車輛的控制、傳感、通信、計算能力都得到了大幅提高，可預期防側翻控制技術和預警技術仍將持續是主要的車輛穩定性研究方向，性能將會得到極大的提升。

（3）抗側翻性能與整車操穩性，平順性的匹配

車輛的抗側翻穩定性是操控性的重要組成部分，操控性和平順性都是車輛的重要特性，一般來說，操控性和平順性之間是矛盾的，如何在成本的約束下兼顧各性能仍未來的研究重點。

8 結束語

本文對側翻分類、側翻穩定性評價指標、影響因素、研究方法以及防側翻措施進行了總結，以期對側翻有一個全面的了解。車輛模型搭建和影響因素分析是理論研究和工程問題解決的基礎，也為車輛正向設計開發提供依據，防側翻措施則為工程應用提供參考，隨著車輛向電動化、智能化、網聯化發展，車輛智能駕駛的安全性將成為重點關注對象，主動防側翻控制和側翻預警仍將會得到持續的關注和提升，同時車輛的傳感技術、控制技術、算法和計算能力都得到極大的提高，整車的行駛狀態參數更加全面，預防側翻的措施將會更加多樣，側翻動力學模型更加精確，優化控制算法響應更加迅速。本文對車輛側翻相關內容進行了系統化、規范化梳理，為其理論研究和工程應用提供了參考和指導。