路面對客車側(cè)翻性能影響的探究

丁濤，彭旺

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司電動客車開發(fā)中心，廣東深圳518118）

路面對客車側(cè)翻性能影響的探究

丁濤，彭旺

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司電動客車開發(fā)中心，廣東深圳518118）

推導客車側(cè)翻的臨界碰撞時刻的角速度，從能量轉(zhuǎn)化的角度分析客車的側(cè)翻過程，闡述不同摩擦副上客車側(cè)翻性能的差異。最后通過仿真分析不同摩擦副上客車的側(cè)翻情況，得出摩擦副摩擦系數(shù)與客車骨架變形程度的關(guān)系。

客車側(cè)翻；摩擦副；仿真分析

據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示［1］，2012年一次死亡5人以上事故中，70起為客車翻墜事故，占28.5%，同比上升5個百分點。25起重特大事故中，12起為客車翻墜事故，占48%。特別是在西南地區(qū)，71%的重特大事故為客車翻墜事故。根據(jù)美國交通安全局統(tǒng)計，客車側(cè)翻事故死亡率是前后碰撞死亡率的6倍［2］。不同碰撞形式事故比例與人員死亡率對比中，正面碰撞占總數(shù)的65.7%，導致死亡人數(shù)占總數(shù)的31%；而側(cè)翻事故占據(jù)事故總數(shù)4.2%，導致了傷亡人數(shù)占總?cè)藬?shù)的33%［3］。在重大事故中，以客車的側(cè)翻事故居多，且造成的生命財產(chǎn)損失較大。客車的側(cè)翻性能與其翻倒后碰撞的路面有關(guān)。本文研究不同摩擦副的摩擦系數(shù)對客車側(cè)翻性能的影響情況。

1　客車側(cè)翻

1.1側(cè)翻的試驗標準及模型的建立

國標GB 17578-2013［4］客車的側(cè)翻試驗臺標準參考ECER66［5］法規(guī)，但新修訂的國標修改了客車試驗時客車翻轉(zhuǎn)軸離撞擊面的高度差。由ECER66［5］法規(guī)中的800±20mm，修改為800～820mm之間，這使得試驗條件較ECER66更為嚴苛。

試驗的客車側(cè)翻平臺（見圖1）包括客車旋轉(zhuǎn)起始水平面、客車側(cè)翻撞擊水平面、翻轉(zhuǎn)支撐平臺、擋塊等。

1.2側(cè)翻臨界碰撞的角速度

由能量守恒可以得到客車側(cè)翻時臨界碰撞的角速度，可用如下公式表示：

式中：ω為客車臨界碰撞位置時的角速度；m為客車自身的質(zhì)量；g為重力加速度；△h為客車從臨界翻轉(zhuǎn)（客車質(zhì)心最高點處）到臨界碰撞位置的高度差；Iω為客車旋轉(zhuǎn)過程中繞旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。

1.3側(cè)翻碰撞面的摩擦系數(shù)

對于不同的行駛路面，其粗糙程度不同，那么客車發(fā)生側(cè)翻時情況也就會有差異。表1是幾種常見材料摩擦副的部分摩擦系數(shù)［6］。

表1　常見材料摩擦副的試驗系數(shù)

1.4客車側(cè)翻的能量構(gòu)成

客車骨架變形到最大之后，質(zhì)心與接觸點之間仍然有力矩存在，如圖2所示。客車的質(zhì)心將繼續(xù)下降直到重力作用線通過接觸點為止，側(cè)翻穩(wěn)定后的狀態(tài)如圖3所示。車身在變形過程中，在初速度的影響下會與碰撞面之間產(chǎn)生相對滑動，滑動距離的長短則與車身骨架和碰撞面的粗糙程度有關(guān)。

客車側(cè)翻分析過程中所產(chǎn)生的動能、內(nèi)能等均由客車的勢能轉(zhuǎn)化而來［7］。內(nèi)能主要是客車骨架變形吸收的能量，此外，客車與地面還有相互摩擦產(chǎn)生的熱能?？蛙囋谡麄€側(cè)翻過程中只有重力做功，其總能量守恒［8］。

1.5客車側(cè)翻能量的相互轉(zhuǎn)化

在整個客車側(cè)翻碰撞試驗過程中，能量轉(zhuǎn)化有兩種理想情況。

理想情況一：客車側(cè)翻后，整車相對地面沒有滑動位移（摩擦力足夠大），隨即速度變化為零。整個質(zhì)心下降做的功和初始的動能全部轉(zhuǎn)化為了車身骨架變形所吸收的能量。這將使得整個車身的變形較一般情況大許多。

理想情況二：客車側(cè)翻后，相對地面沒有摩擦力存在，客車會在水平初速度情況下，沿水平方向一直運動，碰撞接觸后整車的動能基本恒定。由于水平運動的動能相對較大，因此，車身變形吸收的能量并不多，所以變形較輕微。

一般情況是介于理想情況一和理想情況二之間的情況，即現(xiàn)實側(cè)翻中所發(fā)生的情況，既存在車身變形吸收的能量，也存在整車速度衰減當中所具備的動能及車身相對地面摩擦滑動而消耗的熱能等。

2　客車側(cè)翻的仿真分析

數(shù)值仿真是研究客車側(cè)翻碰撞安全性的一個重要手段［9-10］。在客車有限元模型與地面接觸中進行摩擦系數(shù)的設置，將側(cè)翻模型中的摩擦系數(shù)取為0.2、0.3、0.5、0.7（見表1）進行仿真計算，模型設置中的其它相關(guān)參數(shù)保持不變。

2.1客車有限元模型的建立

客車的生存空間是指法規(guī)定義的客車內(nèi)部空間承載人的相對位置空間，相關(guān)法規(guī)標準［4-5］中有詳細的生存空間的規(guī)定。

生存空間創(chuàng)建的正確與否會影響分析的結(jié)果。圖4是按照生存空間規(guī)則［4-5］創(chuàng)建的某12m大客車的有限元模型。

表征客車側(cè)翻生存空間與車身接觸的變量通常有接觸力和立柱與生存空間之間的距離兩種。若客車在整個側(cè)翻過程之中，生存空間與車身之間的接觸力始終為零；或者在客車整個側(cè)翻過程中，生存空間上的任何節(jié)點與客車的立柱之間的距離變化值一直處于正值狀態(tài)（即距離大于零），就可以判定此整車在側(cè)翻過程中滿足了法規(guī)的要求。

2.2生存空間的上端到立柱的距離

側(cè)翻完成后，若生存空間與立柱之間存在正向間隙，可認定立柱未侵入生存空間。圖5是不同摩擦副的客車生存空間上端與立柱的距離［4］（（a）-（d）分析中測量的節(jié)點一致）變化曲線圖（仿真計算時間為從客車與地面碰撞到碰撞后的0～0.45 s）。立柱的編號為從客車前圍向后圍依次編號為立柱1、立柱2、立柱3……立柱8、立柱9。

從圖5的曲線中可以看到，摩擦系數(shù)μ越大，曲線整體更加靠近縱坐標值100mm距離的水平線，曲線的最小值越小。表2統(tǒng)計的是在各摩擦系數(shù)μ下的各立柱與生存空間上端的最小距離。

表2　立柱與生存空間上端的最小距離mm

從表2可以看出，隨著摩擦系數(shù)的增加，各立柱到生存空間上端的最小距離減小。這說明摩擦系數(shù)越大，在側(cè)翻中客車立柱的彎曲變形越大，即立柱離生存空間上端的距離越小。

2.3客車側(cè)翻中的能量變化曲線

計算結(jié)果中會產(chǎn)生glstat文件（在設置輸出的情況下），此報告中包括了客車側(cè)翻過程中涉及到的相關(guān)能量數(shù)據(jù)［11］。最主要的三種能量是動能、結(jié)構(gòu)變形所吸收的能量、側(cè)翻中客車質(zhì)心下降做的功。當客車側(cè)翻時結(jié)構(gòu)達到最大變形狀態(tài)時，一般要求車身結(jié)構(gòu)變形所吸收的能量和客車臨界接觸時的初始動能的比值不得低于0.75［4］。

圖6是某12m大客車在不同摩擦副中側(cè)翻所得到的能量曲線。圖中顯示隨著摩擦系數(shù)的增大，能量曲線相應地（除外功外）都會發(fā)生變化。表現(xiàn)最為明顯的是內(nèi)能曲線和動能曲線，隨著摩擦系數(shù)的增大，內(nèi)能相應地增大、動能相應地減小，與實際情況較為一致。由于側(cè)翻模型相同，除與碰撞面摩擦系數(shù)不同外，客車側(cè)翻中質(zhì)心下降基本一致，額外功曲線表現(xiàn)一致。

從圖7中可以看到，0.3 s時的外功與初始動能都呈現(xiàn)出一條水平直線。初始動能和外功均一致保證了模擬仿真的一致性。動能折線表現(xiàn)為隨著摩擦系數(shù)μ的增大動能不斷減小，而內(nèi)能卻隨著摩擦系數(shù)μ的增大不斷增大。這說明隨著摩擦系數(shù)μ的增大，客車車身變形吸收的能量也在增加，也就是說，客車的變形增加了，同時客車的速度降低了，這與實際情況一致［12］。

3　結(jié)論

從仿真結(jié)果可以看到，摩擦副的差異會對客車的側(cè)翻情況造成影響。從中得出如下結(jié)論：

1）客車在車身與路面相對摩擦系數(shù)較大的情況下側(cè)翻，車身的變形將會更大。

2）客車在側(cè)翻模擬分析時，是否通過法規(guī)，有著極大的相對性；客車側(cè)翻試驗時，試驗的通過性會因不同的試驗地面屬性而不同。當車身與地面的摩擦系數(shù)較大時，結(jié)果會顯得相對保守（即安全系數(shù)較高），反之，則相反。

［1］2012年全國交通事故統(tǒng)計［EB/OL］.［2015-06-06］.http：//www.doc88.com/p-5836862884154.html.

［2］國家統(tǒng)計局.2010年中國統(tǒng)計年鑒［M］.北京：中國統(tǒng)計出版社出版，2010.

［3］許洪國.汽車事故工程［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［4］GB 17578-2013，客車上部結(jié)構(gòu)強度要求及實驗方法［S］.北京：中國標準出版社，2013.

［5］UNECE.R66-Uniform Technical Prescriptions Concerning the Approval of Large Passenger Vehicles with Regard to the Strength of Their Superstructure［S］.2006.

［6］百度文庫.常用材料摩擦系數(shù)［EB/OL］.［2015-06-06］.

http：//wenku.baidu.com/view/0139d50f4a7302768e9939d5.htm l.

［7］趙萍.中型客車上部結(jié)構(gòu)強度安全性仿真分析［D］.西安：長安大學，2012.

［8］查官飛.大客車車身結(jié)構(gòu)側(cè)翻試驗仿真與安全研究［D］.重慶：重慶交通大學，2011.

［9］酒均亮.營運客車側(cè)翻碰撞性能及乘員損傷研究［D］.西安：長安大學，2011.

［10］周鑫美.基于側(cè)翻安全性的客車骨架設計研究［D］.廣州：華南理工大學，2010.

［11］劉果.客車車身骨架側(cè)翻碰撞研究［D］.武漢：武漢理工大學，2012.

［12］付愛軍，雷正保.GL 6460L輕型客車的翻滾碰撞安全性［J］.公路與汽運，2008，（1）.

修改稿日期：2015-06-16

Research on In fluenceof Road Surface on Coach Rollover Perform ance

Ding Tao，PengWang
（Electric BusDevelopmentCenter，BYDAutomobile IndustryCo.，Ltd，Shenzhen 518118，China）

The coach angular velocity of critical collision moment is deduced while a coach is rolling over.The rollover process isanalyzed from the pointof view ofenergy transformation.And the difference of coach rollover performance under different friction pairs ispresented.At last，by simulating the coach rollover situation under different friction pairs，the authorsget the relationship between friction coefficientof friction pairsand the deformation extent of the coach framework.

coach rollover；friction pair；simulation analysis

U461.91

A

1006-3331（2015）05-0009-04

丁濤（1986-），男，碩士；結(jié)構(gòu)分析工程師；主要從事新能源客車結(jié)構(gòu)分析工作。