汽車側翻分析及試驗檢測

王昉顥，涂懷年

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汽車側翻分析及試驗檢測

王昉顥，涂懷年

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

汽車在行駛中側翻是最為嚴重威脅乘員安全的一種事故，其與汽車穩(wěn)定性和人員操縱密切相關。造成汽車側翻的因素很多，為了明晰汽車發(fā)生側翻的原因，對汽車發(fā)生側翻和對汽車靜態(tài)穩(wěn)定性檢測進行了分析闡述，以便明晰防范汽車側翻的方法。

汽車；側翻；試驗；模擬計算；防范

前言

汽車在行駛過程中發(fā)生側翻事故率是5%左右，雖然概率不高，但事故造成的死亡率卻高達30%到40%，汽車側翻是影響車內及車外人員安全的嚴重事故。影響汽車側翻穩(wěn)定性因素很多，汽車自身因素有汽車重心高度、輪距、懸架型式、過度轉向、主動防范系統(tǒng)等等，外界因素有路面附著系數(shù)、車速、轉彎半徑、駕駛員操作、以及天氣環(huán)境等等，所以汽車側翻是在人、車、路、自然相互影響及相互作用下產生的結果。

外界影響汽車側翻因素十分復雜，而且大部分因素難以控制，改善效果有限。很多汽車生產企業(yè)致力于研究改善汽車自身狀態(tài)，以簡單有效的方法是提升汽車主動安全系數(shù)，來提高汽車側翻穩(wěn)定性。

1 汽車側翻分析

在特殊天氣下，如雨雪天氣，使得路面的摩擦系數(shù)變小，或者過度磨損的輪胎和錯誤的輪胎氣壓等，均可減小摩擦系數(shù)，加之駕駛員對汽車操作不當?shù)雀鞣N因素影響，都有可能造成汽車的翻車，尤其彎道超速和突發(fā)情況下過度調整方向，極容易造成汽車側滑或翻車。

圖1

汽車側翻的機械特性可通過轉彎過程中穩(wěn)定車身的受力均衡性來分析。汽車在轉彎過程中，會產生地面作用在輪胎上的側向平衡力f和作用在汽車重心上的側向加速度，如圖1所示。通常重心偏高、輪距較窄的汽車，尤其是卡車，載重量大、重心高，在轉彎時汽車慣性也大，更加容易翻車。

汽車側翻基本分為兩種：一種是“絆倒”側翻，當側向加速度大于輪胎與地面的橫向摩擦力時，汽車就會發(fā)生側滑，如與路面上的障礙物側向撞擊而將其“絆倒”；另一種是曲線行駛引起的側翻，當汽車轉彎時側向加速度隨未大于輪胎與地面摩擦力，但側向加速度產生的轉矩抬升車輛內側輪胎，造成內側輪胎支撐重力的反力為零時而引起的汽車側翻。如圖2所示當汽車側翻開始發(fā)生，汽車重心位置升高并以圓弧的軌跡向外側車輪偏移，使平衡側向加速度能力減小。

圖2

當汽車發(fā)生傾斜時，如果車速和轉彎半徑未發(fā)生變化，如圖3所示，側向加速度產生的轉矩會逐漸增大，而重力產生的反向穩(wěn)定轉矩會逐漸減小，從而加速汽車的側翻。所以在公路設計中，合理考慮在道路轉彎處設計一定的橫向坡度，用道路外側比內側高的曲度加大汽車轉彎時重力克服側向加速度產生轉矩的能力。同時，在轉彎過程中駕駛員也要務必降低車速，來降低側向加速度產生的轉矩。以便提高汽車的橫向穩(wěn)定性。

圖3

2 側翻試驗檢測

汽車側翻簡單的可以歸納為側向力（主要是側向加速度）與地面阻力（摩擦力或障礙物阻力）作用下產生的扭矩而造成的汽車翻轉。如果對行駛中的汽車進行側翻試驗，試驗中發(fā)生人員和汽車的事故風險比較大，所以我國現(xiàn)行對側翻穩(wěn)定性試驗檢測是利用側翻試驗臺對汽車靜態(tài)側傾角度進行判定，同時國家在標準中對汽車最小側傾穩(wěn)定角限值也做了強制性規(guī)定。

GB7258-2017《機動車運行安全技術條件》4.6條款和消防車第1部分：通用技術條件GB7956.1-2014 規(guī)定的各車型最小側傾穩(wěn)定角度如表1所示。

表1

2.1 側翻試驗臺操作

汽車的側翻試驗應在符合GB/T 14172《汽車靜側翻穩(wěn)定性臺架試驗方法》要求的側翻試驗臺上進行，試驗臺經過校驗合格并且在有效期內。

在試驗前，要對側翻試驗臺系統(tǒng)進行標定，并且啟動試驗臺，使空載試驗臺上升至45°（或測試要求的最大角度），根據上升時間和上升角度計算上升速度，然后控制試驗臺下降，使試驗臺面傾斜角度回復為0°，根據下降時間和下降角度計算下降速度。若上升速度不大于10°/min，下降速度不大于27°/min可進行側翻試驗。

在試驗準備過程，將汽車縱向對稱平面與試驗臺轉動中心線平行，并實施駐車制動。在側翻中心一側輪邊處安裝防側滑擋塊對車輪進行阻擋，使汽車無法滑動，并且安裝專用的防側翻安全設備，安全設備對汽車的約束力在汽車達到側翻臨界狀態(tài)前均應為零。在汽車裝有載荷進行試驗時，需要對模擬載荷進行適當定位，以防側翻時發(fā)生突然位移造成事故。

2.2 側翻數(shù)據分析

試驗時側翻試驗臺角度α不斷的增大，當汽車重力分解在對側翻臺的壓力和下滑力對汽車產生的轉矩相等時，此時汽車側翻達到臨界位置，在忽略懸架和輪胎彈性變形的情況下，G·h1·sinφ=G·h2·cosφ時，為汽車側翻的臨界點，如圖4所示。

圖4

但在實際情況下，當汽車產生側向力時，一側懸架及輪胎承載力會大于另一側，兩側輪胎承載力隨傾斜角α增加而變化，這樣造成一側彈性元件變形大于另一側，使重心位置發(fā)生偏離，如圖5所示。從而加劇了車身的傾斜，所以當實際汽車側翻達到臨界位置時，傾斜角度小于α。

圖5

考慮到汽車重心位置未在汽車縱向中心線上，并且左右懸架系統(tǒng)剛度有可能存在差別，測試結果應為汽車左、右側翻穩(wěn)定角三次測量結果的算術平均值，取值到十分，如果同側三次測量值相對誤差超過3%，應重新測試。這種試驗方法對于測量重心較高的和側翻角度較小（一般20～35度）的卡車比較精確，對于側翻臨界點比較大的乘用車（大于45度）來說，作用在汽車上向下的重力分力大幅降低，從而導致汽車提前發(fā)生側翻，造成試驗失效，所以在試驗時設計或施加一個側向力于重心位置。

3 側翻模擬計算

汽車裝載在側翻臺上試驗需要滿足：1）總質量為最大允許總質量；2）各軸軸荷不得超過最大允許軸荷；3）用水或其他非危險品作為替代載荷裝載進行試驗，罐體充裝率不得小于70%；4）有隔倉的罐體要分倉裝載，車軸或車軸處重心高度應接近實際高度。對于無法滿足以上試驗負載的汽車，應采用模擬計算法。對于側翻模擬計算需要設定幾個基本條件：1）車軸側傾中心設定于地面；2）車身結構為剛性；3）汽車具有對縱向中心線的對稱性；4）輪胎和懸架系統(tǒng)的負載與變形呈線性；5）不計懸架水平方向變形。

在側翻模擬計算中，首先根據公式（1）計算每個軸的懸架的側傾剛度和公式（2）計算每個軸的虛擬車輛側傾角。

CDRESi為著地點復合總側傾剛度（kN·m/rad）

i 為懸架裝置序標

FGVi為單側懸架垂直方向線性剛度（kN·m/rad）

TNi為車軸上車輪名義輪距（m）

MAi為輪胎寬度（m）

HN為簧上重量重心的高度（m）

mi為著地點懸架滾動軸線名義高度（m）

FRVi為軸輪胎總垂直方向線性剛度（kN·m/rad）

Φi 為輪子離地時虛擬車輛側傾角度（rad）

TNi為車軸上車輪名義輪距（m）

MAi為輪胎寬度（m）

根據以上公式計算出每個懸架裝置的側傾剛度和虛擬車輛側傾角后進行各參數(shù)總值計算。

TT為平均有效輪距（m）

Ai為懸架裝置負載（kN）

AT為車輛總重（kN）

AK為牽引銷座上載重（kN）

TK為半掛車輪距（m）

CDREST為總側傾剛度（kN·m/rad）

CDRESi為著地點復合總側傾剛度（kN·m/rad）

CDRESk為牽引銷傾剛度（kN·m/rad）

qm為第 1 個輪子離地時的側向加速度與重力加速度的比值

qT為理論上翻轉時側向加速度與重力加速度的比值的最大理想值

AM為帶有最低Φ值的懸架裝置的車軸載荷（kN）

TM為帶有最低Φ值的懸架裝置的輪距（m）

TT為平均有效輪距（m）

CDRESM為帶有最低Φ值的懸架裝置的側傾剛度（kN·m/rad）

CDREST為總側傾剛度（kN·m/rad）

AT為車輛總重（kN）

HG為車輛重心的高度（m）

UT為車輛簧下總重（kN）

HN為簧上重量重心的高度（m）

對i軸第 1 個輪子離地時的側向加速度與重力加速度比與最大理論值采用線性插值法計算得到翻轉時修正的側向加速度和重力加速度的比值：

qC為修正的側向加速度和重力加速度的比值

最后根據修正的側向加速度和重力加速度的比值qC進行反正切arctg（qC）計算得出模擬計算的側翻角度。

4 側翻防范分析

對汽車側翻防范可以通過汽車自身因素，比如降低汽車重心，增加輪距等來改善，但是由于汽車通過性和國標限值等要求，對改變汽車狀態(tài)有了一定的限制。

現(xiàn)階段最直接、最有效的方法就是在汽車中加入了防側翻的主動安全系統(tǒng)，常用的是電子穩(wěn)定系統(tǒng)(Electronic Stabili -ty Program，簡稱ESP)和防側翻穩(wěn)定性控制（Roll Stability Control，簡稱RSC）。

電子穩(wěn)定系統(tǒng)包含防抱死剎車系統(tǒng)（ABS）和驅動輪防滑系統(tǒng)（ASR），是車身穩(wěn)定性控制的綜合策略，也可以說它是兩種系統(tǒng)上的一種延伸的功能，在提升汽車操控性的同時、有效的防止汽車達到其動態(tài)極限時失控，從而提升汽車的安全性和操控性，同時起到防止汽車發(fā)生側翻。

電子穩(wěn)定系統(tǒng)由電子控制單元（ECU）、傳感器和執(zhí)行裝置三大部分組成，通過輪速傳感器、方向盤轉角傳感器、側向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器、制動主缸壓力傳感器等感知汽車運行狀態(tài)，將信號輸送至電子控制單元，由執(zhí)行裝置對汽車的發(fā)動機及制動系統(tǒng)進行干預和調整。其主要對汽車縱向和橫向穩(wěn)定性進行控制，保證汽車按照駕駛員的意識行駛。

防側翻穩(wěn)定性控制是基于ABS的防側翻穩(wěn)定性控制，相對于電子穩(wěn)定系統(tǒng)而言，它主要應用于高附著系數(shù)路面，相對成本較低，而且也較容易實現(xiàn)。防側翻穩(wěn)定性控制是在RSC系統(tǒng)的電控單元中加入了一個橫向加速度傳感器，實時測量汽車的橫向加速度，并計算臨界加速度限制，當橫向加速度接近這一臨界點時，系統(tǒng)就會激活原有的ASR電磁閥和驅動橋的ABS電磁閥，對驅動橋進行制動，降低車速，從而控制汽車的行駛穩(wěn)定性，并且，RSC系統(tǒng)會通過CAN總線同時控制發(fā)動機和緩速器的輸出扭矩，有效的避免翻車事故的發(fā)生。

5 總結

介于汽車發(fā)生側翻對人員安全影響很大，汽車的重心、輪距、懸架、轉向、主動安全部件等諸多參數(shù)配置的確定在設計研發(fā)時應高度重視，在標準限值和滿足汽車用途的前提下，盡量降低重心、加寬輪距、提升懸架剛度、增加主動安全部件等。同時道路轉彎橫向坡道、半徑、附著系數(shù)及限速的設計也要充分考慮防止汽車發(fā)生側翻事故。通過以上的分析，對汽車和道路設計提供相應的理論支持。

[1] 韓建保,云志剛,陳厲兵.汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP的工作原理及應用.汽車電器.2004年第4期.

[2] 機動車運行安全技術條件.GB 7258-2017.

[3] 汽車靜側翻穩(wěn)定性臺架試驗方法.GB/T 14172-2009.

[4] N類和O類罐式車輛側傾穩(wěn)定性. GB 28373-2012.

Analysis and Test of Vehicle Rollover

Wang Fanghao, Tu Huainian

( Shaanxi Heavy Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

Vehicle rollover is the most serious accident threatening the safety of passengers, which is closely related to vehicle stability and personnel manipulation. There are many factors that cause vehicle rollover. In order to clarify the causes of vehicle rollover, the vehicle rollover and the static stability test are analyzed and elaborated in order to clarify the methods to prevent vehicle rollover.

Vehicle; Rollover; Testing; To guard against

U467

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1671-7988(2019)09-164-04

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王昉顥，就職于陜西重型汽車有限公司。

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