客车侧翻的运动学分析
客车侧翻仿真与试验分析
客 车 技 术 与 研 究第4期 BUS &COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH No.4 2019作者简介:纪绪北(1985 ),男,硕士;工程师;主要从事客车结构安全和流体的仿真分析工作㊂客车侧翻仿真与试验分析纪绪北,雷发荣,潘亚南,陈 龙(比亚迪汽车工业有限公司,广东深圳 518118)摘 要:根据GB 17578 2013的要求,对某款客车进行侧翻试验和多组参数方案的仿真分析㊂关键词:客车侧翻;仿真与试验;生存空间中图分类号:U467.1+4;U469.1 文献标志码:A 文章编号:1006-3331(2019)04-0016-03Simulation and Test Analysis of a Coach RolloverJI Xubei,LEI Farong,PAN Yanan,CHEN Long(BYD Automobile Industry Co.,Ltd.,Shenzhen 518118,China)Abstract :According to the requirements of GB 17578 2013,the author does the rollover test and the sim⁃ulation of multi-parameter scheme for a coach.Key words :coach rollover;simulation and test;living space 客车已成为中短途的客运主力,然而客车 群死群伤”的事故时有发生,给人民的生命财产带来了巨大的隐患㊂数据统计[1-2],侧翻发生的事故率和死伤人数比例是最高的㊂欧洲和中国相继出台了客车侧翻法规ECE R66[3]和GB 17578 2013[4],对客车侧翻性能提出了明确的要求㊂为了提高客车设计水平,计算机仿真技术在侧翻分析中得到广泛应用[5-10],由于仿真模型中关键参数的设置对仿真的结果影响较大,所以仿真的精度和一致性应与侧翻试验对标㊂1 侧翻有限元模型前处理1.1 侧翻模型的建立根据某款客车的UG 数模,应用HyperMesh 软件进行前处理,将模型离散成二维和三维单元网格㊂根据GB 17578 2013中网格质量要求对网格进行质量检查,符合要求后赋予相应的材料属性和参数㊂仿真模型与实车的质量㊁质心数据见表1㊂表1 质量和质心位置(x ,y ,z )对比质量/tx /mm y /mm z /mm 实车7.09267931.0-187.0仿真模型7.10261241.6-185.6侧翻试验是将整车置于800mm 高的翻转平台上,车轮侧面用阻挡块挡住,平台绕转轴缓慢抬升至车辆临界失稳状态,在重力作用下,整车翻转到水平的水泥地面上㊂此款车型侧翻临界的转动角速度为2.07rad /s㊂1.2 参数设置在侧翻过程中由于结构变形比较严重,结构件之间会出现接触,因此在仿真模型中设置整车骨架结构单元之间的自接触,主要参数:静摩擦系数为0.35,动摩擦系数为0.2㊂整车与刚性地面之间的接触是本文的研究重点,其取值对仿真的结构影响较大㊂在仿真模型中,取值分别为0.2㊁0.4㊁0.6㊁0.8和摩擦绑定(tie)㊂骨架的失效形式和取值对骨架的断裂仿真影响较大,在仿真模型中,采用两种失效形式:等效应变失效值取0.12,等效拉伸塑性应变失效值取0.04㊁0.05㊁0.06㊂2 仿真分析2.1 仿真结果的有效性验证将建立的整车骨架有限元模型提交到LS_DY-NA 进行计算,根据计算资源,设置积分步长,计算总时长为0.3s㊂图1为整车侧翻变形最大时刻的示意61图㊂从整个计算过程的内能㊁动能㊁沙漏能等随时间变化曲线中可知:滑移能为1083.2J,沙漏能为588.6J,都在初始动能51489.1J 的5%之内;Mass⁃ing Scaling 质量增加了0.234t,不超过总质量7.09t的5%;整车的撞击能E c =M ×g ×Δh =4813.13J 小于分析的初始最大动能E k =51489.1J,上部结构的吸收能量E a =3895.7J 大于上部结构需要吸收的总能量E T =0.75E c =3609.75J,满足仿真分析要求㊂图1 侧翻仿真整车变形最大时刻2.2 生存空间测量在侧翻试验中,为了检测车身立柱是否侵入生存空间,通常在车架上固定变形规,位置与车身立柱位置对应㊂在变形规上安装针头,测量试验前后针头伸出的长度,得到车身立柱在侧翻过程中与生存空间的最小距离㊂在仿真分析中同样测量仿真过程中生存空间的测点与立柱之间的最小间距㊂2.3 材料失效断裂在侧翻试验与仿真分析中,因碰撞冲击力的作用,车身结构材料发生大变形,在受力集中位置容易出现塑性铰,从而发生折弯或断裂㊂分析仿真断裂的位置与试验断裂位置的一致性㊂3 数据分析本文以材料的两种失效形式㊁多组失效系数和多组摩擦系数进行侧翻仿真分析,测量生存空间与车身立柱之间的距离,以及统计车身骨架断裂的位置,并与试验结果对标㊂本文方案参数取值见表2㊂其中等效塑性应变是材料在整个变形过程中塑性应变的积累结果,取值范围一般为0.08~0.12㊂Thining 塑性应变是塑性应变的一种细化,是金属材料拉伸变薄达到一定程度后失效,其取值0.04~0.06㊂摩擦系数是侧翻客车车身与刚性地面的摩擦关系,其取值范围一般在0~1之间,或者tie_weld 绑定,tie_weld 是将地面与车身接触摩擦力设置无穷大,阻止车身与地面的滑动摩擦㊂表2 仿真方案参数设置方案失效类型失效取值摩擦系数1~4等效塑性应变0.120.2,0.4,0.6,0.85~6等效塑性应变0.10,0.080.087~9等效塑性应变0.12,0.10,0.08tie_weld 10~12Thininng 塑性应变0.06,0.05,0.04tie_weld 3.1 生存空间距离分析在试验过程中,由于其他因素的干扰,变形规上的针头变形折弯等,部分测点位置的针头数据不可用㊂现以12种方案中的方案6㊁7㊁11数据为例进行统计㊁分析㊂在侧翻试验中剔除异常数据,共获得了23个可用的试验数据,与对应的仿真数据对标进行处理分析㊂将试验中得到的数据位置测点从分析点1到分析点6,再从变形规1到变形规6的位置,分别命名为分析点1至分析点23㊂生存空间与车身立柱的最小距离如图2所示㊂图2 生存空间与立柱间的距离从图2中可以看出侧翻试验值与3种仿真方案中的数据变化趋势有较好的一致性,如分析点1~13的距离都小于0,说明生存空间已与车身立柱发生干涉,仿真与试验结果接近㊂分析点14~23大于0,仿真方案中测点16~23大于0,生存空间与车身立柱之间有安全距离,但是仿真与试验之间存在一定的偏差㊂对上述的12种仿真方案进行数据分析,将试验数据减去仿真分析中的23个测点的数据,得到差值,以 0”为目标值,进行方差和标准差计算,分析仿真71 第4期 纪绪北,雷发荣,潘亚南,等:客车侧翻仿真与试验分析值与试验值的偏离程度㊂结果见表3㊂表3 生存空间距离数据处理结果方案1方案2方案3方案4方案5方案6方差9555.096998.374787.622843.631769.32473.14标准差97.7583.6669.1953.3342.0621.75方案7方案8方案9方案10方案11方案12方差150.24340.17404.4183.86457.101725.75标准差12.2618.4420.1113.5621.3841.54从3表可知:1)从方案1到方案4可以看出,在失效形式和取值相同的情况下,摩擦系数越大,生存空间与立柱最小距离的仿真值与试验值越接近;2)从方案4到方案6可以看出,在失效形式和摩擦系数相同的情况下,失效取值越小,生存空间与立柱最小距离的仿真值与试验值越接近;3)从方案6到方案8可以看出,在摩擦绑定(tie),失效为等效塑性应变时,失效取值对结果的影响不大,生存空间与立柱最小距离的仿真值与试验值较接近;4)从方案10到方案12可以看出,在Thining失效,摩擦绑定(tie)时,失效取值越大,生存空间与立柱最小距离的仿真值与试验值越接近㊂3.2 断裂失效分析将仿真结果进行断裂失效位置统计分析,并与试验结果进行对比分析研究㊂方案7至方案12仿真结果中骨架断裂位置数量情况统计结果见表4,其中A 代表仿真断裂试验未断裂位置数量,B代表仿真与试验断裂情况一致位置数量,C代表仿真未断裂试验断裂位置数量,D代表仿真准确度,计算公式如下:D=B A+B×100%表4 断裂失效数据分析A B C D/%方案7/86/132/26/625/13.3方案9/1020/04/54/316.7/100方案11/121/56/82/085.7/61.5从表4可知,方案7㊁8和9仿真与试验断裂情况一致性较差;仿真中断裂位置与方案10和11相比较多;方案10和11仿真断裂情况与试验较为接近㊂4 结束语综合考虑生存空间与车身立柱距离和车身断裂情况,在客车侧翻仿真分析中,车身材料失效设置为Thininng塑性应变,大小设置为0.06,车身与地面的摩擦设置为tie_weld即可获得与试验较为接近的结果㊂采用此参数的客车侧翻仿真分析有利于准确㊁快速地改进整车设计,节约时间和成本,提高客车侧翻认证通过的可能性㊂参考文献:[1]孙超.汽车侧翻安全的CAE仿真研究[D].沈阳:东北大学,2010.[2]李毅.大客车侧翻碰撞安全性设计与优化关键技术研究[D].广州:华南理工大学,2012.[3]ECE R66/01.Uniform Technical Prescriptions Concerning the Approval of Large Passenger Vehicles with Regard to the Strength of Their Superstructure[S].2006.[4]全国汽车标准化技术委员会.客车上部结构强度要求及试验方法:GB17578 2013[S].北京:中国标准出版社, 2013:11.[5]王安庆.大客车车身段侧翻仿真分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2012.[6]孙信,王青春,桂良进,等.大客车翻滚安全性有限元分析[J].汽车技术,2007(8):34-37.[7]TIWARI,Sanjay.Performance Evaluation of Bus Structure in Rollover as Per ECE-R66Using Validated Numerical Simula⁃tion[C]∥SAE Pater,Pune:VE Commerical Vehicles Ltd, 2009:1-7.[8]那景新,王秋林,高剑峰,等.基于侧翻安全性的客车腰梁接头结构改进研究[J].汽车工程,2015(7):848-852. [9]邓兆祥,胡玉梅,王攀,等.客车耐撞性结构优化设计[J].机械工程学报,2005,41(11):217-220.[10]王超,金智林,张甲乐.大客车侧翻稳定性分析及防侧翻鲁棒控制[J].重庆理工大学学报(自然科学),2017(10):12-19.收稿日期:2018-06-0381客 车 技 术 与 研 究 2019年8月。
大客车侧翻稳定性分析及防侧翻鲁棒控制
大客车侧翻稳定性分析及防侧翻鲁棒控制
王超;金智林;张甲乐
【期刊名称】《重庆理工大学学报》
【年(卷),期】2017(031)010
【摘要】为在大客车不发生侧翻前提下改善客车的操纵稳定性,进行了大客车侧翻稳定性建模分析及主动防侧翻控制研究。
考虑乘客变化造成的簧载质量和重心位置变化,以及非簧载质量对大客车侧翻性能的影响,建立线性四自由度大客车侧翻模型。
根据汽车侧翻运动规律提出客观评价大客车侧翻稳定性的侧翻因子。
在保证大客车不侧翻的约束下,选取防侧翻控制系统鲁棒性及侧倾过程乘客舒适性为博弈双方,设
计基于博弈优化的主动防侧翻鲁棒控制策略。
通过典型工况侧翻实例分析大客车侧翻稳定性和侧倾时操纵稳定性,以及当前轮转角干扰和乘客数量变化引起参数扰动
时的主动防侧翻控制系统的鲁棒性。
为降低实车验证的危险性,应用Trucksim软
件进行仿真实验,结果表明：该主动防侧翻控制系统可防止大客车侧翻并改善客车
操纵稳定性。
【总页数】8页(P12-19)
【作者】王超;金智林;张甲乐
【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院,南京2116
【正文语种】中文
【中图分类】U461
【相关文献】
1.大客车侧翻稳定性分析及防侧翻鲁棒控制
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大客车侧翻碰撞仿真分析及改进
机电技术 2012年2月26*西部交通科技建设项目(2009318000043)作者简介：卢琳兆(1982年－)，男，助理工程师，研究方向：客车车身骨架结构分析。
大客车侧翻碰撞仿真分析及改进*卢琳兆 吴长风 丁守松 严永攀(厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建 厦门 361023)摘 要：应用CAE 技术建立大客车车身骨架的有限元模型，根据欧盟法规ECE R66要求进行分析参数设定与生存空间定义；应用LS-DYNA 软件进行分析计算。
依据结构变形情况，改进结构的薄弱环节，提高其抗侧翻性能，保证乘员的生存空间不受侵犯，满足法规要求。
关键词：客车车身骨架；侧翻碰撞；生存空间；有限元仿真中图分类号：U461.91 文献标识码：A 文章编号：1672-4801(2012)01-026-03安全、节能与环保是当今汽车发展的三大主题，对于车辆安全性能的关注越来越为人们所关注。
目前发生在客车的伤亡事故中，虽然产生侧翻事故的几率较小，但是其在事故中的伤亡程度远大过于前、后碰撞和侧面碰撞等[1～2]。
所以对客车侧翻碰撞安全性分析具有非常重要的意义。
文章依照欧盟ECE R66法规要求，以某12m 大客车车身骨架结构作为研究对象，建立其整车骨架的有限元模型，应用 LS-DYNA 软件进行仿真分析，研究其上部结构性能，找出结构薄弱环节，并进行优化改进至能满足法规要求。
1 侧翻碰撞有限元模型的建立及仿真参数设置1.1 侧翻碰撞模型前处理本车型是典型的三段式半承载结构的客车，其主要包括由槽钢组成的车架和大量不同截面的薄壁无缝钢管拼焊而成的。
为了尽量做到真实地在有限元模型中反映大客车的骨架结构，大客车的车身骨架和底盘车架采用板壳单元和实体单元构建，前后六个空气弹簧悬架和整体桥结构的导向杆系分别采用刚性单元和梁单元模拟。
在建模过程中遵循以下简化规则[3～6]：1) 忽略了蒙皮及一些非承载件(如玻璃、内饰板、木地板和各种功能件等)，只保留主体的承载骨架；2) 忽略了承载结构上的各种工艺孔、凸台及翻边等工艺特征；3) 板壳单元的基准面为实际结构的中面，结构间的连接关系采用共节点、刚性连接、点焊等模拟；4) 忽略了悬挂系统的导向杆系和空气弹簧的变形分别采用梁单元和刚性单元模拟；5) 将质量大于100 kg 的零部件，如发动机、变速箱、缓速器、空调、座椅及人的总质量等以集中质量单元的方式分布在各安装部位上；6) 忽略了骨架在焊接过程中出现的变形和残余应力；7) 有限元模型的总质量和重心位置与实车保证一致即可。
大客车侧翻原因分析
大客车侧翻原因分析侧翻事故作为所有道路交通事故中致命率极高的恶性交通事故，对国民经济与人身安全具有很大的危害。
汽车侧倾稳定性在行車安全中的问题越来越突出，交通事故中侧翻事故所占的比例逐年递增。
目前国内在防侧翻控制方面的研究还处于理论研究阶段，防侧翻控制技术还不成熟，没有成熟可靠的防侧翻控制产品装配车辆。
即使是高端的客车车型，采用的也是国外公司匹配的产品，大部分营运车辆并没有装备防侧翻系统。
此外，国内公路交通运输普遍的超载现象，更进一步恶化了车辆的侧翻稳定性。
本文对大客车侧翻事故进行研究，对55起交通事故进行了调查以及对导致侧翻的原因进行分析，包括对侧翻阈值的分析来评价大客车的侧翻稳定性，从而为主动控制技术、安全驾驶方面、疲劳监测方面等对其预防进行研究分析打下基础。
标签：侧翻原因；交通事故一、道路交通事故原因分析道路交通事故的影响因素体系包含四个子系统，第一为用路者因素，第二为道路因素，第三为交通流与车辆因素，第四为环境因素。
（一）用路者因素驾驶员是道路交通事故的主要因素，引起事故的原因可以分为直接因素和间接因素，直接因素有：感知不准、反应不当、判断失误；间接因素有：生理状况异常、心理状况异常、违章驾驶、驾驶经验不足等。
（二）车辆因素根据对某高速公路连续三年事故统计资料的分析，由于汽车机械故障所致交通事故占所有事故占所有事故的12.63%。
汽车的新旧、性能优劣、维修好坏等都会影响事故的多少。
车辆种类的多样化使行驶在路上的车辆尺寸不一、载重相差悬殊，性能差别很大，而驾驶员并不完全熟悉各种车辆的性能与特点，这些都给交通安全造成隐患。
（三）道路因素道路上交通事故的形成，其表象与直接的诱因多为驾车者的违章或过失，而潜在与间接的因素涉及到道路的线形设计。
线形设计通过对驾车者行为的客观干扰，据事故调查显示，事故在道路上会出现明显的集中分布，这与道路因素有关，而道路因素分为道路等级、平面线形、纵断面线形、道路横断面构成和交叉口五个方面。
客车侧翻安全性能研究
客车侧翻安全性能研究近年来，随着交通工具的不断发展和运输需求的增加，客车侧翻事故时有发生，给人们的生命财产安全带来了巨大威胁。
因此，对于客车侧翻的安全性能进行研究变得尤为重要。
本文将从侧翻事故的原因分析、影响侧翻事故的因素和提高客车侧翻安全性能的措施等方面进行深入研究。
首先，客车侧翻事故的原因是多方面的。
一方面，驾驶员的驾驶技术和驾驶经验不足是主要原因之一、当驾驶员在高速行驶或急转弯时，对车辆的操控能力不够，容易失控导致侧翻事故的发生。
另一方面，客车的制动系统和悬挂系统的故障也是导致侧翻事故的重要原因。
当制动系统没有及时响应或悬挂系统出现异常，会导致车辆不稳定性增加，悬挂系统的故障也容易造成客车侧翻。
其次，影响侧翻事故的因素是多方面的。
首先，客车的重心高度是影响侧翻的主要因素之一、重心越高，客车侧翻的风险就越大。
其次，客车的质量和车身结构也会影响侧翻事故的发生。
质量过大或车身不稳固的客车，在弯道行驶时容易发生侧翻事故。
再次，客车的速度和转弯半径也是影响侧翻事故的重要因素。
高速行驶过程中的急转弯以及速度过快，都会增加客车侧翻的风险。
最后，为了提高客车的侧翻安全性能，可以采取以下措施。
首先，应加强驾驶员的培训和驾驶技术的提升，提高驾驶员的安全意识和应急处理能力，从而减少驾驶员驾驶失误造成的侧翻事故。
其次，对于制动系统和悬挂系统等关键零部件要定期检测和维护，确保其运行正常，减少因系统故障导致的侧翻事故。
此外，对于车辆重心高度进行合理设计，控制在安全范围内，降低侧翻事故的风险。
同时，加强对车辆速度和转弯半径的限制，合理规划路线，避免高速行驶和急转弯导致的侧翻事故的发生。
综上所述，客车侧翻安全性能的研究是一项复杂而重要的工作。
通过对侧翻事故的原因分析，影响侧翻事故的因素和提高客车侧翻安全性能的措施的研究，可以为客车的设计和驾驶提供重要参考，降低侧翻事故的发生率，保障乘客的生命财产安全。
因此，应加大对客车侧翻安全性能的研究力度，为客车行业的发展和社会的安全稳定做出贡献。
汽车碰撞模拟仿真中车辆侧翻的动力学分析
汽车碰撞模拟仿真中车辆侧翻的动力学分析近年来，随着汽车安全性的不断提升，对于汽车碰撞的仿真模拟也变得越来越重要。
其中，汽车侧翻事故在道路交通事故中占据一定的比例，因此对车辆侧翻动力学的深入研究和分析具有重要意义。
本文将通过汽车碰撞模拟仿真，深入探讨车辆侧翻的动力学分析。
1. 车辆侧翻的影响因素分析在进行车辆侧翻动力学分析之前，首先需要了解影响车辆侧翻的各种因素。
主要包括以下几个方面：1.1 汽车动力学性能：汽车的重心高度、车辆质量分布、悬挂系统、转向灵敏度等直接影响车辆的侧翻稳定性。
例如，高重心、重量分布不均匀的车辆更容易侧翻。
1.2 车辆速度和行驶轨迹：车辆速度和行驶轨迹对车辆侧翻具有重要影响。
高速行驶时，车辆的侧翻风险更高。
1.3 外部环境因素：包括道路状况、车辆所受侧风及其他外力的作用等。
不同的道路状况和侧风风速会对车辆侧翻产生不同的影响。
2. 汽车碰撞模拟仿真技术汽车碰撞模拟仿真技术是一种通过计算机模拟和分析车辆在碰撞过程中的动力学行为和变形情况的方法。
通过建立数学模型、运用数值计算方法，可以在实验室环境下模拟真实的碰撞事故，帮助工程师评估汽车的安全性能。
此外，仿真还可以根据不同的碰撞角度、碰撞速度和碰撞对象对车辆侧翻的影响进行分析。
3. 车辆侧翻的动力学分析通过汽车碰撞模拟仿真，可以获得车辆在不同碰撞条件下的动力学响应数据。
根据这些数据，可以进行车辆侧翻的动力学分析。
3.1 车辆滚转角度分析：通过模拟碰撞后车辆的滚动角度变化，可以评估车辆侧翻的风险。
如果滚动角度较大，说明车辆在碰撞过程中有可能侧翻。
3.2 车辆转向角分析：车辆在侧翻过程中，转向角度的变化也十分重要。
模拟分析车辆在侧翻过程中转向角的变化情况，可以有效评估车辆侧翻的风险。
3.3 车辆重心高度分析：车辆重心的高度对侧翻稳定性有着直接的影响。
通过计算模拟，可以确定不同重心高度对车辆侧翻风险的影响程度。
4. 车辆侧翻风险评估根据上述动力学分析结果，可以对车辆的侧翻风险进行评估，具体包括以下几个方面：4.1 确定车辆侧翻的潜在风险：根据模拟结果，确定车辆在不同碰撞条件下的侧翻潜在风险。
车辆侧滑与侧翻的力学分析与避免方法
车辆侧滑与侧翻是导致道路交通事故 的重要 因
素， 每年 全球 都有 可 观数 量 的 车辆 由于 侧 滑 或 侧 翻 而 造成 交通 事故 。造 成 侧 滑 与 侧 翻 事 故 的 因 素较 多 ， 例
如： 道路 不 良、 不恰 当 的操 作 、 超 载 超重 、 装 载 不 平衡 、
大， 反 之亦 然 。
ｒ ｏ ｌ ｌ ｏ ｖ ｅ ｒ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：Ｓ ｉ ｄ ｅ ｓ ｌ ｉ ｐ；Ｒ ｏ ｌ ｌ ｏ ｖ ｅ ｒ ；Ｃ ｅ ｎ ｔ ｉ ｒ ｐ ｅ ｔ ａ ｌ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ；Ｃ ｉ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ；Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ；Ａｖ ｏ ｉ ｄ ａ ｎ ｃ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ
如果行驶速度 ≤
车辆可 以顺利转弯 ， 如果
＞Ｖ ， 因 车辆 的最 大 静摩 擦 力 不 变 ， 而 转 弯需 要 的 向 心力增 加 ， 造成 车辆 转 弯 所 需 的 摩 擦力 不 足 以 提供 转 弯所需 的向心 力 ， 这 样 车 辆 就 会 以侧 滑 的方 式 增 大转 弯半径 ， 减 小 圆周运 动 的 向心力 。
ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ａ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｌ ｌ ｏ ｖ ｅ ｒ ａ ｒ ｅ ａ ｌ ｓ ｏ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｗｈ ｅ ｅ ｌ ｂ ａ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｈ ｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｇ ｒ ａ ｖ ｉ ｔ ｙ ． Ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ
关 键 词 ：侧 滑 ； 侧翻 ； 向心 力 ； 临 界 速度 ； 力学 分析 ； 避 免 方 法 中 图分 类 号 ：Ｕ ４ ６ １ 文 献 标 志 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１ ６ ７ ４—８ ６ ４ ６ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ４— ０ １ ６ ８ —０ ２
基于Matlab的客车转向侧翻稳定性分析(精)
基于Matlab 的客车转向侧翻稳定性分析摘要：本文主要对客车转向行驶时的侧翻情况进行了研究，建立了客车在行驶过程中转向时的数学模型，推导出了稳态转向时客车侧翻临界车速的计算公式，并结合某客车结构参数和路面附着条件进行了仿真，得出了通过提高客车的抗侧翻性能来提高客车的行驶稳定性的方法。
关键词：客车；转向侧翻；稳定性分析；Matlab0 引言侧翻是指汽车在行驶过程中绕其纵轴转动900 或更大的角度，以至车身与地面相接触的一种极其危险的侧向运动。
汽车侧翻可分为两类：一是曲线运动引起的侧翻，二是绊倒侧翻。
曲线运动引起的侧翻是指汽车在道路（包括侧向坡道）上行驶时，由于汽车的侧向加速度超过一定限值，使得汽车内侧车轮的垂直反力为零而引起的侧翻[1]。
客车车身和质量比轿车等小型车大得多，而且其地板一般都比较高，在转向侧翻事故中，车体将向某一侧倾倒，与地面接触的侧围会产生变形，结构的变形可能侵入车厢内部，对乘客造成伤害[2]。
而侧翻试验是较难实施的且成本较大，本文通过建立客车侧翻的数学模型，在Matlab 中进行仿真来分析影响客车转向行驶稳定性的因素，从而为提高客车的操纵稳定性，在设计阶段保证客车结构参数的合理性，避免车辆行驶发生翻车事故奠定理论基础。
1 车辆转向侧翻模型客车的前后桥一般采用非独立悬架，在行驶过程中遇到弯道或避开障碍物时需要紧急转向。
转向时车辆的质心绕转向瞬心C 作圆周运动。
Rr 为转向瞬心C 到后内侧车轮的转向半径；Rf 为转向瞬心C 到前内侧车轮的转向半径；θ为汽车转向轮转过的角度；L 为汽车的轴距；汽车质心到前桥距离为a；汽车质心到到后桥距离为b。
2 车辆转向时的受力分析车辆在转向时，会使车身向外侧倾斜，Gs 为客车车身的悬挂质量受的重力；Gu1 为客车前桥的非悬挂质量受的重力；Gu2为客车后桥的非悬挂质量受的重力；Fyi1，Fyi2 分别为地面给转向内侧车轮的侧向附着力；Fyo1，Fyo2 分别为地面给转向外侧车轮的侧向附着力；Fzi1，Fzi2 分别为地面给转向内侧车轮的支撑反力；Fzo1，Fzo2 分别为地面给转向外侧车轮的支撑反力；Fsy 为客车车身的悬挂质量转向时产生的侧向力；Fuy1，Fuy2 为前后车桥非悬挂质量产生的侧向力。
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： ’ ｅ ｒ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｔ ｈ ｅ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ａ ｆ ｆ ａ ｃ ｔ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｒ ｏ ｌ ｌ ｏ ｖ ｅ ｒ ｗ ｅ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｄ ｆ ｒ ｏ ｍ ｔ ｈ ｅ ｏ ｆ ｐ ｐ ｙ ｋ ｉ ｎ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ｉ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｉ ｎ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ａ ｎ ｄ ｒ ｏ ｌ ｌ ｏ ｖ ｅ ｒ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｗ ｅ ｒ ｅ ｐ ｇ ｙ ， ’ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｔ ｈ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｔ ｏ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｒ ｏ ｌ ｌ ｏ ｖ ｅ ｒ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｄ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｐ ｙ ｐ ’ ｏ ｆ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｒ ｏ ｌ ｌ ｏ ｖ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｒ ｉ ｏ ｕ ｓ ｃ ｏ ｎ ｓ ｅ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｗ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｍｍ ａ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ａ ｓ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ － ｑ ’ ｏ ｆ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｉ ｎ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｒ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ａ ｆ ｆ ａ ｃ ｔ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｅ ｃ ｔ ｓ ｒ ｏ ｏ ｓ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｎ ｇ ｐ ｐ ｐ ｒ ｏ ｌ ｌ ｏ ｖ ｅ ｒ ｗ ｅ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｄ ｆ ｒ ｏ ｍ ｔ ｈ ｅ ｏ ｆ ｋ ｉ ｎ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｂ ｅ ｒ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ｙ ｙ ｐ ｐ ｐ ， ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ Ｂ ｉ ｎ ｂ ａ ｏ ｈ ｉ ｈ ｗ ａ ａ ｃ ｃ ｉ ｄ ｅ ｎ ｔ ａ ｓ ａ ｎ ｅ ｘ ａ ｍ ｌ ｅ ． Ｏ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｂ ａ ｓ ｉ ｓ ｇ ｙ ｐ ’ ｔ ｈ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｔ ｏ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｒ ｏ ｌ ｌ ｏ ｖ ｅ ｒ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｗ ｅ ｒ ｅ ａ ｃ ｕ ｉ ｒ ｅ ｄ ． ｐ ｙ ｑ ： ； ’ ； ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｒ ｏ ａ ｄ ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｃ ｏ ａ ｃ ｈ ｓ ｒ ｏ ｌ ｌ ｏ ｖ ｅ ｒ ｋ ｉ ｎ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｒ ｏ ｌ ｌ ｏ ｖ ｅ ｒ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｃ ｒ ｉ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｙ ｙ ｙ ｙ ｓ ｅ ｅ ｄ ｐ 上海外环线发生大客车侧 ０ １ １年９月１ ４日， ２ 翻事故 ， 造成 １ １ 人死亡 、 １ ３ 人受伤 ． ２ ０ １ １年１ ０月 滨保高速 天 津 界 内 发 生 大 客 车 侧 翻 事 故 ， 造 ７日， 成３ 这两起交通事故都因客 ５ 人死亡 、 １ ８ 人 受 伤． 车的侧 翻 而 造 成 了 极 大 的 伤 亡 及 严 重 的 经 济 损 失． 据道路交通事故统计分析 ， ２ ０ ０ ０～２ ０ ０ ９ 年中国 共发生客车翻车事故 １ 虽然翻车事故数 ７ ０ １ ５ ８起， 量仅占总事故数量的 ３． 但造成的死亡率却高 ４％ ， 、 远高于正碰 （ 侧碰 （ 和 达３ ４． ３％ ， ２ ３． ６％ ） １ ３． ９％ ）
第３期
王宏雁 ， 等： 客车侧翻的运动学分析
波形板梁 立柱 土壤 防阻块 厚度 3
６ １
垂直反力为零而引起的 侧 翻 ； 产生 ② 客 车 行 驶 时， 的侧向滑移 与 路 面 上 的 障 碍 物 侧 向 撞 击 ， 将其绊 倒而发生的侧翻 ．
2.6
3
70°
70° 40.41
１ 侧翻及造成恶劣后果的原因
收稿日期 ： ２ ０ １ ２－０ ４－２ ５ ， 作者简介 ： 王宏雁 （ 女， 同济大学教授 ， 博士生导师 ． １ ９ ６ ２－ ）
追尾 （ 等其他常见事故所造成的死亡率 ． １ ７． ３％ ） 客车侧翻是指客车 在 行 驶 过 程 中 绕 其 纵 轴 线 或更 大 的 角 度 以 至 车 身 与 地 面 或 护 栏 相 转动 ９ ０ ° 接触的一种 极 其 危 险 的 侧 向 运 动 ． 当客车高速急 转弯时 ， 惯性 作 用 会 产 生 一 个 和 客 车 前 进 方 向 垂 直的横向力 ， 当车的自重作用于车轮上的力矩不 足以克服客车的横向力时 ， 就会发生侧翻 ． 客车 侧 翻 分 为 两 种 形 式 ： ①客车在道路上行 侧向加速度超过 一 定 限 值 ， 使得内侧车轮的 驶时 ，
３］ ， 为支点向 外 翻 滚 的 趋 势 ［ 从 而 发 生 倾 覆． 另 外，
Ｂ （ Ｂ ｈ ｔ ａ ｎφ ａ ｍｕ －ｈ ｒ） ｇ－ ｇ Ｌ ＋ｍｓ ｇ ２ ２ ２ ． ｍｓ ｈ ａ ｇ ｈ ｉ ｎ ＋ｍｕ θ ２ ｒ ｓ Ｌ （ ） ２
［
］
）
式中 ： 后 ｍｓ为车身的悬挂 质 量 ； ｍｕ ｍｕ １， ２分 别 为 前、 桥的非悬挂质量 ； φ 为由于转向向心力引起车身的 侧倾角度 ； Ｂ 为 轮 距； Ｌ 为 轴 距； ａ， ｂ分别为质心到 前、 后桥的距离 ； ｈ ｈ ｒ为客车非悬 ｇ 为客车质心高度 ； 挂质量的质心高度 ； θ 为转向轮转过的角度 ． 还可选取 客 车 横 向 载 荷 转 移 率 Ｌ Ｔ Ｒ 的绝对
１］ 而造成客车的侧翻 ［ ．
图 １ 半刚性两波形梁护栏示意 （ 单位 ： ｍｍ） （ ： Ｆ ｉ ． １ Ｃ ｏ ｒ ｒ ｕ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｅ ａ ｍ ｂ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ ｕ ｎ ｉ ｔ ｍｍ） ｇ ｇ
２ 影响客车侧翻稳定性的运动学分析
研究客车 侧 翻 稳 定 性 ， 需要定义侧翻稳定性
第２ ８卷 第３期 ０ １ ２年 ９月 ２
交 通 科 学 与 工 程
Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ Ｆ Ｔ Ｒ Ａ Ｎ Ｓ Ｐ Ｏ Ｒ Ｔ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ Ａ Ｎ Ｄ Ｅ Ｎ Ｇ Ｉ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ Ｉ Ｎ Ｇ
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ８ Ｎ ｏ ． ３ Ｓ ｅ ．２ ０ １ ２ ｐ
） １ ６ ７ ４－５ ９ ９ Ｘ（ ２ ０ １ ２ ０ ３－０ ０ ６ ０－０ ７ 文章编号 ：
客车侧翻的运动学分析
２ ，董文灏１ 王宏雁１，
（ ） 同济大学 中德学院 ， 上海 ２ 同济大学 汽车学院 ， 上海 ２ １． ０ ０ ０ ９ ２； ２． ０ １ ８ ０ ４ 摘 要 ：从运动学的角度出发 ， 进行了影响客车侧翻因素的实例分 析 ， 得到了影响因素与客车侧翻稳定 性的定量关联 ， 从而获得了提高客车侧翻稳定性的 措 施 ． 概 括 了 客 车 侧 翻 的 原 因， 论述了造成客车侧翻 提出了影响客车侧翻的 ３ 方面因素 ． 从 ３ 方面影响因素对侧翻 稳 定 性 的 运 动 学 进 极其恶劣结果的原因 ， 行了分析 ， 并以滨保高速事故中的客车为实例 ， 对分析结果进行了验证 ． 在此基础上 ， 提出了提高客车侧 翻稳定性的措施 ． 关键词 ：道路安全 ； 客车侧翻 ； 运动学分析 ； 侧翻稳定性 ； 临界车速 中图分类号 ： Ｕ ４ ６ １． ９ １ 文献标识码 ：Ａ
［ ４］ 指标 ． 选取客车的临界车速 ｖ 作为指标 ， 定义 ｖ ０ ０
｛ ， 其 中： 后桥转向侧 ＝ｍ ａ ｘ ｖ ｖ ｖ ｖ １， ２｝ １， ２分 别 为 前、 翻的临界速度 ．
）在车轮与地面摩擦力较小的状态下高速行 ２ 若发生紧急情况 ， 驾驶员惊慌而猛打方向盘 ， 驶时 ， 矫正过量 ， 导致客车转弯半径过小 ， 从而引起侧翻 ． ）客车在道 路 上 一 旦 发 生 失 控 ， 与路肩或护 ３ 栏发生碰撞 ， 对小型车 ， 路肩和护栏能起到较好的 但路肩和护 栏 对 中 型 、 大型和特大型的 保护作用 ，
２］ 车 辆 的 防 护 能 力 明 显 不 足［ 当客车高速撞上护 ．
ｖ １ ＝
槡
ｖ ２ ＝
Ｂ （ Ｂ ｈ ｔ ａ ｎφ ｂ ｍｕ －ｈ ｒ） ｇ－ ｇ Ｌ ＋ｍｓ ｇ １ ２ ２ ． ｍｓ ｈ ｂ ｇ ｈ ｉ ｎ ＋ｍｕ θ １ ｒ ｓ Ｌ （ ） １
12
［
］
（ （
ห้องสมุดไป่ตู้
）
槡
由于客车质心较 高 ， 车辆产生以梁板上边沿 栏后 ，
５］ ， 右侧 值作为侧翻稳定性指标 ［ Ｌ Ｔ Ｒ 被定义为左 、
若使用水泥隔离墩 ， 当客车与之发生碰撞后， 其下 宽上窄的结构反而助使 具 有 侧 向 速 度 的 客 车 沿 着 导致翻车 ． 隔离墩向上滑溜 ， 而大客车 侧 翻 造 成 极 其 恶 劣 后 果 的 原 因 为 ： 一旦发生 ０ 余 人， ① 大客车核定载客人数 能 达 到 ５ 侧翻后从高处坠 落 ， 极大的动能和势能直接 事故 ， 转化成碰撞能量 ， 从而 引 起 群 死 群 伤 的 严 重 后 果 ． 一旦发生 ② 客车上的 乘 客 大 多 不 会 佩 戴 安 全 带 ， 侧翻事故 ， 乘客没有约 束 ， 会因惯性在车内翻滚或 被甩出车外 ， 身体与车 身 、 座椅或地面等物体发生 从而受到极大的 伤 害 ． 碰撞 ， ③中国客车都采用非 承载式车身 ， 车架是支承载体 ， 承受各种载荷 ． 车身 靠铆钉连接或焊接在 侧壁蒙皮厚度仅 １ｍｍ 左右 ， 车架上 ， 不承载 ， 起到的仅是装饰作用 ． 中国高速公 路护栏广泛应用如图 １ 所 示 的 半 刚 性 两 波 形 梁 结 构， 其横截面 为 韧 薄 钢 板 ． 若 客 车 与 护 栏 相 撞， 护 栏就可能犹如利刃般 切 割 车 体 ， 侵 入 车 内， 对车内 人员会造成更严重的伤害 （ 如： 滨保事故 ） ．