路面对客车侧翻性能影响的探究

丁涛，彭旺

（比亚迪汽车工业有限公司电动客车开发中心，广东深圳518118）

路面对客车侧翻性能影响的探究

丁涛，彭旺

（比亚迪汽车工业有限公司电动客车开发中心，广东深圳518118）

推导客车侧翻的临界碰撞时刻的角速度，从能量转化的角度分析客车的侧翻过程，阐述不同摩擦副上客车侧翻性能的差异。最后通过仿真分析不同摩擦副上客车的侧翻情况，得出摩擦副摩擦系数与客车骨架变形程度的关系。

客车侧翻；摩擦副；仿真分析

据统计数据显示［1］，2012年一次死亡5人以上事故中，70起为客车翻坠事故，占28.5%，同比上升5个百分点。25起重特大事故中，12起为客车翻坠事故，占48%。特别是在西南地区，71%的重特大事故为客车翻坠事故。根据美国交通安全局统计，客车侧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与人员死亡率对比中，正面碰撞占总数的65.7%，导致死亡人数占总数的31%；而侧翻事故占据事故总数4.2%，导致了伤亡人数占总人数的33%［3］。在重大事故中，以客车的侧翻事故居多，且造成的生命财产损失较大。客车的侧翻性能与其翻倒后碰撞的路面有关。本文研究不同摩擦副的摩擦系数对客车侧翻性能的影响情况。

1　客车侧翻

1.1侧翻的试验标准及模型的建立

国标GB 17578-2013［4］客车的侧翻试验台标准参考ECER66［5］法规，但新修订的国标修改了客车试验时客车翻转轴离撞击面的高度差。由ECER66［5］法规中的800±20mm，修改为800～820mm之间，这使得试验条件较ECER66更为严苛。

试验的客车侧翻平台（见图1）包括客车旋转起始水平面、客车侧翻撞击水平面、翻转支撑平台、挡块等。

1.2侧翻临界碰撞的角速度

由能量守恒可以得到客车侧翻时临界碰撞的角速度，可用如下公式表示：

式中：ω为客车临界碰撞位置时的角速度；m为客车自身的质量；g为重力加速度；△h为客车从临界翻转（客车质心最高点处）到临界碰撞位置的高度差；Iω为客车旋转过程中绕旋转轴的转动惯量。

1.3侧翻碰撞面的摩擦系数

对于不同的行驶路面，其粗糙程度不同，那么客车发生侧翻时情况也就会有差异。表1是几种常见材料摩擦副的部分摩擦系数［6］。

表1　常见材料摩擦副的试验系数

1.4客车侧翻的能量构成

客车骨架变形到最大之后，质心与接触点之间仍然有力矩存在，如图2所示。客车的质心将继续下降直到重力作用线通过接触点为止，侧翻稳定后的状态如图3所示。车身在变形过程中，在初速度的影响下会与碰撞面之间产生相对滑动，滑动距离的长短则与车身骨架和碰撞面的粗糙程度有关。

客车侧翻分析过程中所产生的动能、内能等均由客车的势能转化而来［7］。内能主要是客车骨架变形吸收的能量，此外，客车与地面还有相互摩擦产生的热能。客车在整个侧翻过程中只有重力做功，其总能量守恒［8］。

1.5客车侧翻能量的相互转化

在整个客车侧翻碰撞试验过程中，能量转化有两种理想情况。

理想情况一：客车侧翻后，整车相对地面没有滑动位移（摩擦力足够大），随即速度变化为零。整个质心下降做的功和初始的动能全部转化为了车身骨架变形所吸收的能量。这将使得整个车身的变形较一般情况大许多。

理想情况二：客车侧翻后，相对地面没有摩擦力存在，客车会在水平初速度情况下，沿水平方向一直运动，碰撞接触后整车的动能基本恒定。由于水平运动的动能相对较大，因此，车身变形吸收的能量并不多，所以变形较轻微。

一般情况是介于理想情况一和理想情况二之间的情况，即现实侧翻中所发生的情况，既存在车身变形吸收的能量，也存在整车速度衰减当中所具备的动能及车身相对地面摩擦滑动而消耗的热能等。

2　客车侧翻的仿真分析

数值仿真是研究客车侧翻碰撞安全性的一个重要手段［9-10］。在客车有限元模型与地面接触中进行摩擦系数的设置，将侧翻模型中的摩擦系数取为0.2、0.3、0.5、0.7（见表1）进行仿真计算，模型设置中的其它相关参数保持不变。

2.1客车有限元模型的建立

客车的生存空间是指法规定义的客车内部空间承载人的相对位置空间，相关法规标准［4-5］中有详细的生存空间的规定。

生存空间创建的正确与否会影响分析的结果。图4是按照生存空间规则［4-5］创建的某12m大客车的有限元模型。

表征客车侧翻生存空间与车身接触的变量通常有接触力和立柱与生存空间之间的距离两种。若客车在整个侧翻过程之中，生存空间与车身之间的接触力始终为零；或者在客车整个侧翻过程中，生存空间上的任何节点与客车的立柱之间的距离变化值一直处于正值状态（即距离大于零），就可以判定此整车在侧翻过程中满足了法规的要求。

2.2生存空间的上端到立柱的距离

侧翻完成后，若生存空间与立柱之间存在正向间隙，可认定立柱未侵入生存空间。图5是不同摩擦副的客车生存空间上端与立柱的距离［4］（（a）-（d）分析中测量的节点一致）变化曲线图（仿真计算时间为从客车与地面碰撞到碰撞后的0～0.45 s）。立柱的编号为从客车前围向后围依次编号为立柱1、立柱2、立柱3……立柱8、立柱9。

从图5的曲线中可以看到，摩擦系数μ越大，曲线整体更加靠近纵坐标值100mm距离的水平线，曲线的最小值越小。表2统计的是在各摩擦系数μ下的各立柱与生存空间上端的最小距离。

表2　立柱与生存空间上端的最小距离mm

从表2可以看出，随着摩擦系数的增加，各立柱到生存空间上端的最小距离减小。这说明摩擦系数越大，在侧翻中客车立柱的弯曲变形越大，即立柱离生存空间上端的距离越小。

2.3客车侧翻中的能量变化曲线

计算结果中会产生glstat文件（在设置输出的情况下），此报告中包括了客车侧翻过程中涉及到的相关能量数据［11］。最主要的三种能量是动能、结构变形所吸收的能量、侧翻中客车质心下降做的功。当客车侧翻时结构达到最大变形状态时，一般要求车身结构变形所吸收的能量和客车临界接触时的初始动能的比值不得低于0.75［4］。

图6是某12m大客车在不同摩擦副中侧翻所得到的能量曲线。图中显示随着摩擦系数的增大，能量曲线相应地（除外功外）都会发生变化。表现最为明显的是内能曲线和动能曲线，随着摩擦系数的增大，内能相应地增大、动能相应地减小，与实际情况较为一致。由于侧翻模型相同，除与碰撞面摩擦系数不同外，客车侧翻中质心下降基本一致，额外功曲线表现一致。

从图7中可以看到，0.3 s时的外功与初始动能都呈现出一条水平直线。初始动能和外功均一致保证了模拟仿真的一致性。动能折线表现为随着摩擦系数μ的增大动能不断减小，而内能却随着摩擦系数μ的增大不断增大。这说明随着摩擦系数μ的增大，客车车身变形吸收的能量也在增加，也就是说，客车的变形增加了，同时客车的速度降低了，这与实际情况一致［12］。

3　结论

从仿真结果可以看到，摩擦副的差异会对客车的侧翻情况造成影响。从中得出如下结论：

1）客车在车身与路面相对摩擦系数较大的情况下侧翻，车身的变形将会更大。

2）客车在侧翻模拟分析时，是否通过法规，有着极大的相对性；客车侧翻试验时，试验的通过性会因不同的试验地面属性而不同。当车身与地面的摩擦系数较大时，结果会显得相对保守（即安全系数较高），反之，则相反。

［1］2012年全国交通事故统计［EB/OL］.［2015-06-06］.http：//www.doc88.com/p-5836862884154.html.

［2］国家统计局.2010年中国统计年鉴［M］.北京：中国统计出版社出版，2010.

［3］许洪国.汽车事故工程［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［4］GB 17578-2013，客车上部结构强度要求及实验方法［S］.北京：中国标准出版社，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］百度文库.常用材料摩擦系数［EB/OL］.［2015-06-06］.

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

［7］赵萍.中型客车上部结构强度安全性仿真分析［D］.西安：长安大学，2012.

［8］查官飞.大客车车身结构侧翻试验仿真与安全研究［D］.重庆：重庆交通大学，2011.

［9］酒均亮.营运客车侧翻碰撞性能及乘员损伤研究［D］.西安：长安大学，2011.

［10］周鑫美.基于侧翻安全性的客车骨架设计研究［D］.广州：华南理工大学，2010.

［11］刘果.客车车身骨架侧翻碰撞研究［D］.武汉：武汉理工大学，2012.

［12］付爱军，雷正保.GL 6460L轻型客车的翻滚碰撞安全性［J］.公路与汽运，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

丁涛（1986-），男，硕士；结构分析工程师；主要从事新能源客车结构分析工作。