基于ADAMS的某型特种车辆横向坡道转向侧倾稳定性仿真研究

王全　姜乐华　高经纬

摘 要：针对某型特种车辆横向坡道转向工况，基于ADAMS软件建立了整车虚拟样机模型和不同倾斜角度的3D道路模型，并编写驱动控制文件，进行了不同倾斜角度3D路面转向仿真试验；以横向载荷转移率作为横向坡道转向侧倾稳定性的评价指标，并根据车轴之间的载荷分布对其进行修正，得到评价效果更好的横向载荷转移率；利用优化后的评价指标求得研究对象不同倾斜角度横向坡道转向工况下的侧翻预警阈值。仿真结果表明：在不发生侧滑的道路条件下，相同的道路倾斜角度，速度增大，车辆侧倾稳定性变差；相同的行驶速度，道路倾斜角度增大，车辆不容易发生侧翻。

关键词：横向坡道；ADAMS；3D道路；仿真试验；横向载荷转移率；道路倾斜角；速度

中图分类号：U467.1+3 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）05-0026-07

Abstract： Aiming at a special vehicle lateral ramp shift conditions， built the vehicle virtual prototype model and 3D roads model of different angle based on ADAMS software， wrote driving control files and carried out turning simulation test on different angle roads； Selected the lateral load transfer rate as the lateral ramp shift roll stability evaluation index and modified it according to the loads distribution between different axles， gained better evaluation of lateral load transfer rate； Using the optimized evaluation index obtained the lateral ramp shift conditions rollover warning thresholds under different angle. The simulation results showed that： under the condition of no skid road ， the vehicle roll stability get worse when the speed increasing under the same roads angle， under the same speed， the roads angle increasing cause the vehicle hard to turn on its side.

Key Words： lateral slope； ADAMS； 3D roads； simulation test； lateral load transfer rate； road slope angle； speed

1 前言

车辆侧翻是指车辆在行驶过程中绕其纵轴线转动90。或更大的角度以致车身与地面相接触的一种极其危险的侧向运动[1]。美国高速公路交通安全管理局对车辆事故进行的统计数据显示，尽管车辆侧翻事故率不高，但是产生的危害程度仅次于碰撞事故，居第二位[2]。

目前，车辆侧倾稳定性方面的研究主要集中于水平路面各种工况。但在车辆实际行驶过程中，车辆在横向坡道转向行驶时极易造成车辆侧翻，因此，国内很多专家学者开始关注车辆在横向坡道行驶时的稳定性。丁良旭等通过对汽车横向静侧翻稳定性的研究，提出一种与实际非常接近的汽车横向最大静侧翻角的评估方法[3]。王新彦等建立了车辆在斜坡上曲线行驶时的车厢侧倾角预测模型，并验证了模型的准确性[4]。西北农林科技大学的潘冠廷分析了山地履带拖拉机横向坡道转向时的极限翻倾角影响因素[5]。朱为国等对横向坡道路面不同转向和旋向的混凝土搅拌运输车侧翻稳定性计算结果为坡道安全行驶车速提供了理论依据[6]。

本文研究对象是一种特种车辆，它的应用环境和特殊用途决定了其横向坡道转向研究的必要性与实车试验的不可行性；同时，由于实车侧翻试验是破坏性试验，样车不可以重复使用，试验费用很高[7]，故采用计算机仿真分析方法具有明显的优势；而且现今计算机模拟仿真机技术日益成熟，在工程实际中得到广泛应用。综上所述，本文主要采用理论分析与计算机模拟仿真方法开展研究。

2 车辆横向坡道转向侧倾机理及侧倾稳定性评价指标

2.1 车辆横向坡道转向侧倾机理

首先对某型特种车辆横向坡道转向侧倾稳定机理进行分析研究；图1给出了某型特种车辆横向坡道转向稳态下的侧倾模型：

从公式（1）可以看出，车辆受到两个稳定力矩，一个是由重力沿斜坡分力及转向离心力导致的车辆质心偏移引起的，大小是 ，另一个是载荷在两侧车轮之间发生横向转移引起的，大小是 ；造成车辆侧翻倾向的力矩主要是车辆所受离心力引起的，大小是

。当公式两边相等时，车辆正常行驶，当右边大于左边时，表明车辆载荷从一侧转移到了另一侧，极限工况是F2 = 0，车辆即将发生侧翻；由公式还可知，相同条件下，车辆质心越低（侧翻力矩小），轮距越大（稳定力矩大），路面倾角β 增大（侧翻力矩减小同时稳定力矩增大），车辆侧倾稳定性越好，越不容易发生侧翻事故。

2.2 车辆侧倾稳定性评价指标

车辆常用的侧倾稳定性评价指标有以下三种[8]：

（1）车身侧倾角是车辆侧倾状态的最直接的变化量，一般以静态侧翻试验测定车辆最大侧倾稳定角。在横向坡道路面上车辆的静态侧倾稳定角比水平路面上小得多。

（2）侧向加速度值，以单位重力加速度表示[9]； 试验数据表明，在水平路面上，大多数乘用车的侧翻阈值都在lg以上，轻型卡车、货车及越野车的侧翻阈值在0.89g到1.29g范围之内，重型运输车的侧翻阈值通常在0.59g以下，在横向坡道路面上侧翻阈值大于水平路面。

（3）车辆发生侧倾时，造成左右车轮中一侧载荷增加，另一侧载荷减少的现象，称为由侧倾引起的载荷转移。标准横向载荷转移率（Lateral Load Transfer Rate， LTR）定义为右（左）侧轮胎垂向载荷与左（右）侧轮胎垂向载荷的差，与左右轮胎垂向载荷总和的比值的绝对值[10]：

式中：F1 是外侧车轮的垂直载荷；F2 是内侧车轮的垂直载荷。

标准横向载荷转移率介于0到1之间，数值越小越稳定，数值为0时两侧载荷相等；数值为1时，载荷完全转移到一侧，车辆即将发生侧翻；车辆在横向坡道路面与水平路面具有相同的侧翻阈值。

3 基于ADAMS的整车虚拟样机模型及3D道路模型的建立

ADAMS是由美国MDI公司开发的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件；其中，ADAMS/Car模块集成了多家著名车企在汽车设计、开发等方面的经验。

3.1 整车ADAMS虚拟样机模型的建立

本文模型是基于ADAMS/Car模块建立的。整车参数如表1所示：

3.2 3D道路模型的建立[11]

ADAMS/CAR中的3D路面是三维平滑类路面的统称，其路面文件的结构分为几个数据块：基本信息、路面类型、摩擦系数、几何形态等。本文所研究3D样条路面的其他全局参数有：开放路面，路面参数点连续，汽车沿路面参考点指引的方向行进，左右道路与轮胎摩擦系数修正比均为1，道路宽度和路面倾斜角等。其中，路面倾斜角是文中需要研究的变量。

4 横向坡道转向侧倾稳定性仿真试验

4.1 侧倾稳定性评价指标的选择与优化

4.1.1 选择合适的侧倾稳定性评价指标

在横向坡道路面转向行驶时，对车辆侧倾稳定性影响最大的因素是行驶速度和道路倾斜角。为探究不同行驶速度和道路倾斜角下研究对象横向坡道转向响应情况，本文做了多组仿真试验，试验条件及试验结果如表2所示：

从图4可以看出，在倾斜角度为10°的横向坡道上行驶的车辆，60km/h和70km/h的速度下，可以正常转弯，80km/h的速度时发生了侧翻。侧倾角、侧向加速度和横向载荷转移率三个指标都可以直观地表征车辆状态的变化，但是从图4（a）、4（b）可以看出，侧翻发生时，侧倾角和侧向加速度急剧增大，远远超过理论值所允许的极限值，因而变化曲线并不能直观反映车辆侧翻临界阈值；但是图4（c）所示横向载荷转移率却可以准确反映车辆侧翻临界阈值（根据其定义，1即为其侧翻临界阈值）以及达到临界阈值的时间，故本文选择横向载荷转移率作为研究对象横向坡道转向侧倾稳定性评价指标。

4.1.2 横向载荷转移率的优化

过去的研究中，认为三个车轴是同时侧翻的，这样计算出的整车横向载荷转移率没有考虑不同车轴轴荷不同。本文在仿真分析中发现，车辆在侧翻过程中，各车轴一般情况下并不是同时侧翻，即同一侧的车轮并不是同时离开地面。路面倾斜角为2.5°，速度为70km/h的条件下仿真试验结果如图5所示：

从图5可以看出，中轴和后轴明显比前轴提前达到侧翻阈值，如果三个轴以相同的权重值代入整车横向载荷转移率的计算显然是不恰当的；故本文依据整车前轴、中轴和后轴轴荷大小之比在整车横向载荷转移率的计算中引入修正系数a，b和c，赋予三个轴不同的权重（前轴轴荷最大，不易侧翻，故修正系数之比与轴荷之比是相反的）；取：a：b：c=0.26：0.37：0.37，修正前的整车横向载荷转移率计算式见公式（3）：

从图6可以看出，修正后的横向载荷转移率曲线比修正前平缓，最大差值约为0.5，它的意义在于：车辆侧翻预警研究中，由于从接收到预警信号到防侧翻执行器起作用会有一段时间延迟，故侧翻预警阈值的选取不是极值1，而是0.9或更小的值，较早的预警意味着更长的防侧翻控制反应时间；如果驾驶员能提前得知车辆的侧倾状态，就能有效避免车辆侧翻事故的发生[12]。修正后的横向载荷转移率曲线在0.7以后比修正前增长快，将提前达到预警阈值，从而比修正前获得更长的预警时间，由此说明修正后的横向载荷转移率优于修正前的横向载荷转移率。

4.2 横向坡道转向工况下预警阈值的确定及不同倾斜角度横向坡道转向极限速度

本文研究对象质心较低，故在低速下转向具有较好侧倾稳定性，当车速大于70km/h时，车辆在横向坡道转向时将不能保持良好的抗侧翻性能。

图7为速度80km/h时，道路倾斜角为2.5° 10°条件下车辆进行横向坡道转向时修正后的整车横向载荷转移率曲线。

从图7可以看出，车辆在4秒左右进入弯道，从稳态到侧翻只经历了2s左右的时间；而在一般的侧翻预警操作中，驾驶员接到侧翻预警信息的反应时间 一般为0.4s 1.5s，该值与驾驶员反应快慢和驾驶环境有关；之后从加速踏板移动到制动踏板所需时间 与消除制动间隙所需时间 之和一般为0.2s 0.5s，还要考虑车辆施加制动力时间与车辆惯性、预警算法时间等，整个过程需要3s左右[13]，显然不能满足该工况的预警要求；故采用主动防侧翻控制措施，由传感器检测车辆状态，横向载荷转移率达到设定的预警阈值时触发防侧翻控制系统，此时预警时间只需考虑上述时间 ，以及车辆施加制动力时间与车辆惯性、预警算法时间等，整个过程只需要1s。

表3列出了研究对象在横向坡道转向工况下，应用主动防侧翻预警和控制措施时的预警阈值，可以看出，阈值介于0.49～0.52之间，故当以横向载荷转移率作为侧倾稳定性评价指标时，可以确定0.5作为该特种车辆横向坡道转向工况下的防侧翻控制预警阈值。

上述分析可知，研究对象横向坡道转向在低速工况下侧倾稳定性较好，高速下抗侧翻性能较差，本文通过进一步仿真分析，获得该特种车辆不同倾斜角度横向坡道转向工况下，不发生侧翻的极限速度；该极限速度的确定过程如图8所示：

从图8可以看出，横向坡道倾斜角一定，通过仿真逐步逼近横向载荷转移率极值为1时的速度，该速度即为极限速度值，即横向坡道倾斜角2.5。条件下，不发生侧翻的速度极值为68km/h。研究对象在不同倾斜角横向坡道转向工况下的极限速度如下表4所示：

如图9，曲线上方区域是车辆会发生侧翻的区域，下方为安全行驶区域。通过该图，我们可以直观地得到车辆不同倾斜角度的横向坡道转向行驶时的安全速度，为研究对象的安全行驶提供依据。

5 结束语

本文首先从理论上分析了研究对象的横向坡道转向侧翻机理，然后基于ADAMS建立了整车虚拟样机多体动力学模型及3D道路模型，编写不同速度的控制文件，并进行了横向坡道转向工况侧倾稳定性仿真试验，得到以下几点结论：

1）研究对象在一定倾斜角度的横向坡道上转向行驶时，车速增大，车辆侧向加速度随之增大，侧倾稳定性变差；一定的速度条件下，坡道倾斜角度越大，车辆重力沿斜坡分力越大，即稳定力矩增大，越不容易发生侧翻（参见公式（1））。

2）选择更加直观地横向载荷转移率作为侧倾稳定性评价指标，并考虑了研究对象不同车轴轴荷不同，不同时发生侧翻的问题，赋予不同车轴不同的权重值，得到比传统算法更接近工程实际的修正载荷转移率，证明了修正后的评价指标的优越性。

3）利用修正后的横向载荷转移率，得到的横向坡道转向行驶工况侧翻预警阈值以及一定倾斜角度路面转向时的极限速度，进一步拟合得到研究对象在不同倾斜角度路面下的极限速度曲线，为其横向坡道转向行驶工况的安全行驶提供了依据，同时为车辆横向坡道转向行驶防侧翻控制问题奠定了基础。

参考文献：

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