基于ADAMS的汽车侧翻仿真分析

周博，申海龙

(大连交通大学 动车运用与维护工程学院，辽宁 大连 116028)*

基于ADAMS的汽车侧翻仿真分析

周博，申海龙

(大连交通大学 动车运用与维护工程学院，辽宁 大连 116028)*

研究了汽车侧翻影响因素对其侧翻的影响程度，应用ADAMS/Car模块建立汽车侧翻的动力学模型，基于ADAMS的仿真原理，对影响汽车侧翻的因素：速度、弯道半径、路面附着系数和质心高度进行分析，获得了各因素对汽车侧翻影响的趋势.应用正交试验法，以轮胎横向荷载转移率的最大值作为侧翻风险的评价指标，对汽车侧翻因素的影响程度进行分析.研究表明所研究的四个主要因素的影响程度由大到小依次为弯道半径、车速、质心高度、数路面附着系数，为提高公路运输安全，提供了很有参考价值的理论数据.

汽车侧翻；ADAMS；正交试验；稳定性

0 引言

随着汽车产业的迅速发展，汽车保有量正在逐年增加.在给人们生活带来便利的同时，也给道路交通安全带来了巨大压力.尤其是汽车侧翻引发的事故，具有伤亡严重、死亡率高等特点.根据国家统计局公布的数据显示，每年全国各地发生交通事故的总量在470万左右，与车辆相关的安全事故就占25%.可想而知，车辆事故总量巨大.

汽车作为一个复杂的多体动力学系统，其侧翻的影响因素与车速、质心高度、路面线型等密切相关.目前，国内外很多专家和研究机构都对这方面的工作展开了系统的研究.文献[1- 2]形成了“基于汽车弯道横向载荷转移率(LTR)的控制理论”，“汽车侧翻失稳评价指标RSF理论体系”等.并根据相关理论，提出了许多著名的汽车动力学模型，有力地推动了汽车侧翻研究工作的快速发展.文献[3- 5]对汽车侧向振动特性的研究、可变悬架侧翻模型以及汽车操纵稳定性的研究都取得了重要成就.文献[6]研究了高宽比、方向盘转角等因素对客车侧翻的影响程度.目前虽然很多学者都对汽车侧翻影响因素做了大量研究，但对侧翻影响因素的变化趋势以及变化幅度的量化方面的研究并不多见.

本文利用ADAMS/Car模块建立起整车模型，并对影响汽车侧翻的几个主要因素进行分析，获得了各因素对汽车侧翻的影响趋势.通过正交试验的方法，对汽车侧翻因素的影响程度进行分析，有助于人们主动预防汽车侧翻风险发生，对提高公路运输安全有重要意义.

1 汽车侧翻机理与模型建立

1.1 汽车侧翻机理

汽车的侧翻种类大体上可以分为两类，一类是汽车通过弯道时由于过度转向而引起的“急转侧翻”，是指汽车在弯道上行驶时，由于侧向加速度超过安全值，使得内侧车轮的垂直反力为零而引起的侧翻；另一类则是“绊倒侧翻”，是指汽车在行驶时产生侧向滑移，使车身与路面上的障碍物相撞而引起的绊倒侧翻.本文主要对汽车发生“绊倒侧翻”的情况进行分析.

图1所示的是考虑在急转过程中悬架质心发生偏移的急转侧翻模型[7].对弯道外轮与地面的接触点p取力矩平衡方程有：

msayhg-msg[B/2-Φ(hg-hr)]+FziB=0

式中,

其中，ms为整车的质量;B为汽车轮距;ay为汽车侧向加速度;hg为质心距地面的高度;hr为侧倾中心距地面的高度;Fzi为汽车内侧车轮受到的垂向反力;Φ为汽车质心的侧倾角度.

图1 急转侧翻模型

当Fzi=0时，汽车开始发生侧翻，此时汽车在侧倾平面内不能保持平衡.汽车开始侧翻时的侧翻阙值，由下式给出：

1.2 整车模型建立

一个完整的整车模型包括：前后悬架、前后轮胎、车身、动力系统、转向系统和制动系统等.由于汽车结构的复杂性，要想将其完整的表达出来，不但增加了模型的复杂性，也增加了仿真时间，使仿真效率大大的减低了.因此，在不影响仿真分析的前提下对汽车弯道侧翻没有影响的车体结构进行简化：

(1)将车身结构简化成一个质点，使车身质量集中在这一点；

(2)将变速箱、传动轴、制动系统等略去，靠通讯器来连接.

ADAMS软件采用自下而上的建模原理，即整车模型是基于子系统的基础上建立起来的，而子

图2 整车模型

系统则是由模板建立起来的.在ADAMS/Car模块中集成了许多子系统的模板，在建模过程中，需要对各子系统的模板特性(质量、转动惯量、定位参数等)进行修改，并建立各组件之间的约束关系[10].建立好的整车模型如图2所示.

2 影响侧翻的因素分析

在进行仿真分析前，除了需要完整的汽车模型之外，还需要编写仿真控制文件和道路文件.仿真控制文件设置主要包括行车速度和弯道半径，路面文件主要设置路面附着系数.在我国，汽车正常行驶速度范围在20～120 km/h，路面弯道半径一般都在30 m以上.路面附着系数与路面纹理和外界条件有关，不同情况下路面附着系数从0.1～0.8不等，正常情况下的路面附着系数在0.8左右[9].

2.1 行车速度对汽车侧翻的影响

通过对比汽车在不同速度下的运动轨迹曲线，可以很直观的看出行车速度的大小对汽车侧翻的影响.仿真控制文件采用自定义编写，设置汽车进入弯道的初始速度分别为20、70、105及120 km/h，并以该速度进入半径为100 m，附着系数为0.8的弯道.定义运行时间和结束条件，设置汽车进入弯道为右转弯即汽车左轮为弯道外轮.将编写好的控制文件导入，并运行仿真，得到汽车运动轨迹曲线.

根据公式ay=fg=v2/r计算可知，汽车临界速度安全值为28 m/s.由图3可知，汽车在直角转弯过程中，当速度低于临界加速度安全值，即由5.5增加到19.4 m/s时，速度增幅2.5倍，但运动轨迹几乎没有发生偏移，此时汽车没有发生侧滑.当速度高于临界加速度安全值，由29增加到33.3 m/s时，速度增幅只有15%，但此时运动轨迹偏移量增幅高达32%，汽车发生严重侧滑.可见，车速一旦超过临界速度安全值，对汽车侧翻影响呈快速增长趋势.

图3 不同行车速度时汽车的运动轨迹

2.2 路面弯道半径对汽车侧翻的影响

选用侧向加速度指标来评价汽车的侧翻趋势.设置路面弯道半径参数分别为100、55、40、30 m.选择附着系数为0.8的干燥平坦路面，速度为72 km/h，进行仿真.

由图4分析可知，汽车的侧向加速度随着弯道半径的减小逐渐增加.当弯道半径高于安全值51 m时，即侧向加速度低于0.8 g时，侧向加速度增加到最大值后稳定不变.当其低于弯道半径安全值时，达到最大值后侧向加速度波动较大，汽车处于不稳定状态.当弯道半径为100 m时，侧向加速度增加到0.4 g所用时间2 s.而当弯道半径为40 m时，侧向加速度增加到0.85 g时，所用的时间为1 s，侧向加速度响应时间缩小1倍，但加速度增加幅值变为原来的2倍.可见，当弯道半径低于安全值时，侧向加速度响应迅速.在紧急情况下给驾驶员的反应时间也大大减小，对主动预防侧翻是很不利的.

图4 不同弯道半径时汽车的侧向加速度

2.3 路面附着系数对汽车侧翻的影响

以汽车的左轮(弯道外轮)作为研究对象，对不同路面附着系数条件下的轮胎受力进行分析.取干燥路面附着系数值为0.8，潮湿路面附着系数值为0.5，下雨天的路面附着系数为0.4，普通雪天为0.2，压实雪、接近冰的路面附着系数取0.1.选取行车速度为54 km/h，路面的弯道半径为50 m.定义好汽车的运行时间与结束条件，将编好的控制文件导入后进行仿真.

由图5可以看出，进入弯道以后，左轮的侧向力开始反向迅速增大.当路面的附着系数为0.1、0.2、0.4时，汽车会产生打滑.此时侧向力最大值随着附着系数增大也增大，且侧向力增加幅值几乎都为2.2倍.这是因为此时汽车受的是滑动摩擦力，其最大值随着路面附着系数增大会增大，而侧向力大小此时等于滑动摩擦力.当附着系数为0.5、0.8时，此时汽车不会侧滑，所受的是静摩擦力，附着系数越大侧滑趋势越小，所以当路面附着系数为0.8时左轮的最大侧向力小于0.5的时候.

图5 不同路面附着系数时汽车的左轮的侧向力

图6中的曲线由下到上依次是附着系数为0.1、0.2、0.4、0.5和0.8时的垂向力曲线图.进入弯道后可以看出，在侧滑(附着系数为0.1、0.2、0.4)时，随着附着系数的增大汽车左后轮的垂向力开始不断增大.当附着系数为0.1时，垂向力由4 300 N增加到4 600 N，垂向力增幅7%.当附着系数变为0.2时，垂向力增幅12%.当附着系数为0.4时，垂向力增幅23%.可知，在侧滑阶段，弯道外轮的垂向力随着附着系数的增加而增大.而当汽车没有侧滑(附着系数为0.5、0.8)时，左后轮的垂向力增大趋势几乎相同，垂向力增幅26%.

图6 不同路面附着系数时汽车的左轮的垂向力

2.4 质心高度对汽车侧翻的影响

图7为不同质心高度时汽车的侧倾角度曲线图.原车质心高度为500 mm，取质心高度每次等幅增加100 mm.

从图7可以看出，随着汽车质心高度的增加，汽车的侧倾角度也在不断的增大.质心高度每增加100 mm，侧倾角增加0.5°，质心高度与侧倾角度呈线性增长趋势.同时，随着质心高度的增加，侧倾角响应时间增加，降低了瞬态响应性能，对整车的操纵稳定性不利.

图7 不同质心高度时汽车的侧倾角度

3 影响侧翻的因素综合评价

3.1 侧翻风险度量指标

目前为止，用于评价汽车侧翻的指标不少，最常用的就是侧向加速度、侧倾角、轮胎横向荷载转移率(LTR)等.LTR指标与侧向加速度、侧倾角指标相比可信度要高[10].

横向荷转移率就是指在汽车发生侧倾时，车身的侧倾造成汽车左、右轮一侧的垂向载荷增加，另一侧垂向载荷减小的现象.当减小的一侧车轮的垂向载荷刚好为零时，汽车处于失控的边缘，在一定的条件下汽车将会发生侧翻.横向轴荷转移率(Lateral-loadtransferrate，LTR)的表达式：

LTR=(F1-F2)/(F1+F2)

式中,F1为外侧车轮的垂直载荷;F2为内侧车轮的垂直载荷.LTR的变化范围为[-1，1].当LTR=0时，左右轮载荷相同，汽车没有发生侧倾.当LTR=1时，内侧车轮的垂直载荷为零，汽车将要发生侧翻[11].

通过ADAMS软件输出轮胎横向荷载转移率变化曲线.并把汽车转向过程中LTR出现的最大值定义为LTRmax.用LTRmax来描述汽车在转向过程中的侧翻倾向，并以LTRmax为衡量汽车侧翻风险的度量指标.

3.2 侧翻影响因素的讨论

本文采用正交试验的方法来进行讨论.根据单一试验原理，选取了影响汽车侧翻的几个主要因素进行正交试验.分别是汽车质心高度h、车速v、路面弯道半径r和路面附着系数f.选取LTRmax作为试验研究的目标函数.因为在正交试验中确定每个因素的水平数一般以2～4个水平为宜，所以本文在各侧翻因素合理的范围内尽量分散的选取3个水平.如表1所示.为了减少试验的复杂性又保证试验的精度，采用L9(34)正交表进行正交试验.忽略各因子间的交互作用，依据正交试验方案，利用联合仿真模型逐一进行仿真试验，记录试验结果.

表1 侧翻因素水平表

通过ADAMS软件对9组试验依次进行仿真，得到各次试验的LTRmax值.如表2所示.

表2 正交试验结果表

3.3 侧翻影响因素与指标趋势图

图8 弯道半径对荷载转移率的影响

图9 车速对荷载转移率的影响

图10 质心高度对荷载转移率的影响

图11 附着系数对荷载转移率的影响

4 结论

本文主要应用ADAMS软件的CAR模块，根据ADAMS建模原理建立物理模型，编写道路文件和驱动控制文件后对影响汽车侧翻的几个因素进行分析.并通过正交试验的方法对汽车侧翻因素的影响程度进行分析.得到如下结论：

(1)随着行车速度的增加，汽车发生侧翻的风险也在增加.当速度低于安全值时，速度的增加对侧翻影响不大.当速度超过了安全值后，会出现转向不足现象，对汽车侧翻影响也将呈几何增长趋势;

(2)越小的弯道半径，汽车越容易产生侧滑.尤其是当弯道半径低于安全值时，侧滑趋势更为严重;

(3)路面附着系数是影响汽车侧滑和侧翻的一个重要参数.当附着系数小于0.5时，汽车易发生侧滑事故，且附着系数越小，侧滑趋势越明显.当附着系数大于0.5时，如果遇到车速过快，又在急转弯的情况下，汽车很容易发生急转侧翻;

(4)质心高度越大，汽车侧翻风险越高.质心高度每增加100 mm，侧倾角增加0.5°，质心高度与侧倾角度呈线性增长趋势.同时，随着质心高度增加，侧倾角响应时间增加，降低了瞬态响应性能，对整车的操纵稳定性也不利;

(5)弯道半径与车速对汽车侧翻影响最大，质心高度其次.附着系数虽然最小，但它却是汽车侧滑的主要因素，而严重侧滑将发生绊倒侧翻.

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[3]郭孔辉．汽车操作动力学[M]．长春：吉林科学技术出版社，1991.

[4]杨利勇，徐军．影响汽车侧翻的悬架因素分析[J]．贵州工业大学学报(自然科学版)，2004,33(4)：99- 102.

[5]冉振亚，庞迪，赵树恩，等．PRO/E、ADAMS软件在汽车操纵稳定性中的应用[J]．重庆大学学报(自然科学版),2005,28(11):20- 23.

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[8]陈军．MSC.ADAMS技术与工程分析实例[M]．北京：中国水利水电出版社，2008.

[9]浙江省交通规划设计研究院．高速公路交通安全设施设计规范[M]．北京：人民交通出版社，2008.

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[11]王睿，李显生．基于横向载荷转移量的客车侧倾稳定性分析[J] ．湖南大学学报(自然科学版)，2013,40(5):49- 54.

Analysis and Research of Vehicle Rollover Simulation based on ADAMS

ZHOU Bo，SHEN Hailong

(School of EMU Application and Maintenance Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

In order to study the influence of rollover risk factors on vehicle rollover,a dynamic model of vehicle rollover was established in the ADAMS/Car module,and the simulations of rollover were performed with different conditions under the environment of ADAMS.The thesis analyzed the conditions causing the rollover,i.e.driving speed,curve radius,road adhesion coefficient and mass center of height.The influence trends of each factor on vehicle rollover were obtained.By using the orthogonal experiment method with the risk index of the maximum tire lateral load transfer rate,rollover risk factors were evaluated,and their impact degrees on the vehicle rollover were obtained.The impact degrees on the rollover are curve radius,driving speed,mass center of height and road adhesion coefficient in descending order,which provided some valuable data for the vehicle safety .

vehiclerollover；ADAMS；orthogonal test；stability

1673- 9590(2017)05- 0027- 06

A

2016- 11- 28

周博(1972-)，男，副教授，硕士，主要从事现代车辆设计理论及方法的研究 E-mail:zhoubo@djtu.edu.cn.