旅居挂车侧翻稳定性研究

熊乐 吴云兵 张鹏飞 屈亚洲

XIONG Le et al

中汽研汽车检验中心(宁波)有限公司 浙江宁波 315336

1 前言

不同于普通汽车，旅居挂车列车是由牵引车与旅居挂车之间通过牵引装置连接组成，若车身结构参数不合理、操作不当极易导致列车发生侧翻。由于车厢封闭，车内安全措施不足，侧翻导致的后果比普通汽车更加严重。汽车侧翻大体上可以分为两类：一种是曲线运动引起的侧翻，是汽车在道路上行驶时，由于汽车的侧向加速度超过一定限值，使得汽车内侧轮胎的垂直反力为零而引起的侧翻；另一种是绊倒侧翻，汽车行驶时产生侧向滑移，与路面障碍物侧向撞击而将其“绊倒”[1]。

旅居车是指至少具有座椅和桌子、睡具（可由座椅转换而来）、饮食设施和储藏设施的一种专用汽车[2]。由于其自身性能的定位，旅居车的尺寸、质量和空间结构都与普通汽车有较大的差异，在普通道路上行驶很容易因路面障碍物发生绊翻或由于驾驶员应急操作发生侧翻，给驾驶员及其他道路行驶车辆带来危害。因此本文拟通过建立旅居车侧翻模型，分析带悬架挂车的准静态侧翻，利用Matlab计算得出各参数对侧翻阈值的影响，为生产企业和检测机构设计、分析车辆侧翻性能提供帮助。

2 侧翻模型

忽略汽车悬架及轮胎的弹性变形，刚性汽车有：

式中，m为车辆质量，ay为侧向加速度，c为质心高度， α为坡道角，L为轮距，Fin为内侧车轮垂直反作用力，g为重力加速度。

若车辆在水平路面行驶（α=0，ay=0）,则有：

随着侧向加速度ay的增大，Fin逐渐减小，当Fin减小到零时，汽车开始侧翻。

则推出：

侧倾时，考虑带悬架的汽车模型如下：

以侧倾中心取矩得：

式中，Cu为非簧载质量质心偏移量；Cs为簧载质量质心偏移量；Cr为 侧倾中心偏移量；αu为 非簧载质量的侧倾角；αs为 簧载质量的侧倾角；Gs为 簧载质量的重力；hu为非簧载质量质心距地面的高度；hs簧 载质量质心距地面的高度；hr为侧倾中心距地面的高度；h为簧载质量的侧倾力臂；Kr为悬架的组合侧倾角刚度；αy为 侧向加速度。

由式(4)～(7)整理可得：

汽车在转向过程中，内侧车轮的垂直载荷逐渐向外侧发生转移，地面的垂直反作用力可由轮胎垂直刚度Kt得出，且轮胎变形量与非簧载质量的侧倾角αu有关，推出：

式中，Fout为 外侧车轮垂直反作用力；θ为αu=0时轮胎变形量；δ为αu≠ 0时轮胎变形量；Gu为 非簧载质量的重力。

可以推出：

轮胎接触点取矩：

由于（8）、（13）、（14）求解得：

由式（15）可知，影响侧倾阈值的参数分别是hs、hu、Kr、 Kt、L。

3 试验验证

3.1 样车参数

以某企业生产的旅居挂车为例，样车外廓尺寸为4 600 mm×2 030 mm×2 575 mm，采用钢板弹簧非独立悬架，轮胎型号为225/70R15C，轮距为2 050 mm，簧载质量质心高度1 200 mm，非簧载质量质心高度380 mm，侧倾中心高度1 000 mm，非簧载质量重力为5000 N，簧载质量重力20 000 N ，轮胎垂直刚度22 000 Nm/rad，悬架组合刚度10 000 Nm/rad，样车参数见表1。

表1 样车参数表

3.2 试验准备

根据GB/T 14172-2009《汽车静侧翻稳定性台架试验方法》标准[3]要求进行侧翻试验台试验，固定试验前，需将要测试的旅居车辆两端轮胎气压充至厂家规定的冷态气压，并在侧翻台一侧安装防侧滑挡块，且挡块高度不大于30 mm，以防止车辆在侧翻台上试验时发生移动。

3.3 试验设备

试验设备要求如下：车轮负荷计，精度不低于1%；尺寸测量仪器，精度不低于1 mm；角度测量仪，精度不低于0.1°；侧倾台运转平稳，最小上升速度应不大于10(°)/min，最小下降速度应不大于27(°)/min。

3.4 试验过程

a.将汽车置于侧翻试验台上，车轮处于直线行驶状态，汽车的纵向对称平面与试验台面转动中心线平行；

b.实施驻车制动，安装防侧翻安全设备；

c.启动试验台，使汽车随试验台以适当速度抬起，实时监测抬起侧轮荷，直至法向反作用力为0，记录此时侧倾台的角度。

图1 侧翻台试验

将表1参数代入式（15），计算车辆的最大侧倾角，此时Fin=0，得到车辆的簧载质量侧倾角为34.3°，非簧载质量侧倾角为31.8°。

表2 试验与仿真结果

由表2可以看出，非簧载质量侧倾角与试验结果非常接近，由于侧倾过程中质量的转移，悬架左右侧压缩量不一致，导致车身的侧倾角比非簧载质量侧倾角大，符合实际情况，说明模型建立合理。

将表1所列参数代入模型，分别以hs、 Kr、 Kt、L四个影响因素作为变量，利用Matlab仿真软件编写文件，探究各影响因素对侧翻阈值的影响。由于主要是探究各影响因素对侧翻阈值的影响，因此这里采用单一变量原则，依次进行仿真分析。为了更形象地分析各影响因素对侧翻阈值的影响，现将各影响因素参数的仿真范围设置如下，见表3。

表3 各影响因素参数的仿真范围设置

将轮距L作为变量，得到侧翻阈值与轮距的关系曲线，见图2。

图2 轮距与侧倾阈值的关系曲线

由图2可知，轮距L对侧翻阈值影响极为敏感，在轮距为1.5 m时，车辆侧翻阈值几乎为0，轮距越大，车辆的侧翻阈值越高，越不容易发生侧翻，但轮距过大，车辆的转弯半径也越大，机动性变差，因此适当增大轮距会提高车辆的稳定性。

将悬架的组合刚度Kr作为变量，得到侧翻阈值与悬架组合刚度的关系曲线，见图3。

图3 悬架组合侧倾角刚度与侧倾阈值的关系曲线

由图3可知，Kr增大，汽车的侧翻阈值相应提高，但当Kr达到临界值后，继续增大对侧翻阈值影响甚微。

将簧载质量质心高度作为变量，得到侧翻阈值与簧载质量质心高度的关系曲线，见图4。

图4 簧载质量质心高度与侧倾阈值的关系曲线

由图4可知，hs也是影响汽车侧倾阈值的敏感参数，降低质心高度，对提高汽车的稳定性明显，对于旅居挂车来说，合理布置各专用装置对降低簧载质量十分重要。

将轮胎垂直刚度作为变量，得到侧翻阈值与轮胎垂直刚度的关系曲线，见图5。

图5 轮胎垂直刚度与侧倾阈值的的关系曲线

由图5可知，轮胎垂直刚度Kt越大，车辆侧翻阈值越高，越不容易发生侧翻。但当Kt达到临界值后，继续增大对侧翻阈值影响甚微。

本文建立了旅居挂车侧倾模型，利用Matlab软件分析了影响旅居挂车侧翻的主要因素，并作出各参数变化与侧翻阈值的关系曲线，为优化旅居挂车结构设计和提高侧翻稳定性提供依据。

a.侧倾阈值受轮距和质心高度影响最为明显，轮距越大，侧翻阈值越高，质心高度越低，侧翻阈值越高。质心高度与车辆布置有关，轮距必须符合GB 1589中尺寸限制，因此在旅居挂车设计时，着重考虑质心高度与轮距，不断优化以达到最佳方案；

b.汽车的操纵稳定性[4]对汽车侧向加速度有着严格要求，在做圆周运动时，Fin趋近于0时，侧向加速度近似于侧翻阈值，在试验过程中根据汽车现有的轮距及质心高度，大致估算出汽车侧倾阈值，判断汽车操纵稳定性的极限，为动态试验提供一个侧翻预估值，保障试验安全开展；

c.适当提高悬架刚度以及轮胎垂直刚度，会使旅居挂车的侧倾阈值增加。