汽车侧翻分析

图9－2侧翻汽车的受力汽车侧翻分析在汽车行驶中中，侧翻是其中一种最为严重并且威胁成员安全的事故。侧翻可以定义为能够使车辆绕其纵轴旋转90度或更多以至于车身同地面接触的任何一种操纵。侧翻可以由一个或一系列综合因素产生。它可以发生在平直的水平地面上，并且车辆的侧向加速度达到一定的数值，该数值要超过车辆侧面重量转移到车轮上所抵消的加速度值。通过有坡度的路面（或无路情况）时由于不平路面的冲击，地面松软或其他障碍物会促使侧向压力提高从而使车辆“失足”。侧翻过程是一个包括作用在车辆上和车辆里的力的相互作用的复杂过程。侧翻受操纵和高速公路的影响。人们已经通过理论分析以及包括一系列复杂设备的模型实验研究侧翻过程。这个过程很容易通过静态基本结构实验来理解（忽略惯性和滚动平面上的加速度），并且促进发展更加复杂的模型。1、刚性汽车的准静态侧翻汽车侧翻的最基本的机械特性可以通过考查转弯过程中稳定车身的受力均衡性来了解。稳定的车辆是指悬架和轮胎的偏置在分析中被忽略掉。在转弯操纵中，侧向力作用在地面上来平衡作用在汽车重心上的侧向加速度，如图9－2所示。侧向力作用在车辆上的位置的不同产生一个力矩，该力矩使车辆向如图所示的外侧侧翻.为了分析转动情况，假定汽车在稳定状态以使汽车没有滚动加速度，并且使轮胎如图所示受力（前轮和后轮）。在很多公路环境中，它也适合考虑横向坡度。如大家所知的坡度和道路转弯处汽车外侧比内侧高出的程度。在分析中，将角度表示为””，想左下的坡度表示正角。这个方向的坡度有助于平衡侧向加速度。斜坡角度通常情况下很小，而且角度很小时约有1cos,sin。以汽车接地点为中心的力矩关系为：02tziyMgtFMhhMa（9－1）从式（9－1）我们可以得出ay：htMgFhtgaziy2（9－2）在水平路面上（0），没有侧向加速度，方程也成立。此时，内侧车轮载重，Fzi，是车总重的一半。另外通过正确选择坡面角度，可以使Fzi保持在具有侧向加速度的汽车重量的一半.，即通过公式：gay（9－3）在公路设计中，坡面被准确用在曲率设计中。在给定半径和预定行驶速度的情况下，恰当的选择坡面以产生一个侧向加速度，这个加速度在0～0.1的范围内。在道路外侧比内侧高的曲度下汽车具有加速度为零时的速度称为中间速度。重新回到方程（9－2），随着侧向加速度的增大，内侧车轮上的负载必定减少。正是通过这个过程，汽车在转弯过程中能够去抵抗或抵消侧翻运动力矩。当内侧车轮负载为零时极限转弯情况就会发生（所有的负载转移到外侧车轮上）。在此极限位置侧翻将会开始发生，这是因为汽车不能继续维持在滚动平面上的平衡。侧翻开始时的侧向加速度是临界加速度，并由公式给出：hhgaty2（9－4）没有坡度时，使侧翻发生的侧向加速度的临界值仅仅是??。这种简单的侧翻临界点的估算过去常常用在汽车抵抗侧翻运动的性能的估算中。该公式非常简便，应为它只需要两个汽车参数—轮距和重心高度。然而，这种估算却很保守（预测的侧翻临界值比精确值大很多），该公式主要用来比较汽车性能而不是预测绝对的性能水平（一些动力学专家利用这种侧翻临界点逆形式th2作为汽车侧翻倾向的估算，临界点越低性能越好）。路面上各种类型汽车的侧翻临界值是不同的，例如典型的汽车的临界值如下表所示：稳态汽车模型表明由于轮胎摩擦的增加（典型的最大摩擦系数是0.8），只有达到旅行车和轻型卡车的侧翻的侧向加速度才会有良好的转弯能力。这就是说汽车无侧翻的在平坦路面上疾驰是可能的。由此我们可得出结论，这些类型的汽车侧翻情况是很少的。然而，事故统计证明却不是这样的，从而激励更深入的侧翻运动现象的分析在本章后面作探讨。对重型卡车来说，由于在轮胎摩擦极限内就可以达到侧翻临界值，侧翻同样很明显。这样，如果驾驶员让汽车在干燥路面上疾驶，那麽重型卡车很可能冒着侧翻的危险。稳态车身侧翻可以通过侧向加速度和侧翻角的函数图作出更完全的阐述，如图9－3所示。由于我们假设汽车处于稳态，当侧翻角为零时，侧向加速度能达到侧翻临界值，一旦达到该临界值，内侧车轮开始抬升，汽车开始以一定角度侧翻，使平衡侧向加速度能力减小，因为中心提高且向外侧车轮偏移。这个区域不是从来就不是不稳定的状态，考虑到俩个车轮由于运动不协调而发生侧翻，为了保持平衡，在上图所示曲线上汽车侧翻角必须具有精确的数值，以使平衡时侧向加速度具有精确的数值。任何轻微地增加侧翻角的干扰，就使平衡侧向加速度减少，未被平衡的侧向加速度将产生横摆加速度（横摆加速度又使侧向加速度增加），使其远离平衡点，如果这种远离继续下去在1秒或2秒内汽车侧翻角很快增加，从而完成侧翻。当侧翻开始时，便产生了一个新的概念。由于汽车本身的不稳定性，当汽车内侧车轮感离开地面时的状态恰好被称为汽车侧翻的起始点。然而，对于驾驶员来说，通过控制转向盘从而阻止侧翻发生是可能的，这样，汽车侧向加速度减少到汽车能恢复正常位置的水平。由于汽车以一定速度侧翻，所以必须快速（0.5秒内）作出反应。理论上，只有当侧翻角变得很大，一致与汽车重心超出了外侧车轮与地面接触线时，侧翻才是不可避免的。这个极限点即是图中平衡加速度达到0的点（)2(tan1th）人们很高兴地认识到技艺精湛的驾驶员可以使汽车达到这一点，并且在不稳定状态下用两个车轮进行长距离驾驶。然而，如果汽车不小心侧翻达到这个极值点时，一般的驾驶者很少能够避免侧翻。从传统的观点来看，汽车设计者们应该假定一旦汽车一侧的侧轮离开地面，大多数驾驶者来不及反应做出技术动作，所以应该侧重于尽量完善汽车性能，使其达到该点。2、考虑悬架的准静态侧翻象前面所做的分析那样忽略轮胎和悬架的复杂性，过高的估计汽车的侧翻临界点。在转弯时，侧面载重量转移使内侧车轮减少载重量而使外侧车轮增加载重量。与此同时，车身在侧翻过程中会伴随着重心向转弯过程中汽车外侧侧向转移。重力的分力能够减少力臂从而抵制侧翻的产生。图9－4显示的是具有悬架系统的汽车上的这些机械构造。车身由它的质量MS来表示，它连接在一个经过假设是侧翻中心的轴上。侧翻中心是指汽车发生侧翻所围绕的轴心，也使侧向力由轴转移到弹性块所在的点。如果忽略质量和轴的转动，就会对侧翻临界点得出简单的分析结果。假设左侧车轮的载重量为零，计算右侧车轮接触地面的点的力矩用如下公式：)(200rSyShhtgMhaMM（9－5）此时弹性体的侧翻角仅是侧翻刚度R，是侧向加速度ay的数倍。侧翻刚度是侧翻角变化率，同时侧向加速度用每克的弧度数来表示。代入消去侧翻角从而得到侧向加速度：hhRhtgary1112（9－6）图9－3稳态汽车侧翻时的平衡横向加速度图中：h=汽车重心到地面的高度hr=侧翻中心到地面的垂直距离t=轮距R=侧翻刚度（弧度／克）由于考虑到汽车重心的侧向滑动，上面方程（9－6）中右边第二项的存在而使侧翻临界点ht2减少。对于一辆旅行车来说，hhr＝0.5，侧翻刚度为0.6度每克（0.1弧度／g），第二项大约为0.95。那就是说由于这样的作用原理，侧翻临界值大约减少了5％。赛车具有低侧翻刚度和低重心，受这种影响更低。然而，豪华轿车具有较高的侧翻刚度和重心，受这种影响也更大。与独立悬架（一般具有低侧翻中心）相比，整体式轿车（一般具有高侧翻中心）由于减少了从汽车重心到侧翻中心的距离所以可以减少侧向滑动的影响。类似的机构原理来源于外侧车轮的侧向偏向，转弯时，它允许车轮上的负载中心向内侧移动，有效的减少了轮距。对于典型的旅行车而言，车轮接地点的侧向滑移又可以导致另外5％的侧翻临界值的减少。更简捷的侧向滑移的分析和有效侧翻临界点需要详细的车轮模型和悬架系统。在该装置中必须考虑以下几点：悬架侧翻中心侧翻直接导致弹性体重心的侧向移动。由于整体式车桥的侧翻或独立式弹性车轮的外倾，并考虑到轮距，悬架侧翻中心的侧向移动。由于转向力和偏导装置，车轮垂向力作用点的侧向移动。（这些因素反映在取代兼有转向和外倾的过多转向运动过程中）。前后悬架和车轮的作用不同。对分析结果来说，考虑所有这些影响是不行的。特别的。如果前后悬架在负载和侧翻刚度都相差较大时，同时模拟前后两悬架的作用是必要的。当包括这些影响时，计算机程序是通常使用的计算准静态侧翻临界点的方法。当这些机械装置被简明的模拟时，汽车准静态侧翻响应便是如图9－5所示的形式。侧向加速度很小时，汽车侧翻响应线性增加，直线斜率为侧翻刚度。这个过程继续进行直到其中一个内侧车轮举起。（由于前后悬架和其负载的不同，实际汽车中，前后两车轮一定不会同时离开地面。以多桥卡车为例，随着每个内侧车轮的举升，斜率发生变化，结果在此区域形成由三，四段线性部分组成的曲线。）在该点上，由于侧翻刚度被减少到仅由一个和地面仍然接触的悬架产生的刚度，曲线斜率变的较低。当第二个内侧车轮抬升时，侧翻临界点便已达到。这以后，侧翻曲线沿着向下的斜线，完全和所讨论的稳态车辆相同。这个平面图表明，对于一辆给定轮距和重心高度的汽车来说，最高的侧翻临界点可通过提供最可能高侧翻刚度的弹性体（用高侧翻刚度的悬架）和设计前后悬架以使内侧车轮在相同的侧翻角条件下抬升获得。已经发展的试验方法去测量准静态侧翻临界点通过“侧翻实验台”。顾名思义，该试验台使汽车侧翻，翻滚或平放，通过测量侧翻出现时的角度来确定侧翻临界点。该方法对于具有很高的重心和很小的侧翻角度（一般20～25度）的重型卡车相当精确。然而对旅行车来说，侧翻临界点可能在45度左右。在角度很大时，作用在车身上向下的重力分力大幅度减少（45度时为30％）。被减少的作用在悬架和轮胎上的力是车身抬升到正常行驶位置以上，从而导致过早的侧翻并使试验失败（无效）。为了避免这些错误，试验程序必须设计或施加一个侧向力于重心位置（缆绳拖拉试验）或者施加一个纯力矩于车身上。3、汽车的瞬态侧翻迄今为止，分析必须是准静态，且模拟当汽车处于稳态时的侧翻（准静态假设只在侧向加速度变化比汽车侧翻反应慢时才合理）。为了考察汽车随侧向加速度变化的情况，一个瞬间模拟是必需的。瞬态响应模拟试验希望描述出汽车侧翻随时间变换的关系，在最基本的水平下，简单的侧翻模拟试验通常被用来检验简单的随时间变化的侧向加速度的响应情况。渐渐的，更广泛的综合各种偏摇想法的模拟试验台和侧翻平台被发展去检测各种操纵环境下的侧翻响应。3．1简单的侧翻模型最早最简单的研究瞬态响应的方法是一个和原来讨论的悬挂汽车类似的模型，在该模型上对弹性体加一个转动性力矩。如图9－6所示，车身用MS表示，转动惯性力矩为IXXS。悬架刚度和汽车左右两侧减震装置来显示。另外，前后车轮和悬架结合在一起以简代分析过程。该模型对于检测汽车在自然界中阶跃输入时突然施加侧向加速度时的响应很有作用。当汽车进入滑路面，离合器锁止然后经受一个突然的转向力回复力，此时离合器松开，也是一个典型的瞬态过程。另外，这也可以模拟汽车从低摩擦路面进入高摩擦路面时的效果。可以列出侧翻平台上的运动微分方程来分析解决阶跃输入的问题。该系统响应和如图9－7所示的施加阶跃输入的调节减振的单自由度的响应相似。图9－5悬架汽车侧翻时的平衡横向加速度在突然的加速度输入情况下，侧翻角响应是一个二次系统，在低于临界点时，侧翻角增加到平衡点，但是因为当它达到平衡点时，仍然有侧翻速度，它会越过稳态侧翻角。此后，侧翻角减小并且振荡，直到稳定在平衡的稳态侧翻角。阶跃输入操纵产生一个低于准静态临界点的侧向加速度，由于过冲量的存在，在瞬态响应中，它会导致侧翻，这样侧翻临界点低于瞬时操纵时的值。越过稳态侧翻角的程度依赖于侧翻阻尼器，图9－8所示对于旅行车，商务车和重型卡车的计算侧翻临界值—阻力比的函数图。最低的侧翻临界值出现在没有阻尼器时，它随着阻尼比的增加以渐渐减小的速率增加。即使这样，侧翻阻尼器的作用是明显的。汽车侧翻临界值随着临界阻尼从0～50％增加接近1／3。从ht2公式可见，对于汽车和商务用车来说，瞬时转向操纵将减少侧翻临界值大约30％，而对于准静态悬挂汽车只减少10％，对重型卡车来说，减少量接近50％。运用一