基于ADAMS的某型特種車輛橫向坡道轉(zhuǎn)向側(cè)傾穩(wěn)定性仿真研究

王全　姜樂華　高經(jīng)緯

摘 要：針對某型特種車輛橫向坡道轉(zhuǎn)向工況，基于ADAMS軟件建立了整車虛擬樣機模型和不同傾斜角度的3D道路模型，并編寫驅(qū)動控制文件，進行了不同傾斜角度3D路面轉(zhuǎn)向仿真試驗；以橫向載荷轉(zhuǎn)移率作為橫向坡道轉(zhuǎn)向側(cè)傾穩(wěn)定性的評價指標，并根據(jù)車軸之間的載荷分布對其進行修正，得到評價效果更好的橫向載荷轉(zhuǎn)移率；利用優(yōu)化后的評價指標求得研究對象不同傾斜角度橫向坡道轉(zhuǎn)向工況下的側(cè)翻預(yù)警閾值。仿真結(jié)果表明：在不發(fā)生側(cè)滑的道路條件下，相同的道路傾斜角度，速度增大，車輛側(cè)傾穩(wěn)定性變差；相同的行駛速度，道路傾斜角度增大，車輛不容易發(fā)生側(cè)翻。

關(guān)鍵詞：橫向坡道；ADAMS；3D道路；仿真試驗；橫向載荷轉(zhuǎn)移率；道路傾斜角；速度

中圖分類號：U467.1+3 文獻標識碼：A 文章編號：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

車輛側(cè)翻是指車輛在行駛過程中繞其縱軸線轉(zhuǎn)動90?；蚋蟮慕嵌纫灾萝嚿砼c地面相接觸的一種極其危險的側(cè)向運動[1]。美國高速公路交通安全管理局對車輛事故進行的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，盡管車輛側(cè)翻事故率不高，但是產(chǎn)生的危害程度僅次于碰撞事故，居第二位[2]。

目前，車輛側(cè)傾穩(wěn)定性方面的研究主要集中于水平路面各種工況。但在車輛實際行駛過程中，車輛在橫向坡道轉(zhuǎn)向行駛時極易造成車輛側(cè)翻，因此，國內(nèi)很多專家學者開始關(guān)注車輛在橫向坡道行駛時的穩(wěn)定性。丁良旭等通過對汽車橫向靜側(cè)翻穩(wěn)定性的研究，提出一種與實際非常接近的汽車橫向最大靜側(cè)翻角的評估方法[3]。王新彥等建立了車輛在斜坡上曲線行駛時的車廂側(cè)傾角預(yù)測模型，并驗證了模型的準確性[4]。西北農(nóng)林科技大學的潘冠廷分析了山地履帶拖拉機橫向坡道轉(zhuǎn)向時的極限翻傾角影響因素[5]。朱為國等對橫向坡道路面不同轉(zhuǎn)向和旋向的混凝土攪拌運輸車側(cè)翻穩(wěn)定性計算結(jié)果為坡道安全行駛車速提供了理論依據(jù)[6]。

本文研究對象是一種特種車輛，它的應(yīng)用環(huán)境和特殊用途決定了其橫向坡道轉(zhuǎn)向研究的必要性與實車試驗的不可行性；同時，由于實車側(cè)翻試驗是破壞性試驗，樣車不可以重復使用，試驗費用很高[7]，故采用計算機仿真分析方法具有明顯的優(yōu)勢；而且現(xiàn)今計算機模擬仿真機技術(shù)日益成熟，在工程實際中得到廣泛應(yīng)用。綜上所述，本文主要采用理論分析與計算機模擬仿真方法開展研究。

2 車輛橫向坡道轉(zhuǎn)向側(cè)傾機理及側(cè)傾穩(wěn)定性評價指標

2.1 車輛橫向坡道轉(zhuǎn)向側(cè)傾機理

首先對某型特種車輛橫向坡道轉(zhuǎn)向側(cè)傾穩(wěn)定機理進行分析研究；圖1給出了某型特種車輛橫向坡道轉(zhuǎn)向穩(wěn)態(tài)下的側(cè)傾模型：

從公式（1）可以看出，車輛受到兩個穩(wěn)定力矩，一個是由重力沿斜坡分力及轉(zhuǎn)向離心力導致的車輛質(zhì)心偏移引起的，大小是 ，另一個是載荷在兩側(cè)車輪之間發(fā)生橫向轉(zhuǎn)移引起的，大小是 ；造成車輛側(cè)翻傾向的力矩主要是車輛所受離心力引起的，大小是

。當公式兩邊相等時，車輛正常行駛，當右邊大于左邊時，表明車輛載荷從一側(cè)轉(zhuǎn)移到了另一側(cè)，極限工況是F2 = 0，車輛即將發(fā)生側(cè)翻；由公式還可知，相同條件下，車輛質(zhì)心越低（側(cè)翻力矩?。喚嘣酱螅ǚ€(wěn)定力矩大），路面傾角β 增大（側(cè)翻力矩減小同時穩(wěn)定力矩增大），車輛側(cè)傾穩(wěn)定性越好，越不容易發(fā)生側(cè)翻事故。

2.2 車輛側(cè)傾穩(wěn)定性評價指標

車輛常用的側(cè)傾穩(wěn)定性評價指標有以下三種[8]：

（1）車身側(cè)傾角是車輛側(cè)傾狀態(tài)的最直接的變化量，一般以靜態(tài)側(cè)翻試驗測定車輛最大側(cè)傾穩(wěn)定角。在橫向坡道路面上車輛的靜態(tài)側(cè)傾穩(wěn)定角比水平路面上小得多。

（2）側(cè)向加速度值，以單位重力加速度表示[9]； 試驗數(shù)據(jù)表明，在水平路面上，大多數(shù)乘用車的側(cè)翻閾值都在lg以上，輕型卡車、貨車及越野車的側(cè)翻閾值在0.89g到1.29g范圍之內(nèi)，重型運輸車的側(cè)翻閾值通常在0.59g以下，在橫向坡道路面上側(cè)翻閾值大于水平路面。

（3）車輛發(fā)生側(cè)傾時，造成左右車輪中一側(cè)載荷增加，另一側(cè)載荷減少的現(xiàn)象，稱為由側(cè)傾引起的載荷轉(zhuǎn)移。標準橫向載荷轉(zhuǎn)移率（Lateral Load Transfer Rate， LTR）定義為右（左）側(cè)輪胎垂向載荷與左（右）側(cè)輪胎垂向載荷的差，與左右輪胎垂向載荷總和的比值的絕對值[10]：

式中：F1 是外側(cè)車輪的垂直載荷；F2 是內(nèi)側(cè)車輪的垂直載荷。

標準橫向載荷轉(zhuǎn)移率介于0到1之間，數(shù)值越小越穩(wěn)定，數(shù)值為0時兩側(cè)載荷相等；數(shù)值為1時，載荷完全轉(zhuǎn)移到一側(cè)，車輛即將發(fā)生側(cè)翻；車輛在橫向坡道路面與水平路面具有相同的側(cè)翻閾值。

3 基于ADAMS的整車虛擬樣機模型及3D道路模型的建立

ADAMS是由美國MDI公司開發(fā)的集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機軟件；其中，ADAMS/Car模塊集成了多家著名車企在汽車設(shè)計、開發(fā)等方面的經(jīng)驗。

3.1 整車ADAMS虛擬樣機模型的建立

本文模型是基于ADAMS/Car模塊建立的。整車參數(shù)如表1所示：

3.2 3D道路模型的建立[11]

ADAMS/CAR中的3D路面是三維平滑類路面的統(tǒng)稱，其路面文件的結(jié)構(gòu)分為幾個數(shù)據(jù)塊：基本信息、路面類型、摩擦系數(shù)、幾何形態(tài)等。本文所研究3D樣條路面的其他全局參數(shù)有：開放路面，路面參數(shù)點連續(xù)，汽車沿路面參考點指引的方向行進，左右道路與輪胎摩擦系數(shù)修正比均為1，道路寬度和路面傾斜角等。其中，路面傾斜角是文中需要研究的變量。

4 橫向坡道轉(zhuǎn)向側(cè)傾穩(wěn)定性仿真試驗

4.1 側(cè)傾穩(wěn)定性評價指標的選擇與優(yōu)化

4.1.1 選擇合適的側(cè)傾穩(wěn)定性評價指標

在橫向坡道路面轉(zhuǎn)向行駛時，對車輛側(cè)傾穩(wěn)定性影響最大的因素是行駛速度和道路傾斜角。為探究不同行駛速度和道路傾斜角下研究對象橫向坡道轉(zhuǎn)向響應(yīng)情況，本文做了多組仿真試驗，試驗條件及試驗結(jié)果如表2所示：

從圖4可以看出，在傾斜角度為10°的橫向坡道上行駛的車輛，60km/h和70km/h的速度下，可以正常轉(zhuǎn)彎，80km/h的速度時發(fā)生了側(cè)翻。側(cè)傾角、側(cè)向加速度和橫向載荷轉(zhuǎn)移率三個指標都可以直觀地表征車輛狀態(tài)的變化，但是從圖4（a）、4（b）可以看出，側(cè)翻發(fā)生時，側(cè)傾角和側(cè)向加速度急劇增大，遠遠超過理論值所允許的極限值，因而變化曲線并不能直觀反映車輛側(cè)翻臨界閾值；但是圖4（c）所示橫向載荷轉(zhuǎn)移率卻可以準確反映車輛側(cè)翻臨界閾值（根據(jù)其定義，1即為其側(cè)翻臨界閾值）以及達到臨界閾值的時間，故本文選擇橫向載荷轉(zhuǎn)移率作為研究對象橫向坡道轉(zhuǎn)向側(cè)傾穩(wěn)定性評價指標。

4.1.2 橫向載荷轉(zhuǎn)移率的優(yōu)化

過去的研究中，認為三個車軸是同時側(cè)翻的，這樣計算出的整車橫向載荷轉(zhuǎn)移率沒有考慮不同車軸軸荷不同。本文在仿真分析中發(fā)現(xiàn)，車輛在側(cè)翻過程中，各車軸一般情況下并不是同時側(cè)翻，即同一側(cè)的車輪并不是同時離開地面。路面傾斜角為2.5°，速度為70km/h的條件下仿真試驗結(jié)果如圖5所示：

從圖5可以看出，中軸和后軸明顯比前軸提前達到側(cè)翻閾值，如果三個軸以相同的權(quán)重值代入整車橫向載荷轉(zhuǎn)移率的計算顯然是不恰當?shù)?；故本文依?jù)整車前軸、中軸和后軸軸荷大小之比在整車橫向載荷轉(zhuǎn)移率的計算中引入修正系數(shù)a，b和c，賦予三個軸不同的權(quán)重（前軸軸荷最大，不易側(cè)翻，故修正系數(shù)之比與軸荷之比是相反的）；?。篴：b：c=0.26：0.37：0.37，修正前的整車橫向載荷轉(zhuǎn)移率計算式見公式（3）：

從圖6可以看出，修正后的橫向載荷轉(zhuǎn)移率曲線比修正前平緩，最大差值約為0.5，它的意義在于：車輛側(cè)翻預(yù)警研究中，由于從接收到預(yù)警信號到防側(cè)翻執(zhí)行器起作用會有一段時間延遲，故側(cè)翻預(yù)警閾值的選取不是極值1，而是0.9或更小的值，較早的預(yù)警意味著更長的防側(cè)翻控制反應(yīng)時間；如果駕駛員能提前得知車輛的側(cè)傾狀態(tài)，就能有效避免車輛側(cè)翻事故的發(fā)生[12]。修正后的橫向載荷轉(zhuǎn)移率曲線在0.7以后比修正前增長快，將提前達到預(yù)警閾值，從而比修正前獲得更長的預(yù)警時間，由此說明修正后的橫向載荷轉(zhuǎn)移率優(yōu)于修正前的橫向載荷轉(zhuǎn)移率。

4.2 橫向坡道轉(zhuǎn)向工況下預(yù)警閾值的確定及不同傾斜角度橫向坡道轉(zhuǎn)向極限速度

本文研究對象質(zhì)心較低，故在低速下轉(zhuǎn)向具有較好側(cè)傾穩(wěn)定性，當車速大于70km/h時，車輛在橫向坡道轉(zhuǎn)向時將不能保持良好的抗側(cè)翻性能。

圖7為速度80km/h時，道路傾斜角為2.5° 10°條件下車輛進行橫向坡道轉(zhuǎn)向時修正后的整車橫向載荷轉(zhuǎn)移率曲線。

從圖7可以看出，車輛在4秒左右進入彎道，從穩(wěn)態(tài)到側(cè)翻只經(jīng)歷了2s左右的時間；而在一般的側(cè)翻預(yù)警操作中，駕駛員接到側(cè)翻預(yù)警信息的反應(yīng)時間 一般為0.4s 1.5s，該值與駕駛員反應(yīng)快慢和駕駛環(huán)境有關(guān)；之后從加速踏板移動到制動踏板所需時間 與消除制動間隙所需時間 之和一般為0.2s 0.5s，還要考慮車輛施加制動力時間與車輛慣性、預(yù)警算法時間等，整個過程需要3s左右[13]，顯然不能滿足該工況的預(yù)警要求；故采用主動防側(cè)翻控制措施，由傳感器檢測車輛狀態(tài)，橫向載荷轉(zhuǎn)移率達到設(shè)定的預(yù)警閾值時觸發(fā)防側(cè)翻控制系統(tǒng)，此時預(yù)警時間只需考慮上述時間 ，以及車輛施加制動力時間與車輛慣性、預(yù)警算法時間等，整個過程只需要1s。

表3列出了研究對象在橫向坡道轉(zhuǎn)向工況下，應(yīng)用主動防側(cè)翻預(yù)警和控制措施時的預(yù)警閾值，可以看出，閾值介于0.49～0.52之間，故當以橫向載荷轉(zhuǎn)移率作為側(cè)傾穩(wěn)定性評價指標時，可以確定0.5作為該特種車輛橫向坡道轉(zhuǎn)向工況下的防側(cè)翻控制預(yù)警閾值。

上述分析可知，研究對象橫向坡道轉(zhuǎn)向在低速工況下側(cè)傾穩(wěn)定性較好，高速下抗側(cè)翻性能較差，本文通過進一步仿真分析，獲得該特種車輛不同傾斜角度橫向坡道轉(zhuǎn)向工況下，不發(fā)生側(cè)翻的極限速度；該極限速度的確定過程如圖8所示：

從圖8可以看出，橫向坡道傾斜角一定，通過仿真逐步逼近橫向載荷轉(zhuǎn)移率極值為1時的速度，該速度即為極限速度值，即橫向坡道傾斜角2.5。條件下，不發(fā)生側(cè)翻的速度極值為68km/h。研究對象在不同傾斜角橫向坡道轉(zhuǎn)向工況下的極限速度如下表4所示：

如圖9，曲線上方區(qū)域是車輛會發(fā)生側(cè)翻的區(qū)域，下方為安全行駛區(qū)域。通過該圖，我們可以直觀地得到車輛不同傾斜角度的橫向坡道轉(zhuǎn)向行駛時的安全速度，為研究對象的安全行駛提供依據(jù)。

5 結(jié)束語

本文首先從理論上分析了研究對象的橫向坡道轉(zhuǎn)向側(cè)翻機理，然后基于ADAMS建立了整車虛擬樣機多體動力學模型及3D道路模型，編寫不同速度的控制文件，并進行了橫向坡道轉(zhuǎn)向工況側(cè)傾穩(wěn)定性仿真試驗，得到以下幾點結(jié)論：

1）研究對象在一定傾斜角度的橫向坡道上轉(zhuǎn)向行駛時，車速增大，車輛側(cè)向加速度隨之增大，側(cè)傾穩(wěn)定性變差；一定的速度條件下，坡道傾斜角度越大，車輛重力沿斜坡分力越大，即穩(wěn)定力矩增大，越不容易發(fā)生側(cè)翻（參見公式（1））。

2）選擇更加直觀地橫向載荷轉(zhuǎn)移率作為側(cè)傾穩(wěn)定性評價指標，并考慮了研究對象不同車軸軸荷不同，不同時發(fā)生側(cè)翻的問題，賦予不同車軸不同的權(quán)重值，得到比傳統(tǒng)算法更接近工程實際的修正載荷轉(zhuǎn)移率，證明了修正后的評價指標的優(yōu)越性。

3）利用修正后的橫向載荷轉(zhuǎn)移率，得到的橫向坡道轉(zhuǎn)向行駛工況側(cè)翻預(yù)警閾值以及一定傾斜角度路面轉(zhuǎn)向時的極限速度，進一步擬合得到研究對象在不同傾斜角度路面下的極限速度曲線，為其橫向坡道轉(zhuǎn)向行駛工況的安全行駛提供了依據(jù)，同時為車輛橫向坡道轉(zhuǎn)向行駛防側(cè)翻控制問題奠定了基礎(chǔ)。

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