第九章 侧翻3.docx
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第九章侧翻3
第九章侧翻
图9-1侧翻的测试试验
在汽车行驶过程中,侧翻是一种严重威胁乘员安全的事故。
侧翻被定义为能够使车辆绕其纵轴旋转90度甚至更多,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。
主要有三个因素和它们之间的相互作用造成了车辆侧翻事故,这三个因素分别是司机、驾驶环境和车辆结构。
当车辆的侧向加速度超过某临界值时,汽车内侧车轮的轴荷(相应的地面支反力)趋于零值,侧翻就可能发生;在有坡度的路面(或无路情况)上遭遇不平路面的冲击时,地面松软或其他障碍物也会产生足够的侧向力,从而使车辆产生侧翻,如图9-1所示。
侧翻是一个包括作用在整车外部和车辆内部的力的相互作用的复杂过程。
显然,侧翻受操纵行为和公路环境的影响。
这些年在高速公路上,经常发生长途拖挂列车的侧翻事故,给人民的财产和生命安全构成较大威胁,国家有关部门已经开始研究汽车的侧翻事故和汽车抗侧翻能力。
9.1刚性汽车的准静态侧翻
汽车侧翻的最基本的受力模型可以通过汽车转弯过程中,车辆的受力平衡来分析。
这里的“刚性汽车”是指在分析过程中忽略汽车悬架和轮胎的弹性变形,“准静态”指汽车的稳态转向。
在侧倾平面内,刚性汽车稳态转向模型如图9-2所示。
假设道路的的侧向坡度角很小,即。
于是有:
(9-1)
从式(9-1)中我们可以得出ay:
(9-2)
图9-2侧翻汽车的受力
汽车在水平路面上直线行驶(,ay=0)时,内侧车轮的垂直反力Fzi=mg/2。
当啊ay≠0时,若要仍保持Fzi=mg/2不变,则道路的侧向坡度角,高速公路拐弯处的坡道角就是根据此原理设计的。
在公路设计中,路面的侧向坡度角用在曲率设计中,在给定半径和预定行驶速度的情况下,选择恰当的侧向坡度角可以平衡汽车转弯时的离心力,一般汽车侧向加速度在0~0.1g的范围内,在道路外侧比内侧高的坡度下汽车具有侧向加速度为零时的速度被称为中间速度。
由方程(9-2)得知,随着侧向加速度的增大,内侧车轮上的支反力Fzi逐渐减小,当内侧车轮支反力Fzi为零时,汽车所有负载转移到外侧车轮上,汽车在侧倾平面内不能保持平衡,从而开始产生侧翻。
汽车开始侧翻是所受到的侧向加速度(g)称为侧翻的阀值(侧向加速度临界值),并由公式给出:
(9-4)
显然。
当没有坡度时,使侧翻发生的侧向加速度的临界值仅仅是。
此值常常用来
估算汽车的抗侧翻的能力,因为它只与汽车的轮距t和质心高度h这两个结构参数。
应
用很方便。
由于忽略了悬架和轮胎的弹性,且仅考虑准静态侧翻,所以此预估值偏高。
表9-1给出了几种汽车的侧翻阀值。
表9—1典型的汽车的侧翻值范围
汽车类型
重心高度(cm)
轮距(cm)
侧翻临界值(g)
赛车
46~51
127~152
1.2~1.7
微型轿车
51~58
127~152
1.1~1.5
高级轿车
51~61
152~165
1.2~1.6
轻便客货两用车
76~89
165~178
0.9~1.1
旅行车
76~102
165~178
0.8~1.1
中型货车
114~140
165~190
0.6~0.8
重型货车
152~216
178~183
0.4~0.6
在良好路面上,轮胎的附着系数可达到0.8,即侧向加速度ay可以达到0.8g 时,汽车开始侧滑,由表9—1可知,中、重型货车载尚未达到侧滑时,即已开始侧翻;而对于轿车和旅行车而言,在尚未侧翻时即已侧滑。
然而事故统计表明,此类汽车在侧翻时并未产生侧滑,有关汽车侧翻的问题还是比较复杂的问题,需要深入研究。
稳态侧翻可以通过侧向加速度和侧翻角的函数图做出更完全的解释,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,因为重心提高且向外侧车轮偏移。
图9-3稳态汽车侧翻时的平衡横向加速度
这个区域不是从来就不是不稳定的状态,考虑到两个车轮由于运动不协调而发生侧翻,为了保持平衡,在图9-3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,就使被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,如果这种远离状态持续1s或2s,那么汽车侧翻角很快增加,从而造成侧翻。
当侧翻开始时,便产生了汽车侧翻起始点这个新的概念。
由于汽车本身的不稳定性,当汽车内侧车轮刚离开地面时的状态被称为汽车侧翻起始点。
然而,对于驾驶员来说,通过控制转向盘使汽车侧向加速度减少到汽车能恢复正常位置的水平,从而阻止侧翻发生是可能的。
因为汽车以一定速度侧翻,所以要阻止侧翻必须快速作出反应,一般在0.5s内。
理论上,只有当侧翻角变得很大,以致于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9-3中平衡加速度达到0的点()。
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,汽车设计者们应该侧重于尽量完善汽车性能,以避免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,造成侧翻事故的发生。
9.2考虑悬架的准静态侧翻
像前面所做的分析那样由于忽略了轮胎和悬架的复杂性,就会造成过高地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载重量减少而使外侧车轮载重量增加。
与此同时,汽车在转弯过程中车身侧翻时会伴随着重心向汽车外侧侧向转移。
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侧翻模型。
车身的质量用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,也是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:
(9-5)
此时弹性体的侧翻角的大小是侧翻刚度,是侧向加速度ay的数倍。
侧翻刚度是指侧翻角变化率,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:
(9-6)
图9-4悬浮汽车的侧翻反应
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
=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减小。
对于一辆旅行车来说,=0.5,侧翻刚度为0.6度每克(0.1rad/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,受这种影响较低。
然而,豪华轿车具有较高的侧翻刚度和重心,受这种影响比较大。
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移,转弯时,它允许车轮上的负载中心向内侧移动,有效地减少了轮距。
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。
更简明的侧向滑移的分析和有效侧翻临界点的测定都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,造成的悬架侧翻中心的侧向移动。
●由于转向力和偏导装置,造成的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,仅考虑上述这些影响是不行的。
特别是,如果前后悬架在负载和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。
当考虑此因素影响时,计算机程序通常使用的是计算准静态侧翻临界点的方法。
当这些机械装置被简明地模拟时,汽车准静态侧翻响如图9-5所示。
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相接触的悬架产生的刚度,曲线斜率变得较低。
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下降,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设计前后悬架以使内侧车轮在相同的侧翻角条件下抬升和提供最大的侧翻刚度的弹性体来获得最高的侧翻临界点。
已经发展的试验方法是通过“侧翻实验台”去测量准静态侧翻临界点。
顾名思义,该试验台使汽车侧翻,翻滚或平放,通过测量出现侧翻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量大幅度减少(45度时为30%)。
被减少的作用在悬架和轮胎上的力使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。
图9-5悬架汽车侧翻时的平衡横向加速度
9.3汽车的瞬态侧翻
迄今为止,所做的分析是在准静态情况下,模拟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)。
但是,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。
瞬态响应模拟试验是用来描述汽车侧翻角随时间变换的关系。
在最基本的情况下,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起来,被用在检测各种操纵环境下的侧翻响应中。
9.3.1简单的侧翻模型
最早最简单的研究瞬态响应的模型是与悬挂汽车相类似的模型,在该模型上对弹性体施加一个转动性力矩。
如图9-6所显示的是具有悬架系统和汽车左右两侧减震装置的侧翻模型,另外,前后车轮和悬架结合在一起以简化分析过程。
车身用MS表示,转动惯性力矩为IXXS。
该模型对于检测汽车在自然条件下受到阶跃输入,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。
图9-6汽车的瞬态侧翻模型
可以列出在侧翻平台上的运动微分方程来分析解决阶跃输入的问题。
该系统的响应和如图9-7所示在施加阶跃输入情况下,调节减振的单自由度的响应相似。
图9-7阶跃输入下的侧翻响应
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,旅行车,商务车和重型卡车的计算侧翻临界值—阻力比的函数关系如图9-8所示。
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,侧翻阻尼器的作用仍然是明显的。
汽车侧翻临界值随着临界阻尼比从0~50%增加接
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