汽车侧翻分析Word文档下载推荐.docx
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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：
（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
汽车参数一轮距和重心高度。
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2ht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:
车辆类型
质心高度/on
轮距/cm
侧翻阈值/g
跑车
46-51
127-154
微型轿车
■51-58I
L1-15
豪华轿车
51-61
154-165
1.246
轻型客货两用车
76-89
165-178
客货两用车
P76-102
O+8^L1
中型货车
1114-140I
165-190
重型货车
154-216
178-183
0.4—0*6
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。
匸侧倾临界点
稳定抉志
=tan1罕
i
刨倾篇.0'
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（tan1（2ht））
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：
Mo0MsayhMsgt（hhj（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:
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—减少。
对于一辆旅行车来说，山=
2hh
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。
顾名思义，该试
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”
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，图9-5悬架汽车侧翻时的平衡横向加速度
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。
囹沪6柄凿■纸碑i吨丰
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。
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
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
越过稳态侧翻角的程度依赖于车，商务车和重型卡车的计算侧翻临
界值一阻力比的函数图。
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—公
2h
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%。
商务车定义为多用途的旅行车（而
不是旅行车）。
它具有110英尺轴距或小于图9-8阶跃输入时阻尼对侧翻临界点的影响
110以及对于不同路面的操纵特点。
在正弦侧向加速度输入下，汽车响应依赖于输入的频率。
图9-9所示的对于汽车，
图9—9正弦输入下侧翻临界点一频率图
商务车和重型卡车的侧翻（车轮抬起）时的侧向加速度和频率的关系。
频率为0时，侧翻临界加速度接近于稳态时的侧翻加速度。
稳态时侧翻加速度可以通过准静态悬置汽车模型获得。
随着频率的增加，侧翻临界加速度降低，直到一个最小值，该值等于侧翻共振频率。
重心较高的重型卡车侧翻共振频率低于1Z，这使得它特别容易侧翻。
经验表明，汽车变换车道操纵超过2秒（0.5Hz）也能引起侧翻并使重型卡车侧翻加快，司机很容易做到两秒的速度调节。
同时，操纵频率必须使汽车侧向移动8〜10英尺以避免正常公路行驶速
度时的路障。
这样，汽车变换车道操纵已确认为重型卡车侧翻事故的常见原因。
商务车和汽车相比较于轮胎宽度比例来说具有较低的重心，其侧翻共振频率为1.5Hz，
有的更大一些。
为了调节侧翻共振，必须有非常快的转向操纵。
对司机行为的研究表明以这
些频率的转向操纵输入是通常的范围。
另外，由于在这些频率下汽车横摆响应的减少，它们
只产生很小的侧向偏移（即使一个相对应范围到2Hz的转向操纵也将仅仅导致汽车侧向偏
移一英尺）。
由此得到的逻辑结论是：
对旅行车和商务车而言，简单的侧翻共振对侧翻不起什麽作用。
为了汽车变换车道操纵和成功应付各种障碍，左右振动的时间应较低（4秒一次）。
1HZ以内的激励频率使汽车侧翻共振很接近于准静态时的状态。
因此，对这些汽车来讲，以侧翻的观点看阶跃转向操纵比正弦转向操纵确实代表了一种更具有挑战性的操纵方式。
3.2横摆一侧翻模型
为了发展最完整和精确的汽车侧翻情形的理论，必须依靠更广泛的汽车模型，以模拟横摆和侧翻响应横摆运动产生侧向加速度从而导致侧翻，然后侧翻又影响（改变）横摆响应，
通过轮胎转向力的减少而引起侧向负载转移和悬置。
许多计算机模型利用汽车动力学已经发
展研究横摆一侧翻关系这个行为的特点。
用一个更综合的模型去检测正弦转向操纵，去解释汽车侧翻响应的一个额外的重要现象一前后轮受力的一致性。
汽车转向只靠前轮控制，转向操纵并不立刻使前轮受到一个侧向力（只被轮胎的松弛长度延缓）。
但是，后轮只到侧偏角产生时才受力。
结果，在正弦转向操纵中，后轮受力呈现相位差。
对旅行车而言，这种现象如图9-10中解释。
6
C<
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/
]1
“1.0U命
图9—10正弦输入操纵时的轮胎受力和侧向加速度相位图
在1Hz的正弦转向显示中，后轮侧向力大约落后前轮0.2秒，即大约落后.70°
相位。
依赖于和力的侧向
!
加速度由于相位落后而减少。
如果前
「后轮所受侧向力同时达到最大值，侧
向加速度将达到0.8g而不是0.5g。
在这种操纵中，频率越高减少越多。
相位落后的影响是通过在相当长的时间内传递加速度而调节加速度时使汽车横摆边向。
对旅行车而言，这种影响导致紧急转弯时反应迟
缓。
由于时间落后随着汽车轮距的增加而增加，在这种操纵下，大型汽车不象小型汽车那样
灵活。
四轮驱动汽车常常驱动后轮使其和前轮方向相同以减少相位落后，从而提高紧急转向
时的灵敏性。
四轮驱动除了具有转向灵敏这一特点外，同时也会导致潜在的侧翻行为提高。
我们知道侧翻共振频率的范围是1.5〜2.0HZ，没有相位滞后的四轮驱动汽车很容易让司机
在不可捉摸的驾驶中不小心引发侧翻共振。
在很长的汽车如学校巴士，卡车和牵引车一拖车中，相位滞后是很显著的。
如图9—
11所示的牵引车和双联全挂车的侧向加速度随时间变化的曲线。
（“双联”是指拖着全挂车
的牵引车一半挂车）。
这种装置可以提供侧翻力偶。
在侧翻力偶下偏离相位的侧向加速度使全挂车在驾驶初始时帮
助牵引车一半挂车抵制侧翻，而且牵引车一半挂车在结束驾驶时帮助全挂车抵制侧翻。
这种特性现在正被应用在新一代的牵引车，挂车的挂接装置中并在不断的发展。
3.3绊倒侧翻
车辆在侧向滑行中受到某物体的障碍，这是侧翻事故中需要特殊模型试验的决定性的一个等级。
比如路缘石或软路面，从而使汽车侧翻。
虽然对这种现象的理解还处在不发达的阶段，但为这种现象设计模型的工作已开始发展起来。
已经开发出了一种非线性的自由度为8的模拟模型，它利用简单的线性子系统模仿轮胎，悬挂系统及冲击力。
汽车由一个弹簧上
质量以及一个非簧载质量（由前部和后部的汽车悬架组合而成）来表示。
如图9-12所示。
当汽车用一个简单的质量块来进行研究其横向摇摆和侧翻时，簧载和非簧载质量在侧翻，侧
向和垂向直线运动中有几个自由度。
侧向车轮所受冲击力/约束力用既是弹性又是塑性的变形来模拟。
减振作用包括车轮中的能量耗散力，簧载和非簧载质量之间的侧向衬套，悬架中
的减振器和车轮冲击力。
该模型是国际公路交通运输安全委员会用公共基金开发。
所以，任
何人可以通过向委员会申请得到使用权。
匣―I：
这款车型过去常常用来研究在汽车经历侧翻时的状态。
集中讨论是否有足够的能量产生于约束冲击中以提高汽车的重心从而达到侧翻点。
在车轮受到冲击时，汽车转动产生的运动能量等于簧载和非簧载质量产生的转动惯量的0.5倍乘以
它们各自转动速率的平方。
同时，汽车重心的升高所增加的势能等于质量乘以汽车重心升高的高度。
如果这两种能量总和超过了潜在能量，必须提高汽车重心使其超过外侧车轮，侧翻就会产生。
从机械观点来看，这种能量法有很多不足。
因为假设中所有的运动能量都转代为势能从而将汽车重心提高到了侧翻点，它忽略了来自于车轮在该过程中和地面接触所产生的额外能量输入或损失，也忽略了轮胎和悬架中的能量储藏和损失。
图9-13所示为典型的车轮受冲击过程的能量分析法结果：
垂线标绘为纯侧翻能量,
注重在汽车设计中侧翻机械特性的主要动力是减少或避免侧翻事故的发生。
最近几年中，分析学家们已经核查了事故报告。
他们所做的努力是为了确认那些与侧翻经过联系最为
紧密的汽车特性一这个假定是这样的，可以通过留意这些相关的汽车特性来减少侧翻事故发
生的频率。
在这些研究中，事故类型和汽车类型分类研究是常用的方法。
最简单的处理方法是，在所有特定的汽车事故类型中，侧翻频率假设是在所有的汽车都是相同的事故类型的范围中。
所以，那些汽车的任何非典型特性都是潜在的导致侧翻的因素，应该经过讨论得出能够
较好地减少这种潜在因素的方法。
然而，当认识到商务车的非路面因素侧翻比旅行车高，其
部分原因是在这种环境中商务车使用得更频繁，这种方法的缺点就更明显了。
通过制造更低
更宽的汽车以改善它们的侧翻性能，只能通过减少这种路面的迁移率来实现。
为了事故统计学标准化，必须区分道路因素和非道路因素事故，侧翻作为第一或仅有事故侧翻是伴随事故•，使用因素和外部环境因素.考虑到汽车类型，通常被分为小客车，商务车（重心高，四轮驱动，用于个人运输），轻型卡车（用于个人运输和轻载拖运）和重型卡车.
他们为美国国家公路交通安全局所作的系统工艺学工作中检验了各种小轿车的事故发生率
和侧翻倾向的关系•一些数据记录如图9—14所示•侧情率（致命事故率每100000辆新车每年）和侧翻临界点用坐标标出•这里的侧翻事故是指侧翻作为第一或伴随事故•数据显示，随
着临界值的增加，侧翻事故发生率有减少的倾向•然而，坐标图中的分散现象表明需要侧翻临
界点之外的更多知识去解释事故原因•例如‘MercuryCapri的事侧翻故发生率是Vega三倍，它
们却有相同的侧翻临界值•由于这些不同的特点，对于汽车设计者来说，通过增加汽车侧翻临界值而得到确切低的侧翻事故率是不可能的
检验侧翻事故发生率和果断的分析家对汽车不同的特点作出假设解时，这自然观察是常用的。
近来，对于小可车和商务车的侧翻事故的系统分析被Robert-son和Relley处理。
该分析中有一些潜因素分析检验。
在他们的工作中，更宽的车辆范围被考虑进去。
如图9—15所示，为每100000辆汽车每年的事故量和侧翻临界值的关系，并且所说的侧翻是第一最为严重的事故。
图9—14小轿车的侧翻事故率
图9—15小轿车和商用车的侧翻事故率
利用事故记录也能判定这些因素是否与实验相关联
从坐标图中数据我们看出，侧翻临界值事故发生之间更为直接关系。
由于包含了较高事故率的商务车（CT-5，CJ-7,Blazer
和Bronco），所以得出了上面的关系。
在临界植为1.25~1.6的汽车中，没有明显的侧翻倾向。
联邦汽车安标准（美国）建议事故率很高的商务车的临界值最小为1.2。
另外，
商务车的事故率极高不仅在该研究中发现，也在其他研究中发现。
汽车设计者们利用事故记录来检查一些其他的因素，这些因素可能对于不同类型的
汽车的使用来说具有一定的特殊性。
同时，
从而能够提供一些商务车具有很高的侧
翻事故率的其他可能解释。
例如，被商务车所吸引的那一类型的汽驾驶者都是喜欢冒险得人，因此也就更可能出事故。
这一说法经常是大家争论的话题。
然而，当那非侧翻重大事故发生
率来比较，商务车却并不比轿车的高。
当驾驶者的总体特征一一吊销执照，交通事故记录，DWIconvictions,或发生事故时血液中的酒精一被检查，不会发现任何解释。
同样的，道路状况一一市区或市郊，州间公路或其他公路直路或弯路燥路面或潮湿
路面等等一一也没有任何联系。
唯一显著的环境因素就是汽车是在路面上相撞，还是离开路
面后相撞。
在路面上侧翻严重碰撞事故与离开路面时的比率在商务车中是相当高的。
最后，
商务车积累了更多的里程数也作为商务车高侧翻事故率的一种可能解释，其可能性得到了
检验。
但对产生高事故率所使用的必要的比率的结论是不合理的。
总体来说，对事故实验的其他观点上面所涉及的结论，虽然Robertson的研究很容易
成为批评的对象。
在确定他的不确定性时，大量的研究显示出了相互矛盾的结和解释与不同类型的汽车频率相关联的最突出的不稳定因素是侧翻临界点。
特别是要考虑到其他汽车自身
的因素也起了重要的作用，这一点是很重要的。
汽车的控制和操纵稳定性被认为是最重要的相关变量。
同样的，汽车的轴距也显示了与侧翻实验的相关性，这表明采取减少侧翻事故的有效措施之前必须使各中因素所产生的总体影响得到控制。
在工业上，除非这些因素及其相
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