汽車側翻分析

汽車側翻分析在汽車行駛中中，側翻是其中一種最為嚴重并且威脅成員安全的事故。側翻可以定義為能夠使車輛繞其縱軸旋轉90度或更多以至于車身同地面接觸的任何一種操縱。側翻可以由一個或一系列綜合因素產(chǎn)生。它可以發(fā)生在平直的水平地面上，并且車輛的側向加速度達到一定的數(shù)值，該數(shù)值要超過車輛側面重量轉移到車輪上所抵消的加速度值。通過有坡度的路面（或無路情況）時由于不平路面的沖擊，地面松軟或其他障礙物會促使側向壓力提高從而使車輛“失足”。側翻過程是一個包括作用在車輛上和車輛里的力的相互作用的復雜過程。側翻受操縱和高速公路的影響。人們已經(jīng)通過理論分析以及包括一系列復雜設備的模型實驗研究側翻過程。這個過程很容易通過靜態(tài)基本結構實驗來理解（忽略慣性和滾動平面上的加速度），并且促進發(fā)展更加復雜的模型。1、剛性汽車的準靜態(tài)側翻汽車側翻的最基本的機械特性可以通過考查轉彎過程中穩(wěn)定車身的受力均衡性來了解。穩(wěn)定的車輛是指懸架和輪胎的偏置在分析中被忽略掉。在轉彎操縱中，側向力作用在地面上來平衡作用在汽車重心上的側向加速度，如圖9－2所示。側向力作用在車輛上的位置的不同產(chǎn)生一個力矩，該力矩使車輛向如圖所示的外側側翻.圖9－2側翻汽車的受力為了分析轉動情況，假定汽車在穩(wěn)定狀態(tài)以使汽車沒有滾動加速度，并且使輪胎如圖所示受力（前輪和后輪）。在很多公路環(huán)境中，它也適合考慮橫向坡度。如大家所知的坡度和道路轉彎處汽車外側比內(nèi)側高出的程度。在分析中，將角度表示為””，想左下的坡度表示正角。這個方向的坡度有助于平衡側向加速度。斜坡角度通常情況下很小，而且角度很小時約有。以汽車接地點為中心的力矩關系為：圖9－2側翻汽車的受力（9－1）從式（9－1）我們可以得出ay：（9－2）在水平路面上（），沒有側向加速度，方程也成立。此時，內(nèi)側車輪載重，F(xiàn)zi，是車總重的一半。另外通過正確選擇坡面角度，可以使Fzi保持在具有側向加速度的汽車重量的一半.，即通過公式：（9－3）在公路設計中，坡面被準確用在曲率設計中。在給定半徑和預定行駛速度的情況下，恰當?shù)倪x擇坡面以產(chǎn)生一個側向加速度，這個加速度在0～0.1的范圍內(nèi)。在道路外側比內(nèi)側高的曲度下汽車具有加速度為零時的速度稱為中間速度。重新回到方程（9－2），隨著側向加速度的增大，內(nèi)側車輪上的負載必定減少。正是通過這個過程，汽車在轉彎過程中能夠去抵抗或抵消側翻運動力矩。當內(nèi)側車輪負載為零時極限轉彎情況就會發(fā)生（所有的負載轉移到外側車輪上）。在此極限位置側翻將會開始發(fā)生，這是因為汽車不能繼續(xù)維持在滾動平面上的平衡。側翻開始時的側向加速度是臨界加速度，并由公式給出：（9－4）沒有坡度時，使側翻發(fā)生的側向加速度的臨界值僅僅是??。這種簡單的側翻臨界點的估算過去常常用在汽車抵抗側翻運動的性能的估算中。該公式非常簡便，應為它只需要兩個汽車參數(shù)—輪距和重心高度。然而，這種估算卻很保守（預測的側翻臨界值比精確值大很多），該公式主要用來比較汽車性能而不是預測絕對的性能水平（一些動力學專家利用這種側翻臨界點逆形式作為汽車側翻傾向的估算，臨界點越低性能越好）。路面上各種類型汽車的側翻臨界值是不同的，例如典型的汽車的臨界值如下表所示：穩(wěn)態(tài)汽車模型表明由于輪胎摩擦的增加（典型的最大摩擦系數(shù)是0.8），只有達到旅行車和輕型卡車的側翻的側向加速度才會有良好的轉彎能力。這就是說汽車無側翻的在平坦路面上疾馳是可能的。由此我們可得出結論，這些類型的汽車側翻情況是很少的。然而，事故統(tǒng)計證明卻不是這樣的，從而激勵更深入的側翻運動現(xiàn)象的分析在本章后面作探討。對重型卡車來說，由于在輪胎摩擦極限內(nèi)就可以達到側翻臨界值，側翻同樣很明顯。這樣，如果駕駛員讓汽車在干燥路面上疾駛，那麼重型卡車很可能冒著側翻的危險。穩(wěn)態(tài)車身側翻可以通過側向加速度和側翻角的函數(shù)圖作出更完全的闡述，如圖9－3所示。由于我們假設汽車處于穩(wěn)態(tài)，當側翻角為零時，側向加速度能達到側翻臨界值，一旦達到該臨界值，內(nèi)側車輪開始抬升，汽車開始以一定角度側翻，使平衡側向加速度能力減小，圖9－5懸架汽車側翻時的平衡橫向加速度已經(jīng)發(fā)展的試驗方法去測量準靜態(tài)側翻臨界點通過“側翻實驗臺”。顧名思義，該試驗臺使汽車側翻，翻滾或平放，通過測量側翻出現(xiàn)時的角度來確定側翻臨界點。該方法對于具有很高的重心和很小的側翻角度（一般20～25度）的重型卡車相當精確。然而對旅行車來說，側翻臨界點可能在45度左右。在角度很大時，作用在車身上向下的重力分力大幅度減少（45度時為30％）。被減少的作用在懸架和輪胎上的力是車身抬升到正常行駛位置以上，從而導致過早的側翻并使試驗失?。o效）。為了避免這些錯誤，試驗程序必須設計或施加一個側向力于重心位置（纜繩拖拉試驗）或者施加一個純力矩于車身上。3、汽車的瞬態(tài)側翻迄今為止，分析必須是準靜態(tài)，且模擬當汽車處于穩(wěn)態(tài)時的側翻（準靜態(tài)假設只在側向加速度變化比汽車側翻反應慢時才合理）。為了考察汽車隨側向加速度變化的情況，一個瞬間模擬是必需的。瞬態(tài)響應模擬試驗希望描述出汽車側翻隨時間變換的關系，在最基本的水平下，簡單的側翻模擬試驗通常被用來檢驗簡單的隨時間變化的側向加速度的響應情況。漸漸的，更廣泛的綜合各種偏搖想法的模擬試驗臺和側翻平臺被發(fā)展去檢測各種操縱環(huán)境下的側翻響應。3．1簡單的側翻模型最早最簡單的研究瞬態(tài)響應的方法是一個和原來討論的懸掛汽車類似的模型，在該模型上對彈性體加一個轉動性力矩。如圖9－6所示，車身用MS表示，轉動慣性力矩為IXXS。懸架剛度和汽車左右兩側減震裝置來顯示。另外，前后車輪和懸架結合在一起以簡代分析過程。該模型對于檢測汽車在自然界中階躍輸入時突然施加側向加速度時的響應很有作用。當汽車進入滑路面，離合器鎖止然后經(jīng)受一個突然的轉向力回復力，此時離合器松開，也是一個典型的瞬態(tài)過程。另外，這也可以模擬汽車從低摩擦路面進入高摩擦路面時的效果?？梢粤谐鰝确脚_上的運動微分方程來分析解決階躍輸入的問題。該系統(tǒng)響應和如圖9－7所示的施加階躍輸入的調(diào)節(jié)減振的單自由度的響應相似。圖9－7階躍輸入下的側翻響應在突然的加速度輸入情況下，側翻角響應是一個二次系統(tǒng)，在低于臨界點時，側翻角增加到平衡點，但是因為當它達到平衡點時，仍然有側翻速度，它會越過穩(wěn)態(tài)側翻角。此后，側翻角減小并且振蕩，直到穩(wěn)定在平衡的穩(wěn)態(tài)側翻角。階躍輸入操縱產(chǎn)生一個低于準靜態(tài)臨界點的側向加速度，由于過沖量的存在，在瞬態(tài)響應中，它會導致側翻，這樣側翻臨界點低于瞬時操縱時的值。圖9－8階躍輸入時阻尼對側翻臨界點的影響越過穩(wěn)態(tài)側翻角的程度依賴于側翻阻尼器，圖9－8所示對于旅行車，商務車和重型卡車的計算側翻臨界值—阻力比的函數(shù)圖。最低的側翻臨界值出現(xiàn)在沒有阻尼器時，它隨著阻尼比的增加以漸漸減小的速率增加。即使這樣，側翻阻尼器的作用是明顯的。汽車側翻臨界值隨著臨界阻尼從0～50％增加接近1／3。從公式可見，對于汽車和商務用車來說，瞬時轉向操縱將減少側翻臨界值大約30％，而對于準靜態(tài)懸掛汽車只減少10％，對重型卡車來說，減少量接近50％。運用一個正弦加速度輸入的模型說明在側翻臨界點上側翻共振的效果，正弦加速度輸入和障礙滑雪賽的過程相似。圖9－9正弦輸入下側翻臨界點－頻率圖商務車定義為多用途的旅行車（而不是旅行車）。它具有110英尺軸距或小于110以及對于不同路面的操縱特點。在正弦側向加速度輸入下，汽車響應依賴于輸入的頻率。圖9－9所示的對于汽車，商務車和重型卡車的側翻（車輪抬起）時的側向加速度和頻率的關系。頻率為0時，側翻臨界加速度接近于穩(wěn)態(tài)時的側翻加速度。穩(wěn)態(tài)時側翻加速度可以通過準靜態(tài)懸置汽車模型獲得。隨著頻率的增加，側翻臨界加速度降低，直到一個最小值，該值等于側翻共振頻率。重心較高的重型卡車側翻共振頻率低于，這使得它特別容易側翻。經(jīng)驗表明，汽車變換車道操縱超過2秒（0.5Hz）也能引起側翻并使重型卡車側翻加快，司機很容易做到兩秒的速度調(diào)節(jié)。同時，操縱頻率必須使汽車側向移動8～10英尺以避免正常公路行駛速度時的路障。這樣，汽車變換車道操縱已確認為重型卡車側翻事故的常見原因。商務車和汽車相比較于輪胎寬度比例來說具有較低的重心，其側翻共振頻率為1.5Hz，有的更大一些。為了調(diào)節(jié)側翻共振，必須有非常快的轉向操縱。對司機行為的研究表明以這些頻率的轉向操縱輸入是通常的范圍。另外，由于在這些頻率下汽車橫擺響應的減少，它們只產(chǎn)生很小的側向偏移（即使一個相對應范圍到2Hz的轉向操縱也將僅僅導致汽車側向偏移一英尺）。由此得到的邏輯結論是：對旅行車和商務車而言，簡單的側翻共振對側翻不起什麼作用。為了汽車變換車道操縱和成功應付各種障礙，左右振動的時間應較低（4秒一次）。1HZ以內(nèi)的激勵頻率使汽車側翻共振很接近于準靜態(tài)時的狀態(tài)。因此，對這些汽車來講，以側翻的觀點看階躍轉向操縱比正弦轉向操縱確實代表了一種更具有挑戰(zhàn)性的操縱方式。3．2橫擺—側翻模型為了發(fā)展最完整和精確的汽車側翻情形的理論，必須依靠更廣泛的汽車模型，以模擬橫擺和側翻響應橫擺運動產(chǎn)生側向加速度從而導致側翻，然后側翻又影響（改變）橫擺響應，通過輪胎轉向力的減少而引起側向負載轉移和懸置。許多計算機模型利用汽車動力學已經(jīng)發(fā)展研究橫擺—側翻關系這個行為的特點。圖9－10正弦輸入操縱時的輪胎受力和側向加速度相位圖用一個更綜合的模型去檢測正弦轉向操縱，去解釋汽車側翻響應的一個額外的重要現(xiàn)象—前后輪受力的一致性。汽車轉向只靠前輪控制，轉向操縱并不立刻使前輪受到一個側向力（只被輪胎的松弛長度延緩）。但是，后輪只到側偏角產(chǎn)生時才受力。結果，在正弦轉向操縱中，后輪受力呈現(xiàn)相位差。對旅行車而言，這種現(xiàn)象如圖9－10中解釋。在1Hz的正弦轉向顯示中，后輪側向力大約落后前輪0.2秒，即大約落后.相位。依賴于和力的側向加速度由于相位落后而減少。如果前后輪所受側向力同時達到最大值，側向加速度將達到0.8g而不是0.5g。在這種操縱中，頻率越高減少越多。相位落后的影響是通過在相當長的時間內(nèi)傳遞加速度而調(diào)節(jié)加速度時使汽車橫擺邊向。對旅行車而言，這種影響導致緊急轉彎時反應遲緩。由于時間落后隨著汽車輪距的增加而增加，在這種操縱下，大型汽車不象小型汽車那樣靈活。四輪驅(qū)動汽車常常驅(qū)動后輪使其和前輪方向相同以減少相位落后，從而提高緊急轉向時的靈敏性。四輪驅(qū)動除了具有轉向靈敏這一特點外，同時也會導致潛在的側翻行為提高。我們知道側翻共振頻率的范圍是1.5～2.0HZ，沒有相位滯后的四輪驅(qū)動汽車很容易讓司機在不可捉摸的駕駛中不小心引發(fā)側翻共振。在很長的汽車如學校巴士，卡車和牽引車—拖車中，相位滯后是很顯著的。如圖9－11所示的牽引車和雙聯(lián)全掛車的側向加速度隨時間變化的曲線。（“雙聯(lián)”是指拖著全掛車的牽引車—半掛車）。圖9－11牽引車和全掛車的側向加速度一個持續(xù)2秒鐘的正弦轉向輸入可激發(fā)出一個汽車橫擺響應的滯后增幅以及全掛車的側翻共振。由此可見，全掛車具有比牽引車大得多的側向加速度。由于車長的影響，全掛車上的側向加速度與牽引車的側向加速度的相位幾乎正好相差180度破壞旋轉軸橫擺的滯后增幅被認為對牽引車及全掛車的安全性是極為有害的。因為對牽引車的低水平駕駛被擴大化而且能夠?qū)е氯珤燔嚢l(fā)生側翻。避免這種情況的一種方法就是在牽引車—半掛車之間安放掛接裝置。這種裝置可以提供側翻力偶。在側翻力偶下偏離相位的側向加速度使全掛車在駕駛初始時幫助牽引車—半掛車抵制側翻，而且牽引車—半掛車在結束駕駛時幫助全掛車抵制側翻。這種特性現(xiàn)在正被應用在新一代的牽引車，掛車的掛接裝置中并在不斷的發(fā)展。3．3絆倒側翻車輛在側向滑行中受到某物體的障礙，這是側翻事故中需要特殊模型試驗的決定性的一個等級。比如路緣石或軟路面，從而使汽車側翻。雖然對這種現(xiàn)象的理解還處在不發(fā)達的階段，但為這種現(xiàn)象設計模型的工作已開始發(fā)展起來。已經(jīng)開發(fā)出了一種非線性的自由度為8的模擬模型，它利用簡單的線性子系統(tǒng)模仿輪胎，懸掛系統(tǒng)及沖擊力。汽車由一個彈簧上質(zhì)量以及一個非簧載質(zhì)量（由前部和后部的汽車懸架組合而成）來表示。如圖9－12所示。當汽車用一個簡單的質(zhì)量塊來進行研究其橫向搖擺和側翻時，簧載和非簧載質(zhì)量在側翻，側向和垂向直線運動中有幾個自由度。側向車輪所受沖擊力／約束力用既是彈性又是塑性的變形來模擬。減振作用包括車輪中的能量耗散力，簧載和非簧載質(zhì)量之間的側向襯套，懸架中的減振器和車輪沖擊力。該模型是國際公路交通運輸安全委員會用公共基金開發(fā)。所以，任何人可以通過向委員會申請得到使用權。這款車型過去常常用來研究在汽車經(jīng)歷側翻時的狀態(tài)。集中討論是否有足夠的能量產(chǎn)生于約束沖擊中以提高汽車的重心從而達到側翻點。在車輪受到?jīng)_擊時，汽車轉動產(chǎn)生的運動能量等于簧載和非簧載質(zhì)量產(chǎn)生的轉動慣量的0.5倍乘以它們各自轉動速率的平方。同時，汽車重心的升高所增加的勢能等于質(zhì)量乘以汽車重心升高的高度。如果這兩種能量總和超過了潛在能量，必須提高汽車重心使其超過外側車輪，側翻就會產(chǎn)生。從機械觀點來看，這種能量法有很多不足。因為假設中所有的運動能量都轉代為勢能從而將汽車重心提高到了側翻點，它忽略了來自于車輪在該過程中和地面接觸所產(chǎn)生的額外能量輸入或損失，也忽略了輪胎和懸架中的能量儲藏和損失。圖9－13所示為典型的車輪受沖擊過程的能量分析法結果：垂線標繪為純側翻能量，它是每一時刻動能和增加的勢能之和。側翻臨界點是重心超過外側車輪時的勢能值。如果側翻能量超過臨界點，側翻將會發(fā)生。在分析過程中，試驗汽車在距離路緣石還有7.5英尺時被賦予一定的初速度。在每秒鐘22英尺的速度下，碰撞會引起側翻能量水平的瞬時提高，這是由于旋轉的動能以及汽車重心的高度產(chǎn)生的勢能引起的。然而，總能量經(jīng)常很好的保持在臨界點以下，因此側翻不會發(fā)生。過一段時間，能量就會在懸架系統(tǒng)的作用下消失。每秒鐘23.075英尺時剛好足夠使汽車側翻的速度。側翻能量達到側翻臨界點，在這一點上動能部分幾乎接近零。此后，在汽車完成側翻時，能量降低。在每秒25～27英尺這樣更高的初速度下，側翻就會產(chǎn)生。圖9－13不平路面沖擊時的動能這種方法論應用在檢查側翻對汽車性能參數(shù)的影響中。當然，人們發(fā)現(xiàn)輪距寬度和汽車重心高度的幾何參數(shù)所受的影響最大。第二個極為重要的變量是碰撞中汽車的車身變形特性，傳遞較大的沖擊變形的過程中，擠壓中消失的能量減少了能量總和，而總的能量能夠?qū)е缕囎笥覀确膭幼?。汽車的重量顯然受到很少的影響，除了當它影響到行駛高度—重量增加會降低汽車重心高度時。同樣的，懸架剛度和減振特性所受到的影響也很小。4、側翻事故過程注重在汽車設計中側翻機械特性的主要動力是減少或避免側翻事故的發(fā)生。最近幾年中，分析學家們已經(jīng)核查了事故報告。他們所做的努力是為了確認那些與側翻經(jīng)過聯(lián)系最為緊密的汽車特性—這個假定是這樣的，可以通過留意這些相關的汽車特性來減少側翻事故發(fā)生的頻率。在這些研究中，事故類型和汽車類型分類研究是常用的方法。最簡單的處理方法是，在所有特定的汽車事故類型中，側翻頻率假設是在所有的汽車都是相同的事故類型的范圍中。所以，那些汽車的任何非典型特性都是潛在的導致側翻的因素，應該經(jīng)過討論得出能夠較好地減少這種潛在因素的方法。然而，當認識到商務車的非路面因素側翻比旅行車高，其部分原因是在這種環(huán)境中商務車使用得更頻繁，這種方法的缺點就更明顯了。通過制造更低更寬的汽車以改善它們的側翻性能，只能通過減少這種路面的遷移率來實現(xiàn)。為了事故統(tǒng)計學標準化,必須區(qū)分道路因素和非道路因素事故,側翻作為第一或僅有事故,側翻是伴隨事故.,使用因素和外部環(huán)境因素.考慮到汽車類型,通常被分為小客車,商務車(重心高,四輪驅(qū)動,用于個人運輸),輕型卡車(用于個人運輸和輕載拖運)和重型卡車.他們?yōu)槊绹鴩夜方煌ò踩炙鞯南到y(tǒng)工藝學工作中檢驗了各種小轎車的事故發(fā)生率和側翻傾向的關系.一些數(shù)據(jù)記錄如圖9－14所示.側情率(致命事故率每100000輛新車每年)和側翻臨界點用坐標標出.這里的側翻事故是指側翻作為第一或伴隨事故.數(shù)據(jù)顯示,隨著臨界值的增加,側翻事故發(fā)生率有減少的傾向.然而,坐標圖中的分散現(xiàn)象表明需要側翻臨界點之外的更多知識去解釋事故原因.例如,MercuryCapri的事側翻故發(fā)生率是Vega三倍,它們卻有相同的側翻臨界值.由于這些不同的特點,對于汽車設計者來說,通過增加汽車側翻臨界值而得到確切低的側翻事故率是不可能的圖9－14小轎車的側翻事故率圖9－15小轎車和商用車的側翻事故率檢驗側翻事故發(fā)生率和果斷的分析家對汽車不同的特點作出假設解時,這自然觀察是常用的。近來，對于小可車和商務車的側翻事故的系統(tǒng)分析被Robert-son和Relley處理。該分析中有一些潛因素分析檢驗。在他們的工作中，更寬的車輛范圍被考慮進去。如圖9－15所示，為每100000輛汽車每年的事故量和側翻臨界值的關系，并且所說的側翻是第一最為嚴重的事故。從坐標圖中數(shù)據(jù)我們看出，側翻臨界值事故發(fā)生之間更為直接關系。由于包含了較高事故率的商務車（CT-5，CJ-7,Blazer和Bronco），所以得出了上面的關系。在臨界植為1.25~1.6的汽車中，沒有明顯的側翻傾向。聯(lián)邦汽車安標準（美國）建議事故率很高的商務車的臨界值最小為1.2。另外，商務車的事故率極高不僅在該研究中發(fā)現(xiàn)，也在其他研究中發(fā)現(xiàn)。汽車設計者們利用事故記錄來檢查一些其他的因素，這些因素可能對于不同類型的汽車的使用來說具有一定的特殊性。同時，利用事故記錄也能判定這些因素是否與實驗相關聯(lián)，從而能夠提供一些商務車具有很高的側翻事故率的其他可能解釋。例如，被商務車所吸引的那一類型的汽駕駛者都是喜歡冒險得人，因此也就更可能出事故。這一說法經(jīng)常是大家爭論的話題。然而，當那非側翻重大事故發(fā)生率來比較，商務車卻并不比轎車的高。當駕駛者的總體特征——