陳東樂(lè)

（重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074）

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重型車(chē)輛側(cè)翻因素探討

陳東樂(lè)

（重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074）

摘 要：伴隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，物流行業(yè)的迅速興起，大載貨能力的重型汽車(chē)需求量越來(lái)越大。在相關(guān)機(jī)構(gòu)的調(diào)查中，重型汽車(chē)側(cè)翻事故發(fā)生率僅次于碰撞發(fā)生率，具有事故發(fā)生率高，損失嚴(yán)重的特點(diǎn)。文章先從理論的角度來(lái)闡述載重汽車(chē)發(fā)生側(cè)翻的條件，再?gòu)闹匦蛙?chē)輛的設(shè)計(jì)角度來(lái)討論側(cè)翻原因，并介紹了汽車(chē)傾翻閾值的確定方法，并從汽車(chē)設(shè)計(jì)角度提出如何減小汽車(chē)發(fā)生側(cè)翻的不穩(wěn)定因素。

關(guān)鍵詞：重型車(chē)輛；側(cè)翻；傾翻閾值；穩(wěn)定性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.050

CLC NO.: U461.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-144-03

前言

隨著工業(yè)的發(fā)展以及國(guó)家加大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，公路的運(yùn)輸條件也在不斷提高，運(yùn)輸結(jié)構(gòu)向“重型化”、“高速化”發(fā)展，這對(duì)重型汽車(chē)提出了更高要求。重型車(chē)輛由于載貨質(zhì)量大，運(yùn)輸貨物的特殊性，一旦發(fā)生事故，將對(duì)道路交通及安全造成巨大影響[1]。根據(jù)美國(guó)公路安全局（NHTSA）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在所有交通事故中，車(chē)輛側(cè)翻事故的危害程度僅次于車(chē)輛碰撞事故，居于第二位[2]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在歐洲和北美造成人員傷亡的車(chē)輛事故中，側(cè)翻事故占20%以上。側(cè)翻事故僅占重型貨車(chē)事故的8%至12%，但是造成的損失卻占全部重型貨車(chē)事故損失的60%左右。且重型車(chē)輛的側(cè)翻伴隨著貨物的外泄，輕則堵塞道路，影響車(chē)輛暢行；重則壓埋周?chē)?chē)輛，造成嚴(yán)重人員傷亡。

1、汽車(chē)側(cè)翻研究方法

對(duì)于汽車(chē)側(cè)翻的研究方法主要分為理論研究和實(shí)車(chē)臺(tái)架研究。在理論研究方面，將汽車(chē)側(cè)翻的影響因素分為兩類(lèi)即：1、汽車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)的靜態(tài)部分,如汽車(chē)質(zhì)心高度、輪距、懸架和輪胎特性等；2、與因汽車(chē)行駛而異有關(guān)的動(dòng)態(tài)部分，如側(cè)向加速度、車(chē)速、道路幾何形狀和駕駛員操作等。

在汽車(chē)試車(chē)臺(tái)架研究方面，主要有三種測(cè)試方法即第一種方法是 SSF(Static Stability factor)法——靜態(tài)穩(wěn)定因子法，第一種方法是 SSF(Static Stability factor)法——靜態(tài)穩(wěn)定因子法，其原理是車(chē)輛質(zhì)心高度確定后，當(dāng)重力作用線越過(guò)車(chē)輛低側(cè)端輪胎與地面接觸點(diǎn)(線)時(shí)，車(chē)輛會(huì)側(cè)翻；第二種方法是(Side Pull Ratio)法——側(cè)拉比例系數(shù)法，當(dāng)車(chē)輛質(zhì)心位置測(cè)定后，將一水平橫向力作用于車(chē)輛上并通過(guò)車(chē)輛質(zhì)心，逐漸加大側(cè)拉力，直至車(chē)輛對(duì)側(cè)傾輪胎剛剛脫離地面為止。第三種方法是TTR(Tilt Table Ratio)法——側(cè)傾比例系數(shù)法，車(chē)輛隨側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)一起側(cè)翻，直至車(chē)輛高側(cè)端輪胎脫離地面時(shí)為止[3-6]。本文主要僅從理論角度來(lái)分析汽車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)于側(cè)翻穩(wěn)定性的影響。

2、重型車(chē)輛側(cè)翻的理論基礎(chǔ)

2.1 垂直載荷轉(zhuǎn)移率

為了研究車(chē)輛的側(cè)翻穩(wěn)定性，我們定義LTR表示左右側(cè)或彎道內(nèi)外側(cè)車(chē)輪垂直的轉(zhuǎn)移率，其表達(dá)式為：

其中式中Fz1為作用在汽車(chē)內(nèi)側(cè)輪胎上的地面垂直反作用力，F(xiàn)z0為作用在汽車(chē)外車(chē)車(chē)輪上的地面垂直反作用力。由垂直載荷轉(zhuǎn)移率的定義可知，當(dāng)汽車(chē)在平路上直線行駛的時(shí)候，內(nèi)外車(chē)輪受到的力相等，等于車(chē)重的一半，垂直載荷轉(zhuǎn)移率LTR=0。當(dāng)汽車(chē)側(cè)翻時(shí)，彎道內(nèi)側(cè)的車(chē)輪離地，即Fz1=0，則LRT=1。由此可見(jiàn)，當(dāng)Fz1越小，LRT越大，車(chē)輛的側(cè)傾穩(wěn)定性越底。當(dāng)LTR=1時(shí)，車(chē)輛的側(cè)向加速度為車(chē)輛的傾翻閥值，單位為重力加速度G，當(dāng)車(chē)輛的側(cè)向加速度大約或等于起側(cè)翻閥值時(shí)，車(chē)來(lái)那個(gè)將發(fā)生側(cè)翻[7]。

ay——汽車(chē)傾翻閥值g

B——輪距，m

GS——簧載質(zhì)量的重力，N

Gu——非簧載質(zhì)量的重力，N

hs——簧載質(zhì)量質(zhì)心距離地面的高度，m

hu——非簧載質(zhì)量質(zhì)心距離地面的高度，m

Kr——懸架的組合側(cè)傾角剛度，N·m/rad

Ki——非懸架的組合側(cè)傾角剛度N·m/rad

h——簧載質(zhì)量側(cè)傾力臂，m

2.2 彎道側(cè)滑和側(cè)翻的臨界車(chē)速

2.2.1 側(cè)滑

假設(shè)載重汽車(chē)在一個(gè)轉(zhuǎn)彎半徑為R，載重汽車(chē)重量為m，路面的附著系數(shù)為u，汽車(chē)發(fā)生側(cè)滑的臨界車(chē)速為。當(dāng)把汽車(chē)看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，最大靜摩擦力等于載重汽車(chē)產(chǎn)生的離心力的時(shí)候，即為側(cè)滑的臨界速度，當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，車(chē)速小于V滑，則該載重汽車(chē)就不會(huì)發(fā)生側(cè)滑。

2.2.2 側(cè)翻

假設(shè)，汽車(chē) 重心離地面的高度為h，兩側(cè)車(chē)輪之間的間距為B，汽車(chē)發(fā)生側(cè)翻的臨界速度為V翻。當(dāng)汽車(chē)做圓周運(yùn)動(dòng)要發(fā)生側(cè)翻時(shí)，內(nèi)側(cè)的車(chē)輪即將離開(kāi)地面，因此地面所受到的車(chē)輪壓力為0，此時(shí)的車(chē)速為側(cè)翻時(shí)的臨界車(chē)速，受力如右圖所示。以載重車(chē)輛的外邊車(chē)輪與地面的接觸點(diǎn)連線為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，由力矩平衡可得：

根據(jù)上式，我們可知，當(dāng)u>B/2h時(shí)候，V滑＞ V翻，載重汽車(chē)告訴轉(zhuǎn)向的時(shí)候容易發(fā)生側(cè)翻，當(dāng)u

3、汽車(chē)結(jié)構(gòu)因素的影響

本章我們主要從載重汽車(chē)的質(zhì)心高度，輪距、懸架和輪胎特性來(lái)討論如何影響汽車(chē)側(cè)翻穩(wěn)定性。

3.1 質(zhì)心高度

從計(jì)算機(jī)模擬以及傾翻試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果來(lái)看，汽車(chē)質(zhì)心高度與傾翻閾值不成線性關(guān)系，但如果忽略汽車(chē)懸架和輪胎變形，不計(jì)非簧載質(zhì)量及其側(cè)傾的影響，則汽車(chē)的傾翻閾值可以表達(dá)為：

它是分析汽車(chē)側(cè)傾特性最常用的方式,通常汽車(chē)質(zhì)心高度每增加250mm,傾翻閾值下降約0.05g。

3.2 輪距

輪距受載重汽車(chē)最大車(chē)寬限制，對(duì)于特定的汽車(chē)，輪距是一個(gè)定值，輪距對(duì)汽車(chē)傾翻閾值影響很大，輪距的增加可使汽車(chē)的傾翻閾值增大，提高汽車(chē)的側(cè)傾穩(wěn)定性。

3.3 懸架

當(dāng)汽車(chē)的質(zhì)心高度和輪距一定時(shí),載重汽車(chē)懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)汽車(chē)的側(cè)傾穩(wěn)定性起非常重要的作用。在研究汽車(chē)側(cè)傾穩(wěn)定性時(shí),引入“側(cè)傾中心”的概念[8],即將車(chē)身相對(duì)地面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)軸線稱為車(chē)身側(cè)傾軸線,該軸線通過(guò)汽車(chē)前、后軸處橫斷面上的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心為側(cè)傾中心,而側(cè)傾中心的位置取決于懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

3.4 輪胎特性

輪胎的側(cè)偏剛度、車(chē)輪與路面的附著系數(shù)、車(chē)輪垂直載荷、輪胎氣壓及磨損情況等都對(duì)汽車(chē)的側(cè)翻穩(wěn)定性有直接影響。

（1）輪胎與地面附著系數(shù)對(duì)側(cè)翻穩(wěn)定性的影響。

根據(jù)重型車(chē)輛靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)定義，表達(dá)式為：

式中，μ輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)

當(dāng)SM為負(fù)值，汽車(chē)發(fā)生側(cè)翻，當(dāng)SM為正值時(shí)，汽車(chē)處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見(jiàn)，輪胎與地面?zhèn)认蚋街禂?shù)μ越大，汽車(chē)發(fā)生側(cè)翻的可能性越大。

（2）輪胎側(cè)偏剛度對(duì)側(cè)翻穩(wěn)定性的影響

輪胎的側(cè)偏剛度是隨著車(chē)輪垂直載荷的變化而變化的，側(cè)偏剛度極值點(diǎn)載荷的大小，主要取決于輪胎胎體的側(cè)彎剛度。輪胎胎體側(cè)彎剛度大的輪胎，側(cè)偏剛度極值點(diǎn)載荷較高。當(dāng)增大輪胎垂直載荷，輪胎胎體側(cè)彎剛度小的輪胎，會(huì)使車(chē)輛側(cè)翻閾值減小，所以側(cè)偏剛度是影響車(chē)輛側(cè)翻穩(wěn)定性的重要輪胎參數(shù)。重型車(chē)輛滿載時(shí)后軸載荷很大，因此重型車(chē)輛輪胎應(yīng)具有較高的側(cè)偏剛度，以保證車(chē)輛擁有良好的側(cè)翻穩(wěn)定性?？梢酝ㄟ^(guò)加大胎寬，增高胎壓，采用低輪胎斷面及子午線輪胎來(lái)提高重型車(chē)輛的側(cè)翻穩(wěn)定性。

4、結(jié)論

本文通過(guò)就載重汽車(chē)側(cè)翻的理論性研究，分析了汽車(chē)結(jié)構(gòu)因素對(duì)于車(chē)輛側(cè)翻的影響，得出我們可以通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，如即降低汽車(chē)質(zhì)心高度、增大輪距、優(yōu)化懸掛參數(shù)、提高輪胎剛度，許多載重汽車(chē)傾翻事故事可以避免的。

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Factors influencing the heavy vehicle rollover

Chen Dongle
（Institute of transportation, Chongqing jiaotong university, Chongqing 400074）

Abstract:Along with the rapid development of China's national economy, the rapid rise of the logistics industry, the demand for heavy trucks with large trucks is increasing. In the investigation of relevant agencies, heavy vehicle rollover accident occurrence rate second only to the collision rate, with a high accident rate, serious loss of charac-teristics. Firstly from the point of view of the theory to elaborate truck rollover condition, again from the point of view of the design of heavy vehicles to discuss rollover reasons, and introduced the vehicle rollover threshold me-thod to determine, and from the angle of automobile design put forward how to reduce vehicle rollover instability.

Keywords:heavy vehicle; rollover; rollover threshold; stability

作者簡(jiǎn)介：陳東樂(lè)，就職于重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院。

中圖分類(lèi)號(hào)：U461.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)02-144-03