高攀 陳世興 鄒胤 劉揚(yáng)開 王文慶 李國杰

（1. 廣東技術(shù)師范大學(xué)工業(yè)實(shí)訓(xùn)中心, 廣州 510000；2. 廣東技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院, 廣州 510000）

主題詞：汽車工程 側(cè)翻穩(wěn)定性 側(cè)翻建模 側(cè)翻預(yù)警 防側(cè)翻控制

LTR Lateral load Transfer Ratio

TTR Time To Rollover

ESP Electronic Stability Program

1 前言

隨著汽車在生產(chǎn)、生活中的普及和應(yīng)用，人們對(duì)汽車可靠性和安全性的要求不斷提高，然而汽車側(cè)翻屢有發(fā)生，尤其是重型牽引車和重型自卸車，由于此類車輛尺寸大、質(zhì)心高，當(dāng)駕駛員緊急躲避障礙物而急速轉(zhuǎn)向時(shí)，車輛極易側(cè)翻，造成較大的人員傷害和經(jīng)濟(jì)損失。另外隨著智能駕駛汽車的研發(fā)，緊急情況下車輛安全操作閾值對(duì)于避免事故尤為重要，因此需要加大對(duì)車輛側(cè)翻穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)和研究。

本文從側(cè)翻的定義出發(fā)，細(xì)化了側(cè)翻的傳統(tǒng)分類，分別闡述了不同類型車輛側(cè)翻的特點(diǎn)、影響因素和研究方法，系統(tǒng)總結(jié)了與側(cè)翻相關(guān)的影響因素，并對(duì)側(cè)翻試驗(yàn)和仿真研究方法應(yīng)用領(lǐng)域做了對(duì)比，最后闡述了主動(dòng)防側(cè)翻控制和側(cè)翻預(yù)警熱點(diǎn)技術(shù)，并展望了側(cè)翻研究方向，以期為車輛側(cè)翻研究和工程應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)。

2 側(cè)翻分類

從引起車輛側(cè)翻的主要原因來分，汽車側(cè)翻可以分為曲線側(cè)翻和絆倒側(cè)翻，曲線側(cè)翻是指汽車在道路上行駛時(shí)，由于側(cè)向加速度達(dá)到一定的限值，使得汽車內(nèi)側(cè)輪胎的垂直反力為0 N，車輛繞車輛縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)超過90°；絆倒側(cè)翻是指汽車行駛時(shí)產(chǎn)生側(cè)向滑移，與路面上的障礙物側(cè)向撞擊而將其“絆倒”。對(duì)比來看，曲線側(cè)翻是車輛在自身較大側(cè)向加速度情況下的失穩(wěn)，主要是由于車速較快時(shí)快速轉(zhuǎn)向引起，而絆倒型側(cè)翻則是在外界瞬時(shí)較大側(cè)向、垂向力或加速度輸入下的失穩(wěn)，主要是側(cè)向滑移絆倒或者單側(cè)車輪經(jīng)過路面凸包引起，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示絆倒型側(cè)翻數(shù)量遠(yuǎn)超過其它類型的側(cè)翻。

曲線側(cè)翻從側(cè)翻過程來看可細(xì)分為準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻和瞬態(tài)側(cè)翻，區(qū)別主要是達(dá)到側(cè)翻閾值的速度，準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻是以較為平穩(wěn)的狀態(tài)達(dá)到側(cè)翻閾值，具體參數(shù)來看主要是車輛從正常行駛狀態(tài)到失穩(wěn)側(cè)翻過程中，其側(cè)傾角逐漸增大，側(cè)傾加速度數(shù)值較小并保持相對(duì)穩(wěn)定，比如車輛轉(zhuǎn)彎和穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)工況，是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程；瞬態(tài)側(cè)翻則是車輛高速行駛中以較快的速度轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到甚至超過車輛側(cè)翻閾值，具體參數(shù)來看，側(cè)翻過程中側(cè)傾角在較大側(cè)傾角加速度下急劇增大，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到甚至超過側(cè)翻閾值，因此不可忽視慣性力的影響，可看作是動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。與曲線側(cè)翻不同，絆倒側(cè)翻主要是車輛與地面之間的附著力不夠?qū)е聜?cè)向滑移，與障礙物撞擊而絆倒，絆倒型側(cè)翻與車輛外界因素關(guān)聯(lián)性較大，如路面附著力、側(cè)滑速度、路面障礙物等，對(duì)比如表1所示。

表1 車輛側(cè)翻分類

3 側(cè)翻穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

車輛側(cè)翻穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)可用于判定車輛的主動(dòng)抗側(cè)翻能力，是描述車輛側(cè)翻安全性的重要指標(biāo)。依定義，車輛繞縱軸旋轉(zhuǎn)90°以上才能稱得上為側(cè)翻，但車輛在轉(zhuǎn)動(dòng)角度不超過90°達(dá)到或接近側(cè)翻指標(biāo)時(shí)就處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，整車就有側(cè)翻的傾向，合適的側(cè)翻指標(biāo)不僅能指導(dǎo)車輛抗側(cè)翻性能設(shè)計(jì)方向，表征車輛抗側(cè)翻性能，需注意的是，側(cè)翻指標(biāo)也是側(cè)翻預(yù)警和防側(cè)翻控制的基礎(chǔ)，由于車輛側(cè)翻是人-車-路綜合作用的結(jié)果，其側(cè)翻因素較多，因此需要綜合考慮精確度和簡(jiǎn)便性，選取合適的側(cè)翻指標(biāo)。

側(cè)向加速度、側(cè)傾角、橫向載荷轉(zhuǎn)移率是常見的評(píng)價(jià)側(cè)翻穩(wěn)定性的指標(biāo)，這些指標(biāo)一般有2種使用方法，一種是通過傳感器直接測(cè)得相關(guān)的物理量，或者通過測(cè)量參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)算得到側(cè)向加速度或側(cè)傾角側(cè)翻指標(biāo)，但是直接測(cè)量參數(shù)由于車輛行駛狀態(tài)的差別，只能在準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻中能有較好的表現(xiàn)，而在較復(fù)雜側(cè)翻過程中準(zhǔn)確率較低，并不能適用所有的工況，如表2所示。另外直接測(cè)量的側(cè)向加速度、側(cè)傾角側(cè)翻指標(biāo)與側(cè)翻事故關(guān)聯(lián)性統(tǒng)計(jì)中成正態(tài)分布，如需得到要經(jīng)過大量的仿真和試驗(yàn)，并通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)得到合適的閾值，可能會(huì)降低車輛側(cè)向加速能力，降低工程應(yīng)用精度。Hac A對(duì)側(cè)傾角、側(cè)向加速度在表征車輛側(cè)翻狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，直接監(jiān)測(cè)的側(cè)傾角雖然簡(jiǎn)單可以預(yù)測(cè)平滑路面正常行駛車輛的側(cè)傾狀態(tài)，但對(duì)于載貨汽車、凹凸路面行駛車輛或者大側(cè)傾角行駛狀態(tài)預(yù)測(cè)效果較差。而采用側(cè)傾率積分得到側(cè)傾角的預(yù)測(cè)方法，不涉及車輛的具體設(shè)計(jì)參數(shù)，可以預(yù)測(cè)較大的側(cè)傾角，也對(duì)載荷狀態(tài)有較好的適應(yīng)率，但是對(duì)于誤差累計(jì)和路面坡度較為敏感，易造成較大的預(yù)測(cè)誤差，同樣基于懸架測(cè)量的側(cè)傾角預(yù)估對(duì)于凹凸路面和坡度路面效果也較差，但基于側(cè)向加速度、側(cè)傾率、側(cè)傾角和側(cè)向速度的觀測(cè)器模型，根據(jù)整車的狀態(tài)調(diào)整權(quán)重參數(shù)，可形成預(yù)測(cè)性能較好的側(cè)翻指標(biāo)。另外一種應(yīng)用方法是通過動(dòng)力學(xué)建模計(jì)算的方式得到側(cè)向加速度或者側(cè)傾角，通過布置傳感器測(cè)量得到動(dòng)力學(xué)模型需要的參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，得到側(cè)向加速度或者側(cè)傾角指標(biāo)，依據(jù)預(yù)測(cè)模型的精度調(diào)整動(dòng)力學(xué)模型復(fù)雜度，可充分考慮車載質(zhì)量、懸架設(shè)計(jì)、減振器調(diào)教和輪胎剛度參數(shù)，計(jì)算出側(cè)翻穩(wěn)定性指標(biāo)。

表2 側(cè)翻穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

橫向載荷轉(zhuǎn)移率（Lateral Load Transfer Ratio,LTR）表征車輛曲線行駛過程中，車輛橫向左右兩側(cè)車輪垂向載荷的轉(zhuǎn)移情況，如式（1）所示。當(dāng)車輛正常行駛時(shí)，內(nèi)外側(cè)車輪垂向載荷大致相等，LTR 接近于0，當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎或者一側(cè)車輪離地，LTR接近于1，統(tǒng)一在0～1之間，橫向載荷轉(zhuǎn)移率LTR準(zhǔn)確表征車輛側(cè)翻危險(xiǎn)的程度與路面附著系數(shù)有很大關(guān)系，路面附著系數(shù)越大，其準(zhǔn)確度也越高。徐中明通過大量仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，常見路面的附著系數(shù)為0.8左右，其準(zhǔn)確度可達(dá)到35%，當(dāng)附著系數(shù)為0.9，其準(zhǔn)確度可到達(dá)90%，但是LTR指標(biāo)并不能通過傳感器直接得到，輪胎與路面之間的載荷同樣也不能通過測(cè)量得到。因此，便需要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型間接計(jì)算得到，公式（1）基于車輛側(cè)傾模型，采用車輛自身的設(shè)計(jì)參數(shù)和車身狀態(tài)參數(shù)，不涉及外部對(duì)車輛的輸入，因此指標(biāo)受到廣泛的應(yīng)用。

式中，為內(nèi)側(cè)車輪垂向載荷，為外側(cè)車輪垂向載荷。=m+m為車輛的總質(zhì)量，m為簧上質(zhì)量，m為簧下質(zhì)量，a為車輛側(cè)向加速度，h為車輛簧上質(zhì)量質(zhì)心到側(cè)傾中心的高度，l為輪距，為車身側(cè)傾角。

基于LTR，Phanomchoeng通過整車4 自由度動(dòng)力學(xué)模型，分別考慮簧上垂向和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)以及簧下兩側(cè)垂向運(yùn)動(dòng)，推導(dǎo)出考慮外界輸入的側(cè)翻指標(biāo)，其推導(dǎo)過程并不復(fù)雜，但模型的復(fù)雜程度大大增加，且需車身兩側(cè)分別增加一個(gè)垂向加速度傳感器。改進(jìn)型指標(biāo)不僅可以應(yīng)用于側(cè)向加速度過大引起的曲線側(cè)翻，也可以應(yīng)用于外界輸入引起的絆倒側(cè)翻。

絆倒側(cè)翻包括了側(cè)翻階段和翻滾階段，側(cè)翻階段主要通過力學(xué)建模找出側(cè)翻碰撞力和作用時(shí)間的關(guān)系，翻滾階段一般采用能量的方法描述車輛側(cè)翻穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)重心投影在未離地一側(cè)車輪與地面接觸線上且側(cè)傾速度為0時(shí)，定義車輛勢(shì)能為側(cè)翻極限勢(shì)能，車輛當(dāng)前時(shí)刻勢(shì)能和側(cè)傾方向動(dòng)能之和為側(cè)翻總機(jī)械能，當(dāng)側(cè)翻總機(jī)械能大于極限勢(shì)能時(shí)，便出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象。

4 車輛側(cè)翻穩(wěn)定性影響因素

車輛側(cè)翻是人、車、路面綜合作用下，使車輛繞縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)超過閾值的一種非理想運(yùn)動(dòng)，汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，行駛工況多樣，因此側(cè)翻涉及到的因素也較多，除駕駛習(xí)慣和路面等外在因素，車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)同樣對(duì)側(cè)翻具有較大的影響。

駕駛習(xí)慣主要涉及車速和轉(zhuǎn)向盤操作，路面主要涉及路面附著系數(shù)和路面障礙物，研究表明車速對(duì)于側(cè)翻具有較大影響，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)側(cè)翻影響相對(duì)較小，而與車輛結(jié)構(gòu)相關(guān)主要參數(shù)包括質(zhì)量、高寬比、側(cè)傾剛度、阻尼和制動(dòng)力，涉及到整車布置、懸架、輪胎、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和橫向穩(wěn)定桿多個(gè)主要零部件。

車輛準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻是一個(gè)近似穩(wěn)態(tài)的側(cè)翻過程，側(cè)傾角加速度較小且平穩(wěn)，可忽略慣性力的影響，主要由整車質(zhì)量、高寬比和路面附著系數(shù)決定，瞬態(tài)側(cè)翻是車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)的結(jié)果，不可忽略側(cè)傾剛度和阻尼的影響，除整車布置和懸架系統(tǒng)外，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輪胎和橫向穩(wěn)定桿都有一定的影響，而絆倒型側(cè)翻受路面影響較大，與整車布置和輪胎附著性能相關(guān)，如表3所示。

表3 與側(cè)翻穩(wěn)定性相關(guān)的車輛系統(tǒng)

外在因素中，路面附著系數(shù)主要決定了側(cè)翻發(fā)生的概率，在高附著系數(shù)道路行駛，當(dāng)側(cè)向加速度較大時(shí)，易發(fā)生曲線側(cè)翻，當(dāng)附著系數(shù)較低時(shí)，雖不易發(fā)生曲線側(cè)翻，但卻容易發(fā)生絆倒型側(cè)翻。

增大整車寬高比是提高側(cè)翻穩(wěn)定性的基礎(chǔ)和最有效的方法，車輛設(shè)計(jì)階段便需要綜合考慮整車布置，盡可能降低整車質(zhì)心高度，提高輪距，有研究表明相同條件下具有0.4側(cè)翻閾值的滿載重型貨車發(fā)生側(cè)翻事故的概率約是0.65的空載重型貨車的10 倍，可見質(zhì)心高度對(duì)側(cè)翻閾值具有重要的影響，另外在進(jìn)行油罐車、混凝土攪拌車抗側(cè)翻性能計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮車輛行駛中質(zhì)心高度的變化。

車輛的側(cè)傾剛度和阻尼對(duì)瞬態(tài)側(cè)翻有較大影響，主要與懸架系統(tǒng)、減振器、橫向穩(wěn)定桿、襯套、輪胎零部件相關(guān)，依照整車質(zhì)量合理的匹配懸架剛度，一般懸架剛度越大，阻尼越大，同樣工況下整車側(cè)傾角越小，抗側(cè)翻穩(wěn)定性也越好。需注意的是，懸架剛度也不宜過大，且過大的懸架剛度將降低整車的舒適性能，可以通過試驗(yàn)或建模優(yōu)化車輛的懸架剛度和阻尼；輪胎剛度對(duì)于側(cè)翻穩(wěn)定性的影響與懸架類似，通過調(diào)教減振器阻尼系數(shù)，可以降低車輛的動(dòng)態(tài)超調(diào)量，提升車輛的瞬態(tài)抗側(cè)翻性能，此外通過優(yōu)化懸架導(dǎo)向系統(tǒng)，提高側(cè)傾中心的位置，減小側(cè)傾力臂，匹配橫向穩(wěn)定桿，同樣可以提升側(cè)傾穩(wěn)定性。目前，液壓空氣懸架較多在高端乘用車和載貨車上應(yīng)用，其非線性剛度和阻尼特性對(duì)側(cè)傾穩(wěn)定性也有較大的改善，在小側(cè)傾角或側(cè)傾率時(shí)側(cè)傾剛度較小，保持整車的舒適性，大側(cè)傾角或側(cè)傾率時(shí)側(cè)傾剛度較大，保持整車的側(cè)傾穩(wěn)定性。

輪胎側(cè)偏剛度對(duì)側(cè)翻穩(wěn)定性也有一定的影響，前后輪側(cè)偏剛度比越大，車輛的側(cè)翻穩(wěn)定性越低，需注意的是，輪胎側(cè)偏特性與輪胎氣壓關(guān)系較大，應(yīng)保證輪胎氣壓不低于標(biāo)準(zhǔn)值。

制動(dòng)對(duì)于側(cè)翻的影響主要集中在制動(dòng)力的分配上，左右制動(dòng)力的不同使整車產(chǎn)生橫擺力矩，以此降低側(cè)翻力矩的作用，采用差動(dòng)制動(dòng)控制策略可有效的降低車輛的瞬時(shí)側(cè)向加速度和橫向載荷轉(zhuǎn)移率，降低車輛側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)，此防側(cè)翻控制方案已經(jīng)得到較多的應(yīng)用。

5 車輛側(cè)翻穩(wěn)定性研究方法

在整車開發(fā)前期，應(yīng)對(duì)整車的側(cè)翻穩(wěn)定性進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，保證車輛的側(cè)翻穩(wěn)定性，同時(shí)兼顧舒適性、操控性以及承載能力等性能，目前側(cè)翻的研究手段主要包括動(dòng)力學(xué)建模、仿真和試驗(yàn)。

5.1 動(dòng)力學(xué)建模與分析

動(dòng)力學(xué)建模主要是通過建立考慮側(cè)傾的動(dòng)力學(xué)方程，研究側(cè)翻穩(wěn)定性的因素，基于研究問題差異和模型復(fù)雜程度，國內(nèi)外學(xué)者建立了不同自由度的整車動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行車輛的側(cè)翻穩(wěn)定性分析，包括車輛在高速急轉(zhuǎn)彎時(shí)不發(fā)生側(cè)翻的平衡穩(wěn)定性分析和汽車受到外界干擾時(shí)不會(huì)偏離當(dāng)前狀態(tài)的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。

兩自由度動(dòng)力學(xué)模型只考慮了車輛的橫擺運(yùn)動(dòng)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)，是最為簡(jiǎn)單的整車側(cè)傾動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示。2自由度模型可分析輪胎側(cè)偏剛度、車速、質(zhì)心高、整車整備質(zhì)量和轉(zhuǎn)角對(duì)車輛橫擺速度、側(cè)向速度和加速度的影響，由于簡(jiǎn)化過多，不能考慮整車左右側(cè)側(cè)傾狀態(tài)。因此，兩自由度動(dòng)力學(xué)模型結(jié)合側(cè)傾平面模型，建立3自由度側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型，如圖2 所示，包括車輛的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，橫擺運(yùn)動(dòng)和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)。該模型簡(jiǎn)單但是又反映了側(cè)翻的一般規(guī)律，因此應(yīng)用廣泛，該模型成為了研究側(cè)翻的基礎(chǔ)模型，許多學(xué)者采用該模型分析了質(zhì)心、車速、懸架剛度、阻尼主要參數(shù)對(duì)汽車側(cè)傾穩(wěn)定性的影響，且許多學(xué)者在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)模型。宋小文提出了一種考慮懸架和輪胎變形的改進(jìn)型側(cè)翻模型，并基于該模型提出懸架剛度和減振器阻尼系數(shù)的調(diào)整策略。金智林提出了汽車側(cè)翻準(zhǔn)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子，包含了車速、前輪轉(zhuǎn)角、輪胎和懸架變形，可以更加全面的表述側(cè)翻的狀態(tài)。此外，在3自由度側(cè)翻模型基礎(chǔ)上，也有一些學(xué)者建立更多自由的模型對(duì)整車參數(shù)進(jìn)行研究。

圖1 2自由度模型[2]

圖2 3自由度側(cè)翻模型[24]

值得注意的是，隨著近年車輛電氣化程度的提高，車輛本身具有的傳感器種類越來越豐富，數(shù)量也大幅增加，而動(dòng)力學(xué)模型需要車輛狀態(tài)參數(shù)的輸入，因此狀態(tài)參數(shù)的獲取和處理對(duì)于模型的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性都非常重要。同樣的動(dòng)力學(xué)模型，參數(shù)的獲取和數(shù)據(jù)擬合都對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果有較大的影響，需要針對(duì)數(shù)據(jù)的特征選取合適的數(shù)據(jù)處理方式。Wang C針對(duì)側(cè)傾角和側(cè)傾率估計(jì)采用卡爾曼濾波，而采用遺忘因子遞歸最小二乘法估計(jì)重心高度。

5.2 仿真建模與分析

動(dòng)力學(xué)建模不僅可用于指導(dǎo)車輛設(shè)計(jì)方向，而且也能用于車輛狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但存在建模復(fù)雜，求解困難，且參數(shù)簡(jiǎn)化過多的問題，而采用計(jì)算機(jī)輔助的仿真建模成為研究車輛側(cè)翻的重要補(bǔ)充，仿真建模能考慮更多的整車參數(shù)，有效提高側(cè)翻模型的精度。目前車輛側(cè)翻仿真建模主要以基于CarSim、TruckSim和Adams為代表的多體動(dòng)力學(xué)模型為主，綜合考慮質(zhì)量、質(zhì)心、懸架、輪胎、橫向穩(wěn)定桿、車速和轉(zhuǎn)向建立整車模型，可以更加細(xì)化考慮如襯套，桿件連接結(jié)構(gòu)，后續(xù)通過零部件試驗(yàn)和整車試驗(yàn)進(jìn)行模型對(duì)標(biāo)，滿足工程應(yīng)用精度。

整車動(dòng)力學(xué)模型搭建流程如圖3 所示，首先需要獲得建模所需的整車參數(shù)和零部件參數(shù)，其中整車參數(shù)主要關(guān)注整車質(zhì)量分配和整車的慣量信息，包括關(guān)鍵總成如動(dòng)力總成、車架、車身、車橋等質(zhì)量較大零部件的質(zhì)量、質(zhì)心位置以及慣量信息；零部件特性參數(shù)主要是懸架、輪胎、襯套，橫向穩(wěn)定桿等連接件的剛度和阻尼。據(jù)此建立整車模型，最后設(shè)定仿真行駛工況，便可進(jìn)行側(cè)翻穩(wěn)定性影響因素分析和參數(shù)敏感性分析。采用仿真建模的方法可以考慮更多的參數(shù)和更多的自由度，例如高新華采用Adams 建立車輛的124 自由度的仿真模型，分析了J-Turn 工況和魚鉤工況下車輛的行駛狀態(tài)，這在數(shù)學(xué)建模中較難實(shí)現(xiàn)。另外，也可以采用仿真模型大批量的研究側(cè)翻指標(biāo)與側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)聯(lián)，上千次的側(cè)翻工況在現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)中基本是不可能完成的。

圖3 車輛側(cè)翻仿真建模流程

仿真建模具有建模過程簡(jiǎn)單、結(jié)果精確、考慮因素全面、計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)，但模型精度嚴(yán)重依賴試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，對(duì)于建模水平和對(duì)標(biāo)水平要求較高。

5.3 試驗(yàn)搭建與試驗(yàn)分析

側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)是最為常見的準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻裝置，如圖4所示，側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)一側(cè)為可伸縮油缸，另一側(cè)為鉸鏈和角度傳感器，試驗(yàn)時(shí)整車放置在稱重平臺(tái)上，油缸伸長后通過稱重傳感器測(cè)量輪荷，角度傳感器測(cè)量?jī)A斜角度，當(dāng)油缸側(cè)輪荷為0 時(shí)，整車處于臨界側(cè)翻狀態(tài)，記錄此時(shí)角度傳感器的角度，便可評(píng)估整車的準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻穩(wěn)定性。

圖4 車輛側(cè)翻試驗(yàn)平臺(tái)示意[32]

車輛的動(dòng)態(tài)側(cè)翻試驗(yàn)?zāi)壳拜^為通用的方法主要是J-turn 試驗(yàn)和魚鉤（Fish-hook）試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方法如表4所示，可以看出側(cè)翻試驗(yàn)車速較高，并且轉(zhuǎn)向劇烈，試驗(yàn)工況特別危險(xiǎn)，限制了側(cè)翻試驗(yàn)的開展，不過隨著近年無人駕駛技術(shù)的進(jìn)步，相信側(cè)翻的試驗(yàn)研究會(huì)有進(jìn)一步的發(fā)展。

表4 側(cè)翻常用試驗(yàn)介紹

SAE International推薦的絆倒型側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)如圖5所示，車輛放置在側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)上，平臺(tái)移動(dòng)過程中突然減速造成車輛的翻滾，以此來研究車輛的翻滾狀態(tài)和駕駛員受傷害情況，建立了標(biāo)準(zhǔn)的側(cè)翻試驗(yàn)流程。

圖5 絆倒型側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)示意[32]

6 預(yù)防側(cè)翻的措施

側(cè)翻作為最為嚴(yán)重的安全問題之一，其危害程度僅次于碰撞事故，隨著我國交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，汽車的保有量大幅增加，車輛事故數(shù)也呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，因此，車輛開發(fā)中抗側(cè)翻性能研究已經(jīng)成為車輛安全的重要方面，其中主動(dòng)防側(cè)翻控制和側(cè)翻預(yù)警是目前主要的2個(gè)研究方向。

6.1 主動(dòng)防側(cè)翻控制

車輛在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整車參數(shù)匹配，盡可能的提高車輛的側(cè)翻閾值。目前，增大寬高比、優(yōu)化懸架導(dǎo)向桿系提高側(cè)傾中心高度、提高側(cè)傾剛度和優(yōu)化側(cè)傾阻尼這些手段可以提高車輛的側(cè)翻閾值。但是，從研究和市場(chǎng)來看，寬高比受法規(guī)和整車參數(shù)限制提升空間有限，越是成熟車型其越難以提高，懸架導(dǎo)向桿系也是同樣的情況，一旦車型確定其優(yōu)化空間也較為有限。隨著車輛向電動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，大量新技術(shù)和新手段在車輛上開始使用，尤其是主動(dòng)控制技術(shù)得到大量的研究和應(yīng)用，效果明顯，其中如主動(dòng)和半主動(dòng)懸架、主動(dòng)轉(zhuǎn)向、差動(dòng)制動(dòng)以及懸架轉(zhuǎn)向制動(dòng)聯(lián)合措施等，在不需要較大變動(dòng)車輛結(jié)構(gòu)的前提下，可大幅提升車輛的抗側(cè)翻能力，降低車輛側(cè)翻率。

半主動(dòng)懸架依據(jù)車架或車身側(cè)傾角和側(cè)傾加速度參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整懸架阻尼力，從而改善車身瞬態(tài)側(cè)傾振動(dòng)狀態(tài)。相比阻尼，側(cè)傾剛度對(duì)側(cè)傾穩(wěn)定性影響更大，而主動(dòng)懸架不僅可以調(diào)節(jié)阻尼力的大小，也可以調(diào)節(jié)懸架的剛度提高側(cè)傾剛度，從而提升抗側(cè)翻穩(wěn)定性，另外橫向穩(wěn)定桿在車輛側(cè)傾運(yùn)動(dòng)中也能提供較大的側(cè)傾剛度，目前有些車輛已經(jīng)配備主動(dòng)橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)，在車輛發(fā)生側(cè)傾狀態(tài)下液壓動(dòng)作，產(chǎn)生反向側(cè)傾力矩，可將側(cè)傾角和側(cè)傾角加速度降低20%～40%，效果顯著。半主動(dòng)懸架只需要控制阻尼，不需要?jiǎng)恿υ?，能量消耗較小，成本相對(duì)較低，主動(dòng)懸架不僅可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)阻尼，也能調(diào)節(jié)剛度，不僅可以滿足車輛的側(cè)翻穩(wěn)定性，也能滿足車輛的平順性、操控性要求，從使用效果來看，主動(dòng)懸架對(duì)于車輛抗側(cè)翻效果遠(yuǎn)好于半主動(dòng)懸架，但成本會(huì)增加較多，因此現(xiàn)階段車輛可考慮半主動(dòng)懸架在車輛上的使用，深入挖掘半主動(dòng)懸架的優(yōu)勢(shì)，不僅可調(diào)節(jié)車身側(cè)傾振動(dòng)狀態(tài)，也可優(yōu)化乘坐舒適性。

差動(dòng)制動(dòng)通過在左右兩側(cè)車輪上分配不同制動(dòng)力產(chǎn)生的橫擺力矩改善車輛側(cè)傾狀態(tài)，降低車輛的側(cè)向加速度、車輛的側(cè)傾角和橫向載荷轉(zhuǎn)移率的絕對(duì)值，提高車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性，目前差動(dòng)制動(dòng)技術(shù)在乘用車領(lǐng)域已經(jīng)得到較多應(yīng)用，如電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)（Electronic Stability Program,ESP）便是主動(dòng)控制制動(dòng)力的系統(tǒng)，差動(dòng)制動(dòng)與制動(dòng)力大小、輪胎垂直載荷和附著橢圓相關(guān)，其中關(guān)鍵點(diǎn)便是目標(biāo)車輪的選擇，首先采用仿真或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證不同車輪制動(dòng)下影響相關(guān)性，確定控制對(duì)象，然后對(duì)側(cè)翻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析尋求規(guī)律，制定合適的控制策略。從原理來看，差動(dòng)制動(dòng)不需要更改太多結(jié)構(gòu)，只需在制動(dòng)系統(tǒng)上做工作，易于在現(xiàn)有車型中實(shí)現(xiàn)。

主動(dòng)轉(zhuǎn)向是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)依據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的邏輯，在特定情況下做出相對(duì)獨(dú)立于駕駛員輸入的轉(zhuǎn)向干預(yù)，表現(xiàn)為車輪轉(zhuǎn)角修正角度與駕駛員輸入引起的前輪轉(zhuǎn)向角度疊加控制車輛的行駛狀態(tài)，相比無控制狀態(tài)，橫向載荷轉(zhuǎn)移率降低，提高車輛的側(cè)翻穩(wěn)定性，目前線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用不僅可以將車輛的側(cè)向加速度限定在安全范圍內(nèi)，防止車輛在高速急轉(zhuǎn)彎工況下發(fā)生側(cè)翻，同時(shí)也提高了車輛的操縱穩(wěn)定性，但是需注意的是主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改變了駕駛意圖，可能會(huì)躲避不開障礙物，同樣也可以采取主動(dòng)懸架和差動(dòng)制動(dòng)聯(lián)合控制的方案進(jìn)行控制，充分利用各措施的優(yōu)點(diǎn)，提升車輛側(cè)翻穩(wěn)定性。

6.2 車輛側(cè)翻預(yù)警

車輛側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)是在車輛接近側(cè)翻閾值前給出預(yù)警信號(hào)采取措施，避免車輛側(cè)翻事故的發(fā)生，預(yù)警系統(tǒng)主要是基于模型的預(yù)警系統(tǒng)，首先采集車速、前輪轉(zhuǎn)角和側(cè)傾角數(shù)據(jù)，通過整車側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算車輛接下來預(yù)警時(shí)間內(nèi)的側(cè)翻加速度或者橫向載荷轉(zhuǎn)移率指標(biāo)，最后依據(jù)車輛側(cè)翻閾值指標(biāo)進(jìn)行車輛狀態(tài)判定，基于模型的預(yù)警系統(tǒng)其計(jì)算精度和模型復(fù)雜程度相關(guān)，具體算法邏輯如圖6所示，由于整車行駛過程中，預(yù)警算法一直處于計(jì)算中，除側(cè)翻預(yù)警算法外，為了減輕計(jì)算量，相對(duì)會(huì)設(shè)定一個(gè)預(yù)警時(shí)間閾值，一般為2～3 s，如在預(yù)警時(shí)間閾值內(nèi)不發(fā)生側(cè)翻，則認(rèn)為車輛處于安全狀態(tài)，側(cè)翻預(yù)警算法的研究同樣采用仿真的方法，通過動(dòng)力學(xué)模型與MATLAB∕Simulink聯(lián)合仿真便可以評(píng)估算法有效性。

圖6 側(cè)翻預(yù)警流程

7 車輛側(cè)翻研究方向

車輛的準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻通過計(jì)算和試驗(yàn)已經(jīng)能夠取得較準(zhǔn)確的結(jié)果，但是瞬態(tài)側(cè)翻和絆倒型側(cè)翻影響因素復(fù)雜，且試驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)較高，仍需進(jìn)行更為深入的研究，目前車輛側(cè)翻穩(wěn)定性的研究重點(diǎn)主要包括以下3點(diǎn)：

（1）建立更加準(zhǔn)確的側(cè)翻預(yù)警模型

側(cè)翻預(yù)警模型的精度和復(fù)雜度一般是矛盾的，建立滿足工程精度的側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型，盡可能降低模型計(jì)算量，一個(gè)合理的模型是研究車輛側(cè)翻問題和側(cè)翻預(yù)警的基礎(chǔ)，不僅可對(duì)車輛側(cè)翻參數(shù)進(jìn)行敏感性研究，而且可以在整車設(shè)計(jì)初期對(duì)抗側(cè)翻性能做出控制和預(yù)測(cè)。目前，無論數(shù)學(xué)模型和仿真模型都缺乏足夠多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正和對(duì)標(biāo)，因此有必要進(jìn)一步提升模型的精度和適應(yīng)性。

（2）預(yù)防側(cè)翻的措施

側(cè)翻事故經(jīng)常造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷害，因此，不斷采用新的技術(shù)手段提升車輛的防止側(cè)翻穩(wěn)定性，降低側(cè)翻事故率將仍然是未來車輛安全的重要內(nèi)容，隨著車輛電動(dòng)化和智能化的發(fā)展，車輛的控制、傳感、通信、計(jì)算能力都得到了大幅提高，可預(yù)期防側(cè)翻控制技術(shù)和預(yù)警技術(shù)仍將持續(xù)是主要的車輛穩(wěn)定性研究方向，性能將會(huì)得到極大的提升。

（3）抗側(cè)翻性能與整車操穩(wěn)性，平順性的匹配

車輛的抗側(cè)翻穩(wěn)定性是操控性的重要組成部分，操控性和平順性都是車輛的重要特性，一般來說，操控性和平順性之間是矛盾的，如何在成本的約束下兼顧各性能仍未來的研究重點(diǎn)。

8 結(jié)束語

本文對(duì)側(cè)翻分類、側(cè)翻穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)、影響因素、研究方法以及防側(cè)翻措施進(jìn)行了總結(jié)，以期對(duì)側(cè)翻有一個(gè)全面的了解。車輛模型搭建和影響因素分析是理論研究和工程問題解決的基礎(chǔ)，也為車輛正向設(shè)計(jì)開發(fā)提供依據(jù)，防側(cè)翻措施則為工程應(yīng)用提供參考，隨著車輛向電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展，車輛智能駕駛的安全性將成為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，主動(dòng)防側(cè)翻控制和側(cè)翻預(yù)警仍將會(huì)得到持續(xù)的關(guān)注和提升，同時(shí)車輛的傳感技術(shù)、控制技術(shù)、算法和計(jì)算能力都得到極大的提高，整車的行駛狀態(tài)參數(shù)更加全面，預(yù)防側(cè)翻的措施將會(huì)更加多樣，側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型更加精確，優(yōu)化控制算法響應(yīng)更加迅速。本文對(duì)車輛側(cè)翻相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)化、規(guī)范化梳理，為其理論研究和工程應(yīng)用提供了參考和指導(dǎo)。