高速紧急转向对大客车侧翻稳定性影响的研究＊

曾 诚 吴初娜 孟兴凯 王艺颖

（1.交通运输部公路科学研究院汽车运输技术研究中心 北京100088；2.长安大学汽车学院 西安710064）

0 引 言

车辆在道路上行驶时，常常会遇到前方道路突然出现障碍物、前车突然紧急制动等危险情形，此时大多数的驾驶员往往会下意识地采取紧急转向的措施予以避让，由此引发车辆失控，进一步加剧了人员的伤亡和财产的损失。

近年来，随着道路运输业的迅猛发展，因驾驶员在高速行驶状态下紧急转向而引发的重特大道路客货运输事故时有发生。据公安部道路交通事故统计表明［1］，在2009～2013年间发生的105起重特大道路交通事故中，有17起事故中驾驶员存在高速紧急转向行为，约占重特大交通事故总数的16.19%。这17起事故共造成了231人死亡，216人受伤。基于交通事故分析可知，如果驾驶员在高速行驶时采取紧急转向措施，极易导致车辆发生侧翻，特别是转向时的第2次大幅度回转运动［2］。

道路客货运输直接关系到人民群众生命财产和国家重要战略物资的安全，因此保证道路客货运输的安全是确保交通运输健康发展的重要前提。相对于微型车来说，大客车具有质心位置高、整备质量大、体积大等特点，因而在紧急转向时更容易因转弯半径过小而瞬时产生过大的离心力。客车车身在离心力的作用下发生侧倾，从而引起质心位置的偏移，导致客车出现侧滑、侧翻等失稳状态，进而引发交通事故。

国内外研究学者针对车辆的行驶安全性进行了大量深入的分析研究，很多学者定性或定量地分析了车辆结构［3］、道路环境［4］、路面状况［5］，以及行驶速度［6］等因素对车辆行驶安全性的影响，也有部分研究学者基于车辆动力学模型，建立了车辆急转弯防侧滑、防侧翻的预测模型和控制策略，如PID控制、最优化控制、滑模控制、鲁棒控制等［2，7－10］。而鲜有学者针对客车驾驶员的不同紧急转向操作研究，例如，客车驾驶员以不同的转向速度或转向幅度进行紧急转向，由此造成的对客车行驶安全性的影响进行研究。相关的研究表明，在低附着系数路面紧急转向时，车辆往往先发生侧滑，在侧滑的过程中容易因与路面的障碍物或路缘发生碰撞而发生绊倒型侧翻；而在高附着系数路面紧急转向时，车辆先发生侧翻［11］。为此，本文采用Trucksim仿真软件，以福田欧Ⅴ客车BJ6940为例，通过对客车驾驶员分别以不同的转向幅度或在不同的行驶速度下进行紧急转向时，车辆动力学变化特性的仿真试验，研究客车驾驶员的不同紧急转向操作对客车侧翻稳定性的影响，并建立不同紧急转向工况与车辆侧翻风险之间的量化关系。研究成果对于提高道路运输驾驶员的行车安全性，降低交通事故发生率有着重要的理论意义和工程应用价值。

1 大客车紧急转向风险分析

1.1 紧急转向大客车受力分析

客车驾驶员在高速直线行驶过程中若采取紧急转向操作，客车在离心力的作用下，受力特性会发生变化。若忽略轮胎侧偏特性、车桥侧倾等一些因素的变化，简化客车受力情况见图1。

图1 大客车紧急转向受力示意图Fig.1 The force diagram of bus hard steering

图1中将xoy坐标系选于客车质心处，客车在x，y方向上的受力情况为

式中：Fx，Fy为客车在x，y方向上的受力，N；FYl，FYr为左、右轮所受的侧向力，N；Fzl，Fzr为左、右轮所受的垂直反力，N；mg为客车重量，N；Fc为车身所受离心力，N。

分别以左、右轮与地面的接触面中心点为矩心，客车所受的力矩为

式中：Mr，Ml为以左、右轮与地面的接触面中心点为矩心的力矩，N；B为轴距，m；φ为车身侧倾角，（°）；hr为侧倾中心高，m；hg为质心高，m。

1.2 紧急转向风险分析

当客车质心离心力大于左、右轮上的最大侧向力之和时，客车会发生向道路外侧的滑移。即客车发生侧滑的条件为

车身在离心力的作用下会产生侧倾角，当侧倾角过大而形成倾覆力矩时，车身开始以外侧车轮接地中心点为矩点发生翻转趋势。当内侧车轮离开地面时，是客车开始发生侧翻的临界条件。即客车发生侧翻的条件为

由式（4）可知，影响客车发生侧滑的因素主要有离心力和左、右轮所受的最大侧向力。由式（5）可知，影响客车发生侧翻的因素主要有离心力和侧倾角。轮胎的最大侧向力取决于附着条件，侧倾角的大小取决于离心力，而离心力的大小主要取决于客车的行驶速度和转弯半径，因此，客车驾驶员若在高速行驶状况下紧急转向，往往因瞬间转弯半径过小而产生过大的离心力，从而引发客车的侧滑或侧翻。

针对紧急转向时客车驾驶员的不同紧急转向操作对应所产生的侧翻风险的大小，以选用轮胎载荷转移率LTR这个指标进行度量。LTR的计算公式为

式中，n为客车的车轴数。

LTR的值在［0，1］之间变化，LTR越接近0，表明客车发生侧翻的可能性越低；反之，LTR越接近1，客车发生侧翻的可能性越高［12］。相关研究表明［13］，采用LTR来评价客车发生侧翻的风险度具有较高的可信度，其可以用于表征客车的侧翻稳定性。

2 系统建模和仿真试验设计

2.1 系统建模

以福田欧V客车BJ6940为例，其主要的结构参数设置见表1。

表1 仿真客车结构参数Tab.1 The structure parameters of simulation bus

采用Trucksim中的三维平整路面作为道路模型，仿真道路为车道宽度3.5m的直线路段。采用鱼钩转向（fishhook）试验模拟客车驾驶员的紧急转向行为。仿真试验为开环试验，通过固定客车转向盘的转角输入来实现客车的紧急转向操作，转向盘转角输入与时间的关系见图2。

图2 转向盘转角输入与时间的关系Fig.2 The relationship between steering angle and time

2.2 仿真试验设计

《汽车操纵稳定性试验方法 转向瞬态响应试验（转向盘转角阶跃输入）》（GB／T 6323.2－1994）中规定，车辆进行瞬态横摆响应试验时，转向盘的转角速度应不小于200（!）／s，因此选用500（!）／s的转角速度代表紧急转向。相关研究指出，干燥路面和湿滑路面的附着系数分别在0.75和0.4左右［14］。由1.2节的论述可知，不同紧急转向操作对客车侧翻稳定性的影响程度，主要取决于客车行驶速度和转向盘转角幅度这2个因素。为了量化分析客车驾驶员在不同的路面条件下以不同的操作方式紧急转向对客车侧翻稳定性的影响，本文设计了如表2所列的仿真试验。

表2 仿真试验设计Tab.2 The geometry parameters of simulation road

3 仿真结果分析

3.1 不同行驶速度下紧急转向仿真结果分析

在该仿真试验中，设定客车分别以80，90，100或110km／h的行驶速度分别通过1段平直的干燥路段和湿滑路段时，皆以500（!）／s的转角速度、80!的转角幅度模拟紧急转向操作。

紧急转向过程中，客车的质心侧偏角随行驶时间的变化情况见图3。若质心侧偏角过大，易引起侧滑。从图3可知，客车驾驶员紧急转向时，在相同的转角速度和转角幅度下，不论是在干燥路面还是在湿滑路面，质心侧偏角均与行驶速度呈正比，且客车在回转时的质心侧偏角要大于第1次转向时的角度，尤其是在湿滑路面上。另外，在相同的行驶速度下，湿滑路面上产生的质心侧偏角显著大于干燥路面。表明紧急转向时，行驶速度越高，客车发生侧滑的风险也越大，且湿滑路面上发生侧滑的风险要显著大于干燥路面。

图3 不同行驶速度下紧急转向质心侧偏角的变化Fig.3 The slip angles while emergency steering under different speed

紧急转向过程中，客车的侧倾角随行驶时间的变化情况见图4。若侧倾角过大，易引起侧翻。从图4可知，客车驾驶员紧急转向时，在相同的转角速度和转角幅度下，若在干燥路面上，侧倾角与行驶速度呈正比，且客车在回转时的侧倾角要大于第1次转向时的角度；若在湿滑路面上，侧倾角与行驶速度呈反比，且客车在回转时的侧倾角近似于第1次转向时的角度。另外，在相同的行驶速度下，干燥路面上产生的侧倾角显著大于湿滑路面。表明紧急转向时，干燥路面上发生侧翻的风险要显著大于湿滑路面，且行驶速度越高，发生侧翻的风险也就越大。

紧急转向过程中，客车的侧向加速度随行驶时间的变化见图5。若在干燥路面上，侧向加速度与行驶速度呈正比，表明行驶速度越高，客车越容易发生侧翻；若在湿滑路面上，随着行驶速度的增加，侧向加速度未发生明显的变化，表明客车发生侧翻的风险性受行驶速度的影响较小。综合图3－图5可知，客车紧急转向时，随着行驶速度的增加，在低附着系数路面上，客车易发生侧滑，反之在高附着系数路面上，客车易发生侧翻。

图4 不同行驶速度下紧急转向侧倾角的变化Fig.4 The roll angles while emergency steering under different speed

图5 不同行驶速度下紧急转向侧向加速度的变化Fig.5 The lateral acceleration while emergency steering under different speed

根据式（5）的侧翻稳定性的计算公式，通过仿真获取大客车前后6个轮胎的垂直载荷数据后，计算LTR值来评价在不同行驶速度下进行紧急转向，大客车发生侧翻的风险性大小。不同行驶速度下紧急转向的LTR值见图6。

图6 不同行驶速度下紧急转向的侧翻稳定性Fig.6 The rollover stability while emergency steering under different speed

由图6可见，客车驾驶员紧急转向时，在相同的转角速度和转角幅度下，若在干燥路面上，随着行驶速度的增加，LTR值越趋向于1，表明客车的侧翻稳定性越趋向于降低，发生侧翻的风险度越来越高。若在湿滑路面上，随着行驶速度的增加，LTR值均在0.4附近变化，表明客车的侧翻稳定性受行驶速度的影响不大。

3.2 不同转角幅度的紧急转向仿真结果分析

在该仿真试验中，设定客车以100km／h的行驶速度分别通过一段平直的干燥路段和湿滑路段时，在500（!）／s的转角速度下，分别以60!，80!和100!的转角幅度模拟紧急转向操作。

紧急转向过程中，客车的质心侧偏角随行驶时间的变化情况见图7。客车驾驶员紧急转向时，在相同的转角速度和行驶速度下，不论是在干燥路面还是在湿滑路面，质心侧偏角均与转角幅度呈正比，且客车在回转时的质心侧偏角要大于第1次转向时的角度，尤其是在湿滑路面上。另外，在相同的转角幅度下，湿滑路面上产生的质心侧偏角显著大于干燥路面。表明紧急转向时，转角幅度越大，客车发生侧滑的风险也越大，且湿滑路面上发生侧滑的风险要显著大于干燥路面。

图7 不同转角幅度紧急转向质心侧偏角的变化Fig.7 The slip angles while emergency steering under different angles

紧急转向过程中，客车的侧倾角随行驶时间的变化情况见图8。客车驾驶员紧急转向时，在相同的转角速度和行驶速度下，若在干燥路面上，侧倾角与转角幅度呈正比，且客车在回转时的侧倾角要大于第1次转向时的角度；若在湿滑路面上，侧倾角与转角幅度呈反比，且客车在回转时的侧倾角近似于第1次转向时的角度。另外，在相同的转角幅度下，干燥路面上产生的侧倾角显著大于湿滑路面。表明紧急转向时，干燥路面上发生侧翻的风险要显著大于湿滑路面，且转角幅度越大，发生侧翻的风险也就越大。

紧急转向过程中，客车的侧向加速度随行驶时间的变化见图9。若在干燥路面上，侧向加速度与转角幅度呈正比，表明行驶速度越高，客车越容易发生侧翻；若在湿滑路面上，随着转角幅度的增大，侧向加速度未发生明显的变化，表明客车发生侧翻的风险性受行驶速度的影响较小。综合图7～图9可知，客车紧急转向时，随着转角幅度的增加，在低附着系数路面上，客车易发生侧滑，反之在高附着系数路面上，客车易发生侧翻。

图8 不同转角幅度紧急转向侧倾角的变化Fig.8 The roll angles while emergency steering under different angles

图9 不同行驶速度下紧急转向侧向加速度的变化Fig.9 The lateral acceleration while emergency steering under different angles

根据式（5）的侧翻稳定性的计算公式，通过仿真获取大客车前后6个轮胎的垂直载荷数据后，计算LTR值来评价以不同的转角幅度进行紧急转向时，大客车发生侧翻的风险性大小。不同转角幅度的紧急转向的LTR值见图10。

图10 不同转角幅度紧急转向的侧翻稳定性Fig.10 The rollover stability while emergency steering under different angles

从图10中可知，客车驾驶员紧急转向时，在相同的转角速度和行驶速度下，若在干燥路面上，随着行驶速度的增加，LTR值越趋向于1，表明客车的侧翻稳定性越趋向于降低，发生侧翻的风险度越来越高。若在湿滑路面上，随着行驶速度的增加，LTR值均在0.5附近变化，表明客车的侧翻稳定性受行驶速度的影响不大。

4 结 论

1）在高附着系数路面（如干燥路面）紧急转向时，行驶速度和转角幅度与客车的侧翻稳定性皆呈负相关关系。行驶速度越高，驾驶员转动转向盘的转角幅度越大，轮胎载荷转移率LTR越趋向于1，客车发生侧翻的风险度越高。

2）在低附着系数路面（如湿滑、冰雪路面）紧急转向时，行驶速度和转角幅度对客车的侧翻稳定性的影响不大，主要是影响客车的侧滑稳定性。行驶速度越高，驾驶员转动转向盘的转角幅度越大，客车发生侧滑的风险度越高。

3）客车驾驶员在第2次紧急回转时所产生的车辆侧翻或侧滑风险要显著大于第1次紧急转向时所产生的车辆侧翻或侧滑风险。因此客车驾驶员应尽量避免在高速行驶状态下大幅度地急转、急回转向盘。

仿真结果表明，行驶速度和转角幅度对于紧急转向时的安全性有着显著的影响，降低行驶速度或减小转角幅度有助于提高客车紧急转向时的行驶安全性。因此，驾驶员在日常行车过程中，应杜绝在高速状态下紧急转向操作，以避免发生车辆失控、侧滑和侧翻等危险。

由于本文的研究方法是仿真分析，考虑到软件中所创建的车辆、道路等模型的性能往往优于现实中的车辆和道路，因此，存在仿真分析结果往往优于实车运行结果这一缺陷，即车辆在仿真中未发生侧翻的工况下，在实车运行时有可能发生侧翻。但是无论是仿真方法还是实车试验，车辆行驶安全性的变化趋势是一致的。因此，本文的仿真分析结果，对于在高速紧急转向时，客车侧翻稳定性的影响分析是有一定理论意义和参考价值的。

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