汽车侧翻分析及试验检测

王昉颢，涂怀年



汽车侧翻分析及试验检测

王昉颢，涂怀年

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

汽车在行驶中侧翻是最为严重威胁乘员安全的一种事故，其与汽车稳定性和人员操纵密切相关。造成汽车侧翻的因素很多，为了明晰汽车发生侧翻的原因，对汽车发生侧翻和对汽车静态稳定性检测进行了分析阐述，以便明晰防范汽车侧翻的方法。

汽车；侧翻；试验；模拟计算；防范

前言

汽车在行驶过程中发生侧翻事故率是5%左右，虽然概率不高，但事故造成的死亡率却高达30%到40%，汽车侧翻是影响车内及车外人员安全的严重事故。影响汽车侧翻稳定性因素很多，汽车自身因素有汽车重心高度、轮距、悬架型式、过度转向、主动防范系统等等，外界因素有路面附着系数、车速、转弯半径、驾驶员操作、以及天气环境等等，所以汽车侧翻是在人、车、路、自然相互影响及相互作用下产生的结果。

外界影响汽车侧翻因素十分复杂，而且大部分因素难以控制，改善效果有限。很多汽车生产企业致力于研究改善汽车自身状态，以简单有效的方法是提升汽车主动安全系数，来提高汽车侧翻稳定性。

1 汽车侧翻分析

在特殊天气下，如雨雪天气，使得路面的摩擦系数变小，或者过度磨损的轮胎和错误的轮胎气压等，均可减小摩擦系数，加之驾驶员对汽车操作不当等各种因素影响，都有可能造成汽车的翻车，尤其弯道超速和突发情况下过度调整方向，极容易造成汽车侧滑或翻车。

图1

汽车侧翻的机械特性可通过转弯过程中稳定车身的受力均衡性来分析。汽车在转弯过程中，会产生地面作用在轮胎上的侧向平衡力f和作用在汽车重心上的侧向加速度，如图1所示。通常重心偏高、轮距较窄的汽车，尤其是卡车，载重量大、重心高，在转弯时汽车惯性也大，更加容易翻车。

汽车侧翻基本分为两种：一种是“绊倒”侧翻，当侧向加速度大于轮胎与地面的横向摩擦力时，汽车就会发生侧滑，如与路面上的障碍物侧向撞击而将其“绊倒”；另一种是曲线行驶引起的侧翻，当汽车转弯时侧向加速度随未大于轮胎与地面摩擦力，但侧向加速度产生的转矩抬升车辆内侧轮胎，造成内侧轮胎支撑重力的反力为零时而引起的汽车侧翻。如图2所示当汽车侧翻开始发生，汽车重心位置升高并以圆弧的轨迹向外侧车轮偏移，使平衡侧向加速度能力减小。

图2

当汽车发生倾斜时，如果车速和转弯半径未发生变化，如图3所示，侧向加速度产生的转矩会逐渐增大，而重力产生的反向稳定转矩会逐渐减小，从而加速汽车的侧翻。所以在公路设计中，合理考虑在道路转弯处设计一定的横向坡度，用道路外侧比内侧高的曲度加大汽车转弯时重力克服侧向加速度产生转矩的能力。同时，在转弯过程中驾驶员也要务必降低车速，来降低侧向加速度产生的转矩。以便提高汽车的横向稳定性。

图3

2 侧翻试验检测

汽车侧翻简单的可以归纳为侧向力（主要是侧向加速度）与地面阻力（摩擦力或障碍物阻力）作用下产生的扭矩而造成的汽车翻转。如果对行驶中的汽车进行侧翻试验，试验中发生人员和汽车的事故风险比较大，所以我国现行对侧翻稳定性试验检测是利用侧翻试验台对汽车静态侧倾角度进行判定，同时国家在标准中对汽车最小侧倾稳定角限值也做了强制性规定。

GB7258-2017《机动车运行安全技术条件》4.6条款和消防车第1部分：通用技术条件GB7956.1-2014 规定的各车型最小侧倾稳定角度如表1所示。

表1

2.1 侧翻试验台操作

汽车的侧翻试验应在符合GB/T 14172《汽车静侧翻稳定性台架试验方法》要求的侧翻试验台上进行，试验台经过校验合格并且在有效期内。

在试验前，要对侧翻试验台系统进行标定，并且启动试验台，使空载试验台上升至45°（或测试要求的最大角度），根据上升时间和上升角度计算上升速度，然后控制试验台下降，使试验台面倾斜角度回复为0°，根据下降时间和下降角度计算下降速度。若上升速度不大于10°/min，下降速度不大于27°/min可进行侧翻试验。

在试验准备过程，将汽车纵向对称平面与试验台转动中心线平行，并实施驻车制动。在侧翻中心一侧轮边处安装防侧滑挡块对车轮进行阻挡，使汽车无法滑动，并且安装专用的防侧翻安全设备，安全设备对汽车的约束力在汽车达到侧翻临界状态前均应为零。在汽车装有载荷进行试验时，需要对模拟载荷进行适当定位，以防侧翻时发生突然位移造成事故。

2.2 侧翻数据分析

试验时侧翻试验台角度α不断的增大，当汽车重力分解在对侧翻台的压力和下滑力对汽车产生的转矩相等时，此时汽车侧翻达到临界位置，在忽略悬架和轮胎弹性变形的情况下，G·h1·sinφ=G·h2·cosφ时，为汽车侧翻的临界点，如图4所示。

图4

但在实际情况下，当汽车产生侧向力时，一侧悬架及轮胎承载力会大于另一侧，两侧轮胎承载力随倾斜角α增加而变化，这样造成一侧弹性元件变形大于另一侧，使重心位置发生偏离，如图5所示。从而加剧了车身的倾斜，所以当实际汽车侧翻达到临界位置时，倾斜角度小于α。

图5

考虑到汽车重心位置未在汽车纵向中心线上，并且左右悬架系统刚度有可能存在差别，测试结果应为汽车左、右侧翻稳定角三次测量结果的算术平均值，取值到十分，如果同侧三次测量值相对误差超过3%，应重新测试。这种试验方法对于测量重心较高的和侧翻角度较小（一般20～35度）的卡车比较精确，对于侧翻临界点比较大的乘用车（大于45度）来说，作用在汽车上向下的重力分力大幅降低，从而导致汽车提前发生侧翻，造成试验失效，所以在试验时设计或施加一个侧向力于重心位置。

3 侧翻模拟计算

汽车装载在侧翻台上试验需要满足：1）总质量为最大允许总质量；2）各轴轴荷不得超过最大允许轴荷；3）用水或其他非危险品作为替代载荷装载进行试验，罐体充装率不得小于70%；4）有隔仓的罐体要分仓装载，车轴或车轴处重心高度应接近实际高度。对于无法满足以上试验负载的汽车，应采用模拟计算法。对于侧翻模拟计算需要设定几个基本条件：1）车轴侧倾中心设定于地面；2）车身结构为刚性；3）汽车具有对纵向中心线的对称性；4）轮胎和悬架系统的负载与变形呈线性；5）不计悬架水平方向变形。

在侧翻模拟计算中，首先根据公式（1）计算每个轴的悬架的侧倾刚度和公式（2）计算每个轴的虚拟车辆侧倾角。

CDRESi为着地点复合总侧倾刚度（kN·m/rad）

i 为悬架装置序标

FGVi为单侧悬架垂直方向线性刚度（kN·m/rad）

TNi为车轴上车轮名义轮距（m）

MAi为轮胎宽度（m）

HN为簧上重量重心的高度（m）

mi为着地点悬架滚动轴线名义高度（m）

FRVi为轴轮胎总垂直方向线性刚度（kN·m/rad）

Φi 为轮子离地时虚拟车辆侧倾角度（rad）

TNi为车轴上车轮名义轮距（m）

MAi为轮胎宽度（m）

根据以上公式计算出每个悬架装置的侧倾刚度和虚拟车辆侧倾角后进行各参数总值计算。

TT为平均有效轮距（m）

Ai为悬架装置负载（kN）

AT为车辆总重（kN）

AK为牵引销座上载重（kN）

TK为半挂车轮距（m）

CDREST为总侧倾刚度（kN·m/rad）

CDRESi为着地点复合总侧倾刚度（kN·m/rad）

CDRESk为牵引销倾刚度（kN·m/rad）

qm为第 1 个轮子离地时的侧向加速度与重力加速度的比值

qT为理论上翻转时侧向加速度与重力加速度的比值的最大理想值

AM为带有最低Φ值的悬架装置的车轴载荷（kN）

TM为带有最低Φ值的悬架装置的轮距（m）

TT为平均有效轮距（m）

CDRESM为带有最低Φ值的悬架装置的侧倾刚度（kN·m/rad）

CDREST为总侧倾刚度（kN·m/rad）

AT为车辆总重（kN）

HG为车辆重心的高度（m）

UT为车辆簧下总重（kN）

HN为簧上重量重心的高度（m）

对i轴第 1 个轮子离地时的侧向加速度与重力加速度比与最大理论值采用线性插值法计算得到翻转时修正的侧向加速度和重力加速度的比值：

qC为修正的侧向加速度和重力加速度的比值

最后根据修正的侧向加速度和重力加速度的比值qC进行反正切arctg（qC）计算得出模拟计算的侧翻角度。

4 侧翻防范分析

对汽车侧翻防范可以通过汽车自身因素，比如降低汽车重心，增加轮距等来改善，但是由于汽车通过性和国标限值等要求，对改变汽车状态有了一定的限制。

现阶段最直接、最有效的方法就是在汽车中加入了防侧翻的主动安全系统，常用的是电子稳定系统(Electronic Stabili -ty Program，简称ESP)和防侧翻稳定性控制（Roll Stability Control，简称RSC）。

电子稳定系统包含防抱死刹车系统（ABS）和驱动轮防滑系统（ASR），是车身稳定性控制的综合策略，也可以说它是两种系统上的一种延伸的功能，在提升汽车操控性的同时、有效的防止汽车达到其动态极限时失控，从而提升汽车的安全性和操控性，同时起到防止汽车发生侧翻。

电子稳定系统由电子控制单元（ECU）、传感器和执行装置三大部分组成，通过轮速传感器、方向盘转角传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、制动主缸压力传感器等感知汽车运行状态，将信号输送至电子控制单元，由执行装置对汽车的发动机及制动系统进行干预和调整。其主要对汽车纵向和横向稳定性进行控制，保证汽车按照驾驶员的意识行驶。

防侧翻稳定性控制是基于ABS的防侧翻稳定性控制，相对于电子稳定系统而言，它主要应用于高附着系数路面，相对成本较低，而且也较容易实现。防侧翻稳定性控制是在RSC系统的电控单元中加入了一个横向加速度传感器，实时测量汽车的横向加速度，并计算临界加速度限制，当横向加速度接近这一临界点时，系统就会激活原有的ASR电磁阀和驱动桥的ABS电磁阀，对驱动桥进行制动，降低车速，从而控制汽车的行驶稳定性，并且，RSC系统会通过CAN总线同时控制发动机和缓速器的输出扭矩，有效的避免翻车事故的发生。

5 总结

介于汽车发生侧翻对人员安全影响很大，汽车的重心、轮距、悬架、转向、主动安全部件等诸多参数配置的确定在设计研发时应高度重视，在标准限值和满足汽车用途的前提下，尽量降低重心、加宽轮距、提升悬架刚度、增加主动安全部件等。同时道路转弯横向坡道、半径、附着系数及限速的设计也要充分考虑防止汽车发生侧翻事故。通过以上的分析，对汽车和道路设计提供相应的理论支持。

[1] 韩建保,云志刚,陈厉兵.汽车电子稳定系统ESP的工作原理及应用.汽车电器.2004年第4期.

[2] 机动车运行安全技术条件.GB 7258-2017.

[3] 汽车静侧翻稳定性台架试验方法.GB/T 14172-2009.

[4] N类和O类罐式车辆侧倾稳定性. GB 28373-2012.

Analysis and Test of Vehicle Rollover

Wang Fanghao, Tu Huainian

( Shaanxi Heavy Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

Vehicle rollover is the most serious accident threatening the safety of passengers, which is closely related to vehicle stability and personnel manipulation. There are many factors that cause vehicle rollover. In order to clarify the causes of vehicle rollover, the vehicle rollover and the static stability test are analyzed and elaborated in order to clarify the methods to prevent vehicle rollover.

Vehicle; Rollover; Testing; To guard against

U467

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1671-7988(2019)09-164-04

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1671-7988(2019)09-164-04

王昉颢，就职于陕西重型汽车有限公司。

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