重型车辆变载工况下弯道路段安全车速仿真

蒋佳辰 李培庆 吾泽胤 张 浩

（1、浙江科技学院机械与能源工程学院，浙江 杭州310013 2、东南大学交通学院，江苏 南京210018）

重型载货车辆作是物流运输中主要使用的交通工具，重心高，质量大，长宽比高等物理特点，导致其高速过弯时发生侧翻的概率远远高于普通车辆，因此研究重型载货车辆在高速公路弯道路段的行车安全问题，对于保护人员安全，提高运输效率都有重要的意义。

对于车辆侧翻的研究，国内学者对非绊倒型汽车侧翻研究较多。长安大学王恒等[2]通过ADAMS/CAR 软件建立车辆侧翻瞬时动力学响应模型，研究了不同工况下车辆弯道路段安全行车速度区间。滁州学院时晓杰等[3]基于ADAMS/CAR 软件以鱼钩转向侧翻实验为手段研究路面摩擦系数，车辆行驶速度，方向盘角速度以及质心高度等参数对车辆侧翻的影响程度，指出行驶速度是影响车辆侧翻的最明显因素。长沙交通学院张丕付等[4]通过建立载货车辆运动微分方程，研究了货物在车厢中所处位置对于车辆操纵稳定性的影响。张利[5]等对货车交通事故与道路集合线性的关系相关性进行统计分析，并用曲线半径、超高、纵坡的坡度和坡长等影响货车安全的条件作为实验因素进行仿真得出载重安全阈值表。

图1 弯道路段重型车辆侧翻动力学模型

综上所述，现有对于车辆侧翻因素研究大多从车辆结构等外部环境出发，很少考虑载货量的不同对载货车辆在高速公路弯道路段行车安全造成的影响。本文基于ADAMS/CAR 仿真软件，通过设置适当的驾驶条件，车辆参数，模拟了三种不同的载货状态下的重型载货车辆在高速公路弯道路段的行车状态，分析其在侧翻临界状态下的车轮受力情况，为高速公路管理部门提供重型车辆的限速参考。

1 侧翻动力学建模与侧翻评价标准

重型载货车辆在弯道路段行驶时，在离心力的作用会出现侧翻或侧滑状态，首先建立弯道路段重型车辆侧翻动力学模型如图1 所示。

在实际情况中，由于轮胎动载荷的不断变化，每个车轮所受垂向力均不同，由侧翻动力学模型可得每个车轮的垂向力为

式中，Fz1i，Fz2i分别表示前后轴内外侧车轮垂向力。

由于外侧车轮的垂向力大于内侧，那么内侧车轮由于载荷较小，地面提供的反作用力有限，将首先发生侧滑。

当内侧某一车轮垂向力为零时，该轮将无法提供纵向力与侧向力。若此时驾驶员进行转向操作，将只有其余车轮提供纵向力和横向力，这种状态极有可能导致车辆陷入侧翻或侧滑的危险状态。

因此本文选取单一车轮垂向力作为侧翻评价指标，当某一车轮的垂向力为零时，判定此时实验车辆达到侧翻或侧滑临界时刻。

2 仿真结果与分析

2.1 侧滑仿真实验过程

通过在ADAMS/CAR 软件中的实验车辆车轮侧向力，垂向力变化情况来判断车辆的行驶状态。若车辆安全通过弯道，则继续提高初始速度，直到某一轮胎所受垂向力变为零，则判定实验车辆即将发生侧翻，并将此速度作为弯道行车安全速度阈值。

2.2 仿真结果分析

临界侧翻阈值：

通过改变载重状态和车速进行重复实验，获得不同载重状态，圆曲线半径下的车速- 半径表，如图2 所示。

图2 三种载重状态

从表中可以看出：

（1）重型载货车辆的载重情况对弯道路段的侧滑极限有着显著影响，不同半径和载重条件下的临界侧翻阈值差异明显，但都普遍高于设计车速。其中，载重量较低（空载）的重载车辆的界侧翻阈值比载重量较高（半载及满载）的重载车辆侧翻阈值更高，即减少载重可以获得更高的安全行车速度裕度，而载重较多时应更谨慎得选择驾驶策略。

（2）临界侧翻阈值与弯道半径总体呈增长关系，并且随弯道半径的增大而提高。在弯道半径为0～100m 时阈值增长幅度较为平缓，且不同载重条件下的重载车辆临界侧翻阈值相近，因此在低半径弯道上应尽量保持低速行驶。在弯道半径为100～700m 临界侧翻阈值增长幅度变得剧烈，此时重载车辆的侧翻阈值随着载重量的提高而降低。在弯道半径达到700m 以上时，重载车辆临界侧翻阈值趋于稳定，不同载重条件下的重载车辆临界侧翻阈值接近。

（3）在相同弯道半径条件下，重载车辆的临界侧翻阈值随着载重量的提高而降低，载重量越大，临界侧翻阈值越低。在载重量保持不变的情况下，重载车辆的临界侧翻阈值随着弯道半径的增大而提高，其中空载条件下增长幅度最大，满载条件下增长幅度最小。

3 结论

选取车轮垂向力和侧向力的受力情况为重型载货车辆侧翻事故的评价标准，得到不同半径，不同载重情况下的安全行车速度阈值，阈值36～183km/h。