车辆侧翻稳定性研究现状与对策

高攀 陈世兴 邹胤 刘扬开 王文庆 李国杰

（1. 广东技术师范大学工业实训中心, 广州 510000；2. 广东技术师范大学汽车与交通工程学院, 广州 510000）

主题词：汽车工程 侧翻稳定性 侧翻建模 侧翻预警 防侧翻控制

LTR Lateral load Transfer Ratio

TTR Time To Rollover

ESP Electronic Stability Program

1 前言

随着汽车在生产、生活中的普及和应用，人们对汽车可靠性和安全性的要求不断提高，然而汽车侧翻屡有发生，尤其是重型牵引车和重型自卸车，由于此类车辆尺寸大、质心高，当驾驶员紧急躲避障碍物而急速转向时，车辆极易侧翻，造成较大的人员伤害和经济损失。另外随着智能驾驶汽车的研发，紧急情况下车辆安全操作阈值对于避免事故尤为重要，因此需要加大对车辆侧翻稳定性的认识和研究。

本文从侧翻的定义出发，细化了侧翻的传统分类，分别阐述了不同类型车辆侧翻的特点、影响因素和研究方法，系统总结了与侧翻相关的影响因素，并对侧翻试验和仿真研究方法应用领域做了对比，最后阐述了主动防侧翻控制和侧翻预警热点技术，并展望了侧翻研究方向，以期为车辆侧翻研究和工程应用提供参考和指导。

2 侧翻分类

从引起车辆侧翻的主要原因来分，汽车侧翻可以分为曲线侧翻和绊倒侧翻，曲线侧翻是指汽车在道路上行驶时，由于侧向加速度达到一定的限值，使得汽车内侧轮胎的垂直反力为0 N，车辆绕车辆纵轴转动超过90°；绊倒侧翻是指汽车行驶时产生侧向滑移，与路面上的障碍物侧向撞击而将其“绊倒”。对比来看，曲线侧翻是车辆在自身较大侧向加速度情况下的失稳，主要是由于车速较快时快速转向引起，而绊倒型侧翻则是在外界瞬时较大侧向、垂向力或加速度输入下的失稳，主要是侧向滑移绊倒或者单侧车轮经过路面凸包引起，数据统计显示绊倒型侧翻数量远超过其它类型的侧翻。

曲线侧翻从侧翻过程来看可细分为准静态侧翻和瞬态侧翻，区别主要是达到侧翻阈值的速度，准静态侧翻是以较为平稳的状态达到侧翻阈值，具体参数来看主要是车辆从正常行驶状态到失稳侧翻过程中，其侧倾角逐渐增大，侧倾加速度数值较小并保持相对稳定，比如车辆转弯和稳态回转试验工况，是一个准静态过程；瞬态侧翻则是车辆高速行驶中以较快的速度转动转向盘，在短时间内达到甚至超过车辆侧翻阈值，具体参数来看，侧翻过程中侧倾角在较大侧倾角加速度下急剧增大，短时间内达到甚至超过侧翻阈值，因此不可忽视惯性力的影响，可看作是动态响应过程。与曲线侧翻不同，绊倒侧翻主要是车辆与地面之间的附着力不够导致侧向滑移，与障碍物撞击而绊倒，绊倒型侧翻与车辆外界因素关联性较大，如路面附着力、侧滑速度、路面障碍物等，对比如表1所示。

表1 车辆侧翻分类

3 侧翻稳定性评价指标

车辆侧翻稳定性评价指标可用于判定车辆的主动抗侧翻能力，是描述车辆侧翻安全性的重要指标。依定义，车辆绕纵轴旋转90°以上才能称得上为侧翻，但车辆在转动角度不超过90°达到或接近侧翻指标时就处于一种不稳定的状态，整车就有侧翻的倾向，合适的侧翻指标不仅能指导车辆抗侧翻性能设计方向，表征车辆抗侧翻性能，需注意的是，侧翻指标也是侧翻预警和防侧翻控制的基础，由于车辆侧翻是人-车-路综合作用的结果，其侧翻因素较多，因此需要综合考虑精确度和简便性，选取合适的侧翻指标。

侧向加速度、侧倾角、横向载荷转移率是常见的评价侧翻稳定性的指标，这些指标一般有2种使用方法，一种是通过传感器直接测得相关的物理量，或者通过测量参数进行简单的运算得到侧向加速度或侧倾角侧翻指标，但是直接测量参数由于车辆行驶状态的差别，只能在准静态侧翻中能有较好的表现，而在较复杂侧翻过程中准确率较低，并不能适用所有的工况，如表2所示。另外直接测量的侧向加速度、侧倾角侧翻指标与侧翻事故关联性统计中成正态分布，如需得到要经过大量的仿真和试验，并通过数理统计得到合适的阈值，可能会降低车辆侧向加速能力，降低工程应用精度。Hac A对侧倾角、侧向加速度在表征车辆侧翻状态进行了详细的阐述，直接监测的侧倾角虽然简单可以预测平滑路面正常行驶车辆的侧倾状态，但对于载货汽车、凹凸路面行驶车辆或者大侧倾角行驶状态预测效果较差。而采用侧倾率积分得到侧倾角的预测方法，不涉及车辆的具体设计参数，可以预测较大的侧倾角，也对载荷状态有较好的适应率，但是对于误差累计和路面坡度较为敏感，易造成较大的预测误差，同样基于悬架测量的侧倾角预估对于凹凸路面和坡度路面效果也较差，但基于侧向加速度、侧倾率、侧倾角和侧向速度的观测器模型，根据整车的状态调整权重参数，可形成预测性能较好的侧翻指标。另外一种应用方法是通过动力学建模计算的方式得到侧向加速度或者侧倾角，通过布置传感器测量得到动力学模型需要的参数，进行实时计算，得到侧向加速度或者侧倾角指标，依据预测模型的精度调整动力学模型复杂度，可充分考虑车载质量、悬架设计、减振器调教和轮胎刚度参数，计算出侧翻稳定性指标。

表2 侧翻稳定性评价指标

横向载荷转移率（Lateral Load Transfer Ratio,LTR）表征车辆曲线行驶过程中，车辆横向左右两侧车轮垂向载荷的转移情况，如式（1）所示。当车辆正常行驶时，内外侧车轮垂向载荷大致相等，LTR 接近于0，当车辆转弯或者一侧车轮离地，LTR接近于1，统一在0～1之间，横向载荷转移率LTR准确表征车辆侧翻危险的程度与路面附着系数有很大关系，路面附着系数越大，其准确度也越高。徐中明通过大量仿真数据统计，常见路面的附着系数为0.8左右，其准确度可达到35%，当附着系数为0.9，其准确度可到达90%，但是LTR指标并不能通过传感器直接得到，轮胎与路面之间的载荷同样也不能通过测量得到。因此，便需要进行动力学模型间接计算得到，公式（1）基于车辆侧倾模型，采用车辆自身的设计参数和车身状态参数，不涉及外部对车辆的输入，因此指标受到广泛的应用。

式中，为内侧车轮垂向载荷，为外侧车轮垂向载荷。=m+m为车辆的总质量，m为簧上质量，m为簧下质量，a为车辆侧向加速度，h为车辆簧上质量质心到侧倾中心的高度，l为轮距，为车身侧倾角。

基于LTR，Phanomchoeng通过整车4 自由度动力学模型，分别考虑簧上垂向和侧倾运动以及簧下两侧垂向运动，推导出考虑外界输入的侧翻指标，其推导过程并不复杂，但模型的复杂程度大大增加，且需车身两侧分别增加一个垂向加速度传感器。改进型指标不仅可以应用于侧向加速度过大引起的曲线侧翻，也可以应用于外界输入引起的绊倒侧翻。

绊倒侧翻包括了侧翻阶段和翻滚阶段，侧翻阶段主要通过力学建模找出侧翻碰撞力和作用时间的关系，翻滚阶段一般采用能量的方法描述车辆侧翻稳定状态。当重心投影在未离地一侧车轮与地面接触线上且侧倾速度为0时，定义车辆势能为侧翻极限势能，车辆当前时刻势能和侧倾方向动能之和为侧翻总机械能，当侧翻总机械能大于极限势能时，便出现翻滚现象。

4 车辆侧翻稳定性影响因素

车辆侧翻是人、车、路面综合作用下，使车辆绕纵轴转动超过阈值的一种非理想运动，汽车结构复杂，行驶工况多样，因此侧翻涉及到的因素也较多，除驾驶习惯和路面等外在因素，车辆结构参数同样对侧翻具有较大的影响。

驾驶习惯主要涉及车速和转向盘操作，路面主要涉及路面附着系数和路面障碍物，研究表明车速对于侧翻具有较大影响，转向盘转动速度对侧翻影响相对较小，而与车辆结构相关主要参数包括质量、高宽比、侧倾刚度、阻尼和制动力，涉及到整车布置、悬架、轮胎、转向、制动和横向稳定杆多个主要零部件。

车辆准静态侧翻是一个近似稳态的侧翻过程，侧倾角加速度较小且平稳，可忽略惯性力的影响，主要由整车质量、高宽比和路面附着系数决定，瞬态侧翻是车辆动态响应的结果，不可忽略侧倾刚度和阻尼的影响，除整车布置和悬架系统外，转向系统、制动系统、轮胎和横向稳定杆都有一定的影响，而绊倒型侧翻受路面影响较大，与整车布置和轮胎附着性能相关，如表3所示。

表3 与侧翻稳定性相关的车辆系统

外在因素中，路面附着系数主要决定了侧翻发生的概率，在高附着系数道路行驶，当侧向加速度较大时，易发生曲线侧翻，当附着系数较低时，虽不易发生曲线侧翻，但却容易发生绊倒型侧翻。

增大整车宽高比是提高侧翻稳定性的基础和最有效的方法，车辆设计阶段便需要综合考虑整车布置，尽可能降低整车质心高度，提高轮距，有研究表明相同条件下具有0.4侧翻阈值的满载重型货车发生侧翻事故的概率约是0.65的空载重型货车的10 倍，可见质心高度对侧翻阈值具有重要的影响，另外在进行油罐车、混凝土搅拌车抗侧翻性能计算时，应考虑车辆行驶中质心高度的变化。

车辆的侧倾刚度和阻尼对瞬态侧翻有较大影响，主要与悬架系统、减振器、横向稳定杆、衬套、轮胎零部件相关，依照整车质量合理的匹配悬架刚度，一般悬架刚度越大，阻尼越大，同样工况下整车侧倾角越小，抗侧翻稳定性也越好。需注意的是，悬架刚度也不宜过大，且过大的悬架刚度将降低整车的舒适性能，可以通过试验或建模优化车辆的悬架刚度和阻尼；轮胎刚度对于侧翻稳定性的影响与悬架类似，通过调教减振器阻尼系数，可以降低车辆的动态超调量，提升车辆的瞬态抗侧翻性能，此外通过优化悬架导向系统，提高侧倾中心的位置，减小侧倾力臂，匹配横向稳定杆，同样可以提升侧倾稳定性。目前，液压空气悬架较多在高端乘用车和载货车上应用，其非线性刚度和阻尼特性对侧倾稳定性也有较大的改善，在小侧倾角或侧倾率时侧倾刚度较小，保持整车的舒适性，大侧倾角或侧倾率时侧倾刚度较大，保持整车的侧倾稳定性。

轮胎侧偏刚度对侧翻稳定性也有一定的影响，前后轮侧偏刚度比越大，车辆的侧翻稳定性越低，需注意的是，轮胎侧偏特性与轮胎气压关系较大，应保证轮胎气压不低于标准值。

制动对于侧翻的影响主要集中在制动力的分配上，左右制动力的不同使整车产生横摆力矩，以此降低侧翻力矩的作用，采用差动制动控制策略可有效的降低车辆的瞬时侧向加速度和横向载荷转移率，降低车辆侧翻风险，此防侧翻控制方案已经得到较多的应用。

5 车辆侧翻稳定性研究方法

在整车开发前期，应对整车的侧翻稳定性进行规划设计，保证车辆的侧翻稳定性，同时兼顾舒适性、操控性以及承载能力等性能，目前侧翻的研究手段主要包括动力学建模、仿真和试验。

5.1 动力学建模与分析

动力学建模主要是通过建立考虑侧倾的动力学方程，研究侧翻稳定性的因素，基于研究问题差异和模型复杂程度，国内外学者建立了不同自由度的整车动力学模型，进行车辆的侧翻稳定性分析，包括车辆在高速急转弯时不发生侧翻的平衡稳定性分析和汽车受到外界干扰时不会偏离当前状态的系统稳定性分析。

两自由度动力学模型只考虑了车辆的横摆运动和侧向运动，是最为简单的整车侧倾动力学模型，如图1所示。2自由度模型可分析轮胎侧偏刚度、车速、质心高、整车整备质量和转角对车辆横摆速度、侧向速度和加速度的影响，由于简化过多，不能考虑整车左右侧侧倾状态。因此，两自由度动力学模型结合侧倾平面模型，建立3自由度侧翻动力学模型，如图2 所示，包括车辆的侧向运动，横摆运动和侧倾运动。该模型简单但是又反映了侧翻的一般规律，因此应用广泛，该模型成为了研究侧翻的基础模型，许多学者采用该模型分析了质心、车速、悬架刚度、阻尼主要参数对汽车侧倾稳定性的影响，且许多学者在此模型基础上进一步改进模型。宋小文提出了一种考虑悬架和轮胎变形的改进型侧翻模型，并基于该模型提出悬架刚度和减振器阻尼系数的调整策略。金智林提出了汽车侧翻准动态稳定因子，包含了车速、前轮转角、轮胎和悬架变形，可以更加全面的表述侧翻的状态。此外，在3自由度侧翻模型基础上，也有一些学者建立更多自由的模型对整车参数进行研究。

图1 2自由度模型[2]

图2 3自由度侧翻模型[24]

值得注意的是，随着近年车辆电气化程度的提高，车辆本身具有的传感器种类越来越丰富，数量也大幅增加，而动力学模型需要车辆状态参数的输入，因此状态参数的获取和处理对于模型的准确性和实时性都非常重要。同样的动力学模型，参数的获取和数据拟合都对预测结果有较大的影响，需要针对数据的特征选取合适的数据处理方式。Wang C针对侧倾角和侧倾率估计采用卡尔曼滤波，而采用遗忘因子递归最小二乘法估计重心高度。

5.2 仿真建模与分析

动力学建模不仅可用于指导车辆设计方向，而且也能用于车辆状态实时监测，但存在建模复杂，求解困难，且参数简化过多的问题，而采用计算机辅助的仿真建模成为研究车辆侧翻的重要补充，仿真建模能考虑更多的整车参数，有效提高侧翻模型的精度。目前车辆侧翻仿真建模主要以基于CarSim、TruckSim和Adams为代表的多体动力学模型为主，综合考虑质量、质心、悬架、轮胎、横向稳定杆、车速和转向建立整车模型，可以更加细化考虑如衬套，杆件连接结构，后续通过零部件试验和整车试验进行模型对标，满足工程应用精度。

整车动力学模型搭建流程如图3 所示，首先需要获得建模所需的整车参数和零部件参数，其中整车参数主要关注整车质量分配和整车的惯量信息，包括关键总成如动力总成、车架、车身、车桥等质量较大零部件的质量、质心位置以及惯量信息；零部件特性参数主要是悬架、轮胎、衬套，横向稳定杆等连接件的刚度和阻尼。据此建立整车模型，最后设定仿真行驶工况，便可进行侧翻稳定性影响因素分析和参数敏感性分析。采用仿真建模的方法可以考虑更多的参数和更多的自由度，例如高新华采用Adams 建立车辆的124 自由度的仿真模型，分析了J-Turn 工况和鱼钩工况下车辆的行驶状态，这在数学建模中较难实现。另外，也可以采用仿真模型大批量的研究侧翻指标与侧翻风险之间的关联，上千次的侧翻工况在现实试验中基本是不可能完成的。

图3 车辆侧翻仿真建模流程

仿真建模具有建模过程简单、结果精确、考虑因素全面、计算效率高的优点，但模型精度严重依赖试验对标，对于建模水平和对标水平要求较高。

5.3 试验搭建与试验分析

侧翻试验台是最为常见的准静态侧翻装置，如图4所示，侧翻试验台一侧为可伸缩油缸，另一侧为铰链和角度传感器，试验时整车放置在称重平台上，油缸伸长后通过称重传感器测量轮荷，角度传感器测量倾斜角度，当油缸侧轮荷为0 时，整车处于临界侧翻状态，记录此时角度传感器的角度，便可评估整车的准静态侧翻稳定性。

图4 车辆侧翻试验平台示意[32]

车辆的动态侧翻试验目前较为通用的方法主要是J-turn 试验和鱼钩（Fish-hook）试验，具体试验方法如表4所示，可以看出侧翻试验车速较高，并且转向剧烈，试验工况特别危险，限制了侧翻试验的开展，不过随着近年无人驾驶技术的进步，相信侧翻的试验研究会有进一步的发展。

表4 侧翻常用试验介绍

SAE International推荐的绊倒型侧翻试验台如图5所示，车辆放置在侧翻试验台上，平台移动过程中突然减速造成车辆的翻滚，以此来研究车辆的翻滚状态和驾驶员受伤害情况，建立了标准的侧翻试验流程。

图5 绊倒型侧翻试验台示意[32]

6 预防侧翻的措施

侧翻作为最为严重的安全问题之一，其危害程度仅次于碰撞事故，随着我国交通运输业的发展，汽车的保有量大幅增加，车辆事故数也呈现递增的趋势，因此，车辆开发中抗侧翻性能研究已经成为车辆安全的重要方面，其中主动防侧翻控制和侧翻预警是目前主要的2个研究方向。

6.1 主动防侧翻控制

车辆在设计阶段，应通过合理的结构设计和整车参数匹配，尽可能的提高车辆的侧翻阈值。目前，增大宽高比、优化悬架导向杆系提高侧倾中心高度、提高侧倾刚度和优化侧倾阻尼这些手段可以提高车辆的侧翻阈值。但是，从研究和市场来看，宽高比受法规和整车参数限制提升空间有限，越是成熟车型其越难以提高，悬架导向杆系也是同样的情况，一旦车型确定其优化空间也较为有限。随着车辆向电动化和智能化方向发展，大量新技术和新手段在车辆上开始使用，尤其是主动控制技术得到大量的研究和应用，效果明显，其中如主动和半主动悬架、主动转向、差动制动以及悬架转向制动联合措施等，在不需要较大变动车辆结构的前提下，可大幅提升车辆的抗侧翻能力，降低车辆侧翻率。

半主动悬架依据车架或车身侧倾角和侧倾加速度参数实时调整悬架阻尼力，从而改善车身瞬态侧倾振动状态。相比阻尼，侧倾刚度对侧倾稳定性影响更大，而主动悬架不仅可以调节阻尼力的大小，也可以调节悬架的刚度提高侧倾刚度，从而提升抗侧翻稳定性，另外横向稳定杆在车辆侧倾运动中也能提供较大的侧倾刚度，目前有些车辆已经配备主动横向稳定杆系统，在车辆发生侧倾状态下液压动作，产生反向侧倾力矩，可将侧倾角和侧倾角加速度降低20%～40%，效果显著。半主动悬架只需要控制阻尼，不需要动力源，能量消耗较小，成本相对较低，主动悬架不仅可实时调节阻尼，也能调节刚度，不仅可以满足车辆的侧翻稳定性，也能满足车辆的平顺性、操控性要求，从使用效果来看，主动悬架对于车辆抗侧翻效果远好于半主动悬架，但成本会增加较多，因此现阶段车辆可考虑半主动悬架在车辆上的使用，深入挖掘半主动悬架的优势，不仅可调节车身侧倾振动状态，也可优化乘坐舒适性。

差动制动通过在左右两侧车轮上分配不同制动力产生的横摆力矩改善车辆侧倾状态，降低车辆的侧向加速度、车辆的侧倾角和横向载荷转移率的绝对值，提高车辆的侧倾稳定性，目前差动制动技术在乘用车领域已经得到较多应用，如电子车身稳定系统（Electronic Stability Program,ESP）便是主动控制制动力的系统，差动制动与制动力大小、轮胎垂直载荷和附着椭圆相关，其中关键点便是目标车轮的选择，首先采用仿真或实验验证不同车轮制动下影响相关性，确定控制对象，然后对侧翻数据进行分析寻求规律，制定合适的控制策略。从原理来看，差动制动不需要更改太多结构，只需在制动系统上做工作，易于在现有车型中实现。

主动转向是转向系统依据预先设计的逻辑，在特定情况下做出相对独立于驾驶员输入的转向干预，表现为车轮转角修正角度与驾驶员输入引起的前轮转向角度叠加控制车辆的行驶状态，相比无控制状态，横向载荷转移率降低，提高车辆的侧翻稳定性，目前线控转向系统技术的应用不仅可以将车辆的侧向加速度限定在安全范围内，防止车辆在高速急转弯工况下发生侧翻，同时也提高了车辆的操纵稳定性，但是需注意的是主动转向系统改变了驾驶意图，可能会躲避不开障碍物，同样也可以采取主动悬架和差动制动联合控制的方案进行控制，充分利用各措施的优点，提升车辆侧翻稳定性。

6.2 车辆侧翻预警

车辆侧翻预警系统是在车辆接近侧翻阈值前给出预警信号采取措施，避免车辆侧翻事故的发生，预警系统主要是基于模型的预警系统，首先采集车速、前轮转角和侧倾角数据，通过整车侧翻动力学模型，计算车辆接下来预警时间内的侧翻加速度或者横向载荷转移率指标，最后依据车辆侧翻阈值指标进行车辆状态判定，基于模型的预警系统其计算精度和模型复杂程度相关，具体算法逻辑如图6所示，由于整车行驶过程中，预警算法一直处于计算中，除侧翻预警算法外，为了减轻计算量，相对会设定一个预警时间阈值，一般为2～3 s，如在预警时间阈值内不发生侧翻，则认为车辆处于安全状态，侧翻预警算法的研究同样采用仿真的方法，通过动力学模型与MATLAB∕Simulink联合仿真便可以评估算法有效性。

图6 侧翻预警流程

7 车辆侧翻研究方向

车辆的准静态侧翻通过计算和试验已经能够取得较准确的结果，但是瞬态侧翻和绊倒型侧翻影响因素复杂，且试验成本和风险较高，仍需进行更为深入的研究，目前车辆侧翻稳定性的研究重点主要包括以下3点：

（1）建立更加准确的侧翻预警模型

侧翻预警模型的精度和复杂度一般是矛盾的，建立满足工程精度的侧翻动力学模型，尽可能降低模型计算量，一个合理的模型是研究车辆侧翻问题和侧翻预警的基础，不仅可对车辆侧翻参数进行敏感性研究，而且可以在整车设计初期对抗侧翻性能做出控制和预测。目前，无论数学模型和仿真模型都缺乏足够多的试验数据修正和对标，因此有必要进一步提升模型的精度和适应性。

（2）预防侧翻的措施

侧翻事故经常造成严重的经济损失和人身伤害，因此，不断采用新的技术手段提升车辆的防止侧翻稳定性，降低侧翻事故率将仍然是未来车辆安全的重要内容，随着车辆电动化和智能化的发展，车辆的控制、传感、通信、计算能力都得到了大幅提高，可预期防侧翻控制技术和预警技术仍将持续是主要的车辆稳定性研究方向，性能将会得到极大的提升。

（3）抗侧翻性能与整车操稳性，平顺性的匹配

车辆的抗侧翻稳定性是操控性的重要组成部分，操控性和平顺性都是车辆的重要特性，一般来说，操控性和平顺性之间是矛盾的，如何在成本的约束下兼顾各性能仍未来的研究重点。

8 结束语

本文对侧翻分类、侧翻稳定性评价指标、影响因素、研究方法以及防侧翻措施进行了总结，以期对侧翻有一个全面的了解。车辆模型搭建和影响因素分析是理论研究和工程问题解决的基础，也为车辆正向设计开发提供依据，防侧翻措施则为工程应用提供参考，随着车辆向电动化、智能化、网联化发展，车辆智能驾驶的安全性将成为重点关注对象，主动防侧翻控制和侧翻预警仍将会得到持续的关注和提升，同时车辆的传感技术、控制技术、算法和计算能力都得到极大的提高，整车的行驶状态参数更加全面，预防侧翻的措施将会更加多样，侧翻动力学模型更加精确，优化控制算法响应更加迅速。本文对车辆侧翻相关内容进行了系统化、规范化梳理，为其理论研究和工程应用提供了参考和指导。