曾 誠 吳初娜 孟興凱 王藝穎

（1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院汽車運(yùn)輸技術(shù)研究中心 北京100088；2.長安大學(xué)汽車學(xué)院 西安710064）

0 引 言

車輛在道路上行駛時(shí)，常常會(huì)遇到前方道路突然出現(xiàn)障礙物、前車突然緊急制動(dòng)等危險(xiǎn)情形，此時(shí)大多數(shù)的駕駛員往往會(huì)下意識(shí)地采取緊急轉(zhuǎn)向的措施予以避讓，由此引發(fā)車輛失控，進(jìn)一步加劇了人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失。

近年來，隨著道路運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，因駕駛員在高速行駛狀態(tài)下緊急轉(zhuǎn)向而引發(fā)的重特大道路客貨運(yùn)輸事故時(shí)有發(fā)生。據(jù)公安部道路交通事故統(tǒng)計(jì)表明［1］，在2009～2013年間發(fā)生的105起重特大道路交通事故中，有17起事故中駕駛員存在高速緊急轉(zhuǎn)向行為，約占重特大交通事故總數(shù)的16.19%。這17起事故共造成了231人死亡，216人受傷?；诮煌ㄊ鹿史治隹芍绻{駛員在高速行駛時(shí)采取緊急轉(zhuǎn)向措施，極易導(dǎo)致車輛發(fā)生側(cè)翻，特別是轉(zhuǎn)向時(shí)的第2次大幅度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)［2］。

道路客貨運(yùn)輸直接關(guān)系到人民群眾生命財(cái)產(chǎn)和國家重要戰(zhàn)略物資的安全，因此保證道路客貨運(yùn)輸?shù)陌踩谴_保交通運(yùn)輸健康發(fā)展的重要前提。相對(duì)于微型車來說，大客車具有質(zhì)心位置高、整備質(zhì)量大、體積大等特點(diǎn)，因而在緊急轉(zhuǎn)向時(shí)更容易因轉(zhuǎn)彎半徑過小而瞬時(shí)產(chǎn)生過大的離心力?？蛙囓嚿碓陔x心力的作用下發(fā)生側(cè)傾，從而引起質(zhì)心位置的偏移，導(dǎo)致客車出現(xiàn)側(cè)滑、側(cè)翻等失穩(wěn)狀態(tài)，進(jìn)而引發(fā)交通事故。

國內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)車輛的行駛安全性進(jìn)行了大量深入的分析研究，很多學(xué)者定性或定量地分析了車輛結(jié)構(gòu)［3］、道路環(huán)境［4］、路面狀況［5］，以及行駛速度［6］等因素對(duì)車輛行駛安全性的影響，也有部分研究學(xué)者基于車輛動(dòng)力學(xué)模型，建立了車輛急轉(zhuǎn)彎防側(cè)滑、防側(cè)翻的預(yù)測(cè)模型和控制策略，如PID控制、最優(yōu)化控制、滑模控制、魯棒控制等［2，7－10］。而鮮有學(xué)者針對(duì)客車駕駛員的不同緊急轉(zhuǎn)向操作研究，例如，客車駕駛員以不同的轉(zhuǎn)向速度或轉(zhuǎn)向幅度進(jìn)行緊急轉(zhuǎn)向，由此造成的對(duì)客車行駛安全性的影響進(jìn)行研究。相關(guān)的研究表明，在低附著系數(shù)路面緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，車輛往往先發(fā)生側(cè)滑，在側(cè)滑的過程中容易因與路面的障礙物或路緣發(fā)生碰撞而發(fā)生絆倒型側(cè)翻；而在高附著系數(shù)路面緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，車輛先發(fā)生側(cè)翻［11］。為此，本文采用Trucksim仿真軟件，以福田歐Ⅴ客車BJ6940為例，通過對(duì)客車駕駛員分別以不同的轉(zhuǎn)向幅度或在不同的行駛速度下進(jìn)行緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，車輛動(dòng)力學(xué)變化特性的仿真試驗(yàn)，研究客車駕駛員的不同緊急轉(zhuǎn)向操作對(duì)客車側(cè)翻穩(wěn)定性的影響，并建立不同緊急轉(zhuǎn)向工況與車輛側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)之間的量化關(guān)系。研究成果對(duì)于提高道路運(yùn)輸駕駛員的行車安全性，降低交通事故發(fā)生率有著重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 大客車緊急轉(zhuǎn)向風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 緊急轉(zhuǎn)向大客車受力分析

客車駕駛員在高速直線行駛過程中若采取緊急轉(zhuǎn)向操作，客車在離心力的作用下，受力特性會(huì)發(fā)生變化。若忽略輪胎側(cè)偏特性、車橋側(cè)傾等一些因素的變化，簡化客車受力情況見圖1。

圖1 大客車緊急轉(zhuǎn)向受力示意圖Fig.1 The force diagram of bus hard steering

圖1中將xoy坐標(biāo)系選于客車質(zhì)心處，客車在x，y方向上的受力情況為

式中：Fx，F(xiàn)y為客車在x，y方向上的受力，N；FYl，F(xiàn)Yr為左、右輪所受的側(cè)向力，N；Fzl，F(xiàn)zr為左、右輪所受的垂直反力，N；mg為客車重量，N；Fc為車身所受離心力，N。

分別以左、右輪與地面的接觸面中心點(diǎn)為矩心，客車所受的力矩為

式中：Mr，Ml為以左、右輪與地面的接觸面中心點(diǎn)為矩心的力矩，N；B為軸距，m；φ為車身側(cè)傾角，（°）；hr為側(cè)傾中心高，m；hg為質(zhì)心高，m。

1.2 緊急轉(zhuǎn)向風(fēng)險(xiǎn)分析

當(dāng)客車質(zhì)心離心力大于左、右輪上的最大側(cè)向力之和時(shí)，客車會(huì)發(fā)生向道路外側(cè)的滑移。即客車發(fā)生側(cè)滑的條件為

車身在離心力的作用下會(huì)產(chǎn)生側(cè)傾角，當(dāng)側(cè)傾角過大而形成傾覆力矩時(shí)，車身開始以外側(cè)車輪接地中心點(diǎn)為矩點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)趨勢(shì)。當(dāng)內(nèi)側(cè)車輪離開地面時(shí)，是客車開始發(fā)生側(cè)翻的臨界條件。即客車發(fā)生側(cè)翻的條件為

由式（4）可知，影響客車發(fā)生側(cè)滑的因素主要有離心力和左、右輪所受的最大側(cè)向力。由式（5）可知，影響客車發(fā)生側(cè)翻的因素主要有離心力和側(cè)傾角。輪胎的最大側(cè)向力取決于附著條件，側(cè)傾角的大小取決于離心力，而離心力的大小主要取決于客車的行駛速度和轉(zhuǎn)彎半徑，因此，客車駕駛員若在高速行駛狀況下緊急轉(zhuǎn)向，往往因瞬間轉(zhuǎn)彎半徑過小而產(chǎn)生過大的離心力，從而引發(fā)客車的側(cè)滑或側(cè)翻。

針對(duì)緊急轉(zhuǎn)向時(shí)客車駕駛員的不同緊急轉(zhuǎn)向操作對(duì)應(yīng)所產(chǎn)生的側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)的大小，以選用輪胎載荷轉(zhuǎn)移率LTR這個(gè)指標(biāo)進(jìn)行度量。LTR的計(jì)算公式為

式中，n為客車的車軸數(shù)。

LTR的值在［0，1］之間變化，LTR越接近0，表明客車發(fā)生側(cè)翻的可能性越低；反之，LTR越接近1，客車發(fā)生側(cè)翻的可能性越高［12］。相關(guān)研究表明［13］，采用LTR來評(píng)價(jià)客車發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)度具有較高的可信度，其可以用于表征客車的側(cè)翻穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)建模和仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)建模

以福田歐V客車BJ6940為例，其主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 仿真客車結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 The structure parameters of simulation bus

采用Trucksim中的三維平整路面作為道路模型，仿真道路為車道寬度3.5m的直線路段。采用魚鉤轉(zhuǎn)向（fishhook）試驗(yàn)?zāi)M客車駕駛員的緊急轉(zhuǎn)向行為。仿真試驗(yàn)為開環(huán)試驗(yàn)，通過固定客車轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角輸入來實(shí)現(xiàn)客車的緊急轉(zhuǎn)向操作，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入與時(shí)間的關(guān)系見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入與時(shí)間的關(guān)系Fig.2 The relationship between steering angle and time

2.2 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法 轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入）》（GB／T 6323.2－1994）中規(guī)定，車輛進(jìn)行瞬態(tài)橫擺響應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角速度應(yīng)不小于200（!）／s，因此選用500（!）／s的轉(zhuǎn)角速度代表緊急轉(zhuǎn)向。相關(guān)研究指出，干燥路面和濕滑路面的附著系數(shù)分別在0.75和0.4左右［14］。由1.2節(jié)的論述可知，不同緊急轉(zhuǎn)向操作對(duì)客車側(cè)翻穩(wěn)定性的影響程度，主要取決于客車行駛速度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角幅度這2個(gè)因素。為了量化分析客車駕駛員在不同的路面條件下以不同的操作方式緊急轉(zhuǎn)向?qū)蛙噦?cè)翻穩(wěn)定性的影響，本文設(shè)計(jì)了如表2所列的仿真試驗(yàn)。

表2 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 The geometry parameters of simulation road

3 仿真結(jié)果分析

3.1 不同行駛速度下緊急轉(zhuǎn)向仿真結(jié)果分析

在該仿真試驗(yàn)中，設(shè)定客車分別以80，90，100或110km／h的行駛速度分別通過1段平直的干燥路段和濕滑路段時(shí)，皆以500（!）／s的轉(zhuǎn)角速度、80!的轉(zhuǎn)角幅度模擬緊急轉(zhuǎn)向操作。

緊急轉(zhuǎn)向過程中，客車的質(zhì)心側(cè)偏角隨行駛時(shí)間的變化情況見圖3。若質(zhì)心側(cè)偏角過大，易引起側(cè)滑。從圖3可知，客車駕駛員緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，在相同的轉(zhuǎn)角速度和轉(zhuǎn)角幅度下，不論是在干燥路面還是在濕滑路面，質(zhì)心側(cè)偏角均與行駛速度呈正比，且客車在回轉(zhuǎn)時(shí)的質(zhì)心側(cè)偏角要大于第1次轉(zhuǎn)向時(shí)的角度，尤其是在濕滑路面上。另外，在相同的行駛速度下，濕滑路面上產(chǎn)生的質(zhì)心側(cè)偏角顯著大于干燥路面。表明緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，行駛速度越高，客車發(fā)生側(cè)滑的風(fēng)險(xiǎn)也越大，且濕滑路面上發(fā)生側(cè)滑的風(fēng)險(xiǎn)要顯著大于干燥路面。

圖3 不同行駛速度下緊急轉(zhuǎn)向質(zhì)心側(cè)偏角的變化Fig.3 The slip angles while emergency steering under different speed

緊急轉(zhuǎn)向過程中，客車的側(cè)傾角隨行駛時(shí)間的變化情況見圖4。若側(cè)傾角過大，易引起側(cè)翻。從圖4可知，客車駕駛員緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，在相同的轉(zhuǎn)角速度和轉(zhuǎn)角幅度下，若在干燥路面上，側(cè)傾角與行駛速度呈正比，且客車在回轉(zhuǎn)時(shí)的側(cè)傾角要大于第1次轉(zhuǎn)向時(shí)的角度；若在濕滑路面上，側(cè)傾角與行駛速度呈反比，且客車在回轉(zhuǎn)時(shí)的側(cè)傾角近似于第1次轉(zhuǎn)向時(shí)的角度。另外，在相同的行駛速度下，干燥路面上產(chǎn)生的側(cè)傾角顯著大于濕滑路面。表明緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，干燥路面上發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)要顯著大于濕滑路面，且行駛速度越高，發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)也就越大。

緊急轉(zhuǎn)向過程中，客車的側(cè)向加速度隨行駛時(shí)間的變化見圖5。若在干燥路面上，側(cè)向加速度與行駛速度呈正比，表明行駛速度越高，客車越容易發(fā)生側(cè)翻；若在濕滑路面上，隨著行駛速度的增加，側(cè)向加速度未發(fā)生明顯的變化，表明客車發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)性受行駛速度的影響較小。綜合圖3－圖5可知，客車緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，隨著行駛速度的增加，在低附著系數(shù)路面上，客車易發(fā)生側(cè)滑，反之在高附著系數(shù)路面上，客車易發(fā)生側(cè)翻。

圖4 不同行駛速度下緊急轉(zhuǎn)向側(cè)傾角的變化Fig.4 The roll angles while emergency steering under different speed

圖5 不同行駛速度下緊急轉(zhuǎn)向側(cè)向加速度的變化Fig.5 The lateral acceleration while emergency steering under different speed

根據(jù)式（5）的側(cè)翻穩(wěn)定性的計(jì)算公式，通過仿真獲取大客車前后6個(gè)輪胎的垂直載荷數(shù)據(jù)后，計(jì)算LTR值來評(píng)價(jià)在不同行駛速度下進(jìn)行緊急轉(zhuǎn)向，大客車發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)性大小。不同行駛速度下緊急轉(zhuǎn)向的LTR值見圖6。

圖6 不同行駛速度下緊急轉(zhuǎn)向的側(cè)翻穩(wěn)定性Fig.6 The rollover stability while emergency steering under different speed

由圖6可見，客車駕駛員緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，在相同的轉(zhuǎn)角速度和轉(zhuǎn)角幅度下，若在干燥路面上，隨著行駛速度的增加，LTR值越趨向于1，表明客車的側(cè)翻穩(wěn)定性越趨向于降低，發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)度越來越高。若在濕滑路面上，隨著行駛速度的增加，LTR值均在0.4附近變化，表明客車的側(cè)翻穩(wěn)定性受行駛速度的影響不大。

3.2 不同轉(zhuǎn)角幅度的緊急轉(zhuǎn)向仿真結(jié)果分析

在該仿真試驗(yàn)中，設(shè)定客車以100km／h的行駛速度分別通過一段平直的干燥路段和濕滑路段時(shí)，在500（!）／s的轉(zhuǎn)角速度下，分別以60!，80!和100!的轉(zhuǎn)角幅度模擬緊急轉(zhuǎn)向操作。

緊急轉(zhuǎn)向過程中，客車的質(zhì)心側(cè)偏角隨行駛時(shí)間的變化情況見圖7?？蛙囻{駛員緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，在相同的轉(zhuǎn)角速度和行駛速度下，不論是在干燥路面還是在濕滑路面，質(zhì)心側(cè)偏角均與轉(zhuǎn)角幅度呈正比，且客車在回轉(zhuǎn)時(shí)的質(zhì)心側(cè)偏角要大于第1次轉(zhuǎn)向時(shí)的角度，尤其是在濕滑路面上。另外，在相同的轉(zhuǎn)角幅度下，濕滑路面上產(chǎn)生的質(zhì)心側(cè)偏角顯著大于干燥路面。表明緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)角幅度越大，客車發(fā)生側(cè)滑的風(fēng)險(xiǎn)也越大，且濕滑路面上發(fā)生側(cè)滑的風(fēng)險(xiǎn)要顯著大于干燥路面。

圖7 不同轉(zhuǎn)角幅度緊急轉(zhuǎn)向質(zhì)心側(cè)偏角的變化Fig.7 The slip angles while emergency steering under different angles

緊急轉(zhuǎn)向過程中，客車的側(cè)傾角隨行駛時(shí)間的變化情況見圖8?？蛙囻{駛員緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，在相同的轉(zhuǎn)角速度和行駛速度下，若在干燥路面上，側(cè)傾角與轉(zhuǎn)角幅度呈正比，且客車在回轉(zhuǎn)時(shí)的側(cè)傾角要大于第1次轉(zhuǎn)向時(shí)的角度；若在濕滑路面上，側(cè)傾角與轉(zhuǎn)角幅度呈反比，且客車在回轉(zhuǎn)時(shí)的側(cè)傾角近似于第1次轉(zhuǎn)向時(shí)的角度。另外，在相同的轉(zhuǎn)角幅度下，干燥路面上產(chǎn)生的側(cè)傾角顯著大于濕滑路面。表明緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，干燥路面上發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)要顯著大于濕滑路面，且轉(zhuǎn)角幅度越大，發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)也就越大。

緊急轉(zhuǎn)向過程中，客車的側(cè)向加速度隨行駛時(shí)間的變化見圖9。若在干燥路面上，側(cè)向加速度與轉(zhuǎn)角幅度呈正比，表明行駛速度越高，客車越容易發(fā)生側(cè)翻；若在濕滑路面上，隨著轉(zhuǎn)角幅度的增大，側(cè)向加速度未發(fā)生明顯的變化，表明客車發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)性受行駛速度的影響較小。綜合圖7～圖9可知，客車緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，隨著轉(zhuǎn)角幅度的增加，在低附著系數(shù)路面上，客車易發(fā)生側(cè)滑，反之在高附著系數(shù)路面上，客車易發(fā)生側(cè)翻。

圖8 不同轉(zhuǎn)角幅度緊急轉(zhuǎn)向側(cè)傾角的變化Fig.8 The roll angles while emergency steering under different angles

圖9 不同行駛速度下緊急轉(zhuǎn)向側(cè)向加速度的變化Fig.9 The lateral acceleration while emergency steering under different angles

根據(jù)式（5）的側(cè)翻穩(wěn)定性的計(jì)算公式，通過仿真獲取大客車前后6個(gè)輪胎的垂直載荷數(shù)據(jù)后，計(jì)算LTR值來評(píng)價(jià)以不同的轉(zhuǎn)角幅度進(jìn)行緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，大客車發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)性大小。不同轉(zhuǎn)角幅度的緊急轉(zhuǎn)向的LTR值見圖10。

圖10 不同轉(zhuǎn)角幅度緊急轉(zhuǎn)向的側(cè)翻穩(wěn)定性Fig.10 The rollover stability while emergency steering under different angles

從圖10中可知，客車駕駛員緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，在相同的轉(zhuǎn)角速度和行駛速度下，若在干燥路面上，隨著行駛速度的增加，LTR值越趨向于1，表明客車的側(cè)翻穩(wěn)定性越趨向于降低，發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)度越來越高。若在濕滑路面上，隨著行駛速度的增加，LTR值均在0.5附近變化，表明客車的側(cè)翻穩(wěn)定性受行駛速度的影響不大。

4 結(jié) 論

1）在高附著系數(shù)路面（如干燥路面）緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，行駛速度和轉(zhuǎn)角幅度與客車的側(cè)翻穩(wěn)定性皆呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。行駛速度越高，駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角幅度越大，輪胎載荷轉(zhuǎn)移率LTR越趨向于1，客車發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)度越高。

2）在低附著系數(shù)路面（如濕滑、冰雪路面）緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，行駛速度和轉(zhuǎn)角幅度對(duì)客車的側(cè)翻穩(wěn)定性的影響不大，主要是影響客車的側(cè)滑穩(wěn)定性。行駛速度越高，駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角幅度越大，客車發(fā)生側(cè)滑的風(fēng)險(xiǎn)度越高。

3）客車駕駛員在第2次緊急回轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的車輛側(cè)翻或側(cè)滑風(fēng)險(xiǎn)要顯著大于第1次緊急轉(zhuǎn)向時(shí)所產(chǎn)生的車輛側(cè)翻或側(cè)滑風(fēng)險(xiǎn)。因此客車駕駛員應(yīng)盡量避免在高速行駛狀態(tài)下大幅度地急轉(zhuǎn)、急回轉(zhuǎn)向盤。

仿真結(jié)果表明，行駛速度和轉(zhuǎn)角幅度對(duì)于緊急轉(zhuǎn)向時(shí)的安全性有著顯著的影響，降低行駛速度或減小轉(zhuǎn)角幅度有助于提高客車緊急轉(zhuǎn)向時(shí)的行駛安全性。因此，駕駛員在日常行車過程中，應(yīng)杜絕在高速狀態(tài)下緊急轉(zhuǎn)向操作，以避免發(fā)生車輛失控、側(cè)滑和側(cè)翻等危險(xiǎn)。

由于本文的研究方法是仿真分析，考慮到軟件中所創(chuàng)建的車輛、道路等模型的性能往往優(yōu)于現(xiàn)實(shí)中的車輛和道路，因此，存在仿真分析結(jié)果往往優(yōu)于實(shí)車運(yùn)行結(jié)果這一缺陷，即車輛在仿真中未發(fā)生側(cè)翻的工況下，在實(shí)車運(yùn)行時(shí)有可能發(fā)生側(cè)翻。但是無論是仿真方法還是實(shí)車試驗(yàn)，車輛行駛安全性的變化趨勢(shì)是一致的。因此，本文的仿真分析結(jié)果，對(duì)于在高速緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，客車側(cè)翻穩(wěn)定性的影響分析是有一定理論意義和參考價(jià)值的。

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