重型車輛變載工況下彎道路段安全車速仿真

蔣佳辰 李培慶 吾澤胤 張 浩

（1、浙江科技學院機械與能源工程學院，浙江 杭州310013 2、東南大學交通學院，江蘇 南京210018）

重型載貨車輛作是物流運輸中主要使用的交通工具，重心高，質量大，長寬比高等物理特點，導致其高速過彎時發生側翻的概率遠遠高于普通車輛，因此研究重型載貨車輛在高速公路彎道路段的行車安全問題，對于保護人員安全，提高運輸效率都有重要的意義。

對于車輛側翻的研究，國內學者對非絆倒型汽車側翻研究較多。長安大學王恒等[2]通過ADAMS/CAR 軟件建立車輛側翻瞬時動力學響應模型，研究了不同工況下車輛彎道路段安全行車速度區間。滁州學院時曉杰等[3]基于ADAMS/CAR 軟件以魚鉤轉向側翻實驗為手段研究路面摩擦系數，車輛行駛速度，方向盤角速度以及質心高度等參數對車輛側翻的影響程度，指出行駛速度是影響車輛側翻的最明顯因素。長沙交通學院張丕付等[4]通過建立載貨車輛運動微分方程，研究了貨物在車廂中所處位置對于車輛操縱穩定性的影響。張利[5]等對貨車交通事故與道路集合線性的關系相關性進行統計分析，并用曲線半徑、超高、縱坡的坡度和坡長等影響貨車安全的條件作為實驗因素進行仿真得出載重安全閾值表。

圖1 彎道路段重型車輛側翻動力學模型

綜上所述，現有對于車輛側翻因素研究大多從車輛結構等外部環境出發，很少考慮載貨量的不同對載貨車輛在高速公路彎道路段行車安全造成的影響。本文基于ADAMS/CAR 仿真軟件，通過設置適當的駕駛條件，車輛參數，模擬了三種不同的載貨狀態下的重型載貨車輛在高速公路彎道路段的行車狀態，分析其在側翻臨界狀態下的車輪受力情況，為高速公路管理部門提供重型車輛的限速參考。

1 側翻動力學建模與側翻評價標準

重型載貨車輛在彎道路段行駛時，在離心力的作用會出現側翻或側滑狀態，首先建立彎道路段重型車輛側翻動力學模型如圖1 所示。

在實際情況中，由于輪胎動載荷的不斷變化，每個車輪所受垂向力均不同，由側翻動力學模型可得每個車輪的垂向力為

式中，Fz1i，Fz2i分別表示前后軸內外側車輪垂向力。

由于外側車輪的垂向力大于內側，那么內側車輪由于載荷較小，地面提供的反作用力有限，將首先發生側滑。

當內側某一車輪垂向力為零時，該輪將無法提供縱向力與側向力。若此時駕駛員進行轉向操作，將只有其余車輪提供縱向力和橫向力，這種狀態極有可能導致車輛陷入側翻或側滑的危險狀態。

因此本文選取單一車輪垂向力作為側翻評價指標，當某一車輪的垂向力為零時，判定此時實驗車輛達到側翻或側滑臨界時刻。

2 仿真結果與分析

2.1 側滑仿真實驗過程

通過在ADAMS/CAR 軟件中的實驗車輛車輪側向力，垂向力變化情況來判斷車輛的行駛狀態。若車輛安全通過彎道，則繼續提高初始速度，直到某一輪胎所受垂向力變為零，則判定實驗車輛即將發生側翻，并將此速度作為彎道行車安全速度閾值。

2.2 仿真結果分析

臨界側翻閾值：

通過改變載重狀態和車速進行重復實驗，獲得不同載重狀態，圓曲線半徑下的車速- 半徑表，如圖2 所示。

圖2 三種載重狀態

從表中可以看出：

（1）重型載貨車輛的載重情況對彎道路段的側滑極限有著顯著影響，不同半徑和載重條件下的臨界側翻閾值差異明顯，但都普遍高于設計車速。其中，載重量較低（空載）的重載車輛的界側翻閾值比載重量較高（半載及滿載）的重載車輛側翻閾值更高，即減少載重可以獲得更高的安全行車速度裕度，而載重較多時應更謹慎得選擇駕駛策略。

（2）臨界側翻閾值與彎道半徑總體呈增長關系，并且隨彎道半徑的增大而提高。在彎道半徑為0～100m 時閾值增長幅度較為平緩，且不同載重條件下的重載車輛臨界側翻閾值相近，因此在低半徑彎道上應盡量保持低速行駛。在彎道半徑為100～700m 臨界側翻閾值增長幅度變得劇烈，此時重載車輛的側翻閾值隨著載重量的提高而降低。在彎道半徑達到700m 以上時，重載車輛臨界側翻閾值趨于穩定，不同載重條件下的重載車輛臨界側翻閾值接近。

（3）在相同彎道半徑條件下，重載車輛的臨界側翻閾值隨著載重量的提高而降低，載重量越大，臨界側翻閾值越低。在載重量保持不變的情況下，重載車輛的臨界側翻閾值隨著彎道半徑的增大而提高，其中空載條件下增長幅度最大，滿載條件下增長幅度最小。

3 結論

選取車輪垂向力和側向力的受力情況為重型載貨車輛側翻事故的評價標準，得到不同半徑，不同載重情況下的安全行車速度閾值，閾值36～183km/h。