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侧翻
图9-1 侧翻的测试试验
在汽车行驶过程中,侧翻是一种严重威胁乘员安全的事故。侧翻被定义为能够使车辆绕其纵轴旋转90度甚至更多,以至于车身同地面接触的任何一种操纵。侧翻可以由一个或一系列综合因素产生。主要有三个因素和它们之间的相互作用造成了车辆侧翻事故,这三个因素分别是司机、驾驶环境和车辆结构。当车辆的侧向加速度超过某临界值时,汽车内侧车轮的轴荷(相应的地面支反力)趋于零值,侧翻就可能发生;在有坡度的路面(或无路情况)上遭遇不平路面的冲击时,地面松软或其他障碍物也会产生足够的侧向力,从而使车辆产生侧翻,如图9-1所示。
侧翻是一个包括作用在整车外部和车辆内部的力的相互作用的复杂过程。显然,侧翻受操纵行为和公路环境的影响。这些年在高速公路上,经常发生长途拖挂列车的侧翻事故,给人民的财产和生命安全构成较大威胁,国家有关部门已经开始研究汽车的侧翻事故和汽车抗侧翻能力。
刚性汽车的准静态侧翻
汽车侧翻的最基本的受力模型可以通过汽车转弯过程中,车辆的受力平衡来分析。这里的“刚性汽车”是指在分析过程中忽略汽车悬架和轮胎的弹性变形,“准静态”指汽车的稳态转向。在侧倾平面内,刚性汽车稳态转向模型如图9-2所示。假设道路的的侧向坡度角
很小,即。于是有:
(9-1)
从式(9-1)中我们可以得出ay:
(9-2)
图9-2 侧翻汽车的受力

汽车在水平路面上直线行驶(,ay=0)时,内侧车轮的垂直反力Fzi=mg/2。当啊ay ≠0 时,若要仍保持 Fzi=mg/2 不变,则道路的侧向坡度角,高速公路拐弯处的坡道角就是根据此原理设计的。
在公路设计中,路面的侧向坡度角用在曲率设计中,在给定半径和预定行驶速度的情况下,选择恰当的侧向坡度角可以平衡汽车转弯时的离心力,一般汽车侧向加速度在0~,在道路外侧比内侧高的坡度下汽车具有侧向加速度为零时的速度被称为中间速度。
由方程(9-2)得知,随着侧向加速度的增大,内侧车轮上的支反力Fzi 逐渐减小,当内侧车轮支反力Fzi 为零时,汽车所有负载转移到外侧车轮上,汽车在侧倾平面内不能保持平衡,从而开始产生侧翻。汽车开始侧翻是所受到的侧向加速度(g)称为侧翻的阀值(侧向加速度临界值),并由公式给出:
(9-4)
显然。当没有坡度时,使侧翻发生的侧向加速度的临界值仅仅是。此值常常用来
估算汽车的抗侧翻的能力,因为它只与汽车的轮距 t 和质心高度h 这两个结构参数。应
用很方便。由于忽略了悬架和轮胎的弹性,且仅考虑准静态侧翻,所以此预估值偏高。表9-1给出了几种汽车的侧翻阀值。
表9—1典型的汽车的侧翻值范围
汽车类型
重心高度(cm)
轮距(cm)
侧翻临界值(g)
赛车
46~51
127~152
~
微型轿车
51~58
127~152
~
高级轿车
51~61
152~165
~
轻便客货两用车
76~89
165~178
~
旅行车
76~102
165~178
~
中型货车
114~140
165~190
~
重型货车
152~216
178~183
~
在良好路面上,,即侧向加速度ay  时,汽车开始侧滑,由表9—1可知,中、重型货车载尚未达到侧滑时,即已开始侧翻;而对于轿车和旅行车而言,在尚未侧翻时即已侧滑。然而事故统计表明,此类汽车在侧翻时并未产生侧滑,有关汽车侧翻的问题还是比较复杂的问题,需要深入研究。
稳态侧翻可以通过侧向加速度和侧翻角的函数图做出更完全的解释,如图9-3所示。由于我们假设汽车处于稳态,当侧翻角为零时,侧向加速度能达到侧翻临界值,一旦达到该临界值,内侧车轮开始抬升,汽车开始以一定角度侧翻,使平衡侧向加速度能力减小,因为重心提高且向外侧车轮偏移。
图9-3稳态汽车侧翻时的平衡横向加速度
这个区域不是从来就不是不稳定的状态,考虑到两个车轮由于运动不协调而发生侧翻,为了保持平衡,在图9-3所示曲线上汽车侧翻角必须具有精确的数值,以使平衡时侧向加速度具有精确的数值。任何轻微地增加侧翻角的干扰,就使被平衡侧向加速度减少,未被平衡的侧向加速度将产生横摆加速度(横摆加速度又使侧向加速度增加),使其远离平衡点,如果这种远离状态持续1s或2s,那么汽车侧翻角很快增加,从而造成侧翻。
当侧翻开始时,便产生了汽车侧翻起始点这个新的概念。由于汽车本身的不稳定性,当汽车内侧车轮刚离开地面时的状态被称为汽车侧翻起始点。然而,对于驾驶员来说,通过控制转向盘使汽车侧向加速度减少到汽车能恢复正常位置的水平,从而阻止侧翻发生是