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摘 要 本文在有关侧倾稳定性的数学理论计算的基础上，利用动力学仿真软件ADAMS建立了客车整车模型及翻转试验台模型，依据相关试验标准进行了客车静态侧倾稳定性试验，分析了客车在满载和整备质量两种状态下的侧倾稳定性，仿真结果与客车实际侧翻现象具有一致性。这种基于虚拟样机软件的仿真方法为研究客车侧倾稳定性提供了一种快捷、切实可行的方法。
关键词 ADAMS；客车；侧倾稳定性；最大侧倾稳定角
中图分类号：U461.6 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）20-0084-02
客车作为公路运输的主要形式，其行驶安全性一直为人们所关注，也是客车生产企业重点研究的一个方向。在客车交通事故中，侧翻事故占的比重较大，危害性也仅次于车辆碰撞事故。所以，在国家标准《机动车运行安全技术条件》中明确规定了不同类型客车的侧倾稳定性指标，客车企业生产新型客车的过程中必须执行客车试验标准：GB/T 14172-2009《汽车静侧翻稳定性台架试验方法》[1]。
本文通过对侧倾稳定性数学模型的研究，分析得到影响客车侧倾稳定性的影响因素，进而基于虚拟样机仿真软件ADAMS建立参数化的客车模型和侧翻试验台模型，对特定的客车进行侧倾稳定性仿真分析，以检验设计出的客车是否满足相关法规的要求，能够大大降低企业在客车设计上的时间和成本，将为设计人员提供便捷、快速的设计工具。
1 客车整车侧倾数学模型
根据研究目的，在车辆建模时，车辆的结构可以适当地抽象、简化。在建立数学模型时，须对先客车整车进行简化：①轮胎和车身都为刚性体；②悬架的弹簧属于线性弹性特性；③整车质心向侧倾一侧偏移。
客车整车侧倾数学简化模型如图1所示[2]。
图1 客车整车侧倾数学简化模型
2 客车侧翻仿真模型建立
1）ADAMS软件简介。ADAMS软件是MSC公司开发的一款动力学仿真软件，针对不同的专业领域其集成了不同的模块。本课题的主要任务是客车参数化模型的建立及动力学仿真，所以以其中的View模块作为开发工具。ADAMS/View模块为用户提供了基本操作对话环境及动力学仿真的前处理功能。其内置了大量建模工具，与求解器和后处理等程序的自动连接，后处理模块能够根据用户需求处理各种数据图标，并且与其他工程应用程序有对应的接口。通过ADAMS/View模块，用户可以建立各种机械系统动力学模型，进行各种复杂的运动学或动力学仿真。
2）客车主要总成质量及质心的确定。客车侧倾稳定性试验数学模型中客车的整车质量和簧载质量以及各自质心位置，这些因素影响了客车的侧倾稳定性，而客车的各个总成的质心位置与质量综合作用直接决定了整车的质心和质量。根据以上分析，在建立客车侧倾稳定性试验仿真模型时， 最重要的工作是确定各总成部件的质量及质心的位置。
建模时将整车分为如下总成部件：顶盖、前包围、后包围、左右侧包围、底架、前悬架、后悬架、轮胎、发动机、变速器、传动轴、油箱、驾驶员座椅、仪表台、备胎、乘客座椅等。根据GB13094-2007试验标准的要求，满载状态时进行侧倾试验仿真，须结合客车具体车型增加乘客、驾驶员等。客车的各个总成质心的位置及其质量的施加，可使用ADAMS软件中point功能建立质量点，并对点的质量及位置坐标进行参数化[3、4]。
3）前后悬架的建模。悬架性能对于车辆的侧倾稳定性影响极大，本课题中客车的前悬架模型采用双横臂式独立悬架，其模型如图2所示。这种悬架由上下两根不等长的V形摇臂、弹簧和液压减震器构成，上摇臂一般短于下摇臂。上下摇臂还由一根连接杆相连，这根连杆同时也还与车轮相连接。双横臂独立悬架能有很好的减振效果，提高了客车的平顺性、操纵稳定性、抗侧翻能力。
图2 前悬架模型 图3 后悬架模型
后悬架采用的是单纵臂空气悬架，这种悬架结构简单、成本低廉、占用的横向和纵向空间小，能有效的降低车辆纵向倾覆力矩中心位置，增加车辆抗倾覆的能力，常用于客车和货车的后悬架。在建立后悬架模型之后，设置空气弹簧的刚度和减震器的阻尼等参数，可快速地对模型进行改进修正[5]。
4）客车侧翻试验台模型。按照GB/T 14172-93标准的相关规定，客车侧翻试验台上升速度不大于10°/min，下降速度不大于27°/min，与轮胎的附着系数不低于0.85，试验平台与转动中心线的平行度不低于12级。使用ADAMS软件中Platform功能建立侧翻试验台，与地面间的约束是旋转副，沿平台侧沿线旋转。设置轮胎与试验台之間的约束为碰撞力（contact），为防止翻转过程中车辆出现侧滑，摩擦系数设置为大于1。当侧翻试验台翻转，外侧车轮与试验台的接触力为零时，可认定为此时车辆处于侧翻的临界状态，这时的翻转角度为客车的最大侧倾稳定角[6]。
建立好的侧翻试验台及客车整车模型如图4所示。
图4 客车侧翻试验台及客车整车模型
3 侧倾试验仿真及结果分析
根据相关试验要求，侧翻试验台以9°/min速度进行匀速翻转，客车侧倾仿真试验分别以客车接近于满载状态与整备质量状态两种工况进行。
从图5、图6可以看出，侧倾一侧前轮与试验台接触力变为零的时间是225.0s，后轮与试验台接触力变为零的时间是306.2s。显然当前轮与试验台接触力变为零的时候，客车的侧倾角度已经达到了极限值。所以225.0s时的试验台转角即为客车的最大侧倾稳定角，根据图7查得客车的最大侧倾稳定角为33.75°。
1）满载状态。
图5 满载状态前轮与试验台接触力变化曲线
图6 满载状态后轮与试验台接触力变化曲线
图7 满载状态试验台转角随时间的变化曲线 2）整备质量状态。该状态与满载状态的区别是，少了乘客及驾驶员。为了满足客车整备质量状态需要对模型进行处理，即将乘客、驾驶员等各部件删除，而仿真过程设置则与满载状态相同。
仿真结束后，侧倾一侧前轮与试验台之间的接触力变化曲线如图8、图9所示。
图8 空载状态前轮与试验台接触力变化曲线
图9 空载状态后轮与试验台接触力变化曲线
图10 空载状态试验台转角随时间的变化曲线
由图8、图9可见，前轮与试验台接触力变为零的时间是257.0 s，后轮与试验平接触力变为零的时间是342.0 s。显然当前轮与试验平台接触力变为零的时候，客车的侧倾角度已经达到了极限值。所以257.0 s时的平台转角即为客车的最大侧倾稳定角38.55°。
从以上两种状态的分析可以看出，客车在满载及整备质量两种情况下，车辆的侧倾稳定性有较大的差别，满载时最大侧倾稳定角33.75°，空载时最大侧倾稳定角38.55°，也直接验证了乘员越多车辆越容易侧翻的现象。
4 结束语
本文利用虚拟样机软件ADAMS建立了比较精确的客车整车动力学模型和侧翻试验台模型，对客车在满载和整备质量状态两种情况下进行了静态侧倾稳定性试验，较准确地测试出了两种状态下客车的最大侧倾稳定角，从结果可以看出满载状态下客车的侧倾稳定性明显变差。这种基于虚拟样机软件的客车侧倾仿真试验为客车设计、改进优化提供了一种快捷、准确的方法。
基金项目
上海市大学生创新活动计划项目（G2-13DXSCX-087）。
參考文献
[1]GB7258-2004机动车运行安全技术条件[S].中国标准出版社，2004.
[2]赵萍，仰蕾伊，何新.客车轮胎建模和对侧倾稳定性的影响研究[Jl.开发研究，2011（5）：58-61.
[3]陆有江.基于ADAMS的大客车侧倾稳定性试验仿真模块开发研究[D].长安大学，2009.
[4]查官飞.大客车车身结构侧翻试验仿真与安全研究[D].重庆交通大学，2011.
[5]朱夏毅.客车动态抗侧翻稳定性试验仿真研究[D].重庆交通大学，2012.
[6]万明，李厚林，田弊.汽车最大侧翻稳定角测量方法的研究[J].传动技术，1999（4）：37-41.
作者简介
袁伟光（1982-），男，上海人，讲师，硕士，专业方向为车辆工程。
关键词 ADAMS；客车；侧倾稳定性；最大侧倾稳定角
中图分类号：U461.6 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）20-0084-02
客车作为公路运输的主要形式，其行驶安全性一直为人们所关注，也是客车生产企业重点研究的一个方向。在客车交通事故中，侧翻事故占的比重较大，危害性也仅次于车辆碰撞事故。所以，在国家标准《机动车运行安全技术条件》中明确规定了不同类型客车的侧倾稳定性指标，客车企业生产新型客车的过程中必须执行客车试验标准：GB/T 14172-2009《汽车静侧翻稳定性台架试验方法》[1]。
本文通过对侧倾稳定性数学模型的研究，分析得到影响客车侧倾稳定性的影响因素，进而基于虚拟样机仿真软件ADAMS建立参数化的客车模型和侧翻试验台模型，对特定的客车进行侧倾稳定性仿真分析，以检验设计出的客车是否满足相关法规的要求，能够大大降低企业在客车设计上的时间和成本，将为设计人员提供便捷、快速的设计工具。
1 客车整车侧倾数学模型
根据研究目的，在车辆建模时，车辆的结构可以适当地抽象、简化。在建立数学模型时，须对先客车整车进行简化：①轮胎和车身都为刚性体；②悬架的弹簧属于线性弹性特性；③整车质心向侧倾一侧偏移。
客车整车侧倾数学简化模型如图1所示[2]。
图1 客车整车侧倾数学简化模型
2 客车侧翻仿真模型建立
1）ADAMS软件简介。ADAMS软件是MSC公司开发的一款动力学仿真软件，针对不同的专业领域其集成了不同的模块。本课题的主要任务是客车参数化模型的建立及动力学仿真，所以以其中的View模块作为开发工具。ADAMS/View模块为用户提供了基本操作对话环境及动力学仿真的前处理功能。其内置了大量建模工具，与求解器和后处理等程序的自动连接，后处理模块能够根据用户需求处理各种数据图标，并且与其他工程应用程序有对应的接口。通过ADAMS/View模块，用户可以建立各种机械系统动力学模型，进行各种复杂的运动学或动力学仿真。
2）客车主要总成质量及质心的确定。客车侧倾稳定性试验数学模型中客车的整车质量和簧载质量以及各自质心位置，这些因素影响了客车的侧倾稳定性，而客车的各个总成的质心位置与质量综合作用直接决定了整车的质心和质量。根据以上分析，在建立客车侧倾稳定性试验仿真模型时， 最重要的工作是确定各总成部件的质量及质心的位置。
建模时将整车分为如下总成部件：顶盖、前包围、后包围、左右侧包围、底架、前悬架、后悬架、轮胎、发动机、变速器、传动轴、油箱、驾驶员座椅、仪表台、备胎、乘客座椅等。根据GB13094-2007试验标准的要求，满载状态时进行侧倾试验仿真，须结合客车具体车型增加乘客、驾驶员等。客车的各个总成质心的位置及其质量的施加，可使用ADAMS软件中point功能建立质量点，并对点的质量及位置坐标进行参数化[3、4]。
3）前后悬架的建模。悬架性能对于车辆的侧倾稳定性影响极大，本课题中客车的前悬架模型采用双横臂式独立悬架，其模型如图2所示。这种悬架由上下两根不等长的V形摇臂、弹簧和液压减震器构成，上摇臂一般短于下摇臂。上下摇臂还由一根连接杆相连，这根连杆同时也还与车轮相连接。双横臂独立悬架能有很好的减振效果，提高了客车的平顺性、操纵稳定性、抗侧翻能力。
图2 前悬架模型 图3 后悬架模型
后悬架采用的是单纵臂空气悬架，这种悬架结构简单、成本低廉、占用的横向和纵向空间小，能有效的降低车辆纵向倾覆力矩中心位置，增加车辆抗倾覆的能力，常用于客车和货车的后悬架。在建立后悬架模型之后，设置空气弹簧的刚度和减震器的阻尼等参数，可快速地对模型进行改进修正[5]。
4）客车侧翻试验台模型。按照GB/T 14172-93标准的相关规定，客车侧翻试验台上升速度不大于10°/min，下降速度不大于27°/min，与轮胎的附着系数不低于0.85，试验平台与转动中心线的平行度不低于12级。使用ADAMS软件中Platform功能建立侧翻试验台，与地面间的约束是旋转副，沿平台侧沿线旋转。设置轮胎与试验台之間的约束为碰撞力（contact），为防止翻转过程中车辆出现侧滑，摩擦系数设置为大于1。当侧翻试验台翻转，外侧车轮与试验台的接触力为零时，可认定为此时车辆处于侧翻的临界状态，这时的翻转角度为客车的最大侧倾稳定角[6]。
建立好的侧翻试验台及客车整车模型如图4所示。
图4 客车侧翻试验台及客车整车模型
3 侧倾试验仿真及结果分析
根据相关试验要求，侧翻试验台以9°/min速度进行匀速翻转，客车侧倾仿真试验分别以客车接近于满载状态与整备质量状态两种工况进行。
从图5、图6可以看出，侧倾一侧前轮与试验台接触力变为零的时间是225.0s，后轮与试验台接触力变为零的时间是306.2s。显然当前轮与试验台接触力变为零的时候，客车的侧倾角度已经达到了极限值。所以225.0s时的试验台转角即为客车的最大侧倾稳定角，根据图7查得客车的最大侧倾稳定角为33.75°。
1）满载状态。
图5 满载状态前轮与试验台接触力变化曲线
图6 满载状态后轮与试验台接触力变化曲线
图7 满载状态试验台转角随时间的变化曲线 2）整备质量状态。该状态与满载状态的区别是，少了乘客及驾驶员。为了满足客车整备质量状态需要对模型进行处理，即将乘客、驾驶员等各部件删除，而仿真过程设置则与满载状态相同。
仿真结束后，侧倾一侧前轮与试验台之间的接触力变化曲线如图8、图9所示。
图8 空载状态前轮与试验台接触力变化曲线
图9 空载状态后轮与试验台接触力变化曲线
图10 空载状态试验台转角随时间的变化曲线
由图8、图9可见，前轮与试验台接触力变为零的时间是257.0 s，后轮与试验平接触力变为零的时间是342.0 s。显然当前轮与试验平台接触力变为零的时候，客车的侧倾角度已经达到了极限值。所以257.0 s时的平台转角即为客车的最大侧倾稳定角38.55°。
从以上两种状态的分析可以看出，客车在满载及整备质量两种情况下，车辆的侧倾稳定性有较大的差别，满载时最大侧倾稳定角33.75°，空载时最大侧倾稳定角38.55°，也直接验证了乘员越多车辆越容易侧翻的现象。
4 结束语
本文利用虚拟样机软件ADAMS建立了比较精确的客车整车动力学模型和侧翻试验台模型，对客车在满载和整备质量状态两种情况下进行了静态侧倾稳定性试验，较准确地测试出了两种状态下客车的最大侧倾稳定角，从结果可以看出满载状态下客车的侧倾稳定性明显变差。这种基于虚拟样机软件的客车侧倾仿真试验为客车设计、改进优化提供了一种快捷、准确的方法。
基金项目
上海市大学生创新活动计划项目（G2-13DXSCX-087）。
參考文献
[1]GB7258-2004机动车运行安全技术条件[S].中国标准出版社，2004.
[2]赵萍，仰蕾伊，何新.客车轮胎建模和对侧倾稳定性的影响研究[Jl.开发研究，2011（5）：58-61.
[3]陆有江.基于ADAMS的大客车侧倾稳定性试验仿真模块开发研究[D].长安大学，2009.
[4]查官飞.大客车车身结构侧翻试验仿真与安全研究[D].重庆交通大学，2011.
[5]朱夏毅.客车动态抗侧翻稳定性试验仿真研究[D].重庆交通大学，2012.
[6]万明，李厚林，田弊.汽车最大侧翻稳定角测量方法的研究[J].传动技术，1999（4）：37-41.
作者简介
袁伟光（1982-），男，上海人，讲师，硕士，专业方向为车辆工程。