基于轮胎复杂力学特性的汽车临界失稳工况下侧翻机理研究

Vehicle rollover is a common accident in traffic accidents. Research on rollover mechanism is one hotspot in vehicle design and research. The tire mechanics model is the key theory of the rollover prediction model. In this project, we propose theoretical analysis and experiment to carry out the basic research on the pavement, tire, vehicle system dynamics, and realize the estimation of the vehicle lateral energy. The main research contents are as follows: study the friction law of tread and pavement under critical instability conditions, and ascertain the attaching state mechanism of tire and pavement, and complete the experimental verification of the mechanism; construct the transient dynamic model of tire under critical instability condition based on research on the interaction mechanism of carcass and tread; establish the dynamic theory of vehicle system based on the chassis system of interaction mechanism under critical instability condition; complete the numerical simulation and real vehicle test, based on semi-empirical estimation algorithm of vehicle lateral energy rollover model. The research on mechanism of vehicle lateral energy estimation model under critical instability condition is of great significance to vehicle design and driving warning.

汽车侧翻是交通事故中的常见事故，侧翻机理研究是汽车设计、研究的热点之一，轮胎理论是侧翻预测模型的关键理论。本项目提出采用理论分析结合实验的方法，开展路面、轮胎、整车系统动力学侧向能量侧翻模型研究，实现对整车侧向能的预估计算。主要研究内容包括：研究临界失稳工况下胎面和路面摩擦规律，探明轮胎-路面动态附着机理，完成该机理实验验证；研究不同工况下胎体和胎面作用机理，构建临界失稳工况下轮胎瞬态动力学模型；研究底盘集成系统相互作用机理，构建临界失稳下整车系统动力学理论；基于汽车侧向能量侧翻模型的半经验预估算法，完成相关理论的数值仿真和实车试验。汽车临界失稳工况下侧向能量预估模型的机理研究对整车设计和驾驶预警具有重要意义。

2020年全国机动车保有量达3.72亿辆，其中汽车2.81亿辆；机动车驾驶人达4.56亿人，其中汽车驾驶人4.18亿人。然而，交通事故造成的死伤人数也不断增加，因此汽车行驶安全性受到越来越多的关注。据统计，汽车侧翻事故的危害程度仅次于碰撞事故。防侧翻技术作为汽车主动安全技术的重要方面，成为制约我国自主汽车品牌发展的重要因素。迄今为止，我国拥有自主知识产权的防侧翻技术已实现初步量产，但在精度和可靠性方面与国外技术依然存在很大差距。因此，为了减少侧翻事故的发生，需要更好地提高汽车临界失稳工况下侧翻预警相关理论技术精度、准确性和可靠性。. 本项目基本完成了申报书中提出的研究目标，完成了汽车侧翻理论的原理建模、数值仿真和实验论证：围绕复合工况轮胎稳态力学展开研究，完善了侧偏纵滑以及考虑侧倾影响的复合工况轮胎力学模型；对临界失稳工况汽车非线性动力学模型的建立、临界失稳边界的判据以及临界失稳工况下对汽车关键行驶状态参数的准确估计进行了理论研究和仿真分析；以能量法为基础，构建了汽车侧向能量侧翻模型，并提出了一个侧向能量控制参数，通过汽车动力学软件Carsim进行了仿真分析，最后通过实车实验进行了验证；以非满载液罐体为研究对象，采用VOF模型对转向工况下液体晃动进行数值分析，获得了侧向加速度和充液比对液晃的影响规律，并进行了流固耦合原理研究晃动机理和减晃设备的设计。对电动汽车动力系统电池的能量管理进行深入研究，并进行相关实验验证，为电动汽车动力性能和行驶稳定性提高奠定基础。. 该项目的实施过程共发表学术论文7篇，其中 SCI收录 5篇，EI收录2篇，录用1篇SCI论文; 申请发明专利12项，授权发明专利9项，获得国防技术发明二等奖1项（排名第四）和中国机械工业科学技术三等奖1项（排名第三）。