多工况条件下氢能重型车辆动态性能与侧翻稳定性分析

《World Electric Vehicle Journal》：Dynamic Performance and Rollover Stability Analysis of Hydrogen-Powered Heavy-Duty Vehicles Under Multi-Operating Conditions

　　

氢能重型车辆（HHDVs）在多工况运行条件下承受纵向、垂向和横向耦合动态激励，这显著影响其动态性能和侧翻稳定性。为研究这些特性，研究人员建立了由垂向动力学模型和横摆-侧倾动力学模型组成的耦合车辆动力学模型，并在多工况条件下进行了数值仿真。系统分析了运行工况、路面粗糙度、初始制动速度和制动减速度对乘坐舒适性和动态轮胎载荷的影响。此外，研究人员以横摆角速度、侧偏角、侧向加速度和横向载荷转移率（LTR）作为评价指标，评估了J型转弯、鱼钩操稳试验和双车道变换（DLC）工况下的侧翻稳定性。仿真结果表明，制动导致的乘坐舒适性恶化最为显著，人体-座椅垂向加速度峰值相比匀速工况增加33.10%，而加速工况增加27.55%。路面粗糙度对乘坐舒适性和动态轮胎载荷均有显著影响。在制动条件下，D级路面上前后轮胎动态载荷峰值分别约为B级路面的3.1倍和2.9倍。增大初始制动速度会加剧动态响应，而增大制动减速度可有效抑制轮胎动态载荷波动。在三种转向工况中，鱼钩操稳试验表现出最高的侧翻倾向，最大绝对横向载荷转移率约为0.8。这些基于仿真的研究结果为多工况条件下HHDVs的底盘参数优化、车辆动态性能评估和侧翻预防提供了理论参考。本研究存在的局限性在于所建立的动力学模型缺乏试验验证，试验或硬件在环验证将在未来工作中予以考虑。

氢能重型车辆多工况下动态性能与侧翻稳定性研究解读

一、研究背景与意义

氢能重型车辆（Hydrogen-Powered Heavy-Duty Vehicles，HHDVs）因其零尾气排放、高能量转换效率和快速加注能力等优势，正日益成为货运交通领域实现碳中和目标的重要技术路径。与纯电重型车辆相比，HHDVs具有更长的续驶里程和更高的运营效率，尤其适用于长途干线物流运输场景。然而，氢储存系统和燃料电池动力总成的安装改变了车辆的质量分布和动力学特性，使其区别于传统燃油重型车辆。在实际运行中，HHDVs频繁经历加速、制动、不平路面和紧急转向等复杂行驶工况，这些纵向、垂向和横向的耦合动态激励对乘坐舒适性、轮胎-路面相互作用、操纵稳定性和侧翻安全性均产生显著影响。因此，在多工况条件下系统研究HHDVs的动态性能与侧翻稳定性，对于提升车辆安全性和优化底盘设计具有重要的工程实际意义。

现有研究在车辆动力学领域已取得丰富成果，但仍存在若干不足。在乘坐舒适性方面，已有研究主要集中于座椅振动性能评价、人体生物动力学响应建模以及多自由度整车模型的预测精度对比等方面，但大多针对单一性能指标或有限的运行工况。在动态轮胎载荷方面，已有工作关注了轮胎-路面接触性能评估和悬架控制策略对轮胎载荷的改善效果，但缺乏在多因素系统变化条件下的对比分析。值得注意的是，HHDVs在系统变化的纵向运行工况、路面粗糙度等级和制动参数组合下的动力学特性，尚未在统一仿真框架内得到全面比较。

在侧翻稳定性研究方面，已有文献涵盖了重型车辆侧翻威胁检测、主动侧倾控制系统开发以及横风扰动对侧翻风险的影响等方向，也建立了基于横向载荷转移率（Lateral Load Transfer Ratio，LTR）的侧翻评价方法。然而，现有研究通常将侧向稳定性与垂向动力学性能和轮胎-路面相互作用分开考察，缺乏对重型车辆在典型紧急转向工况下综合响应特性的一致性评估。

为填补上述研究空白，本研究并未试图在已确立的垂向动力学模型或横摆-侧倾动力学模型的基础上提出全新的数学表述，而是通过将二者集成，构建统一的车辆动力学仿真框架，系统评估多工况条件下HHDVs的动态性能和侧翻稳定性。这一集成框架使研究人员能够在统一的车辆动力学评估体系内，建立垂向振动、轮胎-路面相互作用与侧翻稳定性之间的关联，从而为HHDVs的多维动态性能评估提供了一致性的比较基准。

二、研究内容与主要技术方法

研究人员以某两轴氢能重型车辆为研究对象，基于车辆系统动力学理论建立了包含5自由度垂向动力学模型和14自由度横摆-侧倾动力学模型的集成式车辆动力学仿真框架。垂向动力学模型用于表征车辆在垂向激励下的振动响应特征，横摆-侧倾动力学模型用于描述车辆在侧向操纵输入下的横摆与侧倾运动特性。两种模型以互补方式使用而非通过状态变量或力反馈进行直接耦合。轮胎-路面相互作用采用魔术公式（Magic Formula）轮胎模型描述，该模型在纯转向工况下仅考虑侧向轮胎力，并根据对应的轮胎侧偏角计算，以表征侧向车辆动力学和载荷转移的主导机制。路面激励采用基于滤波白噪声的随机路面生成方法，可根据ISO 8608标准设定B级、C级和D级路面的粗糙度系数，且能够考虑车速变化引起的非平稳时域激励特征。乘坐舒适性通过人体-座椅系统垂向加速度的均方根（Root Mean Square，RMS）值和峰值进行评价；动态轮胎载荷采用动态轮胎载荷的RMS值和峰值进行量化；侧翻稳定性以横向载荷转移率（LTR）为评价指标，同时结合横摆角速度、侧偏角和侧向加速度综合分析车辆侧向动态响应。

三、主要研究结果

（一）乘坐舒适性分析

1. 运行工况影响：在C级路面上分别对加速、制动和匀速三种工况进行了仿真，结果表明运行工况对乘坐舒适性影响显著。制动工况下人体-座椅垂向加速度峰值达到5.421 m·s?2，较匀速工况增加33.10%；加速工况下峰值达到5.195 m·s?2，较匀速工况增加27.55%。制动工况整体舒适性最差，主要原因是制动引起的纵向载荷前移加剧了车身俯仰运动，增大了经悬架系统传递的垂向激励。

2. 路面粗糙度影响：在制动工况下比较了B级、C级和D级三类路面上的人体-座椅垂向振动响应。研究结果表明，路面粗糙度对振动响应有显著影响，RMS垂向加速度在B级路面为0.813 m·s?2，在C级路面为1.330 m·s?2，在D级路面达到2.070 m·s?2，相比B级路面分别增加63.6%和154.6%。制动后期振动响应逐渐趋近于零，与车速持续降低带来的时域激励频率变化相关。

3. 初始制动速度影响：在C级路面、制动减速度为?3 m·s?2的条件下，比较了30 m·s?1、25 m·s?1和20 m·s?1三种初始制动速度的影响。结果表明峰值垂向加速度随初始制动速度增大而增大，30 m·s?1时峰值达到5.882 m·s?2，相比20 m·s?1时增加36.5%，主要与车速历史差异、纵向载荷转移动力学和车速相关路面激励变化有关。

4. 制动减速度影响：在C级路面、初始制动速度30 m·s?1的条件下，比较了?1.5 m·s?2、?3.0 m·s?2和?4.5 m·s?2三种制动减速度的影响。结果表明峰值垂直加速度随制动减速度增大而减小，?1.5 m·s?2时峰值为6.250 m·s?2，?4.5 m·s?2时降至5.494 m·s?2，相对降低12.1%，这与不同制动强度下车辆速度历史和制动时长的差异有关。

（二）动态轮胎载荷分析

1. 运行工况影响：三类运行工况下前后轮胎动态载荷的RMS值较为接近，但峰值存在明显差异。与匀速工况相比，加速工况前轮峰值动态载荷增加16.14%，制动工况增加19.04%；后轮在制动工况下增加31.11%，表明制动产生最显著的瞬态轮胎载荷变化。总垂向轮胎力在整个仿真过程中始终保持正值，表明轮胎未出现离地现象。

2. 路面粗糙度影响：在制动条件下，路面粗糙度加剧了轮胎动态载荷波动。D级路面上前轮峰值动态载荷约为B级路面的3.1倍，后轮约为2.9倍。在D级路面下，后轮最大向下动态载荷达到?81.603 kN，结合后轮78.2 kN的静载荷计算，总垂向轮胎力变为负值，提示严重路面激励下可能出现后轮离地趋势。

3. 初始制动速度影响：较高的初始制动速度导致更长的制动距离和更大的动态载荷幅值。30 m·s?1时前轮峰值动态载荷较20 m·s?1时增加28.79%，后轮增加39.00%。所有条件下总垂向轮胎力均保持正值，表明未发生轮胎-路面接触丧失。

4. 制动减速度影响：增大制动减速度使动态轮胎载荷的RMS值和峰值均持续减小。与?4.5 m·s?2的制动条件相比，?1.5 m·s?2时前轮峰值动态载荷增加11.09%，后轮增加16.90%，表明较小的制动减速度导致更长的制动过程，增加了路面激励的作用时间和载荷波动幅度。

（三）侧翻稳定性分析

1. J型转弯工况：在车速80 km·h?1、方向盘转角90°、方向盘角速度450°·s?1的条件下，车辆表现出明显的瞬态侧向响应，侧向加速度峰值接近10 m·s?2，对应约1.0 g。最大绝对LTR约为0.8，虽低于临界侧翻阈值1，但表明车辆在此高速转向条件下具有较高的侧翻倾向。

2. 鱼钩操稳试验工况：在相同车速和转向输入条件下，由于转向输入的快速反向，鱼钩操稳试验较J型转弯产生更剧烈的瞬态侧向响应。侧偏角峰值较J型转弯和双车道变换分别增加约1.1%和2.2%，最大侧向加速度接近10 m·s?2，最大绝对LTR同样约为0.8，反映出快速转向反向产生更强的瞬态横向载荷转移和侧倾运动。

3. 双车道变换工况：在车速80 km·h?1、方向盘转角45°、方向盘角速度50°·s?1条件下，最大绝对LTR约为0.6，明显低于鱼钩操稳试验。虽然双车道变换产生最高的峰值侧向加速度（分别比J型转弯和鱼钩操稳试验高约4.5%和4.7%），但其峰值横摆角速度和最大绝对LTR均显著较低，分别比J型转弯低约29.1%。这表明单靠峰值侧向加速度无法完整表征车辆的侧翻稳定性，需要综合横摆角速度、侧偏角、侧向加速度和LTR进行多指标联合评估。

四、讨论与结论

研究表明，运行工况、路面粗糙度、车速和制动强度对HHDVs的动态响应均有显著影响。制动工况下人体-座椅垂向加速度峰值较匀速工况增加33.10%，加速工况增加27.55%，说明纵向动力学引起的前后载荷转移对垂向振动特性有重要影响，这与已有研究关于纵向载荷转移影响车身俯仰运动和轮胎挠度的结论相一致。路面粗糙度是影响乘坐舒适性和动态轮胎载荷的另一个关键因素，在D级路面制动时前后轮峰值动态载荷分别达到B级路面的约3.1倍和2.9倍。初始制动速度的增大加剧了瞬态振动响应，而制动减速度的增大反而降低了动态轮胎载荷波动，这与不同制动强度下车辆速度历史差异以及车速相关路面激励特性有关。在侧向稳定性方面，J型转弯产生最大的横向载荷转移（最大绝对LTR约为0.8），鱼钩操稳试验表现出最强烈的瞬态侧偏响应，而双车道变换产生最高的峰值侧向加速度但相对较低的LTR和横摆角速度响应。

研究结论如下：第一，制动工况对乘坐舒适性产生最显著的负面影响，其人体-座椅垂向加速度峰值比匀速工况增加33.10%，加速工况增加27.55%；第二，增加路面粗糙度会显著加剧人体-座椅垂向振动和动态轮胎载荷波动，D级路面上制动时的前、后轮峰值动态轮胎载荷分别为B级路面的约3.1倍和2.9倍；第三，增大初始制动速度加剧了乘坐舒适性恶化和动态轮胎载荷波动，而在所研究的条件下增大制动减速度降低了瞬态动态轮胎载荷响应；第四，在三种转向工况中，J型转弯产生最显著的横向载荷转移（最大绝对LTR约为0.8），鱼钩操稳试验表现出稍强的瞬态侧偏响应，而双车道变换产生的峰值侧向加速度最高但LTR和横摆角速度响应相对较低；第五，HHDVs的动态性能和侧翻稳定性受纵向运行工况、路面激励、车速和转向工况的联合影响，适当控制车辆运行状态、避免急剧加速和制动、以及优化悬架和底盘参数有助于改善乘坐舒适性、减小动态轮胎载荷波动并增强侧翻稳定性。

五、局限性与未来展望

本研究存在的主要局限性在于所建立的动力学模型尚未经过实验验证。未来工作将着重开展实验验证、关键影响因素的正规化灵敏度分析，以及集成式底盘控制策略的开发，以进一步提升HHDVs的安全性、稳定性和乘坐性能。