基于LabVIEW混凝土攪拌運輸車轉(zhuǎn)彎安全性研究

黎邦權(quán)，曹源文，李澤軍，曹志坡

(重慶交通大學(xué) 機電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

混凝土攪拌運輸車整車重心高，行車路況復(fù)雜，穩(wěn)定性差，容易發(fā)生側(cè)翻，轉(zhuǎn)彎工況下高速行駛是發(fā)生側(cè)翻的最危險因素之一。此時，駕駛員只能靠對攪拌運輸車性能熟悉程度的感知來確定攪拌車轉(zhuǎn)彎時的行駛車速。針對這種情況，筆者在基于LabView下，設(shè)計出攪拌車在轉(zhuǎn)彎工況下能實時計算所需安全車速的虛擬儀器，并把安全車速實時顯示在虛擬儀表盤上，給駕駛員一個及時、科學(xué)的參考標準；若此時駕駛員沒有把行駛車速降到安全車速以下，該系統(tǒng)同時會給出警報提示，促使駕駛員降速，從而確保行車安全。

1 空、滿載側(cè)翻穩(wěn)定性分析

根據(jù)我國道路車輛靠右行駛的規(guī)定，國內(nèi)大多數(shù)混凝土攪拌運輸車在攪動行駛作業(yè)時，攪拌筒旋轉(zhuǎn)方向為右旋[1]。故筆者以右旋車為研究對象。

以混凝土攪拌運輸車空載時右轉(zhuǎn)彎為研究對象，其轉(zhuǎn)彎示意如圖1。

圖1 空載右轉(zhuǎn)彎示意Fig.1 Right turn schematic diagram of truck with no load

(1)

式中：G0為空車時質(zhì)心的位置；H0為空車質(zhì)心的離地高度，m；V為空車行駛車速，m/s；R為質(zhì)心G0在轉(zhuǎn)彎時的半徑，m；g為重力加速度，m/s2；B0為空車穩(wěn)定幅，即指空車質(zhì)心在地面的投影點到一側(cè)輪胎側(cè)翻線的距離，m。

混凝土攪拌運輸車滿載行駛的過程中，罐體必須旋轉(zhuǎn)以防止混凝土發(fā)生離析甚至初凝等現(xiàn)象，必然會產(chǎn)生整車質(zhì)心的偏移，轉(zhuǎn)彎工況下，質(zhì)心的偏移給汽車安全性帶來不可忽略的影響[2]。下面以滿載左轉(zhuǎn)彎為研究對象，其轉(zhuǎn)彎示意如圖2。

圖2 滿載左轉(zhuǎn)彎示意Fig.2 Left turn schematic diagram of truck with full load

G1—重車時質(zhì)心的位置；H1—重車質(zhì)心的離地高度，m；R—

質(zhì)心G1在轉(zhuǎn)彎時的半徑，m；B1—重車穩(wěn)定幅，即重車平地靜

止時質(zhì)心在地面上的投影點到一側(cè)輪胎側(cè)翻線的距離，m

影響重車穩(wěn)定幅的因素主要有以下幾個方面：①混凝土的偏心力矩，設(shè)其影響值為e1；②路拱坡度iL=2.5%，設(shè)其影響值為e2，由坡度值可以求得坡度角θ=arctan(iL)，而e2=H1×sinθ；③輪胎變形，設(shè)其影響值為e3；④側(cè)翻臨界狀態(tài)瞬間懸掛變形，設(shè)其影響值為e4。

上述e1，e3，e4的值與攪拌筒的轉(zhuǎn)速、混凝土的性質(zhì)、攪拌筒和葉片的參數(shù)等有關(guān)，難以確切計算，可根據(jù)實驗所得經(jīng)驗數(shù)值來確定[3]。

側(cè)翻臨界速度公式：

(2)

B重=B1-e

(3)

式中：B重為重車的有效穩(wěn)定幅；e為混凝土的偏心力矩、路拱坡度、輪胎變形、懸掛變形等4因素對穩(wěn)定幅的綜合影響值，即質(zhì)心的總偏移值。

那么左轉(zhuǎn)彎時，在離心力的作用下，向右側(cè)翻瞬間的質(zhì)心偏移量e=-e1+e2+e3+e4；右轉(zhuǎn)彎時，在離心力的作用下，向右側(cè)翻瞬間的質(zhì)心偏移量e=e1-e2+e3+e4。

2 轉(zhuǎn)彎半徑和預(yù)轉(zhuǎn)角的確定

2.1 轉(zhuǎn)彎半徑的確定

由轉(zhuǎn)向中心到外轉(zhuǎn)向輪與地面接觸點的距離稱為汽車的轉(zhuǎn)彎半徑[4]。理想情況下，轉(zhuǎn)彎半徑為：

(4)

由此，只要獲取到外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角，就不難得出攪拌車在轉(zhuǎn)彎時刻所對應(yīng)的轉(zhuǎn)彎半徑。汽車兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角存在著一定的關(guān)系，如圖3。

圖3 兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角之間的理想關(guān)系Fig.3 The ideal relationship between the deflection angle of the steering wheels on both sides

圖3中，α為內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；β為外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角。那么，在攪拌車右側(cè)轉(zhuǎn)向輪的主銷上固定一個轉(zhuǎn)角傳感器，就能實時接收β值，此時，β值即為外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；但向右轉(zhuǎn)彎時，β值為內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角。而汽車在轉(zhuǎn)彎時，其內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角滿足阿克曼原理，即：

(5)

式中：α為外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；β為內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；L為軸距；K為兩前輪主銷軸線與地面交點之間的距離，也稱為輪距。

通過攪拌車右側(cè)傳感器接收的β值和阿克曼公式的計算，可得出外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角α值，從而計算出所對應(yīng)的轉(zhuǎn)彎半徑。

轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)的自身特點，以及汽車的使用性能要求，其實際的轉(zhuǎn)角與阿克曼轉(zhuǎn)角存在著一定的誤差，而且，不同類型的汽車其差值也略有不同。目前，在轉(zhuǎn)彎車速不高的汽車上，內(nèi)外輪的實際轉(zhuǎn)角基本符合這一原則[5]。我國汽車行業(yè)標準QC/T667—2010《混凝土攪拌運輸車技術(shù)條件和實驗方法》的第4.1.15條中明確規(guī)定：混凝土攪拌運輸車攪拌行駛時，最高車速不得高于50 km/h[6]。在轉(zhuǎn)彎工況下車速遠遠低于最高車速，顯然滿足阿克曼定理的要求。

2.2預(yù)轉(zhuǎn)角的確定

道路彎道是指道路中心線呈曲線狀態(tài)的路段，彎道是以曲線半徑的大小來度量的，通過彎道風(fēng)險多，許多事故就發(fā)生在彎道上[7]。混凝土攪拌運輸車在轉(zhuǎn)彎的整個過程中，當車進入彎道一小段距離，或外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角β大于某個值時，外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角會按β+Δβ計算，這樣會消除由于人的反應(yīng)遲滯和執(zhí)行機構(gòu)帶來的誤差，并且能讓攪拌車提前處于安全行駛狀態(tài)。Δβ即為所設(shè)的預(yù)轉(zhuǎn)角，示意圖如圖4。

圖4 預(yù)轉(zhuǎn)角示意Fig.4 Schematic diagram of preliminary angle

基于上面的理論分析，在圖4中，B點的安全車速小于A點的安全車速?；炷翑嚢柽\輸車處于A點時，系統(tǒng)開始計算B點的安全車速，此時，駕駛員的行駛車速應(yīng)小于或等于A點的安全車速，當攪拌運輸車行駛到容易側(cè)翻的B點時，那么汽車已經(jīng)處于B點所需的安全車速，從而有效地預(yù)防攪拌運輸車在危險轉(zhuǎn)彎工況B點的側(cè)翻。

汽車轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角一般在40°左右[8]，筆者研究取βmax=45°。當混凝土攪拌運輸車行駛在較小的彎道和直線行駛避讓行人或其它車輛時，其轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角較小，一般在10°以內(nèi)，在這種行駛條件下，攪拌運輸車在規(guī)定的行駛車速內(nèi)都是比較安全的， 不容易發(fā)生側(cè)翻，而較大轉(zhuǎn)彎時，攪拌車安全車速的計算才是筆者研究的重點，故取的起始角為10°，即外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角大于10°時，計算此刻的安全車速；綜合各方面因素，根據(jù)經(jīng)驗，暫取Δβ為10°作為文中理論研究的依據(jù)。

3 工程實例分析

攪拌車空載或滿載的重心位置通常是在樣機完成制作后，通過實測前、后軸荷要求調(diào)整后確定的。因此，當某款攪拌運輸車出廠后，其重心高度是已知的。以某實車為例進行分析說明，部分相關(guān)參數(shù)值為：質(zhì)心高度H0、H1分別為1 186、1 500，mm；穩(wěn)定幅B0、B1分別為1 072、1 081，mm；輪距K為2 065，mm；軸距L為4 535，mm；影響值e1，e2，e3，e4分別為53、36、76、254，mm；質(zhì)量G0、G1分別為12、31.2，t。

為了便于計算，設(shè)轉(zhuǎn)角傳感器所測的β值，β=14°，Δβ=10°。攪拌運輸車向左轉(zhuǎn)彎，β角即為外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角。

代入相關(guān)參數(shù)解得：R=11.15(m)。

攪拌運輸車向右轉(zhuǎn)彎，β則為內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角，根據(jù)式(5)阿克曼公式，代入相關(guān)參數(shù)解得外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角α=12.6(°) 。

同理，此時所對應(yīng)轉(zhuǎn)彎半徑R=11.79(m)。

代入相關(guān)參數(shù)解得V翻=35.8km/h。

同理解得空車右轉(zhuǎn)彎側(cè)翻臨界速度： V翻=36.8km/h。

關(guān)于安全車速的取值，目前尚無明確規(guī)定。在已了解到的V安取值中，有取70%V翻的，也有取80%V翻的，根據(jù)黃金切割取值原理建議V安取值采用V翻的76%左右為宜[1]，即：V安=76%V翻。

解得空車左轉(zhuǎn)彎的安全車速V安=27.2km/h。

空車右轉(zhuǎn)彎的安全車速V安=28.0km/h。

當重車左轉(zhuǎn)彎時：質(zhì)心偏移量e=-e1+e2+e3+e4，代入相關(guān)數(shù)據(jù)解得e=0.313m。

有效穩(wěn)定幅B重=B1-e；解得B重=0.768m，

同理，解得重車側(cè)翻臨界速度V翻=26.9km/h，

所對應(yīng)的安全車速V安=20.5km/h。

當重車右轉(zhuǎn)彎時：質(zhì)心偏移量e=e1-e2+e3+e4，代入相關(guān)數(shù)據(jù)解得e=0.347m。

同理解得有效穩(wěn)定幅B重=0.734m。重車側(cè)翻臨界速度：V翻=27.1km/h。

所對應(yīng)的安全車速：V安=20.6km/h。

4 虛擬儀器的設(shè)計

基于對某實車的理論計算分析，在LabView軟件開發(fā)環(huán)境下，設(shè)計出一款混凝土攪拌運輸車在轉(zhuǎn)彎過程中能實時計算安全車速的虛擬儀器。該虛擬儀器包括前面板的設(shè)計和后臺程序框圖的搭建，其中前面板包括有參數(shù)設(shè)置按鈕，控制按鈕，數(shù)據(jù)顯示按鈕等；程序框圖的搭建需要縝密的計算流程和邏輯關(guān)系，它以數(shù)據(jù)流的形式來檢驗其正確性，若程序中出現(xiàn)一點錯誤，數(shù)據(jù)流則停止，整個程序?qū)o法運行，前面板的數(shù)據(jù)將無法顯示。

在虛擬儀器的顯示界面下，可以根據(jù)不同型號的混凝土攪拌運輸車參數(shù)進行設(shè)置?？蛰d左轉(zhuǎn)彎、滿載右轉(zhuǎn)彎所對應(yīng)的前面板圖如圖5。

圖5 空載左轉(zhuǎn)彎滿載右轉(zhuǎn)彎時的前面板Fig.5 Front-panel diagram of left turn of truck with no load right turn of truck with full load

此時，行駛車速30 km/h大于此時的安全車速27.2 km/h,故顯示燈報警，顯示為紅色，引起駕駛員注意。

此時，行駛車速20 km/h小于此時的安全車速20.6 km/h，故汽車處于安全行駛狀態(tài)，顯示燈沒有發(fā)生報警，顯示為暗色。

所對應(yīng)的虛擬儀器程序框圖，如圖6。

圖6 空載左轉(zhuǎn)彎和滿載右轉(zhuǎn)彎時的程序框Fig.6 Program diagram of left turn of truck with no load and right turn of truck with full load

5 結(jié) 論

1)基于混凝土攪拌運輸車空、滿載側(cè)翻穩(wěn)定性分析，總結(jié)出轉(zhuǎn)彎工況下安全車速的計算方法。

2)基于混凝土攪拌運輸車工程實例分析，在LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境下，設(shè)計出安全車速的理論計算及預(yù)警系統(tǒng)。

3)虛擬儀器能完全地滿足理論分析的各種計算要求，與理論計算的結(jié)果完全一致。在配有轉(zhuǎn)角傳感器，車速傳感器，稱重傳感器的條件下，該儀器能比較智能地實時顯示混凝土攪拌運輸車在轉(zhuǎn)彎時的安全車速，并判斷其行駛車速是否在安全車速以下，從而確保轉(zhuǎn)彎時的行車安全。

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