營運(yùn)貨車抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)質(zhì)心位置影響

彭舶航　陳龍　何江李

摘要：在對營運(yùn)貨車進(jìn)行抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)過程中，車輛質(zhì)心位置是營運(yùn)貨車性能的直接影響因素。通過仿真軟件構(gòu)建某一款營運(yùn)貨車整車模型，并驗(yàn)證了仿真模型的合理性。以定車速變轉(zhuǎn)角試驗(yàn)工況為例，輸入不同質(zhì)心偏移位置，通過仿真模型研究質(zhì)心位置對該貨車的抗側(cè)翻穩(wěn)定性影響。結(jié)果表明，在同樣的速度下，橫向偏移量不變，車輛試驗(yàn)方向逆時(shí)針抗側(cè)翻穩(wěn)定性要比順時(shí)針表現(xiàn)更好。在同樣的速度下，不同的橫向偏移在順時(shí)針和逆時(shí)針抗側(cè)翻穩(wěn)定性不一樣，表明質(zhì)心位置的變化將直接影響營運(yùn)貨車抗側(cè)翻穩(wěn)定性能。

關(guān)鍵詞：營運(yùn)；抗側(cè)翻；質(zhì)心；影響

中圖分類號(hào)：U467.1? 收稿日期：2023-02-27

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.026

1 前言

通過近幾年的營運(yùn)貨車交通事故形態(tài)分析可知，其大部分都與車輛質(zhì)心參數(shù)相關(guān)。根據(jù)現(xiàn)行JT/T1178.1-2018《營運(yùn)貨車安全技術(shù)條件 第1部分：載貨汽車》要求，載貨汽車按照J(rèn)T/T 884規(guī)定的方法進(jìn)行滿載試驗(yàn)狀態(tài)下的抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)，車輛質(zhì)心處的向心加速度達(dá)到0.4g時(shí)車輛不應(yīng)發(fā)生側(cè)翻或側(cè)滑[1]。在道路行駛過程中，車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)翻的危害性極大，特別是混凝土攪拌運(yùn)輸車、罐式液體運(yùn)輸車等上裝復(fù)雜的營運(yùn)貨車，在轉(zhuǎn)彎時(shí)質(zhì)心有偏移情況，司機(jī)如果駕駛懈怠，車速控制不合理，很容易導(dǎo)致側(cè)翻事故[2]。

近幾年，受新冠肺炎疫情的影響，國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度有所放緩，加上國內(nèi)排放等級切換和超限超載等政策的影響，國內(nèi)營運(yùn)貨車市場在不斷收緊。通過相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，近五年中國混凝土攪拌運(yùn)輸車的銷量持續(xù)增長，如圖1所示，混凝土攪拌運(yùn)輸車的較大市場空間將會(huì)使更多的主機(jī)廠不斷進(jìn)行技術(shù)升級，打造最佳性能產(chǎn)品。

本研究將以混凝土攪拌運(yùn)輸營運(yùn)貨車為例，模擬混凝土攪拌運(yùn)輸車抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)的穩(wěn)態(tài)圓周行駛工況，以定車速變轉(zhuǎn)角試驗(yàn)的方法進(jìn)行評價(jià)，采用動(dòng)力學(xué)軟件Trucksim進(jìn)行仿真不同質(zhì)心位置的工況仿真。

2 混凝土攪拌運(yùn)輸車質(zhì)心位置影響

2.1 混凝土攪拌運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

混凝土攪拌運(yùn)輸車以四軸總質(zhì)量31 t為主，整車都是由二類底盤和攪拌專用裝置組成，除了擁有汽車四大系統(tǒng)的二類底盤外，攪拌專用裝置是混凝土攪拌運(yùn)輸車最主要的作業(yè)裝置，包括取力裝置、液壓系統(tǒng)、減速機(jī)、操縱系統(tǒng)、攪拌筒、清洗系統(tǒng)等。攪拌筒是整車的重要組件，預(yù)制混凝土的裝卸料、攪拌、運(yùn)輸都由其完成；裝料后，攪拌筒從車輛后方觀察以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)開始攪拌，混凝土在攪拌筒內(nèi)隨著葉片不斷移動(dòng)，部分會(huì)沿著筒壁向下流動(dòng)，同時(shí)由于混凝土的固有流體特性，材料互相之間有引力作用，導(dǎo)致車輛靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下質(zhì)心有偏移。另外，攪拌筒的設(shè)計(jì)參數(shù)，比如外形尺寸、傾斜角度、攪拌筒葉片形狀和材質(zhì)、攪拌速度等參數(shù)也是直接影響整車質(zhì)心變化的。某種混凝土攪拌運(yùn)輸車的外觀如圖2所示。

2.2 抗側(cè)翻穩(wěn)定性影響因素分析

由于混凝土攪拌運(yùn)輸車特殊的工作原理，影響其抗側(cè)翻穩(wěn)定性的因素有很多，通過梳理主要原因如表1所示[3]。

通過各種混凝土攪拌運(yùn)輸車的交通事故形態(tài)分析，大部分事故形態(tài)都和質(zhì)心相關(guān)，由于混凝土攪拌運(yùn)輸車的攪拌罐體特殊專用上裝原因，其罐體的運(yùn)動(dòng)和設(shè)計(jì)參數(shù)是直接影響質(zhì)心變化。不難得出，在進(jìn)行JT/T 884抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)過程中質(zhì)心也是重要參考參數(shù)[4]，故重點(diǎn)考慮質(zhì)心對混凝土攪拌運(yùn)輸車的抗側(cè)翻穩(wěn)定性能的影響。

3 營運(yùn)貨車仿真模型建立與驗(yàn)證

3.1 整車動(dòng)力學(xué)建模

Trucksim是一款常見的仿真動(dòng)力學(xué)軟件，將樣車基本參數(shù)和動(dòng)力學(xué)等參數(shù)輸入到該軟件，可以構(gòu)建轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等模型，然后開展道路性能測試仿真。本次建模采用四軸31 t的混凝攪拌運(yùn)輸車，部分參數(shù)如表2所示。

通過上述理論分析，混凝土攪拌運(yùn)輸車的整車模型中質(zhì)心位置是很重要的參數(shù)，將直接影響抗側(cè)翻穩(wěn)定性的性能表現(xiàn)。整車采用幾何容量為15.26 m?、動(dòng)容量為7.88 m?的混凝土攪拌運(yùn)輸車罐體。在做試驗(yàn)時(shí)，攪拌罐體裝載且轉(zhuǎn)動(dòng)情況下進(jìn)行試驗(yàn)，在做仿真時(shí)也要考慮罐體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)致的質(zhì)心偏移情況。由于該攪拌筒從車輛后方觀察，作業(yè)時(shí)是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，罐體旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的軸向運(yùn)動(dòng)不會(huì)對側(cè)翻穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，質(zhì)心軸向偏移不作考慮[3]。故在建模時(shí)只考慮橫向和縱向的靜態(tài)質(zhì)心偏移。設(shè)計(jì)參數(shù)罐體轉(zhuǎn)動(dòng)速度為3 m/min，橫向偏移量與縱向偏移量的經(jīng)驗(yàn)值分別為0.06 m和0.08 m，與相關(guān)研究基本一致[5]。在建立整車模型之前先構(gòu)建一個(gè)8×4的專用車，然后在上裝位置設(shè)置質(zhì)心偏移模擬攪拌罐體動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真。為了驗(yàn)證仿真模型的合理性，對抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)工況進(jìn)行實(shí)測驗(yàn)證對比。

3.2 抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)的驗(yàn)證

按照J(rèn)T/T 884《營運(yùn)車輛抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)方法 穩(wěn)態(tài)圓周試驗(yàn)》規(guī)定的方法，有兩種試驗(yàn)方法對車輛抗側(cè)翻穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。

a.定半徑變車速試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程即在固定的轉(zhuǎn)彎半徑路線下，先以較低車速保持車輛單元與目標(biāo)軌跡在允許的偏差范圍內(nèi)行駛，開始測量試驗(yàn)車輛轉(zhuǎn)彎的抗側(cè)翻性能，然后提高車速以同樣的方法試驗(yàn)進(jìn)行多次試驗(yàn)。轉(zhuǎn)彎半徑最低為100 m，至少要完成三種不同轉(zhuǎn)彎半徑的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

b.定車速變轉(zhuǎn)角試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程即在固定的試驗(yàn)車速下，先以較小的方向盤角度開始試驗(yàn)，再增加方向盤轉(zhuǎn)角繼續(xù)試驗(yàn)，測量試驗(yàn)車輛轉(zhuǎn)彎的抗側(cè)翻性能。試驗(yàn)車速必須包括50 km/h，至少要完成三種不同試驗(yàn)車速的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在這里隨機(jī)選取定車速變轉(zhuǎn)角的試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。采用定車速變轉(zhuǎn)角試驗(yàn)方法時(shí)，試驗(yàn)速度至少包括50 km/h。所以選取車速為50 km/h的速度進(jìn)行仿真驗(yàn)證，試驗(yàn)方向采用順時(shí)針。將車速穩(wěn)定在50 km/h時(shí)的行駛過程下的實(shí)測和仿真橫向加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，如圖3所示。

通過對比發(fā)現(xiàn)，實(shí)測數(shù)據(jù)的側(cè)向加速度由瞬時(shí)橫擺角速度和前進(jìn)瞬時(shí)車速乘積得來，原始數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，而仿真波動(dòng)較小，因?yàn)榉抡娴恼嚹Ｐ蛙嚿砗桶l(fā)動(dòng)機(jī)等更加平順，而且車況沒有實(shí)際那么復(fù)雜。但是可以看出實(shí)測數(shù)據(jù)橫向加速度波動(dòng)的中間值和仿真數(shù)據(jù)很吻合，基本一致，表示該仿真模型用來仿真抗側(cè)翻穩(wěn)定性合理。同時(shí)，為了更好地表征抗側(cè)翻穩(wěn)定性的性能，下面將橫擺角速度和是否側(cè)翻作為評價(jià)指標(biāo)用來分析。

4 質(zhì)心位置對抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)影響

4.1 不同質(zhì)心偏移下的側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)影響分析

由于不同的攪拌罐體轉(zhuǎn)動(dòng)速度產(chǎn)生的質(zhì)心偏移情況不一樣，不同的攪拌葉片、罐體尺寸等罐體結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)心偏移情況不一樣，另外不同密度的混凝土在罐體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)致的質(zhì)心偏移情況也不一樣，研究質(zhì)心偏移對混凝土攪拌運(yùn)輸車操縱穩(wěn)定性的影響，通過設(shè)置不同的質(zhì)心偏移模擬不同的罐體轉(zhuǎn)動(dòng)速度來研究抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)影響。

當(dāng)試驗(yàn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，橫向偏移不變時(shí)，在縱向偏移量為靜態(tài)質(zhì)心0.08 m上下調(diào)整0.01 m，增加5組試驗(yàn)。當(dāng)縱向偏移量不變，在橫向偏移量為靜態(tài)質(zhì)心0.06 m上下調(diào)整0.01 m，也增加五組試驗(yàn)。當(dāng)試驗(yàn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針時(shí)增加的試驗(yàn)和順時(shí)針同理。所有仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表3。

通過表3分析可知，在同樣的速度下，橫向偏移量不變，縱向偏移量越大，順時(shí)針和逆時(shí)針試驗(yàn)方向的橫向加速度和橫擺角速度峰值都在變大，抗側(cè)翻穩(wěn)定性越來越差。且順時(shí)針的橫向加速度和橫擺角速度峰值都比逆時(shí)針大，逆時(shí)針抗側(cè)翻穩(wěn)定性要比順時(shí)針表現(xiàn)更好，這是因?yàn)橛倚D(zhuǎn)罐體質(zhì)心偏移更有利于逆時(shí)針，逆時(shí)針的抗側(cè)翻能力較逆時(shí)針要好。且在縱向位移0.05～0.1 m的變化范圍內(nèi)都未發(fā)生側(cè)翻。

通過表3分析可知，在同樣的速度下，不同的橫向偏移在順時(shí)針和逆時(shí)針抗側(cè)翻穩(wěn)定性不一樣，逆時(shí)針下隨著橫向偏移增大，橫向加速度和橫擺角速度峰值減小，穩(wěn)定性能越來越好。順時(shí)針下隨著橫向偏移增大，橫向加速度和橫擺角速度峰值增大，穩(wěn)定性能越來越差。但是在橫向位移0.03～0.08 m的變化范圍內(nèi)順時(shí)針和逆時(shí)針都未發(fā)生側(cè)翻。

4.2 側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)速度閾值分析

為了進(jìn)一步研究抗側(cè)翻試驗(yàn)的速度閾值，在橫向位移0.06 m，縱向位移0.08 m時(shí)，不斷提高仿真速度，以1 km/h為提升單位。順時(shí)針在車速為54 km/h橫向加速度達(dá)到0.36 g，此時(shí)由車軸的輪胎垂直反力為0，橫擺角速度已經(jīng)大于10 °/s，可以判斷此時(shí)已經(jīng)開始發(fā)生了側(cè)翻形態(tài)。車速為54 km/h時(shí)的橫向加速度、橫擺角速度結(jié)果如圖4、5所示。同樣對逆時(shí)針進(jìn)行提高仿真速度，得到的側(cè)翻閾值為57 km/h，進(jìn)而驗(yàn)證了上節(jié)所述右旋轉(zhuǎn)罐體質(zhì)心偏移更有利于逆時(shí)針，逆時(shí)針抗側(cè)翻穩(wěn)定性要比順時(shí)針表現(xiàn)好。

5 結(jié)語

本文構(gòu)建了混凝土攪拌運(yùn)輸營運(yùn)貨車仿真模型，模擬了質(zhì)心偏移下的抗側(cè)翻穩(wěn)定性工況。以JT/T 884《營運(yùn)車輛抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)方法穩(wěn)態(tài)圓周試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)中定車速變轉(zhuǎn)角試驗(yàn)工況為例，分析得出在同樣的速度下，橫向偏移量不變，車輛試驗(yàn)方向逆時(shí)針抗側(cè)翻穩(wěn)定性要比順時(shí)針表現(xiàn)更好。在同樣的速度下，不同的橫向偏移在順時(shí)針和逆時(shí)針抗側(cè)翻穩(wěn)定性不一樣，逆時(shí)針下隨著橫向偏移增大，穩(wěn)定性能越來越好。順時(shí)針下隨著橫向偏移增大，穩(wěn)定性能越來越差。另外通過抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)安全車速閾值分析，逆時(shí)針側(cè)翻閾值比順時(shí)針大。研究發(fā)現(xiàn)，針對不同營運(yùn)貨車在作業(yè)行駛過程中質(zhì)心有偏移的情況下，質(zhì)心位置的變化將直接影響營運(yùn)貨車抗側(cè)翻穩(wěn)定性能，要特別注意質(zhì)心位置的變化給試驗(yàn)安全和行駛安全的影響。

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作者簡介：

彭舶航，男，1992年生，助理工程師，研究方向?yàn)檎嚪ㄒ?guī)檢測認(rèn)證。