基于LabVIEW混凝土攪拌運(yùn)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(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

混凝土攪拌運(yùn)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(xiǎn)因素之一。此時(shí)，駕駛員只能靠對(duì)攪拌運(yùn)輸車性能熟悉程度的感知來(lái)確定攪拌車轉(zhuǎn)彎時(shí)的行駛車速。針對(duì)這種情況，筆者在基于LabView下，設(shè)計(jì)出攪拌車在轉(zhuǎn)彎工況下能實(shí)時(shí)計(jì)算所需安全車速的虛擬儀器，并把安全車速實(shí)時(shí)顯示在虛擬儀表盤上，給駕駛員一個(gè)及時(shí)、科學(xué)的參考標(biāo)準(zhǔn)；若此時(shí)駕駛員沒(méi)有把行駛車速降到安全車速以下，該系統(tǒng)同時(shí)會(huì)給出警報(bào)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(guó)道路車輛靠右行駛的規(guī)定，國(guó)內(nèi)大多數(shù)混凝土攪拌運(yùn)輸車在攪動(dòng)行駛作業(yè)時(shí)，攪拌筒旋轉(zhuǎn)方向?yàn)橛倚齕1]。故筆者以右旋車為研究對(duì)象。

以混凝土攪拌運(yùn)輸車空載時(shí)右轉(zhuǎn)彎為研究對(duì)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(shí)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(shí)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(diǎn)到一側(cè)輪胎側(cè)翻線的距離，m。

混凝土攪拌運(yùn)輸車滿載行駛的過(guò)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(huì)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(lái)不可忽略的影響[2]。下面以滿載左轉(zhuǎn)彎為研究對(duì)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(shí)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(shí)的半徑，m；B1—重車穩(wěn)定幅，即重車平地靜

止時(shí)質(zhì)心在地面上的投影點(diǎn)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(gè)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(jì)算，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得經(jīng)驗(yàn)數(shù)值來(lái)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(duì)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(shí)，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(shí)，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(diǎn)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(shí)刻所對(duì)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(gè)轉(zhuǎn)角傳感器，就能實(shí)時(shí)接收β值，此時(shí)，β值即為外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；但向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，β值為內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角。而汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，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(diǎn)之間的距離，也稱為輪距。

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

轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的自身特點(diǎn)，以及汽車的使用性能要求，其實(shí)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(shí)際轉(zhuǎn)角基本符合這一原則[5]。我國(guó)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T667—2010《混凝土攪拌運(yùn)輸車技術(shù)條件和實(shí)驗(yàn)方法》的第4.1.15條中明確規(guī)定：混凝土攪拌運(yùn)輸車攪拌行駛時(shí)，最高車速不得高于50 km/h[6]。在轉(zhuǎn)彎工況下車速遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(lái)度量的，通過(guò)彎道風(fēng)險(xiǎn)多，許多事故就發(fā)生在彎道上[7]。混凝土攪拌運(yùn)輸車在轉(zhuǎn)彎的整個(gè)過(guò)程中，當(dāng)車進(jìn)入彎道一小段距離，或外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角β大于某個(gè)值時(shí)，外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角會(huì)按β+Δβ計(jì)算，這樣會(huì)消除由于人的反應(yīng)遲滯和執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶來(lái)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(diǎn)的安全車速小于A點(diǎn)的安全車速。混凝土攪拌運(yùn)輸車處于A點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)算B點(diǎn)的安全車速，此時(shí)，駕駛員的行駛車速應(yīng)小于或等于A點(diǎn)的安全車速，當(dāng)攪拌運(yùn)輸車行駛到容易側(cè)翻的B點(diǎn)時(shí)，那么汽車已經(jīng)處于B點(diǎn)所需的安全車速，從而有效地預(yù)防攪拌運(yùn)輸車在危險(xiǎn)轉(zhuǎn)彎工況B點(diǎn)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(dāng)混凝土攪拌運(yùn)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(shí)，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(yùn)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(shí)，攪拌車安全車速的計(jì)算才是筆者研究的重點(diǎn)，故取的起始角為10°，即外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角大于10°時(shí)，計(jì)算此刻的安全車速；綜合各方面因素，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，暫取Δβ為10°作為文中理論研究的依據(jù)。

3 工程實(shí)例分析

攪拌車空載或滿載的重心位置通常是在樣機(jī)完成制作后，通過(guò)實(shí)測(cè)前、后軸荷要求調(diào)整后確定的。因此，當(dāng)某款攪拌運(yùn)輸車出廠后，其重心高度是已知的。以某實(shí)車為例進(jìn)行分析說(shuō)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(jì)算，設(shè)轉(zhuǎn)角傳感器所測(cè)的β值，β=14°，Δβ=10°。攪拌運(yùn)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(yùn)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(shí)所對(duì)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(wú)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(dāng)重車左轉(zhuǎn)彎時(shí)：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(duì)應(yīng)的安全車速V安=20.5km/h。

當(dāng)重車右轉(zhuǎn)彎時(shí)：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(duì)應(yīng)的安全車速：V安=20.6km/h。

4 虛擬儀器的設(shè)計(jì)

基于對(duì)某實(shí)車的理論計(jì)算分析，在LabView軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境下，設(shè)計(jì)出一款混凝土攪拌運(yùn)輸車在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中能實(shí)時(shí)計(jì)算安全車速的虛擬儀器。該虛擬儀器包括前面板的設(shè)計(jì)和后臺(tái)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(jì)算流程和邏輯關(guān)系，它以數(shù)據(jù)流的形式來(lái)檢驗(yàn)其正確性，若程序中出現(xiàn)一點(diǎn)錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)流則停止，整個(gè)程序?qū)o(wú)法運(yùn)行，前面板的數(shù)據(jù)將無(wú)法顯示。

在虛擬儀器的顯示界面下，可以根據(jù)不同型號(hào)的混凝土攪拌運(yùn)輸車參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。空載左轉(zhuǎn)彎、滿載右轉(zhuǎn)彎所對(duì)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(shí)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(shí)，行駛車速30 km/h大于此時(shí)的安全車速27.2 km/h,故顯示燈報(bào)警，顯示為紅色，引起駕駛員注意。

此時(shí)，行駛車速20 km/h小于此時(shí)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(méi)有發(fā)生報(bào)警，顯示為暗色。

所對(duì)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(shí)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(yùn)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(jì)算方法。

2)基于混凝土攪拌運(yùn)輸車工程實(shí)例分析，在LabVIEW虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境下，設(shè)計(jì)出安全車速的理論計(jì)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(jì)算要求，與理論計(jì)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(shí)時(shí)顯示混凝土攪拌運(yùn)輸車在轉(zhuǎn)彎時(shí)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(shí)的行車安全。

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