混凝土攪拌運輸車操縱穩定性測試分析與評價研究

中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司 湖北武漢 430056

1 前言

混凝土攪拌運輸車作為運輸商品混凝土的專用工具，在基礎設施建設上發揮著巨大的作用。但由于混凝土攪拌運輸車的高質量和高質心，給道路安全帶來了非常大的隱患[1]。同時，混凝土攪拌運輸車生產企業多數無法生產底盤，只能使用普通的載貨汽車底盤，因此由普通載貨汽車底盤加裝攪拌罐形成的整車無法保證行駛安全。為了提高道路車輛的安全性和行駛穩定性，交通運輸部公路科學研究院針對此現象制定了JT/T 1178.1-2018《 營運貨車安全技術條件 第1 部分：載貨汽車》。考慮到貨車生產企業在產品開發和工程驗證時，對整車操縱穩定性的匹配和研究程度不同，標準僅對整車的不足轉向度、瞬態行駛穩定性以及抗側翻穩定性提出了技術要求。

對于混凝土攪拌運輸車而言，滿載狀態的整車試驗具有一定的危險性。文中首先對基于側傾的三自由度模型進行數值分析和仿真，分析不同結構參數對整車操縱穩定性的影響，為整車操穩性能的開發和設計提供理論基礎，然后通過混凝土攪拌運輸車的試驗數據對試驗結果進行分析和總結。

2 考慮側傾的整車三自由度模型

2.1 三自由度運動方程

通過車輛側傾運動所受的外力和慣性力可以推出運動學方程[2]：

2.2 運動方程求解

首先對方程(1)進行降階處理，并使用龍格庫塔方法進行求解，模型的初始參數及含義如表1所示。

表1 三自由度模型參數表

根據表1中的參數值編寫相應的計算機程序，計算界面如圖1所示。

圖1 自由度車輛模型仿真界面

當車速為100 km/h，輸入轉角為單位階躍信號時，按照之前所述的方法，將模型參數代入仿真界面中，求出了橫擺角速度、質心側偏角以及側傾角的響應特性曲線和響應參數。具體響應曲線如圖2～5所示。

根據橫擺角速度響應曲線，可以求得整車的不足轉向度，根據不足轉向度的公式有：

式中，δ為輸入轉角；R為轉彎半徑，R=V/r；r為穩態橫擺角速度；V為車輛縱向速度；L為軸距；K為不足轉向度。

從仿真結果可以確定，輸入轉角δ=1.0°，穩態橫擺角速度r=0.032 rad/s，車輛縱向速度V=100 km/h，軸距L=3.72 m，通過計算得到不足轉向度K=0.848 7°/(m/s2)。由于K＞0，說明該模型具有不足轉向特性，根據混凝土攪拌運輸車不足轉向度的統計范圍為0.1 7～0.8 5 (°)/(m/s2)，可知該模型的不足轉向度在合理范圍內。而穩態側傾角僅為0.01°，體現了整車前后軸的側傾剛度很大，抗側傾的能力很強。整車質心側向加速度響應時間為1.25 s（第一次達到響應穩態值的90%時間），各類現有混凝土攪拌運輸車的側向加速度響應時間為0.28～0.78 s，該模型的響應時間較大，說明該模型在模擬瞬態響應時還需要考慮更多的因素（側向力力變形轉向、側向力變形外傾系數、回正力矩變形轉向系數、回正力矩變形外傾系數等）。

3 混凝土攪拌運輸車操縱穩定性測試與評價

3.1 試驗內容簡介

根據JT/T 1178.1-2018、GB/T 6323-2014、QC/T 480以及JT/T 884標準中所規定的試驗要求，采用蛇形試驗、穩態回轉試驗以及抗側翻穩定性試驗作為混凝土攪拌運輸車操縱穩定性能測試項目。該測試項目主要考察整車瞬態行駛穩定性和抗側翻穩定性。

圖2 車身側傾角

圖3 質心側偏角

圖4 側向加速度

圖5 橫擺角速度

GB/T 6323-2014《汽車操縱穩定性試驗方法》第5章對貨車的試驗條件和方法進行了規定，試驗車速以基準車速的1/2并四舍五入為10的整數倍，以該車速穩定直線行駛，在進入試驗區域前記錄測量參數的零位，按照圖6所示的路線進行試驗，記錄測量參數的時間歷程曲線。

圖6 蛇形試驗標樁布置及行駛路徑圖

穩態回轉試驗的目的是測量汽車的穩態轉向性能，判斷車輛屬于何種轉向特性（不足、過度、中性轉向）。試驗時，駕駛員操縱汽車以最低穩定速度沿所畫圓周行駛，轉彎半徑為15 m，待傳感器對準圓周時，固定方向盤不動，停車開始記錄，然后汽車開始起步，初始車速為10 km/h，行駛3 s后開始緩慢連續加速，直至側向加速度達到6.5 m/s2或者車輛出現不穩定狀態為止。

GB 18565-2016規定了滿載貨車在沿特定的曲線勻速行駛時，車輛質心處的向心加速度到0.4g時車輛不發生側翻或者側滑。JT/T 884-2014標準中規定了兩種試驗工況：定半徑變車速和定車速變轉角試驗。考慮到定半徑需包含半徑100 m的標準路線，對試驗場地要求較高，因此文中選擇定車速變轉角的試驗工況。

3.2 測試設備及車輛條件

目前混凝土攪拌運輸車操縱穩定性測試所需設備主要有：（a）某品牌傳感器和方向盤適配器：用于非接觸式測量轉向力矩、轉向角和轉角速度；（b）某品牌陀螺儀；（c）某品牌數據采集系統，采集方向盤轉角、力矩以及陀螺儀的整車運動狀態參數（橫擺角速度、側向加速度、車速、車身側傾角等）。

測試車輛為混凝土攪拌運輸車，滿載狀態（包括駕駛員、檢測人員、試驗設備以及防側翻支架）。測試場地分為直線性能路和直徑160 m的動態廣場。試驗設備及測試車輛狀態如圖7所示。

圖7 操縱穩定性測試設備及測試車輛

3.3 測試結果及分析

3.3.1 蛇形試驗

根據GB/T 6323-2014的標準要求，蛇形試驗進行過程中需要對整車橫擺角速度、轉向盤轉角、車身側傾角以及側向加速度進行采集，以50 km/h的車速為例，采集到的原始數據如圖8所示。

圖8 車速50km/h時車輛運動狀態參數

通過數據需要對橫擺角速度和側向加速度進行濾波處理，使用巴特沃斯低通濾波器對這兩個參數進行低通濾波，濾波器的具體參數設置根據實際情況進行。然后確定車速對應的平均橫擺角速度、平均方向盤轉角、平均側向加速度以及平均車身側傾角。最后擬合各個運動參數與車速的關系圖。某典型的混凝土攪拌運輸車的蛇形試驗處理數據如圖9所示。

圖9 某典型混凝土攪拌運輸車蛇形試驗結果

依據QC/T 480-1999對混凝土攪拌運輸車的平均橫擺角速度峰值與平均轉向盤轉角峰值進行評分，根據下列公式可得：

式中,Nr為平均橫擺角速度峰值的評價計分值；Nθ為平均轉向盤轉角峰值的評價計分值；Ns為蛇行試驗的綜合評價計分值；r60為平均橫擺角速度峰值的下限值；θ60為平均轉向盤轉角峰值的下限值；r100位平均橫擺角速度峰值的上限值；θ100為平均轉向盤轉角峰值的上限值；r為基準車速平均橫擺角速度峰值的試驗值/s。θ為基準車速下平均轉向盤轉角峰值的試驗值。

計算蛇形評分Ns=90.24，滿足標準要求。

3.3.2 穩態回轉試驗

在進行穩態回轉試驗時，對橫擺角速度、車身前進速度以及車身側傾角等相關車輛運動狀態參數進行采集。然后根據采集的數據進行處理，得到轉彎半徑比和前后軸側偏角差值。具體的計算方法見公式6、7。

式中，Rk為第k點轉彎半徑，m；vk為第k點車速瞬時值，m/s；rk為第k點橫擺角速度瞬時值，（°）/s；δ1、δ2為前后軸側偏角,（°）；L為車輛軸距，m。

計算和處理之后的轉彎半徑比、前后軸側偏角差值以及車身側傾角與側向加速度之間的關系曲線及擬合曲線如圖10所示。

根據標準要求，通過試驗結果確定中性轉向點的側向加速度an、 不足轉向度U、車身側傾度Kφ。具體試驗結果如表2所示。

3.3.3 抗側翻穩定性試驗

抗側翻穩定性試驗有兩種試驗方法：定半徑變車速和定車速變轉向角。文中采用定車速變轉向角方法對車輛的抗側翻穩定性試驗和評價。在對試驗數據進行采集的過程中，盡可能保持轉向盤位置和車速穩定，當車輛的向心加速度穩定后，采集數據，數據采集時間至少保持3 s，同時向心加速度的標準偏差不應超過0.25 m/s2，左轉右轉都應進行數據采集。

圖10 某典型混凝土攪拌運輸車穩態回轉試驗結果

表2 穩態回轉試驗結果

圖11 某典型混凝土攪拌運輸車抗側翻穩定性試驗結果

主要對轉向盤轉角、車身側傾角、轉向盤力矩以及向心加速度進行采集，由于采集的原始數據波動較大，無法進行相應的數據計算，因此對各個參數進行了不同程度的曲線擬合，以左轉為例，圖11為抗側翻穩定性試驗的試驗及擬合數據。由于方向盤轉角數據波動較小，不必進行數據擬合，故采用原始數據。

按照標準要求，變化率作為主要評價指標對抗側翻穩定性進行評價，主要計算不足專項變化率和穩定性變化率。對于兩軸汽車的不足轉向變化率為前輪轉角變化率和動態轉角變化率的差值，即：

式中，η為單體兩軸汽車的不足轉向變化率；ac為向心加速度，m/s2；為動態轉角，等于軸距除以軌跡半徑；is為轉向系角傳動比，傳動比包括試驗過程中的轉向盤轉角范圍對應的傳動比。

圖12 函數值δH / is- l/R與ac的數據點及擬合的曲線

由于不足轉向變化率是向心加速度的函數，繪制函數值δH/is-l/R與ac的數據點，并擬合成平滑的曲線，由曲線擬合方程的微分確定變化率。圖12為函數值δH/is-l/R與ac的數據點。

根據以下規則判定車輛的穩態圓周轉向特性：

a.變化率為正值時為不足轉向；

b.變化率為零時為中性轉向；

c.變化率為負值為過度轉向。

由于擬合的方程為：

根據該方程確定變化率：當向心加速度大于3.56 m/s2的時候，變化率為正，車輛為不足轉向；當向心加速度小于3.56 m/s2的時候，變化率為負，車輛為過度轉向。這種判定方法涉及到大量的數據擬合和原始數據的處理，不同的擬合方法和處理程度都會導致變化率的巨大差別，因此JT/T 1178.1-2018中對抗側翻穩定性的評價簡化為車輛向心加速度達到4 m/s2，這樣可以避免繁瑣的數據處理過程及其誤差，可對試驗數據進行直接判定。

4 結語

文中對混凝土攪拌運輸車的操縱穩定性試驗進行了簡單介紹，并歸納了相關的測試注意事項：測試設備的準確度、測試場地的安全度、輔助設備的可靠度等不同的方面。然后重點對營運貨車安全技術條件中要求的工況：蛇形試驗、穩態回轉試驗以及抗側翻穩定性試驗三種試驗工況的數據采集和處理分析進行了闡述，為混凝土攪拌運輸車的操縱穩定性評價提供了參考和依據。