混凝土搅拌运输车转向安全车速新计算方法

2013-12-10黎邦权曹源文曹志坡

专用汽车 2013年2期

黎邦权曹源文曹志坡

LI Bang-quan et al

重庆交通大学机电与汽车工程学院重庆 400074

1 前言

混凝土搅拌运输车由于整车质心高，稳定性差，极易发生侧翻，此外，转弯时速度过快也是车辆发生侧翻的危险因素之一。车辆在高速转弯时，驾驶员只能凭借经验控制车辆转弯时的速度，如果速度下降得不够低，就会导致车辆发生侧翻；如果速度下降得过低，则不利于运输的经济性。此时，若能够获取安全车速并反馈给驾驶员，就能够确保行车的安全。因此，本文针对混凝土搅拌运输车在转弯工况下安全车速进行了理论分析研究，总结出了一种新的安全车速的计算方法，为以后的研究提供了理论基础。

根据我国道路车辆靠右行驶的规定，国内大多数混凝土搅拌运输车在搅动行驶作业时，搅拌筒旋转方向为右旋[1]，故本文以右旋车为研究对象。

2 空载侧翻稳定性分析

混凝土搅拌运输车罐体内无混凝土时为空载状态，后面简称空车。空车在转弯工况下，速度明显较低，此时外界条件对整车质心和稳定幅的影响较小，故暂不考虑。下面以混凝土搅拌运输车空载时右转弯为研究对象，其转弯示意图如图1所示。

式中，G0为空车时质心的位置；H0为空车质心的离地高度，m；V为空车行驶车速，m/s；R0为质心G0在转弯时的半径，m；g为重力加速度，m/s2；B0为空车稳定幅，即指空车质心在地面的投影点到一侧轮胎侧翻线的距离，m。

3 重载侧翻稳定性分析

混凝土搅拌运输车罐体内装满混凝土时为满载状态，后面简称重车。由于重车在行驶过程中，罐体必须旋转以防止混凝土发生离析甚至初凝等现象，这会导致整车质心发生偏移。在转弯工况下，质心的偏移必然会给汽车的安全性造成影响。下面以混凝土搅拌运输车满载时左转弯的工况为研究对象，其转弯示意图如图2所示。

图2中，G1为重车时质心的位置；H1为重车质心的离地高度，m；R1为质心G1在转弯时的半径，m；B1为重车稳定幅，即重车平地静止时质心在地面上的投影点到一侧轮胎侧翻线的距离，m。

影响重车稳定幅的因素主要有以下几个方面：

a. 混凝土的偏心力矩，设它对稳定幅的影响值为e1。

b. 路拱坡度iL= 2.5%，设它对稳定幅的影响值为e2。由坡度值可以求得坡度角θ=arctan(iL) ，而e2=H1×sinθ。

c. 轮胎变形，设对稳定幅的影响值为e3。

d. 侧翻临界状态瞬间（一侧轮胎对地压力为零）悬挂变形。设对稳定幅的影响值为e4。

上述e1、e3、e4的值与搅拌筒的转速、混凝土的性质、搅拌筒和叶片的参数等有关，难以确切计算，可根据实验所得出的经验数值来确定[2]。

根据侧翻临界速度公式：

式中，B重为重车的有效稳定幅；e为混凝土的偏心力矩、路拱坡度、轮胎变形、悬挂变形四因素对稳定幅的综合影响值，即质心的总偏移值。

那么，右旋车左转弯时，在离心力的作用下，向右侧翻瞬间的质心偏移量e=-e1+e2+e3+e4；右旋车右转弯时，在离心力的作用下，向右侧翻瞬间的质心偏移量e=e1-e2+e3+e4。

4 转弯半径和预转角的确定

4.1 转弯半径的确定

由转向中心到外转向轮与地面接触点的距离称为汽车的转弯半径[4]。理想情况下，转弯半径公式为：

可见，只需获取外侧转向轮的转角，就可以得出搅拌车在转弯时刻所对应的转弯半径。左转弯示意图如图3所示。

图3中，搅拌车处于左转弯状态，此时α为内侧转向轮转角，β为外侧转向轮转角。由此可知，为了计算转弯半径R，必须获得搅拌车的外侧转向轮转角的数值。那么，可以在搅拌车右侧转向轮的主销上固定一个转角传感器，就能实时接收β值。当混凝土搅拌运输车向左转弯时，β值即为外侧转向轮转角；当混凝土搅拌运输车向右转弯时，β值即为内侧转向轮转角。而当汽车在转弯时，其内、外转向轮的转角满足阿克曼原理，即:

式中，α为外侧转向轮转角；β为内侧转向轮转角；L为轴距；K为两前轮主销轴线与地面交点之间的距离，即轮距。

当混凝土搅拌运输车右转弯时，通过搅拌车右侧传感器接收到的β值，并用阿克曼公式进行计算，可得出外侧转向轮转角α值，从而计算出所对应的转弯半径。

因为转向梯形机构的自身特点以及汽车的使用性能要求，汽车实际的转角与阿克曼转角存在着一定的误差，而且不同类型的汽车其差值也略有不同[4]。但目前，在转弯车速不高的汽车上内外轮的实际转角基本符合这一原则。我国汽车行业标准QC/T 667-2010《混凝土搅拌运输车技术条件和试验方法》的第4.1.15条中明确规定：混凝土搅拌运输车搅拌行驶时，最高车速不得超过50 km/h，但高速公路允许达到60 km/h。在转弯工况下车速远远低于最高车速，显然满足阿克曼定理的要求[5]。

4.2 预转角的确定

道路弯道是指道路中心线呈曲线状态的路段，弯道是以曲线半径的大小来度量的，急弯是指道路中心线曲线半径小于50 m的路段。通过弯道风险多，许多事故就发生在弯道上[6]。混凝土搅拌运输车在转弯的整个过程中，当车进入弯道一小段距离或外侧转向轮转角β大于某个值时，计算外侧转向轮转角时应按照β+Δβ计算，这样会消除由于人的反应迟滞和执行机构导致的误差，并且能让搅拌车提前处于安全行驶状态。Δβ即为所设的预转角，其示意图如图4所示。

基于上面的理论分析，B点的安全车速小于A点的安全车速，即混凝土搅拌运输车处于A点时，计算B点的安全车速，此时驾驶员的行驶车速应小于或等于A点的安全车速，当搅拌运输车行驶到容易侧翻的B点时，那么汽车已经处于B点所需的安全车速，从而可有效地预防搅拌运输车在危险转弯工况B点发生侧翻。

转向轮的最大转角一般为40°左右[7]，本文研究取β =45°。

max当混凝土搅拌运输车行驶在较小的弯道或直线行驶避让行人或其它车辆时，其转向轮的转角较小，一般在10°以内，在这种行驶条件下，搅拌运输车在规定的行驶车速内都是比较安全的，不易发生侧翻，而较大转弯时，搅拌车安全车速的计算才是本文研究的重点，故本文取β的起始角为10°，即外侧转向轮转角大于10°时，计算此刻的安全车速。综合各方面因素，根据经验，暂取Δβ=10°。