营运货车抗侧翻稳定性试验质心位置影响

彭舶航　陈龙　何江李

摘要：在对营运货车进行抗侧翻稳定性试验过程中，车辆质心位置是营运货车性能的直接影响因素。通过仿真软件构建某一款营运货车整车模型，并验证了仿真模型的合理性。以定车速变转角试验工况为例，输入不同质心偏移位置，通过仿真模型研究质心位置对该货车的抗侧翻稳定性影响。结果表明，在同样的速度下，横向偏移量不变，车辆试验方向逆时针抗侧翻稳定性要比顺时针表现更好。在同样的速度下，不同的横向偏移在顺时针和逆时针抗侧翻稳定性不一样，表明质心位置的变化将直接影响营运货车抗侧翻稳定性能。

关键词：营运；抗侧翻；质心；影响

中图分类号：U467.1  收稿日期：2023-02-27

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.026

1 前言

通过近几年的营运货车交通事故形态分析可知，其大部分都與车辆质心参数相关。根据现行JT/T1178.1-2018《营运货车安全技术条件 第1部分：载货汽车》要求，载货汽车按照JT/T 884规定的方法进行满载试验状态下的抗侧翻稳定性试验，车辆质心处的向心加速度达到0.4g时车辆不应发生侧翻或侧滑[1]。在道路行驶过程中，车辆在转弯时侧翻的危害性极大，特别是混凝土搅拌运输车、罐式液体运输车等上装复杂的营运货车，在转弯时质心有偏移情况，司机如果驾驶懈怠，车速控制不合理，很容易导致侧翻事故[2]。

近几年，受新冠肺炎疫情的影响，国内基础设施建设速度有所放缓，加上国内排放等级切换和超限超载等政策的影响，国内营运货车市场在不断收紧。通过相关数据统计，近五年中国混凝土搅拌运输车的销量持续增长，如图1所示，混凝土搅拌运输车的较大市场空间将会使更多的主机厂不断进行技术升级，打造最佳性能产品。

本研究将以混凝土搅拌运输营运货车为例，模拟混凝土搅拌运输车抗侧翻稳定性试验的稳态圆周行驶工况，以定车速变转角试验的方法进行评价，采用动力学软件Trucksim进行仿真不同质心位置的工况仿真。

2 混凝土搅拌运输车质心位置影响

2.1 混凝土搅拌运输车结构特点

混凝土搅拌运输车以四轴总质量31 t为主，整车都是由二类底盘和搅拌专用装置组成，除了拥有汽车四大系统的二类底盘外，搅拌专用装置是混凝土搅拌运输车最主要的作业装置，包括取力装置、液压系统、减速机、操纵系统、搅拌筒、清洗系统等。搅拌筒是整车的重要组件，预制混凝土的装卸料、搅拌、运输都由其完成；装料后，搅拌筒从车辆后方观察以顺时针旋转开始搅拌，混凝土在搅拌筒内随着叶片不断移动，部分会沿着筒壁向下流动，同时由于混凝土的固有流体特性，材料互相之间有引力作用，导致车辆静态和动态下质心有偏移。另外，搅拌筒的设计参数，比如外形尺寸、倾斜角度、搅拌筒叶片形状和材质、搅拌速度等参数也是直接影响整车质心变化的。某种混凝土搅拌运输车的外观如图2所示。

2.2 抗侧翻稳定性影响因素分析

由于混凝土搅拌运输车特殊的工作原理，影响其抗侧翻稳定性的因素有很多，通过梳理主要原因如表1所示[3]。

通过各种混凝土搅拌运输车的交通事故形态分析，大部分事故形态都和质心相关，由于混凝土搅拌运输车的搅拌罐体特殊专用上装原因，其罐体的运动和设计参数是直接影响质心变化。不难得出，在进行JT/T 884抗侧翻稳定性试验过程中质心也是重要参考参数[4]，故重点考虑质心对混凝土搅拌运输车的抗侧翻稳定性能的影响。

3 营运货车仿真模型建立与验证

3.1 整车动力学建模

Trucksim是一款常见的仿真动力学软件，将样车基本参数和动力学等参数输入到该软件，可以构建转向系统、制动系统、传动系统等模型，然后开展道路性能测试仿真。本次建模采用四轴31 t的混凝搅拌运输车，部分参数如表2所示。

通过上述理论分析，混凝土搅拌运输车的整车模型中质心位置是很重要的参数，将直接影响抗侧翻稳定性的性能表现。整车采用几何容量为15.26 m?、动容量为7.88 m?的混凝土搅拌运输车罐体。在做试验时，搅拌罐体装载且转动情况下进行试验，在做仿真时也要考虑罐体转动时导致的质心偏移情况。由于该搅拌筒从车辆后方观察，作业时是顺时针旋转，罐体旋转时产生的轴向运动不会对侧翻稳定性产生影响，质心轴向偏移不作考虑[3]。故在建模时只考虑横向和纵向的静态质心偏移。设计参数罐体转动速度为3 m/min，横向偏移量与纵向偏移量的经验值分别为0.06 m和0.08 m，与相关研究基本一致[5]。在建立整车模型之前先构建一个8×4的专用车，然后在上装位置设置质心偏移模拟搅拌罐体动态过程进行仿真。为了验证仿真模型的合理性，对抗侧翻稳定性试验工况进行实测验证对比。

3.2 抗侧翻稳定性试验的验证

按照JT/T 884《营运车辆抗侧翻稳定性试验方法 稳态圆周试验》规定的方法，有两种试验方法对车辆抗侧翻稳定性进行评价。

a.定半径变车速试验。

试验过程即在固定的转弯半径路线下，先以较低车速保持车辆单元与目标轨迹在允许的偏差范围内行驶，开始测量试验车辆转弯的抗侧翻性能，然后提高车速以同样的方法试验进行多次试验。转弯半径最低为100 m，至少要完成三种不同转弯半径的试验数据。

b.定车速变转角试验。

试验过程即在固定的试验车速下，先以较小的方向盘角度开始试验，再增加方向盘转角继续试验，测量试验车辆转弯的抗侧翻性能。试验车速必须包括50 km/h，至少要完成三种不同试验车速的试验数据。

在这里随机选取定车速变转角的试验方法进行研究。采用定车速变转角试验方法时，试验速度至少包括50 km/h。所以选取车速为50 km/h的速度进行仿真验证，试验方向采用顺时针。将车速稳定在50 km/h时的行驶过程下的实测和仿真横向加速度数据进行对比分析，如图3所示。

通过对比发现，实测数据的侧向加速度由瞬时横摆角速度和前进瞬时车速乘积得来，原始数据波动较大，而仿真波动较小，因为仿真的整车模型车身和发动机等更加平顺，而且车况没有实际那么复杂。但是可以看出实测数据横向加速度波动的中间值和仿真数据很吻合，基本一致，表示该仿真模型用来仿真抗侧翻稳定性合理。同时，为了更好地表征抗侧翻稳定性的性能，下面将横摆角速度和是否侧翻作为评价指标用来分析。

4 质心位置对抗侧翻稳定性试验影响

4.1 不同质心偏移下的侧翻稳定性试验影响分析

由于不同的搅拌罐体转动速度产生的质心偏移情况不一样，不同的搅拌叶片、罐体尺寸等罐體结构在转动时产生的质心偏移情况不一样，另外不同密度的混凝土在罐体内转动时导致的质心偏移情况也不一样，研究质心偏移对混凝土搅拌运输车操纵稳定性的影响，通过设置不同的质心偏移模拟不同的罐体转动速度来研究抗侧翻稳定性试验影响。

当试验方向为顺时针，横向偏移不变时，在纵向偏移量为静态质心0.08 m上下调整0.01 m，增加5组试验。当纵向偏移量不变，在横向偏移量为静态质心0.06 m上下调整0.01 m，也增加五组试验。当试验方向为逆时针时增加的试验和顺时针同理。所有仿真试验设计方案和试验结果如表3。

通过表3分析可知，在同样的速度下，横向偏移量不变，纵向偏移量越大，顺时针和逆时针试验方向的横向加速度和横摆角速度峰值都在变大，抗侧翻稳定性越来越差。且顺时针的横向加速度和横摆角速度峰值都比逆时针大，逆时针抗侧翻稳定性要比顺时针表现更好，这是因为右旋转罐体质心偏移更有利于逆时针，逆时针的抗侧翻能力较逆时针要好。且在纵向位移0.05～0.1 m的变化范围内都未发生侧翻。

通过表3分析可知，在同样的速度下，不同的横向偏移在顺时针和逆时针抗侧翻稳定性不一样，逆时针下随着横向偏移增大，横向加速度和横摆角速度峰值减小，稳定性能越来越好。顺时针下随着横向偏移增大，横向加速度和横摆角速度峰值增大，稳定性能越来越差。但是在横向位移0.03～0.08 m的变化范围内顺时针和逆时针都未发生侧翻。

4.2 侧翻稳定性试验速度阈值分析

为了进一步研究抗侧翻试验的速度阈值，在横向位移0.06 m，纵向位移0.08 m时，不断提高仿真速度，以1 km/h为提升单位。顺时针在车速为54 km/h横向加速度达到0.36 g，此时由车轴的轮胎垂直反力为0，横摆角速度已经大于10 °/s，可以判断此时已经开始发生了侧翻形态。车速为54 km/h时的横向加速度、横摆角速度结果如图4、5所示。同样对逆时针进行提高仿真速度，得到的侧翻阈值为57 km/h，进而验证了上节所述右旋转罐体质心偏移更有利于逆时针，逆时针抗侧翻稳定性要比顺时针表现好。

5 结语

本文构建了混凝土搅拌运输营运货车仿真模型，模拟了质心偏移下的抗侧翻稳定性工况。以JT/T 884《营运车辆抗侧翻稳定性试验方法稳态圆周试验》标准中定车速变转角试验工况为例，分析得出在同样的速度下，横向偏移量不变，车辆试验方向逆时针抗侧翻稳定性要比顺时针表现更好。在同样的速度下，不同的横向偏移在顺时针和逆时针抗侧翻稳定性不一样，逆时针下随着横向偏移增大，稳定性能越来越好。顺时针下随着横向偏移增大，稳定性能越来越差。另外通过抗侧翻稳定性试验安全车速阈值分析，逆时针侧翻阈值比顺时针大。研究发现，针对不同营运货车在作业行驶过程中质心有偏移的情况下，质心位置的变化将直接影响营运货车抗侧翻稳定性能，要特别注意质心位置的变化给试验安全和行驶安全的影响。

参考文献：

[1]JT/T 1178.1-2018 营运货车安全技术条件 第1部分：载货汽车[S].

[2]杨晶晶基于TruckSim的客车侧翻影响因素研究[D]西安：长安大学，2019.

[3]周西河搅拌运输车防侧翻动力学分析及控制方法研究[D]重庆：重庆交通大学，2017.

[4]JT/T 884-2014 营运车辆抗侧翻稳定性试验方法稳态圆周试验[S].

[5]路文杰，高耀东，杨芙蓉混凝土搅拌运输车在水平路面运输时的转向速度分析计算[J]现代机械，2017（3）：68-70.

作者简介：

彭舶航，男，1992年生，助理工程师，研究方向为整车法规检测认证。