基于新能源洗扫车行驶稳定性的设计分析与发展路径探讨

刘馨泽洋　高堃

摘 要：新能源洗扫车是当前进行路面机械化清洁降尘作业的主要工具。为提升新能源洗扫车行驶的稳定性，本文以新能源洗扫车为主要研究对象，在对当前影响汽车行驶稳定性的主要因素进行简单介绍之后，着重基于新能源洗扫车的运行情况，对设计新能源洗扫车行驶稳定性的方案步骤进行分析，希望能够为提升新能源汽车的设计水平，保障清洁作业的开展效果提供借鉴。

关键词：新能源洗扫车 行驶稳定性 汽车稳定性设计

1 前言

新能源为当前的汽车设计优化提供了新的思路，以电能、天然气等作为汽车行驶的主要驱动力，对促进社会整体的可持续发展具有重要的意义。当前城市发展中道路类型的多样化发展趋势，对道路路面的清洁工作也提出了更高的要求。应用新能源洗扫车，能够在满足大量道路清洁作业需求的同时，降低车辆行驶消耗的资源，也能够有效减轻环境污染，对新能源洗扫车的行驶稳定性进行优化设计，对提升汽车设计的质量效果具有重要的作用。

2 影响新能源洗扫车行驶稳定性的主要因素

2.1 汽车稳定性系数

对新能源洗扫车行驶稳定性的研究，应首先基于一般情况下影响车行驶稳定性的因素进行分析。汽车在直线、变道以及弯道行驶中是否能够保持稳定性状态，会受到路面坑洼、横向风、横摆运动等因素的影响。从汽车设计的角度，在发生以上运动的情况下，汽车方向盘输入以及对汽车整体结构稳定性所产生的干扰量，汽车对于各类扰动情况的敏感度，都会直接影响到汽车的稳定性[1]。其中，汽车的抗扰动能力主要可以用汽车稳定性系数来表示。

汽车稳定性系数能够通过衡量车辆前后轴响应制能力是否处于平衡的状态，明确车辆行驶状态下不足转向度的大小。在这一过程中还会涉及到汽车横摆角速度共振频率这一概念，共振频率主要是指车辆在行驶状态下能够承受的转向操作激烈程度，在汽车处于行驶状态下所产生的共振情况，能够将其用于衡量汽车行驶的稳定性[2]。在实际进行汽车行驶稳定性的设计时，主要应用以下公式来表示汽车的稳定性系数：

在该式中，代表汽车质量，单位为kg；代表轴距，单位为m；代表汽车质心到前轴的距离，单位为m；代表汽车质心到后轴的距离，单位为m；代表前轴侧偏刚度，单位为N/deg；代表后轴侧偏刚度，单位为N/neg。

2.2 车体刚度

结合汽车的行驶状态来看，在驾驶员驱动汽车方向盘进行相关动作时，由于汽车行驶状态、行驶速度等方面的变化，车体会发生变形，进而导致轮胎位置以及汽车行驶方向的改变[3]。轮胎产生的力也会随之变动，进而对汽车行驶稳定性产生影响。引入汽车车体刚度这一概念来衡量汽车在变形情况下的扭转和横向弯曲状态，能够为研究车辆行驶的稳定性提供更为确切的依据。

车体刚度通常分为车体扭转刚性以及车体横向弯曲刚性两个具体的方面。以车体扭转刚性为例，车体扭转刚性主要会受到车辆减震器安装点截面的扭转角度影响，在车辆前后减震器之间的扭转刚度一定的情况下，车辆前后减震器的横向距离与车体扭转刚性之间能够呈现出正相关的关系。而考虑到汽车本身的质量越大，在行驶中汽车质量施加给车体的压力也就越大，使得汽车的轴距越长。因而在对汽车行驶稳定性进行设计时，需要在结合新能源洗扫车车型设定的扭转刚性值标准基础上，借助以下公式来实现对于汽车扭转刚性的目标设定：

在该式中，代表设计车辆的车身扭转刚性，单位为Nm^2/deg；代表设计车辆标准的扭转刚性，单位为Nm^2/deg；代表設计车辆的标准质量，单位为kg；代表设计车辆的标准轴距，单位为mm；代表设计车辆的质量，单位为kg；为设计车辆的轴距，单位为mm。

2.3 汽车空气动力学特性

空气动力学特性主要是从汽车行驶中产生的空气流动现象出发，基于空气动力的作用原理，在汽车行驶中受到空气动力影响所产生的各种特性。从汽车行驶稳定性的角度进行考虑，汽车行驶中产生的升力、侧向力、侧倾力矩以及横摆力矩，是影响汽车行驶稳定性的主要内容。

结合汽车行驶的实际情况，对于洗扫车这类具有特殊用途的车辆而言，车辆行驶中产生的侧向力侧倾力矩以及横摆力矩，会直接影响到车辆行驶的稳定性效果。这些指标主要是指在汽车受到自然风影响的情况下，当汽车的行驶方向与自然风方向相反时，就会产生侧向风，在相应指标超过汽车设计的标准值之后，很容易导致汽车在行驶中发生倾翻、滑移、侧滑等事故[4]。基于此，为探讨新能源洗澡车行驶稳定性的设计方法，需要在明确车辆整体结构设计情况的前提下，重点考虑汽车在横纵向行驶过程中受到空气动力学特征影响的情况。

3 新能源洗扫车行驶稳定性的设计分析

3.1 不同状态下的汽车重心位置计算

汽车重心位置是决定汽车行驶稳定性的重要因素，在对洗扫车进行新能源改装的过程中，应考虑汽车处于不同行驶状态，会导致实际的汽车重心位置发生变化，因而对于汽车重心位置的确定，应模拟洗扫车在实际作业过程中产生的不同状态。

具体而言，在对不同状态下的汽车中心位置进行计算时，需要重点考虑车辆轴荷分配的情况是否能够满足保持汽车平衡状态的需求。其中，汽车前轴的轴荷应超过车辆总质量的20%以上[5]。在左右轴荷方面也应将偏差控制在3%以内。考虑到洗扫车本身安装有刷盘、吸盘、高压冲水架、水箱以及垃圾箱等特殊配置，基于保障车辆行驶稳定性与安全性的目的，需要在尽可能保证车轮弹跳高度空间的前提下，将车辆重心的位置尽可能偏低。同时，由于洗扫车在完成作业后会存放大量污水于污水箱，对于汽车重心位置的计算，需要具体考虑以下几种状态：

首先，在新能源洗扫车处于空载的状态时，主要以几何中心作为质心，在考虑不同车辆内外布局情况的前提下，设定车长方向为x坐标，车高方向为y坐标，在考虑车辆中主要设备的质量Gi，设备质心的x方向坐标Xi，设备质心的y方向坐标Yi的前提下，可以基于合力力矩等于分力力矩之和这一原理，在明确车辆底盘轴距大小的前提下，对空载情况下的车辆重心与后轮中心位置的距离、重心高度等数值进行计算：

车辆重心与后轮中心位置的距离：

重心高度：

例如，在新能源洗扫车的底盘轴距为3360mm的情况下，基于以上公式计算得到的车辆中心与后轮中心位置的距离大小为1261.6mm，车辆重心高度大小为1026mm。

在此基础上，还需要基于车辆轴荷分配的原理，在考虑力矩平衡的情况下，计算得到车辆的轴荷分配情况。在计算得到重心位置相关的数值之后，结合以下公式，可以计算得出车辆前桥和后桥的载荷大小：

前桥载荷：

后桥载荷：

然后将计算得到的前桥载荷大小与根据车辆总质量的20%这一标准进行对比，就可以明确空载状态下的新能源汽车是否能够满足车辆行驶稳定性的要求。

其次，对于新能源洗扫车处于污水箱满载的情况，由于车辆整体质量以及重心位置发生变化，因而对于车辆设备质心的方向坐标也发生变化，可以直接将相应的变化数值代入到车辆中心与后轮中心位置距离以及重心高度的计算公式中，再次重复进行车辆前桥和后桥载荷大小计算的步骤。

3.2 汽车纵向行驶倾翻与滑移的计算

纵向行驶倾翻与滑移情况是汽车行驶稳定性设计中需要考虑的重点因素，在纵向行驶状态下，车辆通常会受到车辆手刹的影响，在手刹给予汽车阻力使汽车逐渐停止运动时，通过对汽车在这一状态下的受力情况进行分析，首先明确不同受力情况之间的关系，并基于受力情况和车辆前轴接地点的力矩大小，对最大驻车坡度进行计算：

在该式中，代表轮胎对地面的纵向附着系数，在干燥路面的情况下通常取值0.7；代表车辆轴距，单位为mm；代表汽车质心距离前桥的距离，单位为mm。

其次，车辆行驶路面的坡度大小，主要能够基于汽车的行驶方向，产生上坡和下坡两种情况。例如，在上坡的情况下，车辆本身行驶速度放慢，汽车动力主要用于克服坡道对汽车行驶产生的阻力，在坡度越大的情况下，汽车增加的动力也会越大。但由于车辆的动力本身由一定限制，在超过限制标准的情况下，汽车前轮的法向反作用力为零，就会导致车辆发生倾翻事故[6]。因而对于新能源洗扫车行驶稳定性的设计，应重点通过模拟车辆行驶状态的方式，确定汽车前轮法向反作用力为零时的道路坡度大小，可以基于以下公式来进行计算：

在该式中，代表车辆前轮反向反作用力，单位为N；代表新能源洗扫车的总质量，单位为kg；代表汽车轴距，单位为mm；代表整车质心距后桥的距离，单位为mm；代表坡角度。

最后，针对汽车在纵向行驶状态发生的滑移现象，主要应考虑新能源洗扫车驱动轮的附着力与车辆平行于坡道上的分力之间的关系，如果前者小于或等于后者，车辆就会发生滑移。在这一情况下，也需要基于以上公式对车辆行驶所处的路面坡度大小进行计算。

在明确设计的新能源洗扫车容易发生侧翻与滑移的坡度临界值大小之后，就可以通过再次对车辆结构的优化来提升行驶稳定性。

3.3 汽车横向行驶侧翻与侧滑的计算

对于新能源洗扫车横向稳定性的计算，同样需要考虑横向行驶的侧翻和侧滑两种情况。汽车的横向行驶侧翻侧滑现象，主要会受到汽车前后轮的径向反作用力影响。当汽车处于行驶状态时，如果汽车前轮的径向反作用力为零，汽车前轮就会失去确定汽车行驶方向的功能，而如果汽车后轮的进相反作用力为零，在考虑附着条件和牵引力的情况下，汽车的行驶能力也会受到影响，进而容易导致汽车在纵向上发生翻车事故[7]。结合这一过程中汽车的整体受力情况，在进行汽车行驶稳定性的设计时，可以应用以下公式来进行汽车前后轮法向反作用力的计算：

在该式中，代表车辆行驶于横坡路面时，作用在汽车右轮上的法向反作用力，单位为N；代表汽车轮距，单位为m；代表离心力，单位为N；代表道路横坡的角度。

如果车辆在行驶中发生向侧面外翻的情况，汽车右轮的法向反作用力为零，结合离心率的计算公式可以计算得到，汽车在横坡转弯时能够达到的最大车速：

离心力：

最大车速：

在以上公式中，代表重力加速度，代表汽车转弯半径。

在实际进行汽车行驶稳定性的设计时，应在明确汽车在水平路面上行驶时，基于道路横坡角度为零的情况，确定车辆不发生侧翻的最大车速。同时也需要能够结合洗扫车底盘的最小转弯半径、车辆在满载状态时计算得到的车辆重心与后轮中心位置的距离与重心高度大小，将相应的数值代入到汽车发生侧翻的最大车速的公式当中，计算得到汽車行驶的最大车速标准。

例如，当洗扫车底盘最小转弯半径为7m、汽车轮距为1525mm时，在处于水平路面行驶状态下，可以计算得到车辆重心与后轮中心位置距离为876mm，重心高度为1104mm。将这一数值代入到最大车速公式之后，得到车辆的最大转弯速度标准为24.7km/h：

而从车辆发生侧滑的角度来看，在对汽车行驶稳定性进行设计时，应重点考虑以保证车辆不发生侧翻情况下的最大道路坡度，进而明确车辆能够不发生侧滑的基本条件。结合以往的车辆行驶经验来看，侧滑比侧翻更容易导致车辆安全事故，因而在进行汽车行驶稳定性设计时应重点关注。

具体而言，当汽车在水平路面需要转弯时，车辆的侧向分力如果大于路面的侧向附着力，就会导致车辆发生侧滑现象。为尽可能降低侧滑现象对车辆行驶安全产生的影响，在设计计算中，通常引入附着系数这一概念，用于设计车辆能够不发生侧滑的标准。

基于附着系数的汽车侧滑标准：

在该式中，代表附着系数；代表洗扫车总质量；代表重力加速度；代表车速；代表汽车转弯半径。

结合以上公式可以通过对汽车侧滑现象的计算，尽可能让侧滑现象发生在侧翻现象之前。在这一过程中，还会涉及到一个汽车侧向稳定性系数的概念。汽车侧向稳定性系数主要是基于汽车发生侧滑条件时计算得到的相关数值，即在汽车水平路面行驶车速小于汽车发生侧翻最大速度的情况下，可以得到汽车的附着系数这一条件。在实际计算中，通常需要将汽车的附着系数取值为0.7。在得到计算结果之后，如果证实能够满足相应的汽车稳定性条件，则可以确定改装后的新能源洗扫车稳定性能够达到相应的标准。

4 结论

综上所述，对新能源洗扫车的行驶稳定性进行优化设计，需要注重考虑洗扫车应用的具体路面情况以及洗扫车自身结构的承载力和重心分配情况。一般情况下汽车行驶稳定性设计效果的主要影响因素，发现在对新能源洗扫车进行设计时，为达到确保汽车行驶稳定性的目的，应着重考虑，在确定重心以及承载力情况的前提下，通过模拟汽车侧翻与侧滑的方式来验证结构设计的实际效果。

参考文献：

[1]李奎，闫丽君等. 考虑能量回收控制的新能源汽车串联式制动系统[J]. 时代汽车，2023，（06）：109-111.

[2]陈娅鑫，陈昕等. 新能源汽车行驶里程关联数据属性分析与预测模型研究[J]. 辽宁工业大学学报（自然科学版），2023，43（01）：6-10+19.

[3]杨松林. 分布式驱动电动汽车行驶稳定性控制策略研究[D].石河子大学，2022.

[4]毛玲，邓思文等. 新能源汽车监测平台在行驶和充电场景中的应用与思考[J]. 电工技术学报，2022，37（01）：48-57.

[5]胡振. 超车过程中汽车气动特性与行驶稳定性研究[D].武汉理工大学，2020.

[6]李德才. 基于数据特征的汽车行驶速度状态与驾驶行为安全性研究[D].东北林业大学，2021.

[7]贾会星. 轮距对重型汽车行驶稳定性影响的仿真研究[J]. 长春工程学院学报（自然科学版），2021，22（03）：35-38+63.