營運貨車抗側翻穩定性試驗質心位置影響

彭舶航　陳龍　何江李

摘要：在對營運貨車進行抗側翻穩定性試驗過程中，車輛質心位置是營運貨車性能的直接影響因素。通過仿真軟件構建某一款營運貨車整車模型，并驗證了仿真模型的合理性。以定車速變轉角試驗工況為例，輸入不同質心偏移位置，通過仿真模型研究質心位置對該貨車的抗側翻穩定性影響。結果表明，在同樣的速度下，橫向偏移量不變，車輛試驗方向逆時針抗側翻穩定性要比順時針表現更好。在同樣的速度下，不同的橫向偏移在順時針和逆時針抗側翻穩定性不一樣，表明質心位置的變化將直接影響營運貨車抗側翻穩定性能。

關鍵詞：營運；抗側翻；質心；影響

中圖分類號：U467.1? 收稿日期：2023-02-27

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.026

1 前言

通過近幾年的營運貨車交通事故形態分析可知，其大部分都與車輛質心參數相關。根據現行JT/T1178.1-2018《營運貨車安全技術條件 第1部分：載貨汽車》要求，載貨汽車按照JT/T 884規定的方法進行滿載試驗狀態下的抗側翻穩定性試驗，車輛質心處的向心加速度達到0.4g時車輛不應發生側翻或側滑[1]。在道路行駛過程中，車輛在轉彎時側翻的危害性極大，特別是混凝土攪拌運輸車、罐式液體運輸車等上裝復雜的營運貨車，在轉彎時質心有偏移情況，司機如果駕駛懈怠，車速控制不合理，很容易導致側翻事故[2]。

近幾年，受新冠肺炎疫情的影響，國內基礎設施建設速度有所放緩，加上國內排放等級切換和超限超載等政策的影響，國內營運貨車市場在不斷收緊。通過相關數據統計，近五年中國混凝土攪拌運輸車的銷量持續增長，如圖1所示，混凝土攪拌運輸車的較大市場空間將會使更多的主機廠不斷進行技術升級，打造最佳性能產品。

本研究將以混凝土攪拌運輸營運貨車為例，模擬混凝土攪拌運輸車抗側翻穩定性試驗的穩態圓周行駛工況，以定車速變轉角試驗的方法進行評價，采用動力學軟件Trucksim進行仿真不同質心位置的工況仿真。

2 混凝土攪拌運輸車質心位置影響

2.1 混凝土攪拌運輸車結構特點

混凝土攪拌運輸車以四軸總質量31 t為主，整車都是由二類底盤和攪拌專用裝置組成，除了擁有汽車四大系統的二類底盤外，攪拌專用裝置是混凝土攪拌運輸車最主要的作業裝置，包括取力裝置、液壓系統、減速機、操縱系統、攪拌筒、清洗系統等。攪拌筒是整車的重要組件，預制混凝土的裝卸料、攪拌、運輸都由其完成；裝料后，攪拌筒從車輛后方觀察以順時針旋轉開始攪拌，混凝土在攪拌筒內隨著葉片不斷移動，部分會沿著筒壁向下流動，同時由于混凝土的固有流體特性，材料互相之間有引力作用，導致車輛靜態和動態下質心有偏移。另外，攪拌筒的設計參數，比如外形尺寸、傾斜角度、攪拌筒葉片形狀和材質、攪拌速度等參數也是直接影響整車質心變化的。某種混凝土攪拌運輸車的外觀如圖2所示。

2.2 抗側翻穩定性影響因素分析

由于混凝土攪拌運輸車特殊的工作原理，影響其抗側翻穩定性的因素有很多，通過梳理主要原因如表1所示[3]。

通過各種混凝土攪拌運輸車的交通事故形態分析，大部分事故形態都和質心相關，由于混凝土攪拌運輸車的攪拌罐體特殊專用上裝原因，其罐體的運動和設計參數是直接影響質心變化。不難得出，在進行JT/T 884抗側翻穩定性試驗過程中質心也是重要參考參數[4]，故重點考慮質心對混凝土攪拌運輸車的抗側翻穩定性能的影響。

3 營運貨車仿真模型建立與驗證

3.1 整車動力學建模

Trucksim是一款常見的仿真動力學軟件，將樣車基本參數和動力學等參數輸入到該軟件，可以構建轉向系統、制動系統、傳動系統等模型，然后開展道路性能測試仿真。本次建模采用四軸31 t的混凝攪拌運輸車，部分參數如表2所示。

通過上述理論分析，混凝土攪拌運輸車的整車模型中質心位置是很重要的參數，將直接影響抗側翻穩定性的性能表現。整車采用幾何容量為15.26 m?、動容量為7.88 m?的混凝土攪拌運輸車罐體。在做試驗時，攪拌罐體裝載且轉動情況下進行試驗，在做仿真時也要考慮罐體轉動時導致的質心偏移情況。由于該攪拌筒從車輛后方觀察，作業時是順時針旋轉，罐體旋轉時產生的軸向運動不會對側翻穩定性產生影響，質心軸向偏移不作考慮[3]。故在建模時只考慮橫向和縱向的靜態質心偏移。設計參數罐體轉動速度為3 m/min，橫向偏移量與縱向偏移量的經驗值分別為0.06 m和0.08 m，與相關研究基本一致[5]。在建立整車模型之前先構建一個8×4的專用車，然后在上裝位置設置質心偏移模擬攪拌罐體動態過程進行仿真。為了驗證仿真模型的合理性，對抗側翻穩定性試驗工況進行實測驗證對比。

3.2 抗側翻穩定性試驗的驗證

按照JT/T 884《營運車輛抗側翻穩定性試驗方法 穩態圓周試驗》規定的方法，有兩種試驗方法對車輛抗側翻穩定性進行評價。

a.定半徑變車速試驗。

試驗過程即在固定的轉彎半徑路線下，先以較低車速保持車輛單元與目標軌跡在允許的偏差范圍內行駛，開始測量試驗車輛轉彎的抗側翻性能，然后提高車速以同樣的方法試驗進行多次試驗。轉彎半徑最低為100 m，至少要完成三種不同轉彎半徑的試驗數據。

b.定車速變轉角試驗。

試驗過程即在固定的試驗車速下，先以較小的方向盤角度開始試驗，再增加方向盤轉角繼續試驗，測量試驗車輛轉彎的抗側翻性能。試驗車速必須包括50 km/h，至少要完成三種不同試驗車速的試驗數據。

在這里隨機選取定車速變轉角的試驗方法進行研究。采用定車速變轉角試驗方法時，試驗速度至少包括50 km/h。所以選取車速為50 km/h的速度進行仿真驗證，試驗方向采用順時針。將車速穩定在50 km/h時的行駛過程下的實測和仿真橫向加速度數據進行對比分析，如圖3所示。

通過對比發現，實測數據的側向加速度由瞬時橫擺角速度和前進瞬時車速乘積得來，原始數據波動較大，而仿真波動較小，因為仿真的整車模型車身和發動機等更加平順，而且車況沒有實際那么復雜。但是可以看出實測數據橫向加速度波動的中間值和仿真數據很吻合，基本一致，表示該仿真模型用來仿真抗側翻穩定性合理。同時，為了更好地表征抗側翻穩定性的性能，下面將橫擺角速度和是否側翻作為評價指標用來分析。

4 質心位置對抗側翻穩定性試驗影響

4.1 不同質心偏移下的側翻穩定性試驗影響分析

由于不同的攪拌罐體轉動速度產生的質心偏移情況不一樣，不同的攪拌葉片、罐體尺寸等罐體結構在轉動時產生的質心偏移情況不一樣，另外不同密度的混凝土在罐體內轉動時導致的質心偏移情況也不一樣，研究質心偏移對混凝土攪拌運輸車操縱穩定性的影響，通過設置不同的質心偏移模擬不同的罐體轉動速度來研究抗側翻穩定性試驗影響。

當試驗方向為順時針，橫向偏移不變時，在縱向偏移量為靜態質心0.08 m上下調整0.01 m，增加5組試驗。當縱向偏移量不變，在橫向偏移量為靜態質心0.06 m上下調整0.01 m，也增加五組試驗。當試驗方向為逆時針時增加的試驗和順時針同理。所有仿真試驗設計方案和試驗結果如表3。

通過表3分析可知，在同樣的速度下，橫向偏移量不變，縱向偏移量越大，順時針和逆時針試驗方向的橫向加速度和橫擺角速度峰值都在變大，抗側翻穩定性越來越差。且順時針的橫向加速度和橫擺角速度峰值都比逆時針大，逆時針抗側翻穩定性要比順時針表現更好，這是因為右旋轉罐體質心偏移更有利于逆時針，逆時針的抗側翻能力較逆時針要好。且在縱向位移0.05～0.1 m的變化范圍內都未發生側翻。

通過表3分析可知，在同樣的速度下，不同的橫向偏移在順時針和逆時針抗側翻穩定性不一樣，逆時針下隨著橫向偏移增大，橫向加速度和橫擺角速度峰值減小，穩定性能越來越好。順時針下隨著橫向偏移增大，橫向加速度和橫擺角速度峰值增大，穩定性能越來越差。但是在橫向位移0.03～0.08 m的變化范圍內順時針和逆時針都未發生側翻。

4.2 側翻穩定性試驗速度閾值分析

為了進一步研究抗側翻試驗的速度閾值，在橫向位移0.06 m，縱向位移0.08 m時，不斷提高仿真速度，以1 km/h為提升單位。順時針在車速為54 km/h橫向加速度達到0.36 g，此時由車軸的輪胎垂直反力為0，橫擺角速度已經大于10 °/s，可以判斷此時已經開始發生了側翻形態。車速為54 km/h時的橫向加速度、橫擺角速度結果如圖4、5所示。同樣對逆時針進行提高仿真速度，得到的側翻閾值為57 km/h，進而驗證了上節所述右旋轉罐體質心偏移更有利于逆時針，逆時針抗側翻穩定性要比順時針表現好。

5 結語

本文構建了混凝土攪拌運輸營運貨車仿真模型，模擬了質心偏移下的抗側翻穩定性工況。以JT/T 884《營運車輛抗側翻穩定性試驗方法穩態圓周試驗》標準中定車速變轉角試驗工況為例，分析得出在同樣的速度下，橫向偏移量不變，車輛試驗方向逆時針抗側翻穩定性要比順時針表現更好。在同樣的速度下，不同的橫向偏移在順時針和逆時針抗側翻穩定性不一樣，逆時針下隨著橫向偏移增大，穩定性能越來越好。順時針下隨著橫向偏移增大，穩定性能越來越差。另外通過抗側翻穩定性試驗安全車速閾值分析，逆時針側翻閾值比順時針大。研究發現，針對不同營運貨車在作業行駛過程中質心有偏移的情況下，質心位置的變化將直接影響營運貨車抗側翻穩定性能，要特別注意質心位置的變化給試驗安全和行駛安全的影響。

參考文獻：

[1]JT/T 1178.1-2018 營運貨車安全技術條件 第1部分：載貨汽車[S].

[2]楊晶晶基于TruckSim的客車側翻影響因素研究[D]西安：長安大學，2019.

[3]周西河攪拌運輸車防側翻動力學分析及控制方法研究[D]重慶：重慶交通大學，2017.

[4]JT/T 884-2014 營運車輛抗側翻穩定性試驗方法穩態圓周試驗[S].

[5]路文杰，高耀東，楊芙蓉混凝土攪拌運輸車在水平路面運輸時的轉向速度分析計算[J]現代機械，2017（3）：68-70.

作者簡介：

彭舶航，男，1992年生，助理工程師，研究方向為整車法規檢測認證。