基于新能源洗掃車行駛穩定性的設計分析與發展路徑探討

劉馨澤洋　高堃

摘 要：新能源洗掃車是當前進行路面機械化清潔降塵作業的主要工具。為提升新能源洗掃車行駛的穩定性，本文以新能源洗掃車為主要研究對象，在對當前影響汽車行駛穩定性的主要因素進行簡單介紹之后，著重基于新能源洗掃車的運行情況，對設計新能源洗掃車行駛穩定性的方案步驟進行分析，希望能夠為提升新能源汽車的設計水平，保障清潔作業的開展效果提供借鑒。

關鍵詞：新能源洗掃車 行駛穩定性 汽車穩定性設計

1 前言

新能源為當前的汽車設計優化提供了新的思路，以電能、天然氣等作為汽車行駛的主要驅動力，對促進社會整體的可持續發展具有重要的意義。當前城市發展中道路類型的多樣化發展趨勢，對道路路面的清潔工作也提出了更高的要求。應用新能源洗掃車，能夠在滿足大量道路清潔作業需求的同時，降低車輛行駛消耗的資源，也能夠有效減輕環境污染，對新能源洗掃車的行駛穩定性進行優化設計，對提升汽車設計的質量效果具有重要的作用。

2 影響新能源洗掃車行駛穩定性的主要因素

2.1 汽車穩定性系數

對新能源洗掃車行駛穩定性的研究，應首先基于一般情況下影響車行駛穩定性的因素進行分析。汽車在直線、變道以及彎道行駛中是否能夠保持穩定性狀態，會受到路面坑洼、橫向風、橫擺運動等因素的影響。從汽車設計的角度，在發生以上運動的情況下，汽車方向盤輸入以及對汽車整體結構穩定性所產生的干擾量，汽車對于各類擾動情況的敏感度，都會直接影響到汽車的穩定性[1]。其中，汽車的抗擾動能力主要可以用汽車穩定性系數來表示。

汽車穩定性系數能夠通過衡量車輛前后軸響應制能力是否處于平衡的狀態，明確車輛行駛狀態下不足轉向度的大小。在這一過程中還會涉及到汽車橫擺角速度共振頻率這一概念，共振頻率主要是指車輛在行駛狀態下能夠承受的轉向操作激烈程度，在汽車處于行駛狀態下所產生的共振情況，能夠將其用于衡量汽車行駛的穩定性[2]。在實際進行汽車行駛穩定性的設計時，主要應用以下公式來表示汽車的穩定性系數：

在該式中，代表汽車質量，單位為kg；代表軸距，單位為m；代表汽車質心到前軸的距離，單位為m；代表汽車質心到后軸的距離，單位為m；代表前軸側偏剛度，單位為N/deg；代表后軸側偏剛度，單位為N/neg。

2.2 車體剛度

結合汽車的行駛狀態來看，在駕駛員驅動汽車方向盤進行相關動作時，由于汽車行駛狀態、行駛速度等方面的變化，車體會發生變形，進而導致輪胎位置以及汽車行駛方向的改變[3]。輪胎產生的力也會隨之變動，進而對汽車行駛穩定性產生影響。引入汽車車體剛度這一概念來衡量汽車在變形情況下的扭轉和橫向彎曲狀態，能夠為研究車輛行駛的穩定性提供更為確切的依據。

車體剛度通常分為車體扭轉剛性以及車體橫向彎曲剛性兩個具體的方面。以車體扭轉剛性為例，車體扭轉剛性主要會受到車輛減震器安裝點截面的扭轉角度影響，在車輛前后減震器之間的扭轉剛度一定的情況下，車輛前后減震器的橫向距離與車體扭轉剛性之間能夠呈現出正相關的關系。而考慮到汽車本身的質量越大，在行駛中汽車質量施加給車體的壓力也就越大，使得汽車的軸距越長。因而在對汽車行駛穩定性進行設計時，需要在結合新能源洗掃車車型設定的扭轉剛性值標準基礎上，借助以下公式來實現對于汽車扭轉剛性的目標設定：

在該式中，代表設計車輛的車身扭轉剛性，單位為Nm^2/deg；代表設計車輛標準的扭轉剛性，單位為Nm^2/deg；代表設計車輛的標準質量，單位為kg；代表設計車輛的標準軸距，單位為mm；代表設計車輛的質量，單位為kg；為設計車輛的軸距，單位為mm。

2.3 汽車空氣動力學特性

空氣動力學特性主要是從汽車行駛中產生的空氣流動現象出發，基于空氣動力的作用原理，在汽車行駛中受到空氣動力影響所產生的各種特性。從汽車行駛穩定性的角度進行考慮，汽車行駛中產生的升力、側向力、側傾力矩以及橫擺力矩，是影響汽車行駛穩定性的主要內容。

結合汽車行駛的實際情況，對于洗掃車這類具有特殊用途的車輛而言，車輛行駛中產生的側向力側傾力矩以及橫擺力矩，會直接影響到車輛行駛的穩定性效果。這些指標主要是指在汽車受到自然風影響的情況下，當汽車的行駛方向與自然風方向相反時，就會產生側向風，在相應指標超過汽車設計的標準值之后，很容易導致汽車在行駛中發生傾翻、滑移、側滑等事故[4]?；诖?，為探討新能源洗澡車行駛穩定性的設計方法，需要在明確車輛整體結構設計情況的前提下，重點考慮汽車在橫縱向行駛過程中受到空氣動力學特征影響的情況。

3 新能源洗掃車行駛穩定性的設計分析

3.1 不同狀態下的汽車重心位置計算

汽車重心位置是決定汽車行駛穩定性的重要因素，在對洗掃車進行新能源改裝的過程中，應考慮汽車處于不同行駛狀態，會導致實際的汽車重心位置發生變化，因而對于汽車重心位置的確定，應模擬洗掃車在實際作業過程中產生的不同狀態。

具體而言，在對不同狀態下的汽車中心位置進行計算時，需要重點考慮車輛軸荷分配的情況是否能夠滿足保持汽車平衡狀態的需求。其中，汽車前軸的軸荷應超過車輛總質量的20%以上[5]。在左右軸荷方面也應將偏差控制在3%以內?？紤]到洗掃車本身安裝有刷盤、吸盤、高壓沖水架、水箱以及垃圾箱等特殊配置，基于保障車輛行駛穩定性與安全性的目的，需要在盡可能保證車輪彈跳高度空間的前提下，將車輛重心的位置盡可能偏低。同時，由于洗掃車在完成作業后會存放大量污水于污水箱，對于汽車重心位置的計算，需要具體考慮以下幾種狀態：

首先，在新能源洗掃車處于空載的狀態時，主要以幾何中心作為質心，在考慮不同車輛內外布局情況的前提下，設定車長方向為x坐標，車高方向為y坐標，在考慮車輛中主要設備的質量Gi，設備質心的x方向坐標Xi，設備質心的y方向坐標Yi的前提下，可以基于合力力矩等于分力力矩之和這一原理，在明確車輛底盤軸距大小的前提下，對空載情況下的車輛重心與后輪中心位置的距離、重心高度等數值進行計算：

車輛重心與后輪中心位置的距離：

重心高度：

例如，在新能源洗掃車的底盤軸距為3360mm的情況下，基于以上公式計算得到的車輛中心與后輪中心位置的距離大小為1261.6mm，車輛重心高度大小為1026mm。

在此基礎上，還需要基于車輛軸荷分配的原理，在考慮力矩平衡的情況下，計算得到車輛的軸荷分配情況。在計算得到重心位置相關的數值之后，結合以下公式，可以計算得出車輛前橋和后橋的載荷大?。?/p>

前橋載荷：

后橋載荷：

然后將計算得到的前橋載荷大小與根據車輛總質量的20%這一標準進行對比，就可以明確空載狀態下的新能源汽車是否能夠滿足車輛行駛穩定性的要求。

其次，對于新能源洗掃車處于污水箱滿載的情況，由于車輛整體質量以及重心位置發生變化，因而對于車輛設備質心的方向坐標也發生變化，可以直接將相應的變化數值代入到車輛中心與后輪中心位置距離以及重心高度的計算公式中，再次重復進行車輛前橋和后橋載荷大小計算的步驟。

3.2 汽車縱向行駛傾翻與滑移的計算

縱向行駛傾翻與滑移情況是汽車行駛穩定性設計中需要考慮的重點因素，在縱向行駛狀態下，車輛通常會受到車輛手剎的影響，在手剎給予汽車阻力使汽車逐漸停止運動時，通過對汽車在這一狀態下的受力情況進行分析，首先明確不同受力情況之間的關系，并基于受力情況和車輛前軸接地點的力矩大小，對最大駐車坡度進行計算：

在該式中，代表輪胎對地面的縱向附著系數，在干燥路面的情況下通常取值0.7；代表車輛軸距，單位為mm；代表汽車質心距離前橋的距離，單位為mm。

其次，車輛行駛路面的坡度大小，主要能夠基于汽車的行駛方向，產生上坡和下坡兩種情況。例如，在上坡的情況下，車輛本身行駛速度放慢，汽車動力主要用于克服坡道對汽車行駛產生的阻力，在坡度越大的情況下，汽車增加的動力也會越大。但由于車輛的動力本身由一定限制，在超過限制標準的情況下，汽車前輪的法向反作用力為零，就會導致車輛發生傾翻事故[6]。因而對于新能源洗掃車行駛穩定性的設計，應重點通過模擬車輛行駛狀態的方式，確定汽車前輪法向反作用力為零時的道路坡度大小，可以基于以下公式來進行計算：

在該式中，代表車輛前輪反向反作用力，單位為N；代表新能源洗掃車的總質量，單位為kg；代表汽車軸距，單位為mm；代表整車質心距后橋的距離，單位為mm；代表坡角度。

最后，針對汽車在縱向行駛狀態發生的滑移現象，主要應考慮新能源洗掃車驅動輪的附著力與車輛平行于坡道上的分力之間的關系，如果前者小于或等于后者，車輛就會發生滑移。在這一情況下，也需要基于以上公式對車輛行駛所處的路面坡度大小進行計算。

在明確設計的新能源洗掃車容易發生側翻與滑移的坡度臨界值大小之后，就可以通過再次對車輛結構的優化來提升行駛穩定性。

3.3 汽車橫向行駛側翻與側滑的計算

對于新能源洗掃車橫向穩定性的計算，同樣需要考慮橫向行駛的側翻和側滑兩種情況。汽車的橫向行駛側翻側滑現象，主要會受到汽車前后輪的徑向反作用力影響。當汽車處于行駛狀態時，如果汽車前輪的徑向反作用力為零，汽車前輪就會失去確定汽車行駛方向的功能，而如果汽車后輪的進相反作用力為零，在考慮附著條件和牽引力的情況下，汽車的行駛能力也會受到影響，進而容易導致汽車在縱向上發生翻車事故[7]。結合這一過程中汽車的整體受力情況，在進行汽車行駛穩定性的設計時，可以應用以下公式來進行汽車前后輪法向反作用力的計算：

在該式中，代表車輛行駛于橫坡路面時，作用在汽車右輪上的法向反作用力，單位為N；代表汽車輪距，單位為m；代表離心力，單位為N；代表道路橫坡的角度。

如果車輛在行駛中發生向側面外翻的情況，汽車右輪的法向反作用力為零，結合離心率的計算公式可以計算得到，汽車在橫坡轉彎時能夠達到的最大車速：

離心力：

最大車速：

在以上公式中，代表重力加速度，代表汽車轉彎半徑。

在實際進行汽車行駛穩定性的設計時，應在明確汽車在水平路面上行駛時，基于道路橫坡角度為零的情況，確定車輛不發生側翻的最大車速。同時也需要能夠結合洗掃車底盤的最小轉彎半徑、車輛在滿載狀態時計算得到的車輛重心與后輪中心位置的距離與重心高度大小，將相應的數值代入到汽車發生側翻的最大車速的公式當中，計算得到汽車行駛的最大車速標準。

例如，當洗掃車底盤最小轉彎半徑為7m、汽車輪距為1525mm時，在處于水平路面行駛狀態下，可以計算得到車輛重心與后輪中心位置距離為876mm，重心高度為1104mm。將這一數值代入到最大車速公式之后，得到車輛的最大轉彎速度標準為24.7km/h：

而從車輛發生側滑的角度來看，在對汽車行駛穩定性進行設計時，應重點考慮以保證車輛不發生側翻情況下的最大道路坡度，進而明確車輛能夠不發生側滑的基本條件。結合以往的車輛行駛經驗來看，側滑比側翻更容易導致車輛安全事故，因而在進行汽車行駛穩定性設計時應重點關注。

具體而言，當汽車在水平路面需要轉彎時，車輛的側向分力如果大于路面的側向附著力，就會導致車輛發生側滑現象。為盡可能降低側滑現象對車輛行駛安全產生的影響，在設計計算中，通常引入附著系數這一概念，用于設計車輛能夠不發生側滑的標準。

基于附著系數的汽車側滑標準：

在該式中，代表附著系數；代表洗掃車總質量；代表重力加速度；代表車速；代表汽車轉彎半徑。

結合以上公式可以通過對汽車側滑現象的計算，盡可能讓側滑現象發生在側翻現象之前。在這一過程中，還會涉及到一個汽車側向穩定性系數的概念。汽車側向穩定性系數主要是基于汽車發生側滑條件時計算得到的相關數值，即在汽車水平路面行駛車速小于汽車發生側翻最大速度的情況下，可以得到汽車的附著系數這一條件。在實際計算中，通常需要將汽車的附著系數取值為0.7。在得到計算結果之后，如果證實能夠滿足相應的汽車穩定性條件，則可以確定改裝后的新能源洗掃車穩定性能夠達到相應的標準。

4 結論

綜上所述，對新能源洗掃車的行駛穩定性進行優化設計，需要注重考慮洗掃車應用的具體路面情況以及洗掃車自身結構的承載力和重心分配情況。一般情況下汽車行駛穩定性設計效果的主要影響因素，發現在對新能源洗掃車進行設計時，為達到確保汽車行駛穩定性的目的，應著重考慮，在確定重心以及承載力情況的前提下，通過模擬汽車側翻與側滑的方式來驗證結構設計的實際效果。

參考文獻：

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