基于LabVIEW混凝土搅拌运输车转弯安全性研究

黎邦权，曹源文，李泽军，曹志坡

(重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆 400074)

混凝土搅拌运输车整车重心高，行车路况复杂，稳定性差，容易发生侧翻，转弯工况下高速行驶是发生侧翻的最危险因素之一。此时，驾驶员只能靠对搅拌运输车性能熟悉程度的感知来确定搅拌车转弯时的行驶车速。针对这种情况，笔者在基于LabView下，设计出搅拌车在转弯工况下能实时计算所需安全车速的虚拟仪器，并把安全车速实时显示在虚拟仪表盘上，给驾驶员一个及时、科学的参考标准；若此时驾驶员没有把行驶车速降到安全车速以下，该系统同时会给出警报提示，促使驾驶员降速，从而确保行车安全。

1 空、满载侧翻稳定性分析

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]。故笔者以右旋车为研究对象。

以混凝土搅拌运输车空载时右转弯为研究对象，其转弯示意如图1。

图1 空载右转弯示意Fig.1 Right turn schematic diagram of truck with no load

(1)

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；R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。

混凝土搅拌运输车满载行驶的过程中，罐体必须旋转以防止混凝土发生离析甚至初凝等现象，必然会产生整车质心的偏移，转弯工况下，质心的偏移给汽车安全性带来不可忽略的影响[2]。下面以满载左转弯为研究对象，其转弯示意如图2。

图2 满载左转弯示意Fig.2 Left turn schematic diagram of truck with full load

G1—重车时质心的位置；H1—重车质心的离地高度，m；R—

质心G1在转弯时的半径，m；B1—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：①混凝土的偏心力矩，设其影响值为e1；②路拱坡度iL=2.5%，设其影响值为e2，由坡度值可以求得坡度角θ=arctan(iL)，而e2=H1×sinθ；③轮胎变形，设其影响值为e3；④侧翻临界状态瞬间悬挂变形，设其影响值为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，可根据实验所得经验数值来确定[3]。

侧翻临界速度公式：

(2)

B重=B1-e

(3)

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、悬挂变形等4因素对稳定幅的综合影响值，即质心的总偏移值。

那么左转弯时，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。

2 转弯半径和预转角的确定

2.1 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，转弯半径为：

(4)

由此，只要获取到外侧转向轮的转角，就不难得出搅拌车在转弯时刻所对应的转弯半径。汽车两侧转向轮偏转角存在着一定的关系，如图3。

图3 两侧转向轮偏转角之间的理想关系Fig.3 The ideal relationship between the deflection angle of the steering wheels on both sides

图3中，α为内侧转向轮转角；β为外侧转向轮转角。那么，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，此时，β值即为外侧转向轮转角；但向右转弯时，β值为内侧转向轮转角。而汽车在转弯时，其内、外转向轮的转角满足阿克曼原理，即：

(5)

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，也称为轮距。

通过搅拌车右侧传感器接收的β值和阿克曼公式的计算，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。

转向梯形机构的自身特点，以及汽车的使用性能要求，其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。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[5]。我国汽车行业标准QC/T667—2010《混凝土搅拌运输车技术条件和实验方法》的第4.1.15条中明确规定：混凝土搅拌运输车搅拌行驶时，最高车速不得高于50 km/h[6]。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。

2.2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，通过弯道风险多，许多事故就发生在弯道上[7]。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，外侧转向轮转角会按β+Δβ计算，这样会消除由于人的反应迟滞和执行机构带来的误差，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，示意图如图4。

图4 预转角示意Fig.4 Schematic diagram of preliminary angle

基于上面的理论分析，在图4中，B点的安全车速小于A点的安全车速。混凝土搅拌运输车处于A点时，系统开始计算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，从而有效地预防搅拌运输车在危险转弯工况B点的侧翻。

汽车转向轮的最大转角一般在40°左右[8]，笔者研究取βmax=45°。当混凝土搅拌运输车行驶在较小的弯道和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， 不容易发生侧翻，而较大转弯时，搅拌车安全车速的计算才是笔者研究的重点，故取的起始角为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为10°作为文中理论研究的依据。

3 工程实例分析

搅拌车空载或满载的重心位置通常是在样机完成制作后，通过实测前、后轴荷要求调整后确定的。因此，当某款搅拌运输车出厂后，其重心高度是已知的。以某实车为例进行分析说明，部分相关参数值为：质心高度H0、H1分别为1 186、1 500，mm；稳定幅B0、B1分别为1 072、1 081，mm；轮距K为2 065，mm；轴距L为4 535，mm；影响值e1，e2，e3，e4分别为53、36、76、254，mm；质量G0、G1分别为12、31.2，t。

为了便于计算，设转角传感器所测的β值，β=14°，Δβ=10°。搅拌运输车向左转弯，β角即为外侧转向轮转角。

代入相关参数解得：R=11.15(m)。

搅拌运输车向右转弯，β则为内侧转向轮转角，根据式(5)阿克曼公式，代入相关参数解得外侧转向轮转角α=12.6(°) 。

同理，此时所对应转弯半径R=11.79(m)。

代入相关参数解得V翻=35.8km/h。

同理解得空车右转弯侧翻临界速度： V翻=36.8km/h。

关于安全车速的取值，目前尚无明确规定。在已了解到的V安取值中，有取70%V翻的，也有取80%V翻的，根据黄金切割取值原理建议V安取值采用V翻的76%左右为宜[1]，即：V安=76%V翻。

解得空车左转弯的安全车速V安=27.2km/h。

空车右转弯的安全车速V安=28.0km/h。

当重车左转弯时：质心偏移量e=-e1+e2+e3+e4，代入相关数据解得e=0.313m。

有效稳定幅B重=B1-e；解得B重=0.768m，

同理，解得重车侧翻临界速度V翻=26.9km/h，

所对应的安全车速V安=20.5km/h。

当重车右转弯时：质心偏移量e=e1-e2+e3+e4，代入相关数据解得e=0.347m。

同理解得有效稳定幅B重=0.734m。重车侧翻临界速度：V翻=27.1km/h。

所对应的安全车速：V安=20.6km/h。

4 虚拟仪器的设计

基于对某实车的理论计算分析，在LabView软件开发环境下，设计出一款混凝土搅拌运输车在转弯过程中能实时计算安全车速的虚拟仪器。该虚拟仪器包括前面板的设计和后台程序框图的搭建，其中前面板包括有参数设置按钮，控制按钮，数据显示按钮等；程序框图的搭建需要缜密的计算流程和逻辑关系，它以数据流的形式来检验其正确性，若程序中出现一点错误，数据流则停止，整个程序将无法运行，前面板的数据将无法显示。

在虚拟仪器的显示界面下，可以根据不同型号的混凝土搅拌运输车参数进行设置。空载左转弯、满载右转弯所对应的前面板图如图5。

图5 空载左转弯满载右转弯时的前面板Fig.5 Front-panel diagram of left turn of truck with no load right turn of truck with full load

此时，行驶车速30 km/h大于此时的安全车速27.2 km/h,故显示灯报警，显示为红色，引起驾驶员注意。

此时，行驶车速20 km/h小于此时的安全车速20.6 km/h，故汽车处于安全行驶状态，显示灯没有发生报警，显示为暗色。

所对应的虚拟仪器程序框图，如图6。

图6 空载左转弯和满载右转弯时的程序框Fig.6 Program diagram of left turn of truck with no load and right turn of truck with full load

5 结 论

1)基于混凝土搅拌运输车空、满载侧翻稳定性分析，总结出转弯工况下安全车速的计算方法。

2)基于混凝土搅拌运输车工程实例分析，在LabVIEW虚拟仪器软件开发环境下，设计出安全车速的理论计算及预警系统。

3)虚拟仪器能完全地满足理论分析的各种计算要求，与理论计算的结果完全一致。在配有转角传感器，车速传感器，称重传感器的条件下，该仪器能比较智能地实时显示混凝土搅拌运输车在转弯时的安全车速，并判断其行驶车速是否在安全车速以下，从而确保转弯时的行车安全。

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