混凝土搅拌运输车操纵稳定性测试分析与评价研究

中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司 湖北武汉 430056

1 前言

混凝土搅拌运输车作为运输商品混凝土的专用工具，在基础设施建设上发挥着巨大的作用。但由于混凝土搅拌运输车的高质量和高质心，给道路安全带来了非常大的隐患[1]。同时，混凝土搅拌运输车生产企业多数无法生产底盘，只能使用普通的载货汽车底盘，因此由普通载货汽车底盘加装搅拌罐形成的整车无法保证行驶安全。为了提高道路车辆的安全性和行驶稳定性，交通运输部公路科学研究院针对此现象制定了JT/T 1178.1-2018《 营运货车安全技术条件 第1 部分：载货汽车》。考虑到货车生产企业在产品开发和工程验证时，对整车操纵稳定性的匹配和研究程度不同，标准仅对整车的不足转向度、瞬态行驶稳定性以及抗侧翻稳定性提出了技术要求。

对于混凝土搅拌运输车而言，满载状态的整车试验具有一定的危险性。文中首先对基于侧倾的三自由度模型进行数值分析和仿真，分析不同结构参数对整车操纵稳定性的影响，为整车操稳性能的开发和设计提供理论基础，然后通过混凝土搅拌运输车的试验数据对试验结果进行分析和总结。

2 考虑侧倾的整车三自由度模型

2.1 三自由度运动方程

通过车辆侧倾运动所受的外力和惯性力可以推出运动学方程[2]：

2.2 运动方程求解

首先对方程(1)进行降阶处理，并使用龙格库塔方法进行求解，模型的初始参数及含义如表1所示。

表1 三自由度模型参数表

根据表1中的参数值编写相应的计算机程序，计算界面如图1所示。

图1 自由度车辆模型仿真界面

当车速为100 km/h，输入转角为单位阶跃信号时，按照之前所述的方法，将模型参数代入仿真界面中，求出了横摆角速度、质心侧偏角以及侧倾角的响应特性曲线和响应参数。具体响应曲线如图2～5所示。

根据横摆角速度响应曲线，可以求得整车的不足转向度，根据不足转向度的公式有：

式中，δ为输入转角；R为转弯半径，R=V/r；r为稳态横摆角速度；V为车辆纵向速度；L为轴距；K为不足转向度。

从仿真结果可以确定，输入转角δ=1.0°，稳态横摆角速度r=0.032 rad/s，车辆纵向速度V=100 km/h，轴距L=3.72 m，通过计算得到不足转向度K=0.848 7°/(m/s2)。由于K＞0，说明该模型具有不足转向特性，根据混凝土搅拌运输车不足转向度的统计范围为0.1 7～0.8 5 (°)/(m/s2)，可知该模型的不足转向度在合理范围内。而稳态侧倾角仅为0.01°，体现了整车前后轴的侧倾刚度很大，抗侧倾的能力很强。整车质心侧向加速度响应时间为1.25 s（第一次达到响应稳态值的90%时间），各类现有混凝土搅拌运输车的侧向加速度响应时间为0.28～0.78 s，该模型的响应时间较大，说明该模型在模拟瞬态响应时还需要考虑更多的因素（侧向力力变形转向、侧向力变形外倾系数、回正力矩变形转向系数、回正力矩变形外倾系数等）。

3 混凝土搅拌运输车操纵稳定性测试与评价

3.1 试验内容简介

根据JT/T 1178.1-2018、GB/T 6323-2014、QC/T 480以及JT/T 884标准中所规定的试验要求，采用蛇形试验、稳态回转试验以及抗侧翻稳定性试验作为混凝土搅拌运输车操纵稳定性能测试项目。该测试项目主要考察整车瞬态行驶稳定性和抗侧翻稳定性。

图2 车身侧倾角

图3 质心侧偏角

图4 侧向加速度

图5 横摆角速度

GB/T 6323-2014《汽车操纵稳定性试验方法》第5章对货车的试验条件和方法进行了规定，试验车速以基准车速的1/2并四舍五入为10的整数倍，以该车速稳定直线行驶，在进入试验区域前记录测量参数的零位，按照图6所示的路线进行试验，记录测量参数的时间历程曲线。

图6 蛇形试验标桩布置及行驶路径图

稳态回转试验的目的是测量汽车的稳态转向性能，判断车辆属于何种转向特性（不足、过度、中性转向）。试验时，驾驶员操纵汽车以最低稳定速度沿所画圆周行驶，转弯半径为15 m，待传感器对准圆周时，固定方向盘不动，停车开始记录，然后汽车开始起步，初始车速为10 km/h，行驶3 s后开始缓慢连续加速，直至侧向加速度达到6.5 m/s2或者车辆出现不稳定状态为止。

GB 18565-2016规定了满载货车在沿特定的曲线匀速行驶时，车辆质心处的向心加速度到0.4g时车辆不发生侧翻或者侧滑。JT/T 884-2014标准中规定了两种试验工况：定半径变车速和定车速变转角试验。考虑到定半径需包含半径100 m的标准路线，对试验场地要求较高，因此文中选择定车速变转角的试验工况。

3.2 测试设备及车辆条件

目前混凝土搅拌运输车操纵稳定性测试所需设备主要有：（a）某品牌传感器和方向盘适配器：用于非接触式测量转向力矩、转向角和转角速度；（b）某品牌陀螺仪；（c）某品牌数据采集系统，采集方向盘转角、力矩以及陀螺仪的整车运动状态参数（横摆角速度、侧向加速度、车速、车身侧倾角等）。

测试车辆为混凝土搅拌运输车，满载状态（包括驾驶员、检测人员、试验设备以及防侧翻支架）。测试场地分为直线性能路和直径160 m的动态广场。试验设备及测试车辆状态如图7所示。

图7 操纵稳定性测试设备及测试车辆

3.3 测试结果及分析

3.3.1 蛇形试验

根据GB/T 6323-2014的标准要求，蛇形试验进行过程中需要对整车横摆角速度、转向盘转角、车身侧倾角以及侧向加速度进行采集，以50 km/h的车速为例，采集到的原始数据如图8所示。

图8 车速50km/h时车辆运动状态参数

通过数据需要对横摆角速度和侧向加速度进行滤波处理，使用巴特沃斯低通滤波器对这两个参数进行低通滤波，滤波器的具体参数设置根据实际情况进行。然后确定车速对应的平均横摆角速度、平均方向盘转角、平均侧向加速度以及平均车身侧倾角。最后拟合各个运动参数与车速的关系图。某典型的混凝土搅拌运输车的蛇形试验处理数据如图9所示。

图9 某典型混凝土搅拌运输车蛇形试验结果

依据QC/T 480-1999对混凝土搅拌运输车的平均横摆角速度峰值与平均转向盘转角峰值进行评分，根据下列公式可得：

式中,Nr为平均横摆角速度峰值的评价计分值；Nθ为平均转向盘转角峰值的评价计分值；Ns为蛇行试验的综合评价计分值；r60为平均横摆角速度峰值的下限值；θ60为平均转向盘转角峰值的下限值；r100位平均横摆角速度峰值的上限值；θ100为平均转向盘转角峰值的上限值；r为基准车速平均横摆角速度峰值的试验值/s。θ为基准车速下平均转向盘转角峰值的试验值。

计算蛇形评分Ns=90.24，满足标准要求。

3.3.2 稳态回转试验

在进行稳态回转试验时，对横摆角速度、车身前进速度以及车身侧倾角等相关车辆运动状态参数进行采集。然后根据采集的数据进行处理，得到转弯半径比和前后轴侧偏角差值。具体的计算方法见公式6、7。

式中，Rk为第k点转弯半径，m；vk为第k点车速瞬时值，m/s；rk为第k点横摆角速度瞬时值，（°）/s；δ1、δ2为前后轴侧偏角,（°）；L为车辆轴距，m。

计算和处理之后的转弯半径比、前后轴侧偏角差值以及车身侧倾角与侧向加速度之间的关系曲线及拟合曲线如图10所示。

根据标准要求，通过试验结果确定中性转向点的侧向加速度an、 不足转向度U、车身侧倾度Kφ。具体试验结果如表2所示。

3.3.3 抗侧翻稳定性试验

抗侧翻稳定性试验有两种试验方法：定半径变车速和定车速变转向角。文中采用定车速变转向角方法对车辆的抗侧翻稳定性试验和评价。在对试验数据进行采集的过程中，尽可能保持转向盘位置和车速稳定，当车辆的向心加速度稳定后，采集数据，数据采集时间至少保持3 s，同时向心加速度的标准偏差不应超过0.25 m/s2，左转右转都应进行数据采集。

图10 某典型混凝土搅拌运输车稳态回转试验结果

表2 稳态回转试验结果

图11 某典型混凝土搅拌运输车抗侧翻稳定性试验结果

主要对转向盘转角、车身侧倾角、转向盘力矩以及向心加速度进行采集，由于采集的原始数据波动较大，无法进行相应的数据计算，因此对各个参数进行了不同程度的曲线拟合，以左转为例，图11为抗侧翻稳定性试验的试验及拟合数据。由于方向盘转角数据波动较小，不必进行数据拟合，故采用原始数据。

按照标准要求，变化率作为主要评价指标对抗侧翻稳定性进行评价，主要计算不足专项变化率和稳定性变化率。对于两轴汽车的不足转向变化率为前轮转角变化率和动态转角变化率的差值，即：

式中，η为单体两轴汽车的不足转向变化率；ac为向心加速度，m/s2；为动态转角，等于轴距除以轨迹半径；is为转向系角传动比，传动比包括试验过程中的转向盘转角范围对应的传动比。

图12 函数值δH / is- l/R与ac的数据点及拟合的曲线

由于不足转向变化率是向心加速度的函数，绘制函数值δH/is-l/R与ac的数据点，并拟合成平滑的曲线，由曲线拟合方程的微分确定变化率。图12为函数值δH/is-l/R与ac的数据点。

根据以下规则判定车辆的稳态圆周转向特性：

a.变化率为正值时为不足转向；

b.变化率为零时为中性转向；

c.变化率为负值为过度转向。

由于拟合的方程为：

根据该方程确定变化率：当向心加速度大于3.56 m/s2的时候，变化率为正，车辆为不足转向；当向心加速度小于3.56 m/s2的时候，变化率为负，车辆为过度转向。这种判定方法涉及到大量的数据拟合和原始数据的处理，不同的拟合方法和处理程度都会导致变化率的巨大差别，因此JT/T 1178.1-2018中对抗侧翻稳定性的评价简化为车辆向心加速度达到4 m/s2，这样可以避免繁琐的数据处理过程及其误差，可对试验数据进行直接判定。

4 结语

文中对混凝土搅拌运输车的操纵稳定性试验进行了简单介绍，并归纳了相关的测试注意事项：测试设备的准确度、测试场地的安全度、辅助设备的可靠度等不同的方面。然后重点对营运货车安全技术条件中要求的工况：蛇形试验、稳态回转试验以及抗侧翻稳定性试验三种试验工况的数据采集和处理分析进行了阐述，为混凝土搅拌运输车的操纵稳定性评价提供了参考和依据。