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混凝土搅拌运输车转向安全车速新计算方法

文档作者：黎邦权曹源文曹志坡文档来源：重庆交通大学机电与汽车工程学院		点击数：	更新时间： 2024年02月22日
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I  TECHNIC  FORUM/技术论坛I  2013;02  I

混凝土搅拌运输车转向安全车速新计算方法
New	Calculation Method of Safety Speed of Concrete Truck Mixer When Turning
黎邦权曹源文曹志坡
LI Bang-quan et al
重庆交通大学机电与汽车工程学院 重庆 400074

摘要：针对混凝土搅拌运输车空载及满载时的稳定性进行了分析，并采用转角传感器对车轮转角 进行实时输入，提出了预转角的概念及理论研究方法，总结出转弯时安全车速的新计算方法，并以工程实例分析验证理论方法的正确性，为以后混凝土搅拌运输车转弯安全性的进一步研究奠定了理论基础。
关键词：实时输入 阿克曼原理预转角   安全车速

Abstract This paper sets forth  the analysis oftbe stability of concrete truck mixer with no load or full load, the angle sensor to wheel angle for real-time input, puts forward the preliminary Angle concept and theoretical research method, sums up new calculation method  of the safety speed  when  turning, And verifies the correctness of the theory by using engineering example analysis, lays the theoretical basis for further turn safety research of concrete truck mixer.
Key words real-time input; ackermaa principle; preliminary angle; safety speed

中图分类号：U469£5.02    文献标识码：A   文章编号：I004-0226(2013)02-0089-03

第一作者黎邦权，男，1986年生，硕士研究生，研究方向为现代车辆设计方法及理论。

1前言
混凝土搅拌运输车由千整车质心高，稳定性差，极易发生侧翻，此外，转弯时速度过快也是车辆发生侧翻的危险因素之—。 车辆在高速转弯时，驾驶员只能凭借经验控制车辆转弯时的速度，如果速度下降得不够低，就会导致车辆发生侧翻；如果速度 下降得过低，则不利于运输的经济性。此时，若能够获取安全车 速并反馈给驾驶员，就能够确保行车的安全。因此，本文针对混 凝土搅拌运输车在转弯工况下安全车速进行了理论分析研究，总 结出了一种新的安全车速的计算方法，为以后的研究提供了理论 基础。
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，搅拌简旋转方向为右旋＂］，故本文以 右旋车为研究对象。
2空载侧翻稳定性分析
混凝土搅拌运输车罐体内无混凝土时为空载状态，后面简称空车。空车在转弯工况下，速度明显较低，此时外界条件对整车质心和稳定幅的影响较小，故暂不考虑。下面以混凝土搅拌运输
 
车空载时右转弯为研究对象，其转弯示意图如图1所示。

图1空敕右转弯示意图
空车不发生侧翻的条件是车速v,:;;f困汾了，发生侧翻时的速
H
度为侧翻恼界速度V翻°

H。
式中，G。为空车时质心的位置；凡为空车质心的离地高度，m;
V为空车行驶车速，1n/s; R。为质心G。在转弯时的半径，m; g为重

竺芍89

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力加速度，mis'; B。为空车稳定幅，即指空车质心在地面的投影点到—侧轮胎侧翻线的距离，m。
3重戴侧翻稳定性分析
混凝土搅拌运输车罐体内装满混凝土时为满载状态，后面简称重车。由于重车在行驶过程中，罐体必须旋转以防止混凝土发生离析甚至初凝等现象，这会导致整车质心发生偏移。在转弯工况下，质心的偏移必然会给汽车的安全性造成影响。下面以混凝土搅拌运输车满载时左转弯的工况为研究对象，其转弯示意图如图2所示。

图2重戴左转青示意图

图2中，G，为重车时质心的位置；H，为重车质心的离地高度， m; R，为质心G，在转弯时的半径，m; B，为重车稳定幅，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•
a．混凝土的偏心力矩，设它对稳定幅的影响值为e,。
b路拱坡度il=2.5%，设它对稳定幅的影响值为e,。由坡度值可以求得坡度角B=arctan（心，而e,=H,xsin0。
c．轮胎变形，设对稳定幅的影响值为el°
d侧翻临界状态瞬间(—侧轮胎对地压力为零）悬挂变形。设对稳定幅的影响值为e,o
上述e,、e,、g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，可根据实验所得出的经验数值来确定叽
根据侧翻临界速度公式

v删＝［瓦石
H,
B重＝B,-e

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、悬挂变形四因素对稳定幅的综合影响值，即质心的总偏移值。
那么，右旋车左转弯时，在离心力的作用下，向右侧翻瞬间的质心偏移量e=-e1飞＋e,+e,;右旋车右转弯时，在离心力的作用 下，向右侧翻瞬间的质心偏移置e=e,-e,+e,+e,o
 
4转青半径和预转角的确定
4.1	转弯半径的鞠定
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，转弯半径公式为．
R=』
sin/J
可见，只需获取外侧转向轮的转角，就可以得出搅拌车在转
弯时刻所对应的转弯半径。左转弯示意图如图3所示。

图3擅拌车左转青示意图

图3中，搅拌车处千左转弯状态，此时a为内侧转向轮转角， fJ为外侧转向轮转角。由此可知，为了计算转弯半径R,必须获得搅拌车的外侧转向轮转角的数值。那么，可以在搅拌车右侧转向轮的主销上固定一个转角传感器，就能实时接收队直。当混凝土搅 拌运输车向左转弯时，fJ值即为外侧转向轮转角；当混凝土搅拌运
输车向右转弯时，f3值即为内侧转向轮转角。而当汽车在转弯时，
其内、外转向轮的转角满足阿克曼原理，即
K
cota - cot(]=,
L
式中，a为外侧转向轮转角，f3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，即轮距。
当混凝土搅拌运输车右转弯时，通过搅拌车右侧传感器接收到的fJ值，并用阿克曼公式进行计算，可得出外侧转向轮转角a 值，从而计算出所对应的转弯半径。
因为转向梯形机构的自身特点以及汽车的使用性能要求，汽车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1◄1。但目前，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。我国汽车必威体育官方网站
标准QC厅667- 2010《混凝土搅拌运输车技术条件和试验方法》的第4.1.15条中明确规定 混凝土搅拌运输车搅拌行驶时，最高车速不得超过50 km/h,但高速公路允许达到60  kn西。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呾
4.2	预转角的檐定
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童的，急弯是指道路中心线曲线半径小于50 m的路段。通过弯道风险多，许多事故就发生在弯道上气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f3大千某个值时，计算外侧转向轮转角时应按照护颂计
算，这样会消除由千人的反应迟滞和执行机构导致的误差，并且

90至哩竺千
 
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能让搅拌车提前处于安全行驶状态。A(J即为所设的预转角，其示意图如图4所示。

4J•

图4预转角示意图

基于上面的理论分析，8点的安全车速小千A点的安全车速， 即混凝土搅拌运输车处千A点时，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8点时，那么汽车已经处于B点所需的安全车速，从而可有效地预防搅拌运输车在危险转弯工况B点发生侧翻。
转向轮的最大转角一般为40°左右＂l,本文研究取队，"=45°. 当混凝土搅拌运输车行驶在较小的弯道或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，不易 发生侧翻，而较大转弯时，搅拌车安全车速的计算才是本文研究
的重点，故本文取fJ的起始角为10°,即外侧转向轮转角大千10°
时，计算此刻的安全车速。综合各方面因素，根据经验，暂取
A(J=10°0
5工程实例分析
搅拌车空载或满载的质心位暨通常是在样机完成制作后，通过实测前后轴荷并调整后确定的。因此，当某款搅拌运输车出厂 后，其质心高度是已知的。本文以某实车为例进行分析说明，部 分相关参数值如表1所示。
表1搅拌车的部分相关参数	m

质心高度	稳定幅	轮距	轴距	影响值
I-I,	II,	B,	B,	K	l	e,	e,	c,	e,
1.186 1.50	1.072  1.081	2.065	4.535	0.53 0.36 0.76 0.254

为了便于计算，设转角传感器所测/J=l4°,       /';.(J=10°。当搅拌运输车向左转弯时，fJ角即为外侧转向轮转角。
转弯半径 R左=sm(fJ:凶P)=ll.15 m
当搅拌运输车向右转弯时，fJ则为内侧转向轮转角
K
cota - cot(J=一•
L
解得外侧转向轮转角  a=l2.6°

侧翻临界速度时暂不考虑。其计算如下空车左转弯侧翻临界速度
v翻左＝／勹尸＝35.8 km/h

空车右转弯侧翻临界速度

VII右＝／瓦页＝36.8 km/h
H
关千安全车速的取值，目前尚无明确规定。若V安过于接近v., 搅拌车则易于倾翻；V安过低，则运输不经济。在已了解到的V安取 值中，取70%V翻或80%V翻的，根据黄金切割取值原理建议v'/i
=76%V翻1110
空车左转弯的安全车速 V安左＝76%V翻＝27.2 km/h 空车右转弯的安全车速：V安右＝76%VIII=28.0 km/h 重车左转弯时质心偏移量 e=-e,+e,+e,+e,=0.313 m 有效稳定幅B重左＝B,-e=0.768 m
重车侧翻监界速度

v翻重左＝／气尸－＝26.9 km/h

重车的安全车速 V安贯左＝76%V翻霞左＝20.5 km/h
重车右转弯时的质心偏移望 e=e,-e,+e,+e,=0.347 m
有效稳定幅B露右＝B,-e=0.734 m
重车侧翻临界速度

v翻左＝／飞严＝27.1 km/h

重车的安全车速 V安重右＝76%V翻右＝20.6 km/h
6结论
a本文基千混凝土搅拌运输车在转弯时侧翻理论分析，提出 了—种在转弯工况下安全车速的计算方法，并在配有转角传感器的基础上，实时计算所对应的安全车速。
b进行工程实例分析，验证了理论分析的正确性，为以后混 凝土搅拌运输车在转弯工况下安全性的进一步研究提供了理论基础。
参考文献
[I]贺劲，周润珈，帅国菊等论混凝土搅拌运输车的行驶速度限制(J]建筑机械，2003 (07):36-38
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[3]	赵景川汽车内外转向轮转角关系(J]汽车研究与开发，1995(03):37-39 [4]关文达汽车构造[M]北京清华大学出版社，2008
 
此时其转弯半径 R
 
L
广 sin(fJ+!'::,(J) =I1.79 m
 
[5]	QC(f 667-2010中华人民共和国汽车必威体育官方网站
标准[S]
[6]	江呆舫安全驾驶汽车经验谈(J]安全与健康，2009(12):30
 
混凝土搅拌运输车空载行驶时，偏离力矩、路拱坡度、轮胎
变形、悬挂变形等因素对空车稳定幅的影响比较小，故计算空车
 
[7]	郝汝林，陈小春转向系统匹配设计的实验研究(J]轻型汽车技术，2009(2 I):9-10
收稿日期：2012-11-20

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