何小三1 李進(jìn)軍2 潘玉明2

1.漢陽專用汽車研究所 湖北武漢 430070

2.中國人民解放軍32379部隊(duì)

1 前言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，車輛行駛的安全性受到越來越多的關(guān)注，根據(jù)美國公路安全局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在所有交通事故中，汽車側(cè)翻事故的危害程度僅次于汽車碰撞事故。汽車側(cè)翻事故帶來的損失非常之大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在歐洲和北美造成人員傷亡的汽車事故中側(cè)翻事故占20%以上。

目前，進(jìn)行汽車側(cè)傾穩(wěn)定性評(píng)價(jià)主要通過實(shí)車測(cè)試，利用側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)來確定車輛的最大側(cè)傾穩(wěn)定角，但實(shí)車測(cè)試存在一定的翻車風(fēng)險(xiǎn)，造成安全事故。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14172-2009《汽車靜側(cè)翻穩(wěn)定性臺(tái)架試驗(yàn)方法》中對(duì)防側(cè)翻安全設(shè)備要求“為防止試驗(yàn)時(shí)汽車發(fā)生側(cè)翻事故，須有專用的防側(cè)翻的安全設(shè)備。安全設(shè)備對(duì)汽車的約束力在汽車達(dá)側(cè)翻臨界狀態(tài)前均應(yīng)為零”?，F(xiàn)有的防側(cè)翻設(shè)備主要是在車輛一側(cè)固定綁帶或者是安裝移動(dòng)式防護(hù)支架。采用綁帶時(shí)，綁帶施加給被試車輛的力不會(huì)完全為零，在一定程度上影響側(cè)傾穩(wěn)定角的試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)，如發(fā)生側(cè)翻事故，存在將整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)面拉脫的風(fēng)險(xiǎn)；利用可移動(dòng)式防護(hù)支架，能保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，但車輛結(jié)構(gòu)形式各異，無法充分保證被試車輛的安全。綁帶式防翻裝置如圖1所示。

基于此，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了一種非接觸式的防側(cè)翻試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)過程中支撐板始終與被試車輛保持一定的安全距離，能夠避免車輛因達(dá)到側(cè)傾臨界角而發(fā)生側(cè)翻事故，確保試驗(yàn)安全，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 綁帶式防翻裝置

2 整體設(shè)計(jì)

2.1 側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)工作原理

側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)主要由支撐翻轉(zhuǎn)平臺(tái)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及傳感測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成。被試車輛通過防側(cè)滑裝置(擋塊)停穩(wěn)在支撐翻轉(zhuǎn)平臺(tái)上，通過液壓泵驅(qū)動(dòng)舉升液壓缸帶動(dòng)平臺(tái)翻轉(zhuǎn)，通過傳感測(cè)量系統(tǒng)記錄支撐平臺(tái)的實(shí)時(shí)側(cè)傾角度，從而實(shí)現(xiàn)被試車輛側(cè)傾穩(wěn)定角的測(cè)量。側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)工作原理如圖2。

圖2 側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)工作原理圖

2.2 方案設(shè)計(jì)

為保證被試車輛的安全，結(jié)合側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)際使用工況，防翻裝置由前、后兩套支撐裝置組成。兩套支撐裝置分別對(duì)應(yīng)安裝在車輛的前部和后部位置處，當(dāng)車輛達(dá)到側(cè)傾臨界值時(shí)可以有效地支撐被試車輛，防止車輛因失去平衡而發(fā)生側(cè)翻事故，如圖3所示。兩套支撐裝置之間可以沿軌道滑動(dòng)，通過調(diào)整前后位置來滿足不同長度車輛的試驗(yàn)需求；通過調(diào)整支撐裝置中支撐板的具體位置，滿足不同寬度和不同高度車輛的試驗(yàn)需求。試驗(yàn)過程中，支撐板始終與被試車輛保持非接觸的跟隨運(yùn)動(dòng)，不對(duì)試驗(yàn)過程造成任何影響。

圖3 防翻裝置工作示意圖

支撐裝置主要由支撐底座、支撐架、上、下支撐板、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，如圖4。

安裝在支撐架上的上、下支撐板對(duì)車輛進(jìn)行支撐保護(hù)，下支撐板用于對(duì)車輛下部進(jìn)行支撐，主要為輪胎位置；上支撐板用于對(duì)車輛上部進(jìn)行支撐，上、下獨(dú)立工作。

液壓系統(tǒng)為整個(gè)支撐裝置提供動(dòng)力，通過2只隨動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)支撐架進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試車輛的側(cè)傾角度跟隨；通過高度調(diào)整液壓缸驅(qū)動(dòng)上支撐板沿高度方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同高度車輛的測(cè)試；通過4只支撐液壓缸分別驅(qū)動(dòng)上、下支撐板沿車輛寬度方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同寬度、不同形狀車輛的測(cè)試。

安裝在側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)上的角度傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量被測(cè)車輛的側(cè)傾角度，安裝在支撐架上的角度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量支撐架的角度，通過閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)支撐架的自動(dòng)跟隨。安裝在支撐板附近的超聲波位移傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量支撐板與車輛之間的距離，通過閉環(huán)控制，確保支撐板與測(cè)試車輛始終保持預(yù)定的安全距離。支撐底座上安裝有升降腳輪，可以方便支撐裝置的移動(dòng)，支撐板表面鋪有橡膠軟墊，保證車輛安全。

同時(shí)，考慮到有些車輛的特殊形狀，通過超聲波位移傳感器實(shí)時(shí)探測(cè)距離存在一定的不確定性，在自動(dòng)控制的基礎(chǔ)上增加了遠(yuǎn)程遙控控制，可以通過人工手動(dòng)控制支撐板的跟隨。

2.3 主要參數(shù)指標(biāo)確定

GB 7258-2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》對(duì)汽車的側(cè)傾穩(wěn)定角有如下規(guī)定：

圖4 支撐裝置結(jié)構(gòu)圖

1、罐式汽車和罐式掛車在滿載、靜態(tài)狀態(tài)下，向左側(cè)和右側(cè)傾斜的側(cè)傾穩(wěn)定角應(yīng)大于或等于23°；

2、除消防車外的其他機(jī)動(dòng)車在空載、靜態(tài)狀態(tài)下，向左側(cè)和右側(cè)傾斜的側(cè)傾穩(wěn)定角應(yīng)大于或等于：

——三輪機(jī)動(dòng)車（包括三輪汽車和三輪摩托車，但不包括前輪距小于或等于460mm的正三輪摩托車，下同）：25°；

——總質(zhì)量為整備質(zhì)量的1.2倍以下的機(jī)動(dòng)車：28°；

——總質(zhì)量不小于整備質(zhì)量1.2倍的專項(xiàng)作業(yè)車和輪式專用機(jī)械車：32°；

——其他機(jī)動(dòng)車（特型機(jī)動(dòng)車、兩輪普通摩托車及輕便摩托車除外）：35°。

考慮到汽車不同的側(cè)傾穩(wěn)定角要求，支撐架的隨動(dòng)角度設(shè)計(jì)為69°～53°，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)平臺(tái)21°～37°。同時(shí)依據(jù)GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》相關(guān)車輛尺寸、質(zhì)量相關(guān)要求及常用輪胎的規(guī)格尺寸，支撐裝置其他參數(shù)設(shè)計(jì)如表1。

表1 支撐裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支撐裝置主要的支撐結(jié)構(gòu)為支撐底座和支撐架，均為框架式結(jié)構(gòu)，兩者之間通過鉸座進(jìn)行連接，框架結(jié)構(gòu)通過H型鋼和矩形管焊接而成，從而滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。支撐架上表面安裝有燕尾槽結(jié)構(gòu)，通過高度調(diào)整液壓缸帶動(dòng)上支撐板沿燕尾槽運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上支撐板沿支撐架表面的上下滑動(dòng)。

如圖5所示，支撐架的角度α范圍為69°～53°，利用公式（1）可計(jì)算出隨動(dòng)液壓缸的行程。

圖5 支撐架運(yùn)動(dòng)示意圖

利用余弦定理有：

式中，L1為底座上兩鉸座之間的距離；L2為支撐架上鉸座之間的距離；L3為隨動(dòng)液壓缸鉸接點(diǎn)之間的距離；α1為鉸座的固有角度；α2為隨動(dòng)液壓缸的舉升角度。

圖6 支撐架受力分析圖

支撐架的受力狀態(tài)如圖6，隨動(dòng)液壓缸的受力通過公式（4）進(jìn)行計(jì)算。

式中，F(xiàn)1為下支撐板受力大小；F2為上支撐板受力大??；F3為隨動(dòng)液壓缸合力；L4為下支撐板受力中心到鉸座的距離；L5為支撐架上鉸座之間的距離；L6為上支撐板受力中心到鉸座的距離。

應(yīng)用過程中，在充分考慮受力安全的情況下，進(jìn)行核算。樣機(jī)所用H型鋼尺寸為100 mm×100 mm×8 mm×6 mm(寬×高×翼板厚×腹板厚)，矩形鋼尺寸為80 mm×80 mm×5 mm(寬×高×板厚)，隨動(dòng)液壓缸行程900 mm，缸體內(nèi)徑100 mm。

3.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)主要由油泵電機(jī)組、電磁換向閥、液壓鎖和液壓缸等組成，工作原理如圖7所示。

隨動(dòng)液壓缸和支撐液壓缸均為成對(duì)工作，由一個(gè)電磁閥同時(shí)控制兩個(gè)液壓缸，通過兩個(gè)液壓缸的同步運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)支撐架跟隨側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)以及支撐板沿車身橫向的伸縮運(yùn)動(dòng)。通過調(diào)節(jié)管路中節(jié)流閥的開口大小，實(shí)現(xiàn)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)以及兩液壓缸之間的同步。每一條液壓管路中均安裝有液壓鎖，當(dāng)發(fā)生壓力泄漏或者系統(tǒng)突然斷電時(shí)，液壓缸能夠保持在工作位置不變化，避免事故發(fā)生，保證系統(tǒng)安全。

圖7 液壓原理圖

3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由PLC控制器、超聲波位移傳感器、傾角傳感器及無線遙控收發(fā)器等構(gòu)成。

側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)和每個(gè)支撐裝置的支撐架上都安裝有傾角傳感器，通過PLC采集角度信號(hào)并實(shí)時(shí)對(duì)比分析，控制支撐裝置在工作角度內(nèi)跟隨側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)同步運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，在支撐板側(cè)邊安裝有超聲波位移傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量支撐板與車輛之間的距離，通過PLC控制支撐板與車輛側(cè)面保持一定的安全距離。

應(yīng)用過程中，考慮到很多車輛表面并非規(guī)則的平面，完全依賴于超聲波位移傳感器進(jìn)行距離的測(cè)量會(huì)存在一定的不確定因素?；谠囼?yàn)的安全和操作的便捷性，在自動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，增加手動(dòng)遙控控制，手動(dòng)與自動(dòng)控制模式之間可以隨時(shí)切換；手動(dòng)控制模式下，通過人眼觀察，調(diào)節(jié)支撐架的角度以及支撐板的位置，工作原理如圖8所示。

圖8 工作原理圖

4 試驗(yàn)測(cè)試

設(shè)計(jì)開發(fā)完畢后，進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，先按照要求安裝防翻裝置并連接好相應(yīng)的傳感器線纜及供電電纜；檢查車輛狀態(tài)合格后，將車輛按照要求停放在適當(dāng)?shù)奈恢?，并固定好防?cè)滑裝置；準(zhǔn)備就緒后，啟動(dòng)防翻裝置和側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行車輛側(cè)傾穩(wěn)定角試驗(yàn)。

當(dāng)側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)角度達(dá)到防翻裝置工作角度時(shí)，支撐架開始跟隨被試車輛運(yùn)動(dòng)，同時(shí)支撐板能夠依據(jù)不同的側(cè)翻角度實(shí)時(shí)調(diào)整位置，在不影響車輛正常試驗(yàn)的情況下，始終與被試車輛保持一定的安全距離。

手動(dòng)模式下，通過遠(yuǎn)程遙控裝置可以靈活操作支撐架翻轉(zhuǎn)以及支撐板伸縮，效果良好。試驗(yàn)照片如圖9所示。

5 結(jié)語

本文針對(duì)現(xiàn)有側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)防翻裝置存在的不足，在不局限于對(duì)側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)開發(fā)的情況下，單獨(dú)設(shè)計(jì)了一套非接觸式防翻裝置。借助該裝置，能夠保證車輛側(cè)傾試驗(yàn)過程的安全可控。制作完成后，進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試，驗(yàn)證該裝置能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目的，效果良好。

圖9 試驗(yàn)照片

a.防翻裝置由兩套支撐裝置構(gòu)成，兩套支撐裝置一起使用，滿足了不同長度車輛試驗(yàn)的要求；支撐架跟隨被試車輛實(shí)時(shí)調(diào)整角度，可以滿足不同試驗(yàn)角度；支撐板為可伸縮結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)不同寬度的車輛；上支撐板可上、下移動(dòng)能夠適應(yīng)不同高度的車輛；

b.采用自動(dòng)和手動(dòng)遙控相結(jié)合的方式，利用PLC控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)動(dòng)作；在車輛結(jié)構(gòu)不規(guī)則的情況下，采用手動(dòng)模式能夠滿足不同結(jié)構(gòu)形式車輛的試驗(yàn)要求。