劉馨澤洋　高堃

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

關(guān)鍵詞：新能源洗掃車 行駛穩(wěn)定性 汽車穩(wěn)定性設(shè)計

1 前言

新能源為當(dāng)前的汽車設(shè)計優(yōu)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(qū)動力，對促進(jìn)社會整體的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。當(dāng)前城市發(fā)展中道路類型的多樣化發(fā)展趨勢，對道路路面的清潔工作也提出了更高的要求。應(yīng)用新能源洗掃車，能夠在滿足大量道路清潔作業(yè)需求的同時，降低車輛行駛消耗的資源，也能夠有效減輕環(huán)境污染，對新能源洗掃車的行駛穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對提升汽車設(shè)計的質(zhì)量效果具有重要的作用。

2 影響新能源洗掃車行駛穩(wěn)定性的主要因素

2.1 汽車穩(wěn)定性系數(shù)

對新能源洗掃車行駛穩(wěn)定性的研究，應(yīng)首先基于一般情況下影響車行駛穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析。汽車在直線、變道以及彎道行駛中是否能夠保持穩(wěn)定性狀態(tài)，會受到路面坑洼、橫向風(fēng)、橫擺運動等因素的影響。從汽車設(shè)計的角度，在發(fā)生以上運動的情況下，汽車方向盤輸入以及對汽車整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性所產(chǎn)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(wěn)定性[1]。其中，汽車的抗擾動能力主要可以用汽車穩(wěn)定性系數(shù)來表示。

汽車穩(wěn)定性系數(shù)能夠通過衡量車輛前后軸響應(yīng)制能力是否處于平衡的狀態(tài)，明確車輛行駛狀態(tài)下不足轉(zhuǎn)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(tài)下能夠承受的轉(zhuǎn)向操作激烈程度，在汽車處于行駛狀態(tài)下所產(chǎn)生的共振情況，能夠?qū)⑵溆糜诤饬科囆旭偟姆€(wěn)定性[2]。在實際進(jìn)行汽車行駛穩(wěn)定性的設(shè)計時，主要應(yīng)用以下公式來表示汽車的穩(wěn)定性系數(shù)：

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

2.2 車體剛度

結(jié)合汽車的行駛狀態(tài)來看，在駕駛員驅(qū)動汽車方向盤進(jìn)行相關(guān)動作時，由于汽車行駛狀態(tài)、行駛速度等方面的變化，車體會發(fā)生變形，進(jìn)而導(dǎo)致輪胎位置以及汽車行駛方向的改變[3]。輪胎產(chǎn)生的力也會隨之變動，進(jìn)而對汽車行駛穩(wěn)定性產(chǎn)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(zhuǎn)和橫向彎曲狀態(tài)，能夠為研究車輛行駛的穩(wěn)定性提供更為確切的依據(jù)。

車體剛度通常分為車體扭轉(zhuǎn)剛性以及車體橫向彎曲剛性兩個具體的方面。以車體扭轉(zhuǎn)剛性為例，車體扭轉(zhuǎn)剛性主要會受到車輛減震器安裝點截面的扭轉(zhuǎn)角度影響，在車輛前后減震器之間的扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)剛性之間能夠呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系。而考慮到汽車本身的質(zhì)量越大，在行駛中汽車質(zhì)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(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計時，需要在結(jié)合新能源洗掃車車型設(shè)定的扭轉(zhuǎn)剛性值標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，借助以下公式來實現(xiàn)對于汽車扭轉(zhuǎn)剛性的目標(biāo)設(shè)定：

在該式中，代表設(shè)計車輛的車身扭轉(zhuǎn)剛性，單位為Nm^2/deg；代表設(shè)計車輛標(biāo)準(zhǔn)的扭轉(zhuǎn)剛性，單位為Nm^2/deg；代表設(shè)計車輛的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量，單位為kg；代表設(shè)計車輛的標(biāo)準(zhǔn)軸距，單位為mm；代表設(shè)計車輛的質(zhì)量，單位為kg；為設(shè)計車輛的軸距，單位為mm。

2.3 汽車空氣動力學(xué)特性

空氣動力學(xué)特性主要是從汽車行駛中產(chǎn)生的空氣流動現(xiàn)象出發(fā)，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(chǎn)生的各種特性。從汽車行駛穩(wěn)定性的角度進(jìn)行考慮，汽車行駛中產(chǎn)生的升力、側(cè)向力、側(cè)傾力矩以及橫擺力矩，是影響汽車行駛穩(wěn)定性的主要內(nèi)容。

結(jié)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(chǎn)生的側(cè)向力側(cè)傾力矩以及橫擺力矩，會直接影響到車輛行駛的穩(wěn)定性效果。這些指標(biāo)主要是指在汽車受到自然風(fēng)影響的情況下，當(dāng)汽車的行駛方向與自然風(fēng)方向相反時，就會產(chǎn)生側(cè)向風(fēng)，在相應(yīng)指標(biāo)超過汽車設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)值之后，很容易導(dǎo)致汽車在行駛中發(fā)生傾翻、滑移、側(cè)滑等事故[4]?；诖耍瑸樘接懶履茉聪丛柢囆旭偡€(wěn)定性的設(shè)計方法，需要在明確車輛整體結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)特征影響的情況。

3 新能源洗掃車行駛穩(wěn)定性的設(shè)計分析

3.1 不同狀態(tài)下的汽車重心位置計算

汽車重心位置是決定汽車行駛穩(wěn)定性的重要因素，在對洗掃車進(jìn)行新能源改裝的過程中，應(yīng)考慮汽車處于不同行駛狀態(tài)，會導(dǎo)致實際的汽車重心位置發(fā)生變化，因而對于汽車重心位置的確定，應(yīng)模擬洗掃車在實際作業(yè)過程中產(chǎn)生的不同狀態(tài)。

具體而言，在對不同狀態(tài)下的汽車中心位置進(jìn)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(tài)的需求。其中，汽車前軸的軸荷應(yīng)超過車輛總質(zhì)量的20%以上[5]。在左右軸荷方面也應(yīng)將偏差控制在3%以內(nèi)?？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(wěn)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(yè)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(tài)：

首先，在新能源洗掃車處于空載的狀態(tài)時，主要以幾何中心作為質(zhì)心，在考慮不同車輛內(nèi)外布局情況的前提下，設(shè)定車長方向為x坐標(biāo)，車高方向為y坐標(biāo)，在考慮車輛中主要設(shè)備的質(zhì)量Gi，設(shè)備質(zhì)心的x方向坐標(biāo)Xi，設(shè)備質(zhì)心的y方向坐標(biāo)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(shù)值進(jìn)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(chǔ)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(guān)的數(shù)值之后，結(jié)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(jù)車輛總質(zhì)量的20%這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，就可以明確空載狀態(tài)下的新能源汽車是否能夠滿足車輛行駛穩(wěn)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(zhì)量以及重心位置發(fā)生變化，因而對于車輛設(shè)備質(zhì)心的方向坐標(biāo)也發(fā)生變化，可以直接將相應(yīng)的變化數(shù)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(fù)進(jìn)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(wěn)定性設(shè)計中需要考慮的重點因素，在縱向行駛狀態(tài)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(tài)下的受力情況進(jìn)行分析，首先明確不同受力情況之間的關(guān)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(jìn)行計算：

在該式中，代表輪胎對地面的縱向附著系數(shù)，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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)的情況下，汽車前輪的法向反作用力為零，就會導(dǎo)致車輛發(fā)生傾翻事故[6]。因而對于新能源洗掃車行駛穩(wěn)定性的設(shè)計，應(yīng)重點通過模擬車輛行駛狀態(tài)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(jìn)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(zhì)量，單位為kg；代表汽車軸距，單位為mm；代表整車質(zhì)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(tài)發(fā)生的滑移現(xiàn)象，主要應(yīng)考慮新能源洗掃車驅(qū)動輪的附著力與車輛平行于坡道上的分力之間的關(guān)系，如果前者小于或等于后者，車輛就會發(fā)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(jìn)行計算。

在明確設(shè)計的新能源洗掃車容易發(fā)生側(cè)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化來提升行駛穩(wěn)定性。

3.3 汽車橫向行駛側(cè)翻與側(cè)滑的計算

對于新能源洗掃車橫向穩(wěn)定性的計算，同樣需要考慮橫向行駛的側(cè)翻和側(cè)滑兩種情況。汽車的橫向行駛側(cè)翻側(cè)滑現(xiàn)象，主要會受到汽車前后輪的徑向反作用力影響。當(dāng)汽車處于行駛狀態(tài)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(jìn)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(jìn)而容易導(dǎo)致汽車在縱向上發(fā)生翻車事故[7]。結(jié)合這一過程中汽車的整體受力情況，在進(jìn)行汽車行駛穩(wěn)定性的設(shè)計時，可以應(yīng)用以下公式來進(jìn)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(fā)生向側(cè)面外翻的情況，汽車右輪的法向反作用力為零，結(jié)合離心率的計算公式可以計算得到，汽車在橫坡轉(zhuǎn)彎時能夠達(dá)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(zhuǎn)彎半徑。

在實際進(jìn)行汽車行駛穩(wěn)定性的設(shè)計時，應(yīng)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(fā)生側(cè)翻的最大車速。同時也需要能夠結(jié)合洗掃車底盤的最小轉(zhuǎn)彎半徑、車輛在滿載狀態(tài)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(yīng)的數(shù)值代入到汽車發(fā)生側(cè)翻的最大車速的公式當(dāng)中，計算得到汽車行駛的最大車速標(biāo)準(zhǔn)。

例如，當(dāng)洗掃車底盤最小轉(zhuǎn)彎半徑為7m、汽車輪距為1525mm時，在處于水平路面行駛狀態(tài)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(shù)值代入到最大車速公式之后，得到車輛的最大轉(zhuǎn)彎速度標(biāo)準(zhǔn)為24.7km/h：

而從車輛發(fā)生側(cè)滑的角度來看，在對汽車行駛穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)重點考慮以保證車輛不發(fā)生側(cè)翻情況下的最大道路坡度，進(jìn)而明確車輛能夠不發(fā)生側(cè)滑的基本條件。結(jié)合以往的車輛行駛經(jīng)驗來看，側(cè)滑比側(cè)翻更容易導(dǎo)致車輛安全事故，因而在進(jìn)行汽車行駛穩(wěn)定性設(shè)計時應(yīng)重點關(guān)注。

具體而言，當(dāng)汽車在水平路面需要轉(zhuǎn)彎時，車輛的側(cè)向分力如果大于路面的側(cè)向附著力，就會導(dǎo)致車輛發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象。為盡可能降低側(cè)滑現(xiàn)象對車輛行駛安全產(chǎn)生的影響，在設(shè)計計算中，通常引入附著系數(shù)這一概念，用于設(shè)計車輛能夠不發(fā)生側(cè)滑的標(biāo)準(zhǔn)。

基于附著系數(shù)的汽車側(cè)滑標(biāo)準(zhǔn)：

在該式中，代表附著系數(shù)；代表洗掃車總質(zhì)量；代表重力加速度；代表車速；代表汽車轉(zhuǎn)彎半徑。

結(jié)合以上公式可以通過對汽車側(cè)滑現(xiàn)象的計算，盡可能讓側(cè)滑現(xiàn)象發(fā)生在側(cè)翻現(xiàn)象之前。在這一過程中，還會涉及到一個汽車側(cè)向穩(wěn)定性系數(shù)的概念。汽車側(cè)向穩(wěn)定性系數(shù)主要是基于汽車發(fā)生側(cè)滑條件時計算得到的相關(guān)數(shù)值，即在汽車水平路面行駛車速小于汽車發(fā)生側(cè)翻最大速度的情況下，可以得到汽車的附著系數(shù)這一條件。在實際計算中，通常需要將汽車的附著系數(shù)取值為0.7。在得到計算結(jié)果之后，如果證實能夠滿足相應(yīng)的汽車穩(wěn)定性條件，則可以確定改裝后的新能源洗掃車穩(wěn)定性能夠達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

綜上所述，對新能源洗掃車的行駛穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，需要注重考慮洗掃車應(yīng)用的具體路面情況以及洗掃車自身結(jié)構(gòu)的承載力和重心分配情況。一般情況下汽車行駛穩(wěn)定性設(shè)計效果的主要影響因素，發(fā)現(xiàn)在對新能源洗掃車進(jìn)行設(shè)計時，為達(dá)到確保汽車行駛穩(wěn)定性的目的，應(yīng)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(cè)翻與側(cè)滑的方式來驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的實際效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李奎，閆麗君等. 考慮能量回收控制的新能源汽車串聯(lián)式制動系統(tǒng)[J]. 時代汽車，2023，（06）：109-111.

[2]陳婭鑫，陳昕等. 新能源汽車行駛里程關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)屬性分析與預(yù)測模型研究[J]. 遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，43（01）：6-10+19.

[3]楊松林. 分布式驅(qū)動電動汽車行駛穩(wěn)定性控制策略研究[D].石河子大學(xué)，2022.

[4]毛玲，鄧思文等. 新能源汽車監(jiān)測平臺在行駛和充電場景中的應(yīng)用與思考[J]. 電工技術(shù)學(xué)報，2022，37（01）：48-57.

[5]胡振. 超車過程中汽車氣動特性與行駛穩(wěn)定性研究[D].武漢理工大學(xué)，2020.

[6]李德才. 基于數(shù)據(jù)特征的汽車行駛速度狀態(tài)與駕駛行為安全性研究[D].東北林業(yè)大學(xué)，2021.

[7]賈會星. 輪距對重型汽車行駛穩(wěn)定性影響的仿真研究[J]. 長春工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，22（03）：35-38+63.