汽車側翻試驗臺非接觸式防翻裝置的設計開發

何小三1 李進軍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

1 前言

隨著汽車工業的不斷發展，車輛行駛的安全性受到越來越多的關注，根據美國公路安全局的統計數據，在所有交通事故中，汽車側翻事故的危害程度僅次于汽車碰撞事故。汽車側翻事故帶來的損失非常之大，據統計，在歐洲和北美造成人員傷亡的汽車事故中側翻事故占20%以上。

目前，進行汽車側傾穩定性評價主要通過實車測試，利用側翻試驗臺來確定車輛的最大側傾穩定角，但實車測試存在一定的翻車風險，造成安全事故。標準GB/T 14172-2009《汽車靜側翻穩定性臺架試驗方法》中對防側翻安全設備要求“為防止試驗時汽車發生側翻事故，須有專用的防側翻的安全設備。安全設備對汽車的約束力在汽車達側翻臨界狀態前均應為零”。現有的防側翻設備主要是在車輛一側固定綁帶或者是安裝移動式防護支架。采用綁帶時，綁帶施加給被試車輛的力不會完全為零，在一定程度上影響側傾穩定角的試驗結果，同時，如發生側翻事故，存在將整個試驗臺面拉脫的風險；利用可移動式防護支架，能保證試驗的準確性，但車輛結構形式各異，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，筆者設計開發了一種非接觸式的防側翻試驗裝置，試驗過程中支撐板始終與被試車輛保持一定的安全距離，能夠避免車輛因達到側傾臨界角而發生側翻事故，確保試驗安全，保證試驗結果的準確性。

圖1 綁帶式防翻裝置

2 整體設計

2.1 側翻試驗臺工作原理

側翻試驗臺主要由支撐翻轉平臺、液壓系統、控制系統及傳感測量系統構成。被試車輛通過防側滑裝置(擋塊)停穩在支撐翻轉平臺上，通過液壓泵驅動舉升液壓缸帶動平臺翻轉，通過傳感測量系統記錄支撐平臺的實時側傾角度，從而實現被試車輛側傾穩定角的測量。側翻試驗臺工作原理如圖2。

圖2 側翻試驗臺工作原理圖

2.2 方案設計

為保證被試車輛的安全，結合側翻試驗臺的實際使用工況，防翻裝置由前、后兩套支撐裝置組成。兩套支撐裝置分別對應安裝在車輛的前部和后部位置處，當車輛達到側傾臨界值時可以有效地支撐被試車輛，防止車輛因失去平衡而發生側翻事故，如圖3所示。兩套支撐裝置之間可以沿軌道滑動，通過調整前后位置來滿足不同長度車輛的試驗需求；通過調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需求。試驗過程中，支撐板始終與被試車輛保持非接觸的跟隨運動，不對試驗過程造成任何影響。

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、控制系統等組成，如圖4。

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

液壓系統為整個支撐裝置提供動力，通過2只隨動液壓缸驅動支撐架進行翻轉，實現對被測試車輛的側傾角度跟隨；通過高度調整液壓缸驅動上支撐板沿高度方向運動，實現不同高度車輛的測試；通過4只支撐液壓缸分別驅動上、下支撐板沿車輛寬度方向運動，實現不同寬度、不同形狀車輛的測試。

安裝在側翻試驗臺上的角度傳感器，實時測量被測車輛的側傾角度，安裝在支撐架上的角度傳感器實時測量支撐架的角度，通過閉環控制實現支撐架的自動跟隨。安裝在支撐板附近的超聲波位移傳感器，實時測量支撐板與車輛之間的距離，通過閉環控制，確保支撐板與測試車輛始終保持預定的安全距離。支撐底座上安裝有升降腳輪，可以方便支撐裝置的移動，支撐板表面鋪有橡膠軟墊，保證車輛安全。

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

2.3 主要參數指標確定

GB 7258-2017《機動車運行安全技術條件》對汽車的側傾穩定角有如下規定：

圖4 支撐裝置結構圖

1、罐式汽車和罐式掛車在滿載、靜態狀態下，向左側和右側傾斜的側傾穩定角應大于或等于23°；

2、除消防車外的其他機動車在空載、靜態狀態下，向左側和右側傾斜的側傾穩定角應大于或等于：

——三輪機動車（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°；

——總質量為整備質量的1.2倍以下的機動車：28°；

——總質量不小于整備質量1.2倍的專項作業車和輪式專用機械車：32°；

——其他機動車（特型機動車、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傾穩定角要求，支撐架的隨動角度設計為69°～53°，對應試驗平臺21°～37°。同時依據GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》相關車輛尺寸、質量相關要求及常用輪胎的規格尺寸，支撐裝置其他參數設計如表1。

表1 支撐裝置設計參數

3 結構設計

3.1 支撐結構設計

支撐裝置主要的支撐結構為支撐底座和支撐架，均為框架式結構，兩者之間通過鉸座進行連接，框架結構通過H型鋼和矩形管焊接而成，從而滿足結構的強度要求。支撐架上表面安裝有燕尾槽結構，通過高度調整液壓缸帶動上支撐板沿燕尾槽運動實現上支撐板沿支撐架表面的上下滑動。

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

圖5 支撐架運動示意圖

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為隨動液壓缸鉸接點之間的距離；α1為鉸座的固有角度；α2為隨動液壓缸的舉升角度。

圖6 支撐架受力分析圖

支撐架的受力狀態如圖6，隨動液壓缸的受力通過公式（4）進行計算。

式中，F1為下支撐板受力大小；F2為上支撐板受力大小；F3為隨動液壓缸合力；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。

應用過程中，在充分考慮受力安全的情況下，進行核算。樣機所用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)，隨動液壓缸行程900 mm，缸體內徑100 mm。

3.2 液壓系統設計

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

隨動液壓缸和支撐液壓缸均為成對工作，由一個電磁閥同時控制兩個液壓缸，通過兩個液壓缸的同步運動實現支撐架跟隨側翻試驗臺運動以及支撐板沿車身橫向的伸縮運動。通過調節管路中節流閥的開口大小，實現液壓缸的運動速度調節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，當發生壓力泄漏或者系統突然斷電時，液壓缸能夠保持在工作位置不變化，避免事故發生，保證系統安全。

圖7 液壓原理圖

3.3 控制系統設計

控制系統主要由PLC控制器、超聲波位移傳感器、傾角傳感器及無線遙控收發器等構成。

側翻試驗臺和每個支撐裝置的支撐架上都安裝有傾角傳感器，通過PLC采集角度信號并實時對比分析，控制支撐裝置在工作角度內跟隨側翻試驗臺同步運動。同時，在支撐板側邊安裝有超聲波位移傳感器，實時測量支撐板與車輛之間的距離，通過PLC控制支撐板與車輛側面保持一定的安全距離。

應用過程中，考慮到很多車輛表面并非規則的平面，完全依賴于超聲波位移傳感器進行距離的測量會存在一定的不確定因素。基于試驗的安全和操作的便捷性，在自動控制的基礎上，增加手動遙控控制，手動與自動控制模式之間可以隨時切換；手動控制模式下，通過人眼觀察，調節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 試驗測試

設計開發完畢后，進行了實車試驗。試驗時，先按照要求安裝防翻裝置并連接好相應的傳感器線纜及供電電纜；檢查車輛狀態合格后，將車輛按照要求停放在適當的位置，并固定好防側滑裝置；準備就緒后，啟動防翻裝置和側翻試驗臺，進行車輛側傾穩定角試驗。

當側翻試驗臺角度達到防翻裝置工作角度時，支撐架開始跟隨被試車輛運動，同時支撐板能夠依據不同的側翻角度實時調整位置，在不影響車輛正常試驗的情況下，始終與被試車輛保持一定的安全距離。

手動模式下，通過遠程遙控裝置可以靈活操作支撐架翻轉以及支撐板伸縮，效果良好。試驗照片如圖9所示。

5 結語

本文針對現有側翻試驗臺防翻裝置存在的不足，在不局限于對側翻試驗臺進行改進開發的情況下，單獨設計了一套非接觸式防翻裝置。借助該裝置，能夠保證車輛側傾試驗過程的安全可控。制作完成后，進行了實車測試，驗證該裝置能夠達到設計目的，效果良好。

圖9 試驗照片

a.防翻裝置由兩套支撐裝置構成，兩套支撐裝置一起使用，滿足了不同長度車輛試驗的要求；支撐架跟隨被試車輛實時調整角度，可以滿足不同試驗角度；支撐板為可伸縮結構能夠適應不同寬度的車輛；上支撐板可上、下移動能夠適應不同高度的車輛；

b.采用自動和手動遙控相結合的方式，利用PLC控制系統可實現裝置的自動動作；在車輛結構不規則的情況下，采用手動模式能夠滿足不同結構形式車輛的試驗要求。