液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性研究

周鳳霞，吳文軍，黃中烈，李超，高超南

摘 要：考慮液體質(zhì)心橫向移動(dòng)產(chǎn)生附加力矩及晃動(dòng)阻尼影響的基礎(chǔ)上建立液罐車側(cè)傾動(dòng)力學(xué)模型，研究不同外激勵(lì)輸入對(duì)車輛側(cè)傾穩(wěn)定性影響。結(jié)果表明，側(cè)向加速度增加使得貯罐內(nèi)的液體晃動(dòng)振蕩周期變長(zhǎng)且橫向載荷轉(zhuǎn)移率幅值也隨之增大，明顯降低車輛側(cè)傾穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：液罐車;液體晃動(dòng);等效單擺模型;側(cè)傾穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：O31 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）23-124-03

Study on roll stability ofpartially-fill tank truck*

Zhou Fengxia， Wu Wenjun*， Huang Zhonglie， Li Chao， Gao Chaonan

（ Department of Automotive and Transportation， Guangxi University of Science and Technology，

Guangxi Liuzhou 545006 ）

Abstract： The roll dynamic model of tank truck is established to study the impact of different external excitation input on roll stability of vehicle based on the effect of additional moment and sloshing damping caused by lateral movement of liquid mass center. The results show that with the increase of lateral acceleration， the oscillation period of liquid sloshing in tank becomes longer and the amplitude of lateral load transfer rate increases， which reduces the roll stability of vehicleultimately.

Keywords： Tank truck; Liquid sloshing; Equivalent pendulum model; Roll stability

CLC NO.： O31 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-124-03

引言

作為一種相對(duì)高效率和低成本的運(yùn)輸工具，液罐車在液體貨物運(yùn)輸市場(chǎng)中幾乎占據(jù)不可替代的地位。但該類車輛除了具有承載重、質(zhì)心高、體積大等顯著不利因素外，在緊急避障或高速轉(zhuǎn)彎等極端操縱工況下，貯罐內(nèi)液體晃動(dòng)極易與車體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生復(fù)雜的耦合效應(yīng)，并導(dǎo)致車輛發(fā)生失穩(wěn)、側(cè)滑或側(cè)翻等交通事故，從而造成人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染等重大事故。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明[1-2]，側(cè)翻是該類車輛發(fā)生交通事故中最主要的類型，尤其在高速公路轉(zhuǎn)彎路段。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)帶貯液罐類重型車輛動(dòng)力學(xué)與穩(wěn)定性等問題進(jìn)行了大量的研究[3-5]，但較少學(xué)者們考慮液體晃動(dòng)阻尼對(duì)車輛側(cè)傾穩(wěn)定性影響。因此將考慮了液體晃動(dòng)阻尼的影響，建立液罐車的側(cè)傾動(dòng)力學(xué)模型并分析不同外激勵(lì)輸入與不同模型對(duì)車輛側(cè)傾穩(wěn)定性影響。

1 液罐車動(dòng)力學(xué)建模

如圖1所示為液罐車側(cè)傾受力狀態(tài)圖，假設(shè)整車質(zhì)心處運(yùn)動(dòng)為：縱向速度uc，側(cè)向速度v，橫擺角速度r，側(cè)傾角加速度，從而簧上質(zhì)量ms與液體貨物質(zhì)心ml質(zhì)心處的側(cè)向加速度分別為：

（1）

式中，e、c分別為簧上質(zhì)量ms、液體貨物ml質(zhì)心位置與整車質(zhì)心位置的距離，ht、hl分別為ms、ml質(zhì)心位置至側(cè)傾中心的高度。

由達(dá)朗貝爾定理建立液罐車ms部分動(dòng)力學(xué)平衡方程，則車輛側(cè)向、橫擺與側(cè)傾運(yùn)動(dòng)平衡方程分別為：

圖1 ?車身側(cè)傾狀態(tài)

（2）

式中，a、b為前后軸長(zhǎng)，hFl為液體對(duì)車體側(cè)向力作用點(diǎn)距側(cè)傾中心的距離，△y質(zhì)心側(cè)向轉(zhuǎn)移量。

文中根據(jù)等效原則將罐內(nèi)液體晃動(dòng)采用等效單擺模型，即：

圖2 ?等效單擺模型

將罐內(nèi)液體質(zhì)量分為靠近自由液面部分的單擺質(zhì)量與靠近罐底部分的固定質(zhì)量，根據(jù)牛頓第二定律，可得等效單擺模型動(dòng)力學(xué)方程為：

（3）

因此，受到橫向激勵(lì)時(shí)罐內(nèi)液體晃動(dòng)力及晃動(dòng)力矩如下：

（4）

式中，ml、m1和m2分別為罐內(nèi)液體總質(zhì)量、等效單擺質(zhì)量與固定質(zhì)量;h1和h0分別為罐體底部到單擺質(zhì)量質(zhì)心與固定質(zhì)量質(zhì)心的高度;為車輛外激勵(lì);θ1為等效單擺的擺角;c1為等效阻尼;l1為單擺長(zhǎng)度。

2 算例分析

在車輛側(cè)傾穩(wěn)定性的評(píng)定中，載荷轉(zhuǎn)移率LTR被廣泛的用來當(dāng)作評(píng)估罐車的側(cè)傾穩(wěn)定性性能指標(biāo)，載荷轉(zhuǎn)移率表達(dá)式被定義為：

（5）

其絕對(duì)值的變化范圍是在0～1之間的，當(dāng)LTR值較小，尤其接近于零值，則說明車輛側(cè)傾穩(wěn)定性較好，而LTR值趨近于1時(shí)，則表示側(cè)傾穩(wěn)定性很差，車輛處于側(cè)翻邊緣或?qū)⒁l(fā)生側(cè)翻的狀態(tài)，分析參數(shù)如表1。

為了研究不同側(cè)向加速度對(duì)側(cè)傾穩(wěn)定的影響，選取了側(cè)向加速度為0.1g、0.2g、0.3g和0.4g進(jìn)行研究。由圖3可知，隨著側(cè)向加速度的增大，載荷轉(zhuǎn)移率也隨之增大，使得整車的穩(wěn)定性急劇下降，車身的側(cè)傾角以及側(cè)傾角速度幅值增大，平衡位置相差一個(gè)穩(wěn)定值。同時(shí)，由于側(cè)向加速度的增大，車體的振蕩周期變長(zhǎng)，明顯不利于車輛行駛穩(wěn)定性。且若增加側(cè)向加速度值至一定范圍，橫向載荷轉(zhuǎn)移率不斷增加，逐漸接近1，此時(shí)液罐車將有翻車危險(xiǎn)。

3 結(jié)束語

本文基于等效單擺力學(xué)模型建立的液罐車側(cè)傾動(dòng)力學(xué)模型便于研究該類車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性，且根據(jù)算例可知在實(shí)際行駛過程中，該類應(yīng)避免輸入過大激勵(lì)，保證行駛安全。

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