液罐車側傾穩定性研究

周鳳霞，吳文軍，黃中烈，李超，高超南

摘 要：考慮液體質心橫向移動產生附加力矩及晃動阻尼影響的基礎上建立液罐車側傾動力學模型，研究不同外激勵輸入對車輛側傾穩定性影響。結果表明，側向加速度增加使得貯罐內的液體晃動振蕩周期變長且橫向載荷轉移率幅值也隨之增大，明顯降低車輛側傾穩定性。

關鍵詞：液罐車;液體晃動;等效單擺模型;側傾穩定性

中圖分類號：O31 ?文獻標識碼：A ?文章編號：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

作為一種相對高效率和低成本的運輸工具，液罐車在液體貨物運輸市場中幾乎占據不可替代的地位。但該類車輛除了具有承載重、質心高、體積大等顯著不利因素外，在緊急避障或高速轉彎等極端操縱工況下，貯罐內液體晃動極易與車體運動產生復雜的耦合效應，并導致車輛發生失穩、側滑或側翻等交通事故，從而造成人員傷亡、經濟損失和環境污染等重大事故。統計數據表明[1-2]，側翻是該類車輛發生交通事故中最主要的類型，尤其在高速公路轉彎路段。近年來，國內外學者對帶貯液罐類重型車輛動力學與穩定性等問題進行了大量的研究[3-5]，但較少學者們考慮液體晃動阻尼對車輛側傾穩定性影響。因此將考慮了液體晃動阻尼的影響，建立液罐車的側傾動力學模型并分析不同外激勵輸入與不同模型對車輛側傾穩定性影響。

1 液罐車動力學建模

如圖1所示為液罐車側傾受力狀態圖，假設整車質心處運動為：縱向速度uc，側向速度v，橫擺角速度r，側傾角加速度，從而簧上質量ms與液體貨物質心ml質心處的側向加速度分別為：

（1）

式中，e、c分別為簧上質量ms、液體貨物ml質心位置與整車質心位置的距離，ht、hl分別為ms、ml質心位置至側傾中心的高度。

由達朗貝爾定理建立液罐車ms部分動力學平衡方程，則車輛側向、橫擺與側傾運動平衡方程分別為：

圖1 ?車身側傾狀態

（2）

式中，a、b為前后軸長，hFl為液體對車體側向力作用點距側傾中心的距離，△y質心側向轉移量。

文中根據等效原則將罐內液體晃動采用等效單擺模型，即：

圖2 ?等效單擺模型

將罐內液體質量分為靠近自由液面部分的單擺質量與靠近罐底部分的固定質量，根據牛頓第二定律，可得等效單擺模型動力學方程為：

（3）

因此，受到橫向激勵時罐內液體晃動力及晃動力矩如下：

（4）

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

2 算例分析

在車輛側傾穩定性的評定中，載荷轉移率LTR被廣泛的用來當作評估罐車的側傾穩定性性能指標，載荷轉移率表達式被定義為：

（5）

其絕對值的變化范圍是在0～1之間的，當LTR值較小，尤其接近于零值，則說明車輛側傾穩定性較好，而LTR值趨近于1時，則表示側傾穩定性很差，車輛處于側翻邊緣或將要發生側翻的狀態，分析參數如表1。

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

3 結束語

本文基于等效單擺力學模型建立的液罐車側傾動力學模型便于研究該類車輛的側傾穩定性，且根據算例可知在實際行駛過程中，該類應避免輸入過大激勵，保證行駛安全。

參考文獻

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