液罐车侧倾稳定性研究

周凤霞，吴文军，黄中烈，李超，高超南

摘 要：考虑液体质心横向移动产生附加力矩及晃动阻尼影响的基础上建立液罐车侧倾动力学模型，研究不同外激励输入对车辆侧倾稳定性影响。结果表明，侧向加速度增加使得贮罐内的液体晃动振荡周期变长且横向载荷转移率幅值也随之增大，明显降低车辆侧倾稳定性。

关键词：液罐车;液体晃动;等效单摆模型;侧倾稳定性

中图分类号：O31  文献标识码：A  文章编号：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

作為一种相对高效率和低成本的运输工具，液罐车在液体货物运输市场中几乎占据不可替代的地位。但该类车辆除了具有承载重、质心高、体积大等显著不利因素外，在紧急避障或高速转弯等极端操纵工况下，贮罐内液体晃动极易与车体运动产生复杂的耦合效应，并导致车辆发生失稳、侧滑或侧翻等交通事故，从而造成人员伤亡、经济损失和环境污染等重大事故。统计数据表明[1-2]，侧翻是该类车辆发生交通事故中最主要的类型，尤其在高速公路转弯路段。近年来，国内外学者对带贮液罐类重型车辆动力学与稳定性等问题进行了大量的研究[3-5]，但较少学者们考虑液体晃动阻尼对车辆侧倾稳定性影响。因此将考虑了液体晃动阻尼的影响，建立液罐车的侧倾动力学模型并分析不同外激励输入与不同模型对车辆侧倾稳定性影响。

1 液罐车动力学建模

如图1所示为液罐车侧倾受力状态图，假设整车质心处运动为：纵向速度uc，侧向速度v，横摆角速度r，侧倾角加速度，从而簧上质量ms与液体货物质心ml质心处的侧向加速度分别为：

（1）

式中，e、c分别为簧上质量ms、液体货物ml质心位置与整车质心位置的距离，ht、hl分别为ms、ml质心位置至侧倾中心的高度。

由达朗贝尔定理建立液罐车ms部分动力学平衡方程，则车辆侧向、横摆与侧倾运动平衡方程分别为：

图1  车身侧倾状态

（2）

式中，a、b为前后轴长，hFl为液体对车体侧向力作用点距侧倾中心的距离，△y质心侧向转移量。

文中根据等效原则将罐内液体晃动采用等效单摆模型，即：

图2  等效单摆模型

将罐内液体质量分为靠近自由液面部分的单摆质量与靠近罐底部分的固定质量，根据牛顿第二定律，可得等效单摆模型动力学方程为：

（3）

因此，受到横向激励时罐内液体晃动力及晃动力矩如下：

（4）

式中，ml、m1和m2分别为罐内液体总质量、等效单摆质量与固定质量;h1和h0分别为罐体底部到单摆质量质心与固定质量质心的高度;为车辆外激励;θ1为等效单摆的摆角;c1为等效阻尼;l1为单摆长度。

2 算例分析

在车辆侧倾稳定性的评定中，载荷转移率LTR被广泛的用来当作评估罐车的侧倾稳定性性能指标，载荷转移率表达式被定义为：

（5）

其绝对值的变化范围是在0～1之间的，当LTR值较小，尤其接近于零值，则说明车辆侧倾稳定性较好，而LTR值趋近于1时，则表示侧倾稳定性很差，车辆处于侧翻边缘或将要发生侧翻的状态，分析参数如表1。

为了研究不同侧向加速度对侧倾稳定的影响，选取了侧向加速度为0.1g、0.2g、0.3g和0.4g进行研究。由图3可知，随着侧向加速度的增大，载荷转移率也随之增大，使得整车的稳定性急剧下降，车身的侧倾角以及侧倾角速度幅值增大，平衡位置相差一个稳定值。同时，由于侧向加速度的增大，车体的振荡周期变长，明显不利于车辆行驶稳定性。且若增加侧向加速度值至一定范围，横向载荷转移率不断增加，逐渐接近1，此时液罐车将有翻车危险。

3 结束语

本文基于等效单摆力学模型建立的液罐车侧倾动力学模型便于研究该类车辆的侧倾稳定性，且根据算例可知在实际行驶过程中，该类应避免输入过大激励，保证行驶安全。

参考文献

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