罐式汽車制動時行駛穩(wěn)定性分析

賈會星

(滁州職業(yè)技術學院汽車工程系，安徽 滁州 239000)

汽車行駛速度的提高使人們生活和工作更加便捷高效。車速越高，對于罐式汽車制動時的行駛穩(wěn)定性也要求越高。罐式汽車一般裝載質(zhì)量較大，所運輸介質(zhì)大多為液體，當罐車制動時，罐內(nèi)液體的晃動會對其行駛穩(wěn)定性造成極大影響。為了提高罐車的行駛穩(wěn)定性，研究罐車制動時液體晃動對行駛穩(wěn)定性的影響有著重要的意義。

1 計算模型的建立

本文采用Fluent軟件，運用VOF方法對罐車罐體內(nèi)液體大幅晃動特性進行數(shù)值模擬。在每個控制單元里，流體成分相態(tài)的存在性決定了遷移方程的特性。這是個雙相位系統(tǒng)，該系統(tǒng)用下標1表示氣體，下標2表示液體。如果流體的體積分數(shù)不斷變化，則每個小單元的密度如下:

式中: ρ1、ρ2分別為氣體和液體密度;μ1、μ2分別為氣體和液體密度動力黏度系數(shù)。

體積分數(shù)方程不可以解決氣體相態(tài)。規(guī)定體積分數(shù)αq的和為:，在每個小單元里αq是相等的，如此可計算得到氣體的體積分數(shù)。

只需解決整個網(wǎng)域的一個單一方程，以此作為最終的速度域由所有相位所共享。通過ρ和μ，依照所有的相位體積分數(shù)得出動量方程，如式(2)所示:

1.1 罐式汽車模型的建立

本文根據(jù)某油罐車廠家提供的實車參數(shù)，利用CATIA三維建模軟件做出罐車的三維模型(圖1)。

圖1 罐車三維模型

1.2 網(wǎng)格的劃分

靠近罐體壁及防波板附近的黏性流體流動狀態(tài)比較復雜，本次研究采用TetHybrid網(wǎng)格單元類型。其他流體區(qū)域采用HexWedge網(wǎng)格單元類型，既可以控制網(wǎng)格數(shù)量，又可以提高計算效率。網(wǎng)格模型如圖2所示，x軸指向汽車前進方向且平行于地面，y軸平行于地面向左，z軸垂直地面向上。

圖2 罐車模型網(wǎng)格

1.3 邊界條件及初始條件的設定

罐體及防波板表面設置為無滑移壁面邊界條件，初始時氣液交界面平行于xy平面，假設液體和氣體相對罐體速度為0，氣體壓強為1×105Pa。

1.4 求解方法及計算參數(shù)的確定

這里，速度和壓強的耦合處理方法采用PISO法，壓力修正方程的離散格式采用Body Force Weighted格式，對流項離散格式采用一階迎風格式。罐體內(nèi)二相流為空氣和煤油，空氣假設為理想氣體，設其密度為1.225 kgm3，動力黏性系數(shù)為1.7894×10－5kg(m·s);煤油密度為 780 kgm3，動力黏性系數(shù)為2.24×10－3kg(m·s)。非定常計算中時間步長為0.0001 s，并且每計算20步記錄一次流體動態(tài)模擬圖像。

2 計算結果及分析

2.1 液體晃動受制動減速度的影響

在不同路面上，地面制動力為:

故汽車能達到的減速度為:

若允許汽車的前后車輪同時抱死，則

若裝有理想的制動防抱死裝置來控制汽車的制動，則制動減速度為

故罐車受到制動減速度ab變化范圍應滿足如表1給出的各路面平均附著系數(shù)。

表1 幾種路面平均附著系數(shù)

假設，罐車充液比 Δ =Vliquid滿載Vliquid非滿載=0.8，制動前罐車勻速直線行駛，從t=0時刻開始制動，制動減速度ab每間隔0.1 g從ab=0.2 g到ab=0.5 g，4 種工況。

仿真過程中，罐車制動時受到地面提供的制動力作減速運動，而罐體內(nèi)的液體受到慣性力的作用向行駛方向迅速涌起，隨后又涌落，如此往復。液體晃動會引起罐體內(nèi)液體對罐體壁產(chǎn)生沖擊力(圖3、圖4)、液體重心位置變化以及載荷分布變化(圖5)，使得罐車制動穩(wěn)定性能變差。

在仿真過程中，每隔0.1 s記錄一次罐體在x、y、z方向受力大小，計算結果表明制動時罐體受y方向沖擊力變化很小約等于0，在2 s內(nèi)罐體在x，z方向所受液體沖擊力大小Fx，F(xiàn)z隨時間的變化歷程分別如圖3、圖4所示，其中Fx沿 x軸正向，F(xiàn)z沿z軸負向。

圖3 不同減速度下x方向罐體受力

圖4 不同減速度下z方向罐體受力

由圖3可見，制動開始后2 s內(nèi)，罐體所受x方向沖擊力大小迅速增大，到達第一個峰值之后，液體由于前端隔板的阻擋開始往回運動，受力逐漸減小，涌向另一端后受力又逐漸增大，如此往復。同時，x方向受力峰值、變化幅度均隨減速度的增大而增大，并且減速度越大，峰值增速越快。

由圖4可見，制動開始后2 s內(nèi)，罐體z方向受力圍繞G=253 kN(靜止時罐體受力)上下波動變化，到達第一波峰之后受力逐漸變小，又逐漸變大到第二波峰，如此周而復始。同時，z向受力峰值、變化幅度也均隨減速度的增大而增大，并且減速度越大，峰值增速越快。

罐車制動時液體晃動影響整車的軸荷分配。圖5為不同加速度下，t=0.3 s時罐體底部壓強對比圖。

圖5 不同ab下，t=0.3 s時罐體底部壓強

由圖5可見，不同ab時的汽車載荷前后分布不均勻，且ab越大差距越大。

2.2 充液比對液體晃動的影響

罐車罐體在充裝時不允許充滿全部容積，必須留出液體膨脹所需空間，否則會因溫升、液體膨脹力過大而產(chǎn)生破裂，所以罐車在充裝時必須嚴格控制充裝量［3］。

假設充液比Δ每間隔0.1取值，從Δ=0.5到Δ=0.8共4種工況下，制動前罐車勻速直線行駛，從t=0時刻以ab=0.5g開始制動，罐體在x，z方向所受液體沖擊力絕對值大小Fx，F(xiàn)z隨時間的變化歷程分別如圖6、圖7所示，其中Fx沿x軸正向，F(xiàn)z沿z軸負向。

圖6 不同Δ下x方向罐體受力

圖7 不同Δ下z方向罐體受力

由圖6、圖7可見，隨著Δ的增加，兩個方向的整體受力均明顯增大，z方向受力峰值隨Δ的增加單調(diào)增大，而x方向受力峰值隨Δ的增加先增大后減小。

由圖8可見，不同Δ時的汽車載荷前后分布不均勻，且Δ越大差距越大。

2.3 防波板對液體晃動的影響

假設罐車充液比Δ=0.8，制動減速度為ab=0.5g，設計了有橫向防波板、無橫向防波板的動態(tài)仿真對比。

由圖9可見，罐車在相同制動減速度下，有防波板時罐體x方向受力變化幅度明顯小于無防波板時，并且峰值遠遠小于無防波板時。

由圖10可見，罐車在相同制動減速度下，有防波板時罐體z方向受力變化幅度明顯小于無防波板時，并且最大峰值遠遠低于無防波板時。圖11所示為相同條件下，t=0.3 s時罐體底部壓強對比圖。

圖8 不同Δ下，t=0.3 s時罐體底部壓強

圖9 罐體x方向受力對比

圖10 罐體z方向受力對比

圖11 相同條件下，t=0.3 s時罐體底部壓強對比圖

仿真結果對比表明，設置橫向防波板對行駛方向抑制液體晃動效果非常明顯。

通過以上分析，相對于運輸固體貨物的貨車，運輸液體貨物的罐車隨著制動減速度、充液量的增加，由于晃動干擾的原因，其所受到的縱向力和縱向力矩峰值增加迅速，這使得罐車行駛時制動穩(wěn)定性變差?？v向力的大小在水平路面對車身穩(wěn)定性影響不大，但在坡道行駛時，對車身穩(wěn)定性影響較大。故在坡道行駛時，為了保證罐車的行駛安全，應降低制動減速度、減小充液量、設置防波板。而減小充液量使罐車的運輸經(jīng)濟性變差，故為了保證罐車的坡道行駛安全，與裝載固體貨物總質(zhì)量相同的貨車相比，罐車必須以更低的車速、更小制動減速度或設置合理的防波板，才能確保坡道行駛的安全性。

3 結語

本文分別對罐車無防波板時不同制動減速度，不同充液比，以及充液比Δ=0.8、制動減速度ab=0.5 g條件下，罐車有、無防波板3種情況的罐內(nèi)液體晃動進行了數(shù)值模擬。仿真結果表明:

(1)隨著制動減速度增加，罐體豎直、行駛方向受力峰值及側傾力矩均變大;隨充液比增加，豎直方向受力峰值增大，行駛方向受力峰值與側傾力矩峰值先增大后減小。而增加的行駛方向受力峰值及側傾力矩嚴重影響罐車坡道行駛的穩(wěn)定性，這要求罐車駕駛員在坡道行駛時相對于運送固態(tài)貨物的車輛來說，應以更低的車速、更小制動力來操作罐車，才能確保罐車坡道行駛的穩(wěn)定性。

(2)在相同條件下，對有、無防波板的罐體內(nèi)液體晃動仿真結果進行對比，發(fā)現(xiàn)有防波板時，罐體豎直、行駛方向受力變化幅度明顯減小，設置橫向防波板對罐車制動時抑制液體晃動效果明顯。故在罐車的結構設計上應設置合理的橫向防波板以提高其制動時的行駛穩(wěn)定性。

［1］王照林，劉延柱.充液系統(tǒng)動力學［M］.北京:科學出版社，2002.

［2］余志生.汽車理論［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［3］洑春干，薛定.槽罐車操作技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2009.2.

［4］王勇.考慮液體晃動的三大件轉向架罐車耦合系統(tǒng)動力性能研究［D］.西安:西安交通大學，2004.

［5］劉靜.液罐車防側翻姿態(tài)控制與報警策略仿真分析［D］.南京:南京林業(yè)大學，2009.