Исследование влияния расположения осей полуприцепа на свойства управляемости и устойчивости автопоезда в программном комплексе MSC. Adams/Car

Васильев А.А.; Степанов Е.В.; Костин С.Ю.

УДК 629.113

А.А. Васильев, Е.В. Степанов, С.Ю. Костин

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАСПОЛОЖЕНИЯ ОСЕЙ ПОЛУПРИЦЕПА НА СВОЙСТВА УПРАВЛЯЕМОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ АВТОПОЕЗДА В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ MSC.ADAMS/CAR

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Представлены результаты исследований свойств управляемости и устойчивости автопоезда в составе тягача категории N3 и полуприцепа категории O4 массой 40,5 т. Компьютерное моделирование выполнено в программном комплексе MSC.ADAMS/CAR лицензионного пакета University MD FEA Bundle, переданного в НГТУ компанией MSC.Software GmbH в рамках соглашения о стратегическом сотрудничестве.

Ключевые слова: автопоезд, моделирование, управляемость, устойчивость, отрыв колеса.

Повышение активной безопасности транспортных средств является актуальной и значимой проблемой в автомобилестроении, при этом особое внимание традиционно уделяется повышению свойств управляемости и устойчивости [1]. Все большее значение при выполнении работ, направленных на повышение активной безопасности автотранспортных средств, приобретает имитационное моделирование [2, 3]. Моделирование представляет процесс конструирования на ЭВМ модели сложной реальной системы, функционирующей во времени, и постановки экспериментов на этой модели с целью либо понять поведение системы, либо оценить различные стратегии, обеспечивающие функционирование данной системы [4].

В данной работе представлены результаты моделирования сертификационного испытания «переставка», предусмотренного ГОСТ Р 52302-2004 «Автотранспортные средства. Управляемость и устойчивость. Технические требования. Методы испытания» [6].

В качестве программного комплекса для проведения исследований был выбран программный комплекс MSC.ADAMS/CAR лицензионного пакета University MD FEA Bundle, обладающий значительным функционалом и имеющий широкий спектр возможностей:

• моделирование транспортного средства с учетом ключевых конструктивных параметров, оказывающих влияние на динамику движения;

• моделирование автомобильных шин с использованием специального модуля ADAMS/tire, обеспечивающего учет жесткостных и демпфирующих свойств покрышки;

• возможность задания типовых управляющих воздействий на органы управления;

• обеспечение высококачественной текстурированной трехмерной визуализации;

• вывод графиков измеряемых величин (в частности, скорости, нормальных реакций на колесах, углов увода и пр.).

Объектом исследования являлся автопоезд в составе тягача категории N3 и полуприцепа категории O4 массой 40,5 т. В качестве аналога был выбран полуприцеп, разработанный специалистами голландской фирмы Welgro [7], имеющий три оси. Полуприцеп Welgro представлен в двух исполнениях: без поворотной оси и с задней поворотной осью (рис 1 и рис 2). Во втором исполнении полуприцеп имеет заднюю управляемую ось, т.е. обеспечивающую поворот колес оси при повороте на определенный угол, в зависимости от кривизны траектории (рис. 3). В качестве тягача автопоезда выбран автомобиль DAF, информация о конструктивных особенностях которого получена с официального сайта компании DAF [8]. Остальные параметры автопоезда приняты по результатам аналитических расчетов, проведенных специалистами НГТУ им. Р.Е. Алексеева.

Таблица 1

Диапазоны размеров полуприцепа без управляемой оси

Размер Минимум Максимум

A, мм 4500 6800

B, мм 1360 2000

Рис. 2. Схема полуприцепа Welgro с задней управляемой осью Диапазоны размеров полуприцепа с управляемой осью

Таблица 2

Размер Минимум Максимум

X, мм 4500 6800

Y, мм 1360 1810

Z, мм 1500 3000

Полуприцеп Welgro без управляемой оси имеет варьируемые размеры: А - расстояние между соединительным шкворнем и первой осью полуприцепа, В - расстояние между осями полуприцепа. Диапазон изменения размеров А и В представлен в табл. 1.

Полуприцеп Welgro с управляемой осью также имеет варьируемые размеры: X - расстояние между соединительным шкворнем и первой осью полуприцепа, У - расстояние между первой и второй осью, 2 - расстояние между второй и третьей (управляемой) осью полуприцепа. Диапазон изменения размеров Х,У,2 представлен в табл. 2.

В соответствии с требованиями ГОСТ Р 52302-2004 наиболее значимыми являются результаты динамических испытаний (определение критической скорости совершения маневров: вход в поворот и смена полосы движения).

На рис. 4 показана схема созданного виртуального полигона, представляющего собой набор определенных участков, необходимых для имитации условий сертификационных испытаний (смена полосы движения) в соответствии с ГОСТ Р 52302-2004.

Рис. 3. Схема поворотного устройства полуприцепа Welgro

Рис. 4. Схема виртуального полигона для имитации испытания «смена полосы движения»

На рис. 5 показана модель автопоезда, учитывающая основные конструктивные параметры: развесовку, расположение высот центров тяжести тягача и полуприцепа, кинематику и упруго-демпфирующие свойства подвесок и пр.

Рис. 5. Схема модели автопоезда (тягач БАЕ, полуприцеп Welgro) в АБАМ8/Саг

Моделирование сертификационного испытания смены полосы движения осуществлялось на скорости 52 км/ч, регламентированной для седельных автопоездов [6].

Целью исследования является нахождение наиболее рациональных сочетаний размеров, представленных в табл. 1 и 2, а также изучение влияние наличия поворотной оси на свойства управляемости и устойчивости седельного автопоезда. Другими словами, определялось какие размеры необходимо применить (сочетание размеров А и В для полуприцепа без управляемой оси; сочетание размеров Х,У,2 для полуприцепа с управляемой осью) для того, чтобы автопоезд удовлетворял требованиям ГОСТ Р 52302-2004 при прохождении маневра «переставка», а именно: автопоезд должен пройти маневр на скорости не менее 52 км/ч

при этом ни одна из частей автопоезда не должна выходить за пределы габаритного коридора движения (см. рис. 4) и ни одно из колес транспортного средства не должно отрываться от опорной поверхности дорожного полотна.

Рис. 6. Автопоезд в составе тягача БАЕ и полуприцепа Welgro

Для полуприцепа без управляемой оси:

Имеем размеры А и В. Размер А принимает следующие значения: (4500, 4900, 5300,5500,5700,6000,6400,6800 мм). Размер В принимает значения: (1360, 1500,1750, 2000 мм). Зафиксируем размер В = 1360 мм. При фиксированном размере В размер А последовательно принимает значения (4500, 4900, 5300,5500,5700,6000,6400,6800 мм). Получаем массив возможных конфигураций полуприцепа, представленных в табл. 3.

Таблица 3

Массив конфигураций полуприцепа без управляемой оси при В=1360 мм

B ^х 4500 4900 5300 5500 5700 6000 6400 6800

Далее алгоритм повторяется для других значений размера В (1500, 1750, 2000 мм). Таким образом, получаем двумерный массив из возможных конфигураций полуприцепа без управляемой оси. Каждая ячейка табл. 4 отвечает за определенную конфигурацию полуприцепа Welgro.

Таблица 4

Массив конфигураций полуприцепа без управляемой оси

B Х^ 4500 4900 5300 5500 5700 6000 6400 6800

На рис. 7 изображены некоторые конфигурации полуприцепа без управляемой оси с указанием размеров А и В. Наглядно показано, что каждой ячейке табл. 4 соответствует конфигурация полуприцепа с конкретными размерами.

А В 4500 1 4900 | 5300 5500 5700 6000 6400 6800

1360- | конфиг. 1.1 конфиг. 1.2 конфиг. 1.8

1500- ... \конфиг 2.21 1-

2000- ... | конф иг. 4.41 конфиг. 4.8

конфиг. 1.1 конфиг. 2.2

конфиг. 3.3 конфиг. 4.4

Рис. 7. Графическая интерпретация различных конфигураций полуприцепа Welgro без управляемой оси

Для полуприцепа с управляемой осью:

Имеем размеры X, У и 2. Размер У принимает следующие значения: (1360, 1500, 1810 мм). Размер X принимает значения: (4500, 4900, 5300, 5500, 5700, 6000, 6400, 6800 мм). Размер 2 принимает значения: (1500, 2000, 2500, 3000 мм). Зафиксируем размер У=1360 мм. При этом размер X принимает значения: (4500, 4900, 5300, 5500, 5700, 6000, 6400, 6800 мм). А размер 2 принимает значения: (1500, 2000, 2500, 3000 мм).

При фиксированном размере У=1360 мм. Повторяем описанный ранее алгоритм. В итоге получаем двумерный массив из возможных конфигураций полуприцепа с управляемой осью. Далее фиксируем размер У на значениях 1500 мм и 1810 мм.

Окончательно получаем три двухмерных массива из возможных конфигураций полуприцепа с управляемой осью.

Таблица 5

Массив конфигураций полуприцепа с управляемой осью при Г=1360 мм (аналогично для У=1500 мм и У=1810 мм)

X 2 \ 4500 4900 5300 5500 5700 6000 6400 6800

На рис. 8 изображены некоторые конфигурации полуприцепа с управляемой осью с указанием размеров X и 2. Наглядно показано, что каждой ячейке табл. 5 соответствует конфигурация полуприцепа с конкретными размерами.

В реальных условиях эксплуатации углы увода могут достигать 7...80, а в некоторых случаях даже 10.. .12°. Такие углы увода соизмеримы с углами поворота управляемых колес, по-

этому они оказывают значительное влияние на кинематику поворота и предопределяют поведение автомобиля при криволинейном движении. Значение угла увода автомобильного колеса зависит от величины, приложенной к нему боковой силы и боковой эластичности шины.

\ X Z 4500 1 4900 | 5300 5500 5700 6000 6400 6800

1500- | конфиг. 1.1 конфиг. 1.2 конфиг. 1.8

2000- ... \конфиг 2.21

_ jUU~ 3000- .конфиг. 4.1- ... | KOH(j иг. 4.4\ конфиг. 4.8

конфиг. 1.1 конфиг. 2.2

Рис. 8. Графическая интерпретация различных конфигураций полуприцепа Welgro с управляемой осью

Многочисленными экспериментами установлена характерная зависимость угла увода от боковой силы, показанная на рис. 9. На приведенной кривой можно выделить три характерных участка. На участке 0-1 угол увода линейно зависит от боковой силы. Здесь увод колеса происходит только за счет упругой деформации элементов шины. Линейная зависимость сохраняется при углах увода 5о, не превышающих в среднем 1,4...2°. На участке 1-2 явление увода сопровождается проскальзыванием элементов шины, расположенных в задней части контакта и наиболее нагруженных в боковом направлении. Чем больше боковая сила, тем значительней длина линии контакта, скользящей по опорной поверхности. Это приводит к нарушению линейной зависимости между боковой силой и углом увода. В точке 2 боковая сила ¥у достигает максимального значения. Условно боковое перемещение колеса под действием силы Еу на участке 0-2 называют боковым уводом, а на участке 2-3 - боковым скольжением. Величина угла, при котором начинается боковое скольжение, на сухой твердой опорной поверхности составляет 12.20° [5, с. 382].

Рис. 9. Зависимость боковой силы от угла увода

Оценка максимальной величины угла бокового увода шин полуприцепа при прохождении испытания «переставка 8п = 20 м»

Диапазон углов увода

Более 15 [град]

11-15 [град]

7-11 [град]

Для полуприцепа с управляемой осью:

Таблица 6

Оценка углов бокового увода шин полуприцепа при У = 1360 [град]

4900 5300 5500 5700 6000 6400 6800

1500 24 14 13 12 10 9 8,5

2000 18 13 12 11 9,5 8,5 8

2500 15 12 10,5 10 9 8 7,5

3000 13 11 10 9,5 9 7,5 7

Таблица 7

Оценка углов бокового увода шин полуприцепа при У = 1500 [град]

\Х 4900 5300 5500 5700 6000 6400 6800

1500 22 13,5 12,5 8,5 10 9 7,5

2000 16 12,5 11,5 9 9,5 8,5 7

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2500 13,5 11,5 10,5 8,5 9 8 7

3000 11,5 11 10 8 8,5 7,5 7

Таблица 8

Оценка углов бокового увода шин полуприцепа при У = 1810 [град]

4900 5300 5500 5700 6000 6400 6800

1500 15,5 12 11 10,5 9,5 9 9

2000 13 11 10,5 9,5 9 8,5 8,5

2500 11,5 10,5 10,5 9,5 8,5 8 8

3000 10 10 9,5 9 8 7,5 7,5

Для полуприцепа без управляемой оси:

Таблица 9

Оценка углов бокового увода шин полуприцепа без управляемой оси [град]

В 5300 5500 5700 6000 6400 6800

1360 14,5 12,5 11 10 8,5 7,5

1500 12,5 11,5 10,5 10 9,5 9

1750 11,5 11,5 10,5 10 9,5 9

2000 11,5 11 10,5 10 9,5 9

Оценка свойств управляемости и устойчивости полуприцепа при прохождении испытания «переставка $п=20 м»

Система оценок:

Испытание не пройдено: Произошел отрыв хотя бы одного из колес автопоезда и/или выход за габаритный коридор какой-либо точки автопоезда

Близко к прохождению: 1. Отсутствие отрыва хотя бы одного из колес автопоезда 2. Незначительный выход за габаритный коридор какой-либо точки автопоезда

Испытание пройдено: 1. Отсутствие отрыва колес автопоезда 2. Отсутствие выхода за габаритный коридор любой из точек автопоезда

Для полуприцепа с управляемой осью:

Таблица 10

Оценка свойств управляемости и устойчивости полуприцепа при У = 1360

4500 4900 5300 5500 5700 6000 6400 6800

1500

2000

2500

3000

Таблица 11

Оценка свойств управляемости и устойчивости полуприцепа при У = 1500^_

4500 4900 5300 5500 5700 6000 6400 6800

1500

2000

2500

3000

Оценка свойств управляемости и устойчивости полуприцепа при У = 1810

Таблица 12

4500 4900 5300 5500 5700 6000 6400 6800

1500

2000

2500

3000

Для полуприцепа без управляемой оси:

Таблица 13

в 4500 4900 5300 5500 5700 6000 6400 6800

1360

1500

1750

2000

Примечание: моделирование испытания для сравнения показателей управляемости и устойчивости было произведено при скорости транспортного средства 52 км/ч. Полная масса тягача с полуприцепом - 40,5 т.

Общие выводы проведенного исследования по оценке свойств управляемости и устойчивости, а также по оценке максимальной величины угла бокового увода шин полуприцепа при прохождении испытания «переставка Бп=20м» представлены в табл. 14, 15, 16, 17.

Условные обозначения:

Наихудшие варианты

Удовлетворительные варианты

Наилучшие варианты

Для полуприцепа с управляемой осью:

Таблица 14

Оценка свойств управляемости и устойчивости полуприцепа при У = 1360 ^_

4500 4900 5300 5500 5700 6000 6400 6800

1500

2000

2500

3000

Таблица 15

Оценка свойств управляемости и устойчивости полуприцепа при У = 1500

4500 4900 5300 5500 5700 6000 6400 6800

1500

2000

2500

3000

Таблица 16

Оценка свойств управляемости и устойчивости полуприцепа при У = 1810

4500 4900 5300 5500 5700 6000 6400 6800

1500

2000

2500

3000

Для полуприцепа без управляемой оси:

Таблица 17

в 4500 4900 5300 5500 5700 6000 6400 6800

1360

1500

1750

2000

Библиографический список

1. Бахмутов, С.В. Совершенствование метода интегральных силовых диаграмм для оценкиу-правляемости и устойчивости автомобиля / С.В. Бахмутов, А.А. Ахмедов, А.Б. Орлов // Известия МГТУ «МАМИ». 2011. № 1 (11). С. 22-26.

2. Дыгало, В.Г. Применение виртуально-физической технологии моделирования для проектирования систем активной безопасности / В.Г. Дыгало, А.А. Ревин // Безопасность транспортных средств в эксплуатации: сб. материалов 79-й Международной научно-технической конференции «Ассоциации автомобильных инженеров» /НП «ИНСАТ». Н.Новгород, 2012. С.55-63.

3. Грошев, А.М. Исследование свойств активной безопасности транспортных средств методом имитационного моделирования / А.М. Грошев, В.Г. Дыгало, А.В. Тумасов [и др.] // Журнал ААИ. 2011. №2. С. 34-37.

4. Шеннон, Р. Имитационное моделирование систем - искусство и наука / Р. Шеннон. - М.: Мир, 1978. - 415 с.

5. Кравец В. Н. Теория автомобиля: учебник для вузов / В.Н. Кравец, В.В. Селифанов. - М.: ООО «Гринлайт+», 2011. - 884 с.

6. ГОСТ Р 52302-2004. Автотранспортные средства. Управляемость и устойчивость. Технические требования. Методы испытания. - М., 2004.

7. http://www.welgro.nl (дата обращения 01.10.2013)

8. http://www.daf.com (дата обращения 05.10.2013)

Дата поступления в редакцию 29.01.2015

A.A. Vasiliev, E.V. Stepanov, S.Y. Kostin

RESEARCH OF INFLUENCE OF AXLE ON SEMITRAILER ON THE PROPERTIES OF CONTROL AND STABILITY OF TANK TRAIN IN MSC.ADAMS/CAR SOFTWARE

Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. Alexeev

Purpose: Estimating of tank train behavior in lane changing conditions that are regulated by GOST R 52302-2004 on the basis of computer simulation results.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Design/methodology/approach: The simulation study based on dynamic analysis method with using of MSC.ADAMS/CAR software that allows taking into account main vehicle parameters, road conditions and driver behavior.

Findings: It is possible to apply the research results for estimation of tank train active safety characteristics on the basis of simulation results.

Research limitations/implications: The present study provides a starting-point for further research in the field of tank train safety and estimation of effectiveness of active safety systems components.

Originality/value: The main peculiarity of the study is original approach of computer simulation of tank train behavior that could have a good practical application.

Key words: tank train, simulation, steer ability, stability, cornering breakaway.

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Васильев А.А., Степанов Е.В., Костин С.Ю.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Васильев А.А., Степанов Е.В., Костин С.Ю.

Research of influence of axle on semitrailer on the properties of control and stability of tank train in MSC.ADAMS/CAR software