CC BY
51
ТРАНСПОРТ
ВЫБОР МЕТОДА КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОДВЕСКИ НА КОМФОРТ ЕЗДЫ ГОНОЧНОГО АВТОМОБИЛЯ
«ФОРМУЛА СТУДЕНТ»
Нгуен Хак Туан
канд. техн. наук, Тхайнгуенский технический университет, 251750, Вьетнам, г. Тхайнгуен, квартал Тич Люнг, д. 666
E-mail: tuannkcn@tnut.edu.vn
Нгуен Киеу Хунг
студент-магистрант, Тхайнгуенский технический университет 251750, Вьетнам, г. Тхайнгуен, квартал Тич Люнг, д. 666
SELECTION OF COMPUTER SIMULATION METHOD TO STUDY THE EFFECT OF SUSPENSION PARAMETERS ON THE RIDE COMFORT OF RACING CAR
"FORMULA STUDENT"
Nguyen Khac Tuan
PhD. Thai Nguyen University of Technology, 251750, Viet Nam, Thai Nguyen city, Tich Luong ward, № 666
Nguyen Kieu Hung
Mater student, Thai Nguyen University of Technology 251750, Viet Nam, Thai Nguyen city, Tich Luong ward, № 666
Признательность
Мое исследование было поддержано Тхайнгуенским университетом для научного проекта DH2015- TN02-
02.
Acknowledgments
My research was supported by Thai Nguyen University for the scientific project DH2015- TN02-02.
АННОТАЦИЯ
В статье проводятся анализа использования двух программных пакетов Matlab/Simulink и Adams/Car для исследования колебания автомобиля, проводимые с целью выбора подходящего метода для изучения колебания гоночного автомобиля «Формула студент». Обсуждаются результаты расчетов колебаний эквивалентной модели автомобиля с двумя степенями свободы, полученные в ходе моделирования, а также проводится сравнение расчетных данных при использовании двух программных пакетов. Представлены некоторые результаты исследования влияния параметров подвески на комфорт езды гоночного автомобиля FSAE с помощью программного обеспечения Adams/Car.
ABSTRACT
The article analyzes the use of two software packages Matlab/Simulink and Adams / Car to investigate vehicle vibration with the aim of selecting the appropriate method for studying the vibration of Formula Student racing car. The results of vibrations calculations of the automotive equivalent model with two degrees of freedom obtained during the simulation are presented, the computational data using two software packages also is compared. Some results of the study of the effect of the suspension parameters on the ride comfort of a racing FSAE using the Adams / Car software are presented.
Ключевые слова: Формула студент, подвеска, колебание, ускорение, Adams/car, Matlab/simulink.
Keywords: Formula student, suspension system, vibration, acceleration, Adams/Car, Matlab/simulink.
Библиографическое описание: Нгуен Х.Т., Нгуен К.Х. Выбор метода компьютерного моделирования для изучения влияния параметров подвески на комфорт езды гоночного автомобиля «Формула Студент» // Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. 2018. № 5(50). URL: http://7universum. com/ru/tech/ archive/item/5893
1. ВВЕДЕНИЕ
Формула Студент - это студенческие инженерные соревнования, изначально организованные Сообществом Автомобильных Инженеров и входящие в Серию Студенческих Инженерных соревнований SAE. По замыслу соревнований команда студентов университета является инженерной компанией, которая должна разработать, построить, испытать прототип автомобиля формульного класса для рынка непрофессиональных гоночных автомобилей. Для участия в соревнованиях построен автомобиль, соответствующий регламенту [10].
Одной из важнейших частей автомобиля «формула студент» FSAE является подвеска, поскольку от ее конструкции зависит поведение автомобиля на дороге, возможность достижения высоких скоростей движения и безопасность. При разработке подвески гоночного автомобиля «Формула Студент» нужно учитывать ряд задач, включающий в себя определение требований, анализ конструкций подвесок, выбор конструктивного решения и основных параметров, кинематический расчет, подбор упругих и демпфирующих элементов, расчет нагрузок, проектирование элементов подвески.
Имеется целый ряд работ, посвященных исследованию различных подвески автомобиля «формула студент» и связанных с ними особенностей оптимизации конструктивной подвески [1 - 9]. В статье [1] анализируется влияние параметров конструкции подвески на комфорт езды FSAE в соответствии с ISO2631-1 (1997-Е). Была построена пространственная модель колебания гоночного автомобиля на основе гоночного автомобиля университета Т№иТ[1]. Программное обеспечение МайаЬ^тиИпк 7.04 используется для моделирования и расчета. Кроме того,
это исследование предлагает оптимальный набор параметров конструкции для подвески. В работах [7-9], для проектирования подвески используется программного обеспечения Adams. В [2, 6] и ряде других работ представлены результаты по выполнению кинематического расчета и оптимизации передней и задней подвески болида класса «формула студент».
Для численного моделирования колебания автомобилей существует специальное программное обеспечение. Наиболее распространено следующее: MATLAB, приложение Simulink (MathWorks Inc.); MSC Adams (MSC Software Corporation); EULER (ЗАО «Автомеханика»), а также другие. Оттого, целью данной статьи является выбор подходящий метод для исследования влияния параметров подвески на комфорт езды FSAE.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Анализ исследовательских статей [11-13] и других работ показывает, что упрощенная модель 1/4 автомобиля часто используется при исследовании колебания автомобиля. В зависимости от уровня упрощения, модель 1/4 автомобиля может иметь 1, 2 или 3 степени свободы. Поэтому для выбора подходящего метода изучения влияние параметров подвески на комфорт езды гоночного автомобиля "Формула студент", авторы выбирали модель колебания автомобиля с двумя степенями свободы. Было выбрано программное обеспечение Matlab/Simulink и Adams для анализа и сравнения [14,15].
2.1. Эквивалентная модель колебания автомобиля с двумя степенями свободы
На рисунке 1 показана модель 1/4 автомобиля с двумя степенями свободы.
Рисунок 1 - Модель % автомобиля (а); Эквивалентная модель с двумя степенями свободы (б); Схема сил,
действующих в системе (в)
№ 5 (50)
А1 Ä
• 7universum.com
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
май, 2018 г.
В модели приняты следующие обозначения: М -подрессоренная масса автомобиля; т - неподрессорен-ная масса автомобиля; £ - вертикальные перемещения подрессоренных и неподрессоренных масс соответственно; д - высота неровностей дорожного полотна; к , к2 - коэффициенты демпфирования амортизаторов подвески и шин соответственно; С1, с2 - коэффициенты жесткости упругого элементов подвески и шин соответственно.
Моделирование колебания системы с использованием программного обеспечения МайаЪ/БтиНпк
При моделировании колебания системы с помощью программного обеспечения МаНаЪ^шиИпк, необходимо построить математическую модель, описывающую движение системы. Дифференциальные уравнения движения эквивалентной модели с двумя степенями свободы, приведенной на рис. 1б, можно записать в виде:
где: Fki, Fci — силы, действующие из упругих и демпфированных элементов подвески; Fk2, Fc2 — силы, действующие из упругих и демпфированных элементов шин (рис. 1в)
FK2=K2($-q)'->FC2 =Cl{(
Для решения системы дифференциальных уравнений (1) с помощью пакетов Matlab/Simulink R2014a, перепишем систему (1) уравнений в виде:
м
М
т
^с 1=0
+ FCI)+{FK2+FC2) = 0
(1)
(2)
Данную модель можно использовать при исследовании колебания автомобиля. На рис. 2 показана модель 81шиНпк для решения системы (2).
Рисунок 2. Имитирующая модель Simulink для исследования колебания автомобиля с двумя степенями
свободы
Моделирование колебания системы в Adams/Car
m
Рисунок 3. Систем с двумя степенями свободы в пакете программ Adams/Car Software
2.2. Метод исследования колебания гоночного автомобиля
При моделировании системы на рис 1б, на ЭВМ с помощью пакетов Matlab/Simulink и Adams/car можно получить перешение, скорости и ускорение
массы в зависимости от времени. В качестве модельного образца взята модель автомобиля с двумя степенями свободы со следующими параметрами: M= 100 кг; m= 20кг; с,=2200Нс/м; ^=1000^^; к= 37000Н/м; k2= 190000Н/м;
Рисунок 4. Зависимость ускорения подрессоренной массы от времени
На рис. 4-5 представлены результаты расчёта вертикального ускорения подрессоренной и не-
подрессоренной массы с использованием двух программного обеспечения Matlab/Simulink и Adams/Car.
Нодаь автомобиля сдвумя степенями свободы
I I I
i
i ■V" *> — ..... ■-Ч ..... N ____чл
[ — unwwejriii шининш' |
it
firimt LB*.Km
II
lmtirtU
0 02 04 Qfl 0.8 1 "1 11 1.0 1.S :
Bpei.mcj
а) при использовании Matlab/Simulink R2014a
5) при использовании Adams 2014
Рисунок 5. Зависимость ускорения неподрессоренной массы от времени
и
Сравнение результатов полученных при моделировании колебаний модели 1/4 автомобиля с использованием Matlab/Simulink и Adams/Car, показывает (рис 4 -5), что закон движения и ускорение подрессоренной и неподрессоренной массы в обоих методах одинаковы. Однако метод моделирования программного обеспечения Adams/Car проще, поскольку этот метод не требует разработки математической модели, описывающей систему.
Кроме того, по сравнению с программным обеспечением Matlab/Simulink, Adams / Car позволяет настраивать встроенные типы подвески в имитационную модель более визуально и быстрее [8,9]. Таким
образом, в этой статье автор выбрал программное обеспечение Adams/Car для изучения эффектов подвески на комфорт езды гоночного автомобиля «Формула студент».
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Авторы осуществляли построение модели полного гоночного автомобиля «Формула студент» с использованием программного обеспечения Adams. В качестве примера возьмем гоночный автомобиль университета TNUT [1].
Рисунок 6. Симуляция передней подвески в пакете Рисунок 7. Ускорение подрессоренной массы при k программ Adams/Car =5000Нс/м, c =25000Н/м и v=90км/ч
Рисунок 8. Зависимость ускорения подрессоренной массы от коэффициентов с и k при v=90км/ч
Рисунок 9. Зависимость ускорения подрессоренной массы от коэффициентов с и k при v=60км/ч
На рис. 7 представлен результат расчёта ускорения подрессоренной массы при £=5000Нс/м, c=25000Н/м и у=90км/ч. На рис.8 и рис.9 представлены зависимости ускорения подрессованой массы от коэффициентов жесткости с и коэффициентов демпфирования k подвески соответственно при у=90км/ч и у=60км/ч.
Проведено исследование влияния структурных параметров подвески на комфорт езды гоночного автомобиля «Формула студент» при движении с разной скоростью. Результаты моделирования показывают, что при скоростях у=60-90 км/ч значение скорости мало влияет на значение вертикального ускорения. При разных значениях скорости вертикальное ускорение является наименьшим, когда коэффициент жесткости упругого элемента c=75000-80000Н/м и
коэффициент демпфирования амортизаторов подвески находятся в пределах k=7000-7500 Нс/м.
4. ВЫВОДЫ
Программное обеспечение Adams/Car является эффективным инструментом для исследования влияния подвески на колебания автомобилей в целом и колебания гоночного автомобиля «Формула студент» в частности. Применение программного обеспечения Adams / Car позволяет быстро и легко исследовать влияние структурных параметров, типа подвески на комфорт езды автомобиля без построения математического моделирования. Поэтому это программное обеспечение может быть использовано для исследования, оптимизации структуры подвески гоночного автомобиля «Формула студент» на начальной стадии проектирования.
Список литературы:
1. Nguyen Thanh Cong, Nguyen Khac Tuan, Le Van Quynh, Study on inluence of design parameters of suspension system on F-SAE racing car ride comfort // Journal of Scient and Technology Thai Nguyen University of Technology, 118(04), 2014, pp. 49-54.
№ 5 (50)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
■ 7universum.com
май, 2018 г.
2. Бражкин А.В., Головин Д.В. Кинематический расчет подвески болида класса FSAE «формула студент» // Международный научно-исследовательский журнал, Екатеринбург 2016 - с. 19 -23
3. Арутюнян Г.А., Евсеев К.Б., Разработка подвески спортивного автомобиля класса «Формула студент» // Молодежный научно-технический вестник - №1, 2013. http://sntbul.bmstu.ru/doc/534532.html
4. Евсеев К.Б., Анализ механических свойств углепластиковых направляющих элементов подвески автомобиля класса «Формула студент», // Молодежный научно-технический вестник - № 10, 2013. http://snt-bul.bmstu.ru/doc/623008.html
5. Samant Saurabh Y. et al., Design of Suspension System for Formula Student Race Car// Procedia Engineering 144(2016) - р.1138 - 1149
6. S. Chepkasov et al., Suspension Kinematics Study of the "Formula SAE" Sports Car // Procedia Engineering 150 (2016) - p. 1280 - 1286.
7. Introduction to Formula SAE Suspension and Frame Design, Edmund F. et al., University of Missouri - Rolla.
8. Xiaobin Ning et al., Dynamic Analysis of Car Suspension Using ADAMS/Car for Development of a Software Interface for Optimization // Procedia Engineering 16 (2011) - p. 333 - 341.
9. Adam Theander. Design of a Suspension for a Formula Student Race Car, The master thesis, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 2004 - 74 p.
10. https://www.fsaeonline.com/content/2017-18%20FSAE%20Rules%209.2.16a.pdf
11. Galal Ali Hassaan, Car Dynamics using Quarter Model and Passive Suspension, Journal of Computer Engineering, Volume 17, Issue 2, Ver. 1 (Mar - Apr. 2015), PP 65-74
12. Gadhia Utsav D. et al., Quarter Model Analysis of Wagon-R car's Rear Suspension using ADAMS, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), Vol. 1 Issue 5, July - 2012.
13. Kuldeep.K.Jagtap et al., Simulation of Quarter Car Model Using Matlab, International Journal of Engineering Research and General Science Volume 3, Issue 6, November-December, 2015, pp. 242 - 249.
14. Building Models in ADAMS/View, Mechanical Dynamics, Incorporated, 2301 Commonwealth Blvd., Ann Arbor, Michigan 48105.
15. MATLAB 2014a: Users Guide, The MathWorks, Inc., 2014. — 14623 p.
