Моделирование подвески автомобиля как динамической многотельной системы

Thomas Forrister 20/02/2018
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

При попадании в колеса в яму подвеска автомобиля может получить серьезные повреждения. Подвеска должна адаптироваться к разнообразным дорожным условиям и стабилизировать положение колес, сидений и кузова автомобиля. С помощью методов многотельной динамики можно проанализировать работу автомобильной подвески и создать упрощенную сосредоточенную модель механической системы.

Стремясь создать инновационную автомобильную подвеску

Может ли быть положительный эффект от попадания колесом в яму? Благодаря инновациям в разработке автомобильной подвески это может стать реальностью. К многообещающим разработкам относятся преобразование кинетической энергии в электрическую энергию для автомобиля, рессоры с программным управлением, которые могут смягчить последствия от попадания в выбоину, и механическая подвеска, реагирующая на голосовые команды.

Невозможно создать улучшенную систему подвески, предварительно не разработав надежную основу для нее. Ведь подвеска любого транспортного средства должна адаптироваться к переменным нагрузкам, правильно реагировать на ямы и неровности на дороге и многое другое. В противном случае возникают распространенные проблемы с подвеской, такие как неправильные углы установки колес, износ пружин и повреждение амортизаторов.

Фотография ходовой части автомобиля с подвеской.
Пример ходовой части автомобиля с подвеской. Изображение предоставлено Christopher Ziemnowicz — собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 2.5 из Wikimedia Commons.

Создав упрощенную сосредоточенную модель в программном пакете COMSOL Multiphysics®, можно анализировать и оптимизировать конструкции автомобильной подвески.

Моделирование сосредоточенной механической системы в COMSOL Multiphysics®

Начиная с версии COMSOL Multiphysics® 5.3a, для моделирования сосредоточенных механических систем в неграфическом формате можно использовать интерфейс Lumped Mechanical System (Сосредоточенная механическая система). Система может состоять из сосредоточенных масс, демпферов и пружин. Ее можно связать с двухмерным или трехмерным интерфейсом Multibody Dynamics (Динамика многотельных структур). При моделировании сосредоточенной механической системы можно использовать как интерфейс Lumped Mechanical System (Сосредоточенная механическая система), так и Multibody Dynamics (Динамика многотельных структур) в модуле Динамика многотельных структур.

В этом учебном примере мы рассмотрим сосредоточенную модель автомобильной подвески, которая состоит из трех основных компонентов.

  1. Колеса
  2. Сиденья
  3. Кузов

Схема сосредоточенной модели механической системы подвески с пояснениями

Сосредоточенная модель автомобильной подвески из трех основных компонентов.

Каждое колесо обозначено зеленой окружностью на рисунке выше и имеет одну степень свободы. Каждое сиденье обозначено синей окружностью и также имеет одну степень свободы. В центре тяжести кузов имеет три степени свободы, обеспечивающие вращение системы.

  1. Поперечные колебания
  2. Продольные колебания
  3. Вертикальные колебания

Чтобы ограничить количество степеней свободы для кузова, можно использовать узел Rigid Domain (Жесткая область) и подузел Prescribed Displacement/Rotation (Установленное смещение/вращение) в интерфейсе Multibody Dynamics (Динамика многотельных структур).

Для моделирования колес и сидений используются узлы Mass (Масса), Spring (Пружина) и Damper (Демпфер) в интерфейсе Lumped Mechanical System (Сосредоточенная механическая система). Полная модель автомобиля включает в себя все четыре колеса и четыре сиденья, и оба эти компонента определены как подсистемы.

На схеме ниже показана масса (m), пружина (k) и демпфер (c). В сосредоточенной модели колеса учитывается его масса и жесткость, а также жесткость и демпфирующие характеристики автомобильной подвески. В сосредоточенной модели сиденья учитывается его жесткость и демпфирующие характеристики, а также масса пассажира.

Схема автомобильного колеса и сиденья для сосредоточенной модели.
Сосредоточенная модель колеса и сиденья.

С помощью интерфейса Lumped Mechanical System (Сосредоточенная механическая система) для сосредоточенной механической системы можно моделировать кузов автомобиля в качестве внешнего источника. Таким образом можно связать подвеску с кузовом автомобиля в точках «колесо-кузов» и «кузов-сиденье».

Оценка результатов анализа переходных процессов

Посредством анализа переходных процессов можно рассчитать перемещение автомобиля и уровень вибрации сидений для заданного дорожного профиля. В данном случае высота выступа на дороге составляет 4 см, а ширина — 7,5 см. Считаем, что автомобиль движется с постоянной скоростью 40 км/ч. Дорожный профиль моделируется последовательностью выступов на дороге, на которые наезжают только левые колеса автомобиля.

Рассмотрим динамику продольных, поперечных и вертикальных колебаний автомобиля. Результаты могут использоваться для создания рессор, уменьшающих продольные, угловые и вертикальные колебания автомобиля после попадания в выбоину.

Как видно из рисунка ниже, поперечные колебания для данной неровности на дороге больше, чем продольные, поскольку автомобиль наезжает на выступы дорожного профиля левой стороной. На приведенном ниже графике скоростей (справа) можно также увидеть соответствующие скорости поперечного, продольного и вертикального перемещения. Два разных значения частоты — низкое и высокое — соответствуют собственным колебаниям компонентов системы.

Линейный график перемещения автомобиля.
Линейный график скорости автомобиля.

Поперечное, продольное и вертикальное перемещения в центре тяжести (слева) и соответствующая скорость автомобиля (справа).

Для использования кинетической энергии, например, в результате попадания в выбоину, требуется определить характер и скорость движения автомобиля. Для этого можно проанализировать динамику перемещения и ускорения для всех сидений. Результаты анализа перемещения сидений показывают, что левая сторона перемещается намного больше, поскольку именно этой стороной автомобиль наезжает на выступы дороги, а правой стороной — нет.

Линейный график перемещения сиденья.
Линейный график ускорения сиденья.

Динамика перемещения (слева) и ускорения сидений (справа).

Наконец, чтобы определить, насколько жесткой или мягкой является подвеска, и внести требуемые изменения, необходимо знать, какие силы воздействуют на пружины. Согласно результатам, сила, действующая на пружину и демпфер колеса, по порядку величины значительно превышают силу, действующую на те же элементы сиденья. Это происходит потому, что сила поглощается инерцией колес и кузовом автомобиля, и только ее часть передается от колеса к сиденью. В дополнение к этому, частота вибрации для сил, действующих на сиденье, существенно ниже частоты вибрации для сил, действующих на колеса, благодаря чему достигается плавность езды.

Линейный график сил, воздействующих на пружину и демпфер переднего левого колеса.
Линейный график сил, воздействующих на пружину и демпфер переднего левого сиденья.

Силы, воздействующие на пружины и демпфер переднего левого колеса (слева) и переднего левого сиденья (справа).

Дальнейшие шаги

С помощью этой упрощенной модели удобно проводить анализ автомобильной подвески, результаты которого можно затем сопоставить с экспериментальными данными. После проверки результатов, можно улучшить конструкцию подвески для практического использования.

Попробуйте поработать с учебным примером сосредоточенной модели автомобильной подвески, нажав кнопку выше. Если у вас есть учетная запись COMSOL Access и действующая лицензия на программное обеспечение, то вы можете скачать файл MPH.


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Вычислительная гидродинамика Модуль Геометрическая оптика Модуль Динамика многих тел Модуль Композитные материалы Модуль Коррозия Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Теплопередача Модуль Течение в трубопроводах Модуль Трассировка частиц Модуль Химические реакции Модуль Электрохимия Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению физика спорта