بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر، مطالعه و مدلسازی رفتار دینامیکی وسایل نقلیه برای طراحی خودروهایی با قابلیت مانور بالا و راحتی سفر مورد توجه خیلی از محققان قرار گرفته است. مقایسه نتایج تجربی و نتایج حاصل از روشهای تحلیلی، بر اساس مدلسازی خطی المانهای سیستم تعلیق که در سالهای اخیر بهصورت روزافزون از آنها استفاده شده است، حاکی از خطای بسیار زیاد و وجود تضاد بر نتایج میباشد. این امر عمدتاً به علت خاصیت غیرخطی المانهای سیستم تعلیق میباشد که با ورود مدلهای غیرخطی برای سیستم تعلیق ، مدلهای موجود برای خودرو مورد بازبینی قرار گرفتند. توسعه این مدلها با معرفی جاذبهای پنوماتیکی در صنعت خودروسازی که دارای ویژگیهای غیرخطی و هیستریستیک هستند وارد مرحلهای تازه شد. هدف ازاین مقاله، مطالعه رفتار دینامیکی غیرخطی سیستم تعلیق خودرو مجهز به جاذب پنوماتیکی میباشد، بدین منظور با توجه به نتایج تحقیقات پیشین، مدل ارتعاشی مناسبی برای سیستم تعلیق در نظر گرفته شده و در آن ترکیب رفتارهای غیرخطی اجزای مختلف سیستم تعلیق اعمال میشود. با استخراج معادلات دیفرانسیل حاکم بر رفتار ارتعاشی خودرو و در نظر گرفتن تحریک جاده و پاسخ ارتعاشات غیرخطی اجباری سیستم، با استفاده از روش عددی مناسب به دست خواهد آمد. در نهایت تأثیر رفتار غیرخطی در پاسخ زمانی سیستم تعلیق مجهز به جاذب پنوماتیکی مورد بررسی قرار خواهد گرفت و آثار پارامترهای مختلف مربوط به جاذب پنوماتیکی روی عملکرد سیستم تعلیق خودرو مورد مطالعه قرار میگیرد.
مقدمه
وظیفهی سیستم تعلیق مصون نگهداشتن سرنشینان خودرو از ضربات انتقالی به چرخها در حین حرکت در جادهها میباشد. اجزای اصلی این سیستم فنرها و کمک فنرها میباشند. سیستم تعلیق سنتی یا غیرفعال شامل دو قسمت ذخیره کنندهی فنر و میرا کنندهی انرژی میباشد که مزیت اصلی این دستگاهها، آسانی تولید و قیمت پایین آن میباشد .[ 1 ] اما برای رسیدن به عملکرد بهتر و راحتی و فرمان پذیر بودن خودرو، سیستمهای جدیدی ارائه شدهاند. سیستم تعلیق نیمه فعال حاصل این پیشرفتها میباشد. اگرچه این دستگاهها نیز دارای ضعفهایی از جمله هزینه ی نسبتاً بالا و جزئیات زیاد میباشد و بعد از آن سیستمهای تعلیق فعال ایجاد شدهاند. برخلاف سیستمهای تعلیق غیرفعال که دارای ضرایب سختی و میرایی ثابت هستند، سیستم تعلیق فعال بهصورت یک عملگر هیدرولیکی، در لحظات مناسب انرژی سیستم تعلیق را افزایش یا کاهش میدهد .[ 2] مدلسازی ارتعاشی خودرو با استفاده از مدلهای ریاضی به منظور کاهش ارتعاشات ناخواسته خودرو افزایش پایداری خودرو در تحقیقات اخیر مورد توجه قرار گرفته است. در تحلیل رفتار دینامیکی سیستم تعلیق خودرو اجراء ارتعاشی سیستم تعلیق در سه دستهی کلی بدنه خودرو سیستم تعلیق و چرخها قرار میگیرند. بر این اساس مدلهای ارائه شده برای مطالعه رفتار دینامیک سیستم تعلیق خودرو را میتوان به سه دسته شامل: مدل یک چهارم خودرو، مدل نصف خودرو و مدل کامل خودرو تقسیم کرد. در مدل یک چهارم خودرو بدنه با یک فنر و دمپر به چرخ و از طریق آن به جاده مرتبط است. مجموعه تایر، ترمزها و میلههای رابط تعلیق عنوان جرم فنربندی نشده شناخته میشود. از این مدل برای مطالعه حرکت ارتعاش عمودی خودرو استفاده میشود4] و .[3 از پرکاربردترین مدلها در بررسی رفتار دینامیکی خودرو، مدل نصف خودرو میباشد.
از مهمترین مطالعات انجام شده با استفاده از روشهای عددی میتوان به مطالعات انجام شده در مراجع6 ] و [5 اشاره کرد. در این مطالعات از مدل یک درجه آزادی برای بررسی پاسخ آشوبناک سیستم استفاده شده است. با توجه به بررسی مطالعات انجام شده در این زمینه مشاهده میشود که تاکنون تحلیل غیرخطی سیستم تعلیق خودروی مجهز به جاذب پنوماتیکی غیرخطی مورد بررسی قرار نگرفته است. بدین منظور در تحقیق حاضر با استفاده از مدل یک چهارم دو درجه آزادی به بررسی این سیستم تعلیق پرداخته میشود. سادگی مدل مورد استفاده در این مقاله این امکان را به وجود آورده است تا بتوان بررسی کاملی از نحوه پاسخ سیستم و گذر آن به حالت آشوبناک انجام داد. اگرچه این مدلسازی تمام رفتارهای خودروی واقعی را دارا نیست اما میتوان از آن برای انجام تحلیل اولیه به منظور شناخت سیستم استفاده نمود.
مدلسازی مدل غیرخطی یک چهارم خودرو
استخراج معادلات حاکم بر حرکت
تاکنون مطالعات فراوانی در زمینه مدلسازی دینامیکی خودرو صورت گرفته است. این مدلها از انواع ساده خطی با یک و دو درجه آزادی شروع و تا مدلهای غیرخطی پیچیده و مدلهای مجموعه اجسام صلب ادامه پیدا میکنند. مدلهای ساده خودرو میتوانند دیدگاه کلی از رفتار خودرو و در شرایط خاصی را ارائه دهند. لیکن برای بررسی دقیقتر به مدل کاملی از خودرو و قابل استفاده در بازه وسیعی از شرایط مانورهای مختلف احتیاج میباشد.[ 7 ] شایان ذکر است که مدلهای خطی ساده، تنها در شتابهای کمتر از 0,3g معتبر هستند و لذا استفاده از مدلهای غیرخطی دقیقتر خواهند بود. برای مطالعه رفتار دینامیکی خودرو مدلهای خطی و غیرخطی گوناگونی ارائه شده است که در این بین مدل یک چهارم خودرو مورد توجه مطالعات مختلفی قرار گرفته است. برای مطالعه خواص ارتعاشی خودرو معادلات حرکت بر اساس قانون دوم نیوتن برای هر جرم استخراج میشوند. در ادامه به استخراج معادلات حاکم بر حرکت سیستم پرداخته میشود. در شکل 1 مدل دو درجه آزادی مورد استفاده در مقاله حاضر نشان داده شده است. فضای موجود استفاده میشود. این طرح به جاذب ویژگیهای فنر و دمپر را میدهد.
شکل -1 مدل دو درجه آزادی مورد استفاده [8]
در مدل ارائه شده در این بخش مقاله، جرم فنربندی نشده که شامل تایر، ترمز و . . . میباشد بهصورت یک درجه آزادی در نظر گرفته شده است. برای نامگذاری کمیتهای مربوط به جرم فنربندی نشده از زیرنویس us و برای نامگذاری کمیتهای مربوط به جرم فنربندی شده از زیرنویس s استفاده شده است. در مدل ریاضی استفاده شده برای چرخ میرائی و سفتی بهصورت غیرخطی در نظر گرفته شده است. رابطه نیرو و جابجائی در چرخ ناشی از تأثیر سفتی و میرایی چرخ بهصورت زیر به دست میآید: در رابطه فوق Fk us و Fcus به ترتیب بیانگر نیروی اعمالی به جرم فنربندی نشده ناشی از سفتی و میرایی تایر بوده و نشان دهنده میزان رفتار غیرخطی سفتی تایر میباشد. اگر 0 باشد در اینصورت مدل خطی سیستم به دست میآید. مطابق - شکل - 1 متغیرهای x 1 و x 0 بترتیب نشان دهنده جابجایی تایر و سطح جاده میباشد. در - شکل - 2، نمایی از چرخ خودرو سواری به همراه جاذب ضربه پنوماتیکی نشان داده شده است. هر جاذب از دو محفظه روی هم تشکیل شده است. این دو محفظه از طریق یک اورفیس به یکدیگر متصل هستند. قسمت فوقانی محفظه بالایی با گاز نیتروژن فشار بالا پر میشود و از روغن برای پر کردن مابقی نیروهای اصطکاکی که سیستم تعلیق خودرو را تحت تأثیر قرار میدهند دارای دو منبع عمده میباشند. در گروه اول نیروهای اصطکاکی حاصل از سفتی مابین قطعات آببندی f seal قرار دارند که از رابطه زیر محاسبه میشود:
