بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه حمل و نقل بهعنوان ستون اصلی جامعه بهشمار میآید، ایمنی و راحتی سفر خودروها از اهمیت ویژهای برخوردار است و روز به روز توجه بیشتری به این مقوله میگردد. برای بهبود ایمنی و راحتی سفر در خودرو باید رفتار دینامیکی خودرو حین عبور از روی ناهمواریهای جاده بررسی شود. بدین منظور باید خودرو را بهصورت یک مدل ریاضی مدلسازی کرده و پاسخ مدل ارتعاشی را نسبت به تحریکات ناشی از ناهمواری جاده محاسبه کرد .
در این مقاله ابتدا دو خودرو با سیستم تعلیق غیرفعال با خصوصیات خطی، بهصورت مدلهای ریاضی یکچهارم خودرو با دو درجه آزادی و مدل نصف خودرو با چهار درجه آزادی شبیهسازی شده است. سپس پاسخ این مدلها نسبت به ناهمواریهای جاده که بهصورت یک تابع پله با دامنه 100 میلیمتر مدلسازی شده، مورد مطالعه و مقایسه قرار گرفته است.
در این مقاله برای آنالیز رفتار دینامیکی خودرو از روشهای کدنویسی در نرمافزار متلب، مدلسازی در محیط سیمولینک نرمافزار متلب و روش المان محدود استفاده شده است. برای صحتسنجی نتایج بهدست آمده با نتایج مقالاتی با مشخصات مشابه مقایسه شده است. برای بررسی دقت و کارایی مدلهای ریاضی اشاره شده در فوق، نتایج این دو مدل با نتایج مدل کامل خودرویی با هفت درجه آزادی در مقاله دیگری مقایسه شده است. در نهایت تأثیر پارامترهای سیستم تعلیق بر حداکثر جابجایی و شتاب عمودی بدنه بررسی شده است.
.1 مقدمه
امروزه خودروها به یکی از ارکان ضروری زندگی مدرن تبدیل شدهاند و ایمنی حرکت و راحتی سفر یکی از خواستههای اصلی سرنشینان خودروها میباشد. یکی از مواردی که این خواسته را تحت تأثیر قرار میدهد ارتعاشات حاکم بر خودرو میباشد. ارتعاشات خودرو ممکن است بهوسیله منابع مختلفی همچون ناهمواریهای جاده، نایکنواختی و نامتوازنی چرخها، ارتعاشات موتور و نیروهای آیرودینامیکی ایجاد شود. معمولاً تحریکات ناشی از ناهمواریهای جاده نقش مؤثرتری بر عملکرد خودرو دارد، بنابراین برای تعیین میزان ایمنی حرکت و راحتی سفر، بررسی این نوع ارتعاشات از اهمیت بیشتری برخوردار است. بههمین دلیل تحقیقات زیادی در این زمینه انجام گرفته است
برای بررسی عملکرد سیستمهای دینامیکی واقعی ازجمله خودرو، باید سیستم ارتعاشی را بهصورت یک مدل قابل تحلیل دینامیکی و فیزیکی شبیهسازی کرد سپس تحریکات ورودی سیستم را بهصورت یک تابع مدلسازی کرده و با استفاده از روابط ریاضی و یا یک نرمافزار شبیهسازی دینامیکی، پاسخ زمانی و یا پاسخ فرکانسی سیستم را نسبت به تابع ورودی بهدست آوریم. برای بررسی دینامیک خودرو اغلب از مدل یکچهارم و مدل نصف خودرو استفاده میشود و برای مدلسازی تحریکات ناشی از جاده معمولا ًاز تابع پله، تابع ضربه و یا تابع سینوسی استفاده میشود.
در سال 2001 مسی1 با استفاده از شبیهسازی کامپیوتری تأثیر روشهای کنترلی را بر عملکرد میراکنهای نیمهفعال برای کنترل دینامیک مدل یکچهارم خودرو مورد بررسی قرار داد. او از یک تابع پله با دامنه 12 میلیمتر بهعنوان ورودی استفاده کرد
ساکمن 2 و همکارانش در سال 2005 عملکرد سیستم تعلیق فعال را بر روی یک مدل غیرخطی مورد بررسی قرار دادند. آنها از یک مدل نصف خودرو با چهار درجه آزادی و ورودی جاده پله با دامنه 35 میلیمتر استفاده کردند .[3]
در سال 2006 فهیم3 و همکارش پاسخ مدل یکچهارم و نصف خودرو را نسبت به تحریک جادهای بررسی کردند. آنها پاسخ زمانی سیستم به ورودی پله و پاسخ فرکانسی جرمهای فنربندی شده و جرمهای فنربندی نشده را مورد مطالعه قرار دادند
در سال 2011 یونان4 و همکارانش پاسخ زمانی مدل یکچهارم خودرو با سیستم تعلیق غیرفعال را نسبت به ورودی پله شبیهسازی کردند. آنها تأثیر نسبت جرم، نسبت سختی و نسبت ضریب میرایی را بر دینامیک جرم فنربندی شده مورد بررسی قرار دادند
فیاد5 در سال 2012 بهمنظور بهبود راحتی سفر خودرو، یک سیستم کنترلی برای سیستم تعلیق فعال ارائه کرد. او از یک ورودی پله با دامنه 80 میلیمتر و مدل یکچهارم خودرو استفاده کرد
چیخاله6 و همکارش در سال 2013 با استفاده از نرمافزارهای متلب7 و آدامز8 ، ارتعاشات یک مدل یکچهارم خودرو تحلیل قرار دادند. آنها برای بهدست آوردن مدل ریاضی سیستم از مدل فضای حالت استفاده کردند
در سال 2014 فاروک1 و همکارانش با استفاده از کنترل کنندههای متداول پیآیدی 2 و منطق فازی پیوسته 3 به بررسی راحتی سفر در خودرو پرداختند.آنها پاسخ مدل یکچهارم خودرو را نسبت به ورودی پله با دامنه 1 متر شبیهسازی کردند
در سال 2015 پاتوله4 و همکارش تلاش محققان درمورد غیرخطی بودن پارامترهای سیستم تعلیق غیرفعال را مورد مطالعه قرار دادند . آنها همچنین تأثیر دامنه ارتعاشات ورودی وا نواع مختلف ورودی مدل همچون ورودی پله را بر راحتی سفر مورد بررسی قرار دادند
مدل دو درجه آزادی در عین حال که بسیار ساده است و دقت بالایی ندارد اما برای درک کلی از عملکرد سیستم تعلیق خودرو گزینه مناسبی میباشد. مدل نصف خودرو نیز مدل بسیار رایجی است و با وجود اینکه پیچیدگیهای زیادی ندارد اما نتایج حاصل از آن دارای دقت مناسب و قابل قبولی میباشد.
در مقاله حاضر، از مدل یکچهارم با دو درجه آزادی و مدل نصف خودرو با چهار درجه آزادی استفاده شده است. ابتدا پس از مدلسازی دینامیکی خودرو و ارائه مدل یکچهارم خودرو با استفاده از روشهای تحلیلی معادلات حاکم بر مدل بهدست میآید سپس مدل نصف خودرو با چهار درجه آزادی ارائه میشود و معادلات حرکت ارتعاشی خودرو در جهت محور عمودی و دوران زاویهای حول محور جانبی حین عبور از ناهمواری بهدست میآید.
در مرحله بعد شبیهسازی ریاضی و دینامیکی خودرو مربوط به هر دو مدل خودرو بهترتیب با استفاده از زبان برنامهنویسی متلب و روش المان محدود انجام شده و پاسخ ارتعاشی سیستم به یک ورودی تحریک جادهای مشخص بهدست میآید . با بررسی نمودارهای جابجایی، شتاب عمودی و شتاب زاویهای اجزای مختلف مدل خودرو، رفتار خودرو مورد بررسی قرار گرفته و در نهایت برای بررسی صحت مدلسازی، نتایج حاصل از شبیهسازی با نتایج مقالاتی معتبر با مشخصات مدل و دادههای مشابه مقایسه میشود.
در نهایت برای بررسی دقت و کارایی مدلهای بهکار رفته، نتایج مدلسازی با نتایج مدل کامل خودرویی با هفت درجه آزادی در مقاله دیگری مقایسه شده است.
در مدلسازی خودرو باتوجه به اینکه با یک سیستم پیچیده با متغیرهای غیرخطی زیادی روبرو هستیم، برای آسانتر کردن مدلسازی و کاهش پیچیدگیها فرضیات زیر را درنظر میگیریم.
- بدنه یک ساختار صلب درنظر گرفته میشود.
- عملکرد فنرها و کمکفنرها در حرکتهای رفت و برگشتی یکسان و رفتار آنها خطی فرض شده است.
- تایر از زمین جدا نمیشود، چون درغیر اینصورت در نقطهای که جدایش صورت میگیرد برای تابع تحریک ناپیوستگی خواهیم داشت.
.2 مدل ریاضی
2,1 مدل یک چهارم خودرو با دو درجه آزادی
مدلهای فیزیکی، برای بررسی دینامیک عمودی سیستمهای تعلیق اغلب براساس مدل یکچهارم خودرو ساخته میشوند. مدل یکچهارم خودرو از اتصال مجموعهای از تعدادی جرم، فنر و میراکن تشکیل شده است. این مدل باتوجه به درجه ساده سازی که پژوهشگر اعمال می کند، بهصورت یک، دو یا سه درجه آزادی درنظر گرفته میشود
