بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله پس از بررسی اثرات ارتفاع مرکز غلت سیستم تعلیق مک فرسون جلو بر رفتار دینامیکی خودرو، مقدار بهینه ی این پارامتر برای یک خودروی کلاس A مفهومی تعیین گردیده است. در این پژوهش خودرو در نرم افزار ADAMS/Car مدل شده است و پس از تحلیل رفتار خودرو در موقعیت های مختلف مرکز غلت، پروسه بهینه سازی به کمک نرم افزار ADAMS/Insight انجام شده است.
نتایج حاکی از اثر قابل توجه موقعیت مرکز غلت بر زاویه ی غلتش بدنه، نرخ غلتش بدنه و از همه مهم تر پاسخ فرماندهی خودرو است. همچنین تضاد بین غلتش و سرعت غلتشی با پاسخ فرمان دهی خودرو به وضوح قابل مشاهده است که در فرآیند بهینه سازی اثرگذار است.
مقدمه
مرکز غلت یا در واقع مرکز آنی سرعت جرم فنربندی شدهی خودرو و زمین یکی از ویژگیهای مهم سیستمهای تعلیق خصوصاً سیستمهای تعلیق مستقل به شمار می آید و در واقع نقطه ی شروع طراحی یک سیستم تعلیق با تعریف ارتفاع مرکز غلت کلید می خورد. ارتفاع مرکز غلت در مقایسه با ارتفاع مرکز جرم فنربندی شده موضوعی بحث برانگیز و حائز اهمیت است. به منظور طراحی یک سیستم تعلیق با هدف عملکرد بهینه شناخت کامل مکانیزم تعلیق و بررسی اثرات پارامترهای آن، از جمله ارتفاع مرکز غلت، بر رفتار دینامیکی خودرو کاملاً ضروری است. با شناخت کامل رفتار مکانیزم تعلیق می توان با توجه به نوع خودرو، کاربرد و انتظارات مشتری اقدام به بهینهسازی مکانیزم نمود. در این راستا تحقیقات گسترده ای صورت گرفته که در ادامه به چند مورد اشاره شده است.
در سال 1981 کرونین [1] با ارائه یک تحلیل سه بعدی سرعت و شتاب جامع توانست سینماتیک سیستم تعلیق مکفرسون را به طور کامل تشریح نماید. در سال 2012 بابائیان و همکاران [2] طی پژوهشی به کمک تحلیل حساسیت توانستند پارامترهای مؤثر بر رفتار الاستوسینماتیکی سیستم تعلیق مک فرسون یک خودرو را شناسایی نمایند و سپس با استفاده از الگوریتم ژنتیک، پاسخ الاستوسینماتیکی سیستم تعلیق مذکور را نسبت به یک خودروی هدف بهینه نمودند.
همچنین در سال 2009 محمدی و همکاران [3] به کمک یک فرآیند بهینه سازی ابتکاری به نام تانژا اقدام به بهینهسازی پارامترهای تعلیق خودروی خدمات شهری نمودند.
در پژوهش حاضر تحلیل مکانیزم سیستم تعلیق مک فرسون با رویکرد تحلیل اثر و بهینه سازی ارتفاع مرکز غلت صورت گرفته است. خودروی مورد بررسی در این تحقیق، خودروی کلاس A مفهومی طراحی شده در گروه پژوهشی خودرو و وسایل ریلی دانشگاه صنعتی اصفهان می باشد که دارای سیستم تعلیق مک فرسون در جلو و تعلیق تیر پیچشی در عقب می باشد. در ابتدا خودروی مذکور در نرم افزار ADAMS/Car مدل سازی دینامیکی شده است. سپس با تغییر در ارتفاع مرکز غلت نسبت به مقدار مبنا، پاسخ خودرو طی مانورهای مختلف ارزیابی و تحلیل شده است.
تغییر در ارتفاع مرکز غلت به معنی تغییر کامل مدل تعلیق جلوی خودرو است که در ادامه بیشتر تشریح شده است. اثر ارتفاع مرکز غلت را میتوان در مقولههای انتقال کناری بار، زاویه ی غلت بدنه، سرعت غلتشی بدنه و زاویه غربیلک فرمان در عبور از یک مسیر مشخص مشاهده نمود. در پایان با تعریف تابع هدف مورد نظر فرآیند تعیین ارتفاع بهینه مرکز غلت سیستم تعلیق جلوی خودرو به کمک نرم افزار ADAMS/Insight انجام شده است.
تئوری مرکز غلت
یک خاصیت بسیار مهم از سیستم تعلیق مربوط به مکانی است که نیروهای کناری تولید شده توسط چرخ ها به جرم فنربندی شده انتقال می یابند. این نقطه که تحت نام مرکز غلت شناخته می شود روی رفتار هر دو جرم فنربندی شده و فنربندی نشده اثرگذار است و بنابراین مستقیماً بر رفتار چرخشی خودرو اثرگذار است.
تعریف دیگر مرکز غلت بر اساس استاندارد اصطلاحات فنی دینامیک خودرو1 عبارت است از: "نقطه ای که در صفحه ی عمودی گذرنده از مرکز دو چرخ قرار دارد که چنانچه در آن نیروهای کناری به جرم فنربندی شده وارد آیند هیچگونه غلتش تعلیق تولید نمی شود" . موقعیت مرکز غلت تعلیق یک خودرو در یک مانور چرخشی به چپ از دید عقب در شکل 1 نشان داده شده است
در این وضعیت فرض شده اکسل و تایرها صلب هستند. در واقع هدف از ارائه ی این مدل تحلیل انتقال بار در مانور چرخشی و بررسی اثر ارتفاع مرکز غلت و نیز اثر ارتفاع مرکز جرمهای فنربندی شده و فنربندی نشده بر آن است.
شکل :1 مرکز غلت و دیاگرام آزاد نیروهای وارده
مطابق شکل 1 با فرض آنکه حین این مانور چرخشی شتاب کناری a ایجاد شود نیروهای کناری وارد بر جرم فنربندی شده و جرم فنربندی نشده طبق روابط 1 و 2 قابل بیان هستند:
همچنین می توان Fs و نیروی وزن ناشی از ms را که در محل Gs اعمال می شود به مرکز غلت انتقال داد و ممان Ms را نیز طبق رابطه 3 لحاظ نمود:
همانطور که مشخص است ممان Ms که با مقاومت فنرها و میلهی پادغلتش مواجه است سبب ایجاد غلتش بدنه میشود و نیروی Fs اعمال شده در مرکز غلت موجب غلتش نمی شود. بر این اساس انتقال بار کل را میتوان به سه بخش اصلی تقسیم بندی نمود:
-1 بخش ناشی از نیروی کناری جرم فنربندی نشده - FTu -
-2 بخش ناشی از نیروی کناری جرم فنربندی شده در محل مرکز غلت - FTR -
-3 بخش ناشی از ممان جرم فنربندی شده - FTM -
همانگونه که مشاهده می شود افزایش ارتفاع مرکز غلت سبب افزایش انتقال بار کل ناشی از وجود جرم ms می شود و در مقابل با در نظر گرفتن سیستم تعلیق، افزایش ارتفاع مرکز غلت سبب کاهش d و کاهش ممان Ms و در نهایت کاهش انتقال بار کل ناشی از وجود سیستم تعلیق می شود. در یک حالت کلی وجود سیستم تعلیق در خودرو سبب افزایش انتقال بار می شود ولذا در خودروهای اسپرت برای افزایش توانایی چرخشی از تعلیقهای نسبتاً صلب استفاده میشود
چنین به نظر می رسد که در خودروهای سواری یک راه برای کاهش اثر انتقال بار توسط تعلیق انتخاب یک مرکز غلت با ارتفاع زیاد و نزدیک به مرکز جرم است . اما از آنجایی که افزایش ارتفاع h سبب افزایش انتقال بار ناشی از نیروی کناری جرم فنربندی شده می شود و به دلیل اینکه این بخش اثر بیشتری بر جابهجایی بار دارد
لذا معمولاً مرکز غلت با ارتفاع بالا توصیه نمی شود معمولاً تعلیق طوری باید طراحی شود تا مرکز غلت ارتفاع زیادی نداشته باشد. به عبارت دیگر در خودروهای مسابقه ای سیستم تعلیق طوری طراحی می شود تا مرکز غلت در محل مرکز جرم یا حتی بالاتر از آن قرار گیرد ولی در خودروهای سواری خیابانی که دارای جرم فنربندی شده ی به نسبت بیشتری هستند، به دلیل اثر زیاد آن بر انتقال بار ترجیحاً مرکز غلت زیر مرکز جرم و نزدیک به سطح زمین انتخاب میشود
مرکز غلت سیستم تعلیق مکفرسون
از دید مکانیزمی مرکز غلت سیستم تعلیق عبارت است از مرکز آنی بدنه - جرم فنربندی شده - و زمین .[5] به لحاظ تئوری در یک مکانیزم مرکز آنی سرعت نقطه ای است مشترک بین دو اهرم که سرعت مطلق آن نقطه روی دو اهرم برابر باشد و دو اهرم در آن نقطه هیچ سرعتی نسبت به یکدیگر نداشته باشند. طبق قضیه کندی1 برای سه جسم در حال حرکت نسبت به یکدیگر سه مرکز آنی دوران روی یک خط مستقیم قرار دارد. از این تئوری می توان در تعیین مرکز غلت سیستم تعلیق بهره جست.
اگر معادل مکانیزمی سیستم تعلیق مک فرسون مانند شکل 2 در نظر گرفته شود می توان بدنه، چرخ که به عبارت دیگر نماد جرم فنربندی نشده است و زمین را به عنوان سه جسم مستقل در نظر گرفت. مرکز آنی چرخ و زمین در محل تماس چرخ با زمین قرار دارد که با بدست آوردن مرکز آنی چرخ و بدنه مرکز آنی بدنه و زمین نیز طبق قضیه کندی روی خط واصل قرار خواهد داشت و لذا سه مرکز آنی Iwb و Iwg و Ibg به دست خواهد آمد که Ibg در واقع همان مرکز غلت خواهد بود. بر این اساس آنچه به عنوان مرکز غلت محاسبه می شود در واقع عبارت است از مرکز غلت اولیه و یا مرکز غلت در شتابهای کناری اندک.
شکل :2 معادل مکانیزمی تعلیق مک فرسون
بنابراین برای یک سیستم تعلیق مشخص از نوع مکفرسون، یافتن مرکز غلت شامل سه مرحلهی کلی خواهد بود :
-1 پیدا کردن نقطهی مجازی واکنش لینکهای تعلیق
-2 رسم خطی ازمحل تماس تایر با زمین به نقطه ی
واکنش مجازی -3 نقطه ای که از تقاطع خط حاصل با خطالمرکزین بدنه حاصل میشود همان مرکز غلت میباشد.
مدلسازی دینامیکی خودرو
مدلسازی دینامیکی خودروی مورد بررسی در نرمافزار ADAMS/Car انجام شده است. نرم افزار ADAMS/Car از قوی ترین نرم افزارهای مدلسازی و تحلیل دینامیک وسایل نقلیه به شمار می آید. این نرم افزار قابلیت انجام تست های مختلف در قالب مانورهای مختلف رانندگی را روی خودرو دارا است. پروسه مدلسازی در این نرمافزار شامل سه مرحله کلی است:
· ساخت الگوی پارامتری زیرسیستمها
· ساخت زیر سیستمها
· مونتاژ زیرسیستمها و تشکیل مدل کامل خودرو
در مدلسازی خودروی مورد بررسی این تحقیق در نرمافزار ADAMS/Car کلیه زیرسیستم های دینامیکی از جمله تعلیق جلو، تعلیق عقب، فرمان، تایرها، پیشران، بدنه، ترمز و میله ی پاد غلتش مدل شده است. شایان ذکر است تعلیق عقب این خودرو که از نوع نیمه مستقل به شمار می آید با اکسل انعطاف پذیر مدل شده است که رفتار کلی مدل خودرو را به شرایط واقعی نزدیک تر می کند.
به منظور مدل سازی این جسم انعطاف پذیر از بسته ی viewflex و ارتباط آن با ADAMS/Car استفاده شده است. مدل دینامیکی خودروی این تحقیق در نرم افزار ADAMS/Car در شکل 3 نشان داده شده است. به منظور صحه گذاری بر مدل ساخته شده و با توجه به این اینکه خودرو هنوز در مرحله طراحی مفهومی قرار دارد، به کمک برخی از مستندات موجود در مورد رفتار دینامیکی خودروهای مشابه از نظر وزن یا ابعاد در مانورهای خاص، رفتار مدل ارزیابی شده است. همچنین مدل تعلیق جلوی مک فرسون و فرمان ساخته شده در شکل 4 ارائه گردیده است.
شکل :3 مدل دینامیکی خودرو در ADAMS/Car
شکل :4 مدل تعلیق جلو و فرمان خودرو
به منظور بررسی اثر ارتفاع مرکز غلت خودرو از سه مدل با هندسه ی متفاوت برای تعلیق جلوی خودرو استفاده شده است. مدل پیش فرض که در شکل 4 نیز نشان داده شده دارای مرکز غلت به ارتفاع 80 میلیمتر از سطح زمین است که در واقع مدل پیش فرض خودرو است. در دو مدل دیگر به منظور تغییر در ارتفاع مرکز غلت از تغییر در مختصات نقاط اتصال بازوی کنترل پایینی به بدنه در جهت عمودی استفاده شده است که خلاصه آن در جدول 1 ارائه گردیده است.
جدول :1 مشخصات مرکز غلت مدلهای مختلف سیستم تعلیق جلو
تحلیل اثر ارتفاع مرکز غلت بر رفتار دینامیکی خودرو
به منظور بررسی اثر ارتفاع مرکز غلت تعلیق جلو بر رفتار دینامیکی خودرو از یک آزمون گردش شعاع ثابت در جهت چپگرد استفاده شده است که طی آن در شعاع گردش ثابت 50 متر، سرعت خودرو در مدت 8 ثانیه از 40 کیلومتر بر ساعت به 70 کیلومتر بر ساعت می رسد. این آزمون سه بار با هندسههای مختلف سیستم تعلیق جلو انجام شده و خروجی های مد نظر ثبت گردیده است. خروجی های مورد بررسی در این آزمون عبارتند از: زاویه ی غلتش بدنه، سرعت غلتش بدنه، زاویه ی غربیلک فرمان، نیروی عمودی در محل تماس تایرهای جلو با زمین و نیروی کناری تایرها. نتایج در قالب شکل های 5 تا 11 در ادامه ارائه شدهاند.
همانگونه که مشاهده می شود، نتایج حاکی از این موضوع است که افزایش ارتفاع مرکز غلت سبب کاهش زاویه ی غلتش بدنه و نیز کاهش سرعت غلتش آن می شود که یک نتیجه مطلوب به حساب می آید اما در مقابل شاهد افزایش زاویه ی فرمان مورد نیاز برای عبور از یک مسیر مشخص هستیم که دلیل آن را می توان در افزایش انتقال بار عمودی از چرخ داخل به چرخ خارج ناشی از نیروی کناری جرم فنربندی شده دانست که سبب تغییر در نیروی کناری تایرها شده است. به هرحال در این بررسی افزایش ارتفاع مرکز غلت با افزایش نیروی کناری چرخ داخلی و کاهش نیروی کناری چرخ خارجی و نیز تا حدی کاهش در نیروی کناری کل تایرها سبب شده تا در عبور از یک مسیر مشخص به زاویه فرمان بیشتری نسبت به حالت پیشفرض نیاز باشد.
شکل :5 زاویهی غلت بدنه
