- Прагнучи створити інноваційну автомобільну підвіску
- Моделювання зосередженої механічної системи в COMSOL Multiphysics®
- Оцінка результатів аналізу перехідних процесів
- подальші кроки
При попаданні в колеса в яму підвіска автомобіля може отримати серйозні пошкодження. Підвіска повинна адаптуватися до різноманітних дорожніх умов і стабілізувати становище коліс, сидінь і кузова автомобіля. За допомогою методів багатотільних динаміки можна проаналізувати роботу автомобільної підвіски і створити спрощену зосереджену модель механічної системи.
Прагнучи створити інноваційну автомобільну підвіску
Чи може бути позитивний ефект від попадання колесом в яму? Завдяки інноваціям в розробці автомобільної підвіски це може стати реальністю. До багатообіцяючим розробкам відносяться перетворення кінетичної енергії в електричну енергію для автомобіля , ресори з програмним керуванням , Які можуть пом'якшити наслідки від попадання у вибоїну, і механічна підвіска, що реагує на голосові команди .
Неможливо створити покращену систему підвіски, заздалегідь не розробивши надійну основу для неї. Адже підвіска будь-якого транспортного засобу повинна адаптуватися до змінних навантажень, правильно реагувати на ями і нерівності на дорозі і багато іншого. В іншому випадку виникають поширені проблеми з підвіскою, такі як неправильні кути установки коліс, знос пружин і пошкодження амортизаторів.
Приклад ходової частини автомобіля з підвіскою. Зображення надано Christopher Ziemnowicz - власний твір. Доступно за ліцензією CC BY-SA 2.5 з Wikimedia Commons .
Створивши спрощену зосереджену модель в програмному пакеті COMSOL Multiphysics® , Можна аналізувати і оптимізувати конструкції автомобільної підвіски.
Моделювання зосередженої механічної системи в COMSOL Multiphysics®
Починаючи з версії COMSOL Multiphysics® 5.3a, для моделювання зосереджених механічних систем в неграфічні форматі можна використовувати інтерфейс Lumped Mechanical System (Зосереджена механічна система). Система може складатися з зосереджених мас, демпферів і пружин. Її можна пов'язати з двовимірним або тривимірним інтерфейсом Multibody Dynamics (Динаміка багатотільних структур). При моделюванні зосередженої механічної системи можна використовувати як інтерфейс Lumped Mechanical System (Зосереджена механічна система), так і Multibody Dynamics (Динаміка багатотільних структур) в модулі Динаміка багатотільних структур .
У цьому навчальному прикладі ми розглянемо зосереджену модель автомобільної підвіски, яка складається з трьох основних компонентів.
- колеса
- сидіння
- кузов
Зосереджена модель автомобільної підвіски з трьох основних компонентів.
Кожне колесо позначено зеленим колом на малюнку вище і має одну ступінь свободи. Кожне сидіння позначено синьою окружністю і також має одну ступінь свободи. У центрі тяжкості кузов має три ступені свободи, що забезпечують обертання системи.
- поперечні коливання
- поздовжні коливання
- вертикальні коливання
Щоб обмежити кількість ступенів свободи для кузова, можна використовувати вузол Rigid Domain (Жорстка область) і подузел Prescribed Displacement / Rotation (Встановлене зміщення / обертання) в інтерфейсі Multibody Dynamics (Динаміка багатотільних структур).
Для моделювання коліс і сидінь використовуються вузли Mass (Маса), Spring (Пружина) і Damper (Демпфер) в інтерфейсі Lumped Mechanical System (Зосереджена механічна система). Повна модель автомобіля включає в себе всі чотири колеса і чотири сидіння, і обидва ці компонента визначено як підсистеми.
На схемі нижче показана маса (m), пружина (k) і демпфер (c). У зосередженої моделі колеса враховується його маса і жорсткість, а також жорсткість і демпфирующие характеристики автомобільної підвіски. У зосередженої моделі сидіння враховується його жорсткість і демпфирующие характеристики, а також маса пасажира.
Зосереджена модель колеса і сидіння.
За допомогою інтерфейсу Lumped Mechanical System (Зосереджена механічна система) для зосередженої механічної системи можна моделювати кузов автомобіля в якості зовнішнього джерела. Таким чином можна пов'язати підвіску з кузовом автомобіля в точках «колесо-кузов» і «кузов-сидіння».
Оцінка результатів аналізу перехідних процесів
За допомогою аналізу перехідних процесів можна розрахувати переміщення автомобіля і рівень вібрації сидінь для заданого дорожнього профілю. В даному випадку висота виступу на дорозі становить 4 см, а ширина - 7,5 см. Вважаємо, що автомобіль рухається з постійною швидкістю 40 км / ч. Дорожній профіль моделюється послідовністю виступів на дорозі, на які наїжджають тільки ліві колеса автомобіля.
Розглянемо динаміку поздовжніх, поперечних і вертикальних коливань автомобіля. Результати можуть використовуватися для створення ресор, що зменшують поздовжні, кутові і вертикальні коливання автомобіля після потрапляння в вибоїну.
Як видно з малюнка нижче, поперечні коливання для даної нерівності на дорозі більше, ніж поздовжні, оскільки автомобіль наїжджає на виступи дорожнього профілю лівою стороною. На наведеному нижче графіку швидкостей (праворуч) можна також побачити відповідні швидкості поперечного, поздовжнього і вертикального переміщення. Два різних значення частоти - низька і висока - відповідають власним коливанням компонентів системи.
Поперечний, поздовжнє і вертикальне переміщення в центрі ваги (зліва) і відповідне швидкість автомобіля (праворуч).
Для використання кінетичної енергії, наприклад, в результаті попадання в вибоїну, потрібно визначити характер і швидкість руху автомобіля. Для цього можна проаналізувати динаміку переміщення і прискорення для всіх сидінь. Результати аналізу переміщення сидінь показують, що ліва сторона переміщається набагато більше, оскільки саме цим боком автомобіль наїжджає на виступи дороги, а правою стороною - немає.
Динаміка переміщення (зліва) і прискорення сидінь (праворуч).
Нарешті, щоб визначити, наскільки жорсткою або м'якою є підвіска, і внести необхідні зміни, необхідно знати, які сили впливають на пружини. Згідно з результатами, сила, що діє на пружину і демпфер колеса, своєю чергою величини значно перевищують силу, діючу на ті ж елементи сидіння. Це відбувається тому, що сила поглинається інерцією коліс і кузовом автомобіля, і тільки її частина передається від колеса до сидіння. На додаток до цього, частота вібрації для сил, що діють на сидіння, істотно нижче частоти вібрації для сил, що діють на колеса, завдяки чому досягається плавність їзди.
Сили, що впливають на пружини і демпфер переднього лівого колеса (зліва) і переднього лівого сидіння (праворуч).
подальші кроки
За допомогою цієї спрощеної моделі зручно проводити аналіз автомобільної підвіски, результати якого можна потім порівняти з експериментальними даними. Після перевірки результатів, можна поліпшити конструкцію підвіски для практичного використання.
Спробуйте попрацювати з навчальним прикладом зосередженої моделі автомобільної підвіски, натиснувши кнопку вище. Якщо у вас є обліковий запис COMSOL Access і діюча ліцензія на програмне забезпечення, то ви можете завантажити файл MPH.
