Розрахунково-експериментальний метод вибору параметрів несучої системи гоночних автомобілів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розрахунково-експериментальний метод вибору параметрів несучої системи гоночних автомобілів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Вступ. Технічний прогрес в автомобілебудуванні, як свідчить історія розвитку цієї галузі, неабиякою мірою зобов'язаний автомобільному спорту. Створення спеціальних машин для участі в змаганнях, перш за все в гонках, постійно вимагає пошуку оригінальних конструктивних рішень, нових матеріалів і наукових концепцій. Тому конструкції гоночних і спортивних автомобілів, як правило, відрізняються застосуванням в них найновітніших технічних рішень, які можуть з'явитися в промисловому автомобілебудуванні і через декілька десятків років.

Актуальність теми полягає у створенні національного конкурентоздатного гоночного автомобіля, що вимагає проведення теоретичних та експериментальних досліджень, направлених на вдосконалення вузлів і агрегатів, які забезпечують високі спортивні якості цих автомобілів.

Однією з найскладніших частин гоночного автомобіля є його несуча система (НС), властивості якої впливають на найважливіші експлуатаційні властивості машини - її динамічність і безпеку. Конструкція несучої системи, її напружено-деформований стан (НДС) визначаються загальною компоновкою автомобіля, розташуванням двигуна, трансмісії і елементів підвіски. У взаємодії з силовою установкою, трансмісією і підвіскою, а також з урахуванням режимів руху автомобіля і динамічних дій з боку дороги (через підвіску) повинен здійснюватися вибір параметрів несучої системи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною досліджень Харківського національного автомобільно-дорожнього університету (ХНАДУ) з проблеми «Безпека дорожнього руху» у відповідності з Постановою Національної ради з питань безпеки життєдіяльності населення №3 від 25 грудня 1997 р. «Про відповідність вимог охорони праці, машин, транспортних засобів, устаткування яких виготовляється в Україні» і відноситься до комплексної теми досліджень кафедри автомобілів ХНАДУ «Системне проектування і конструювання транспортних засобів, які забезпечують необхідну активну безпеку дорожнього руху» та є частиною робіт за договорами №0199U003830, №0102U001768, №0104U002052, що проводились і проводяться лабораторією швидкісних автомобілів (ЛША) та кафедрою автомобілів ХНАДУ на замовлення Міністерства освіти і науки України.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка методу вибору параметрів НС гоночного автомобіля на основі розрахунково-експериментальних досліджень її напружено-деформованого стану.

Для досягнення зазначеної мети необхідно вирішити такі задачі:

· Розробити математичну модель спортивної траси на прикладі шосейно-кільцевої траси автодрому «Чайка» (м. Київ) для моделювання режимів навантажень гоночних автомобілів в процесі змагань.

· Провести теоретичний аналіз навантажень, діючих на гоночний автомобіль під час змагань.

· Розробити методику розрахункового аналізу НДС об'ємно-стержньової конструкції НС гоночного автомобіля у досліджуваному діапазоні навантажень.

· Провести стендові і дорожні випробовування навантаження НС з метою визначення вихідних параметрів для її розрахунку та перевірки адекватності методики аналізу НДС.

· Розробити рекомендації з вибору структури і параметрів конструкції об'ємно-стержньових НС гоночних автомобілів і каркасів безпеки спортивних автомобілів.

Об'єкт дослідження - напружено-деформований стан несучої системи гоночного автомобіля.

Предмет дослідження - НС гоночного автомобіля як стержньова просторова конструкція.

Методи досліджень. Для вивчення стану питання, що розглядається, і визначення задач дослідження використовувались методи збору, вибору та аналізу відповідної інформації. Методи дослідження - розрахунково-теоретичні дослідження типових навантажень НС і її деформацій на базі методу кінцевих елементів (МКЕ), методів математичного, фізичного моделювання, дорожніх і стендових випробувань.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що вперше:

· розроблено кінцево-елементну модель просторової рами гоночного автомобіля, яка враховує силову установку автомобіля як елемент НС, що дозволяє дати оцінку впливу її жорсткості на НДС НС;

· кінцево-елементну модель НС для гоночного автомобіля розроблено у поєднанні з конструкцією підвісок, що дозволяє більш точно описати схему прикладання навантажень з боку підвісок на НС;

· установлено зв'язки між динамічними навантаженнями, що виникають у реальних умовах шосейно-кільцевих перегонів, і НДС просторово-стержньової конструкції НС для цього класу автомобілів.

Практичне значення одержаних результатів. Запропонований розрахунково-експериментальний метод (РЕM) вибору параметрів НС і оцінки її НДС дозволяє на стадії проектування гоночних машин забезпечувати необхідні їх характеристики та розробляти конструкції гоночних машин різних класів і різних компоновок з використанням силової установки як елементу їх несучих систем.

Результати роботи реалізовані при створенні останніх моделей спортивних машин, які виготовлені в ЛША Харківського національного автомобільно - дорожнього університету. Ці моделі брали участь у спортивних змаганнях на першість України з шосейно-кільцевих гонок. Зауважень до створених конструкцій НС не було. Також результати роботи можуть бути використані іншими спортивними клубами у вигляді:

· застосування запропонованих методик розрахунку і моделювання несучих систем та каркасів безпеки гоночних і спортивних автомобілів;

· використання отриманих в роботі експериментальних даних з дослідження режимів навантажень гоночних автомобілів;

· врахування пропозицій щодо вибору конструктивних схем несучих систем спортивно-гоночних автомобілів і рекомендацій з удосконалення їх конструкцій у цілому.

Використання вказаних результатів дозволяє підвищити якість проектування і ефективність спортивно-гоночних автомобілів та скоротити витрати на проведення дослідно-конструкторських робіт і натурних випробувань, цей факт підтверджується актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, які виносяться на захист, отримані автором самостійно і в основному викладені в роботах, опублікованих у фахових виданнях [1 - 4], а саме:

· розрахункова модель НС, яка розроблена на основі методу кінцевих елементів з урахуванням характеристик підвіски і з використанням силової установки автомобіля як елементу несучої системи;

· результати експериментальних досліджень динамічного навантаження автомобіля формули 1600 класу Е8.

· математична модель гоночної траси.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації і робота в цілому доповідалися і одержали позитивну оцінку на:

- 2-му міжнародному симпозіумі українських інженерів - механіків, м. Львів, 1995 р.

- 60-65-ій науково-технічних і науково-методичних сесіях ХНАДУ;

- міжнародній науково-технічній конференції «Автобудування-2001» (м. Харків, 2001 р.);

- міжнародній науковій конференції «Перспективні напрями розвитку конструкції автомобіля», м. Харків, жовтень 2001 року.

Публікації. Результати дисертаційних досліджень опубліковано в 5 наукових працях, у тому числі 4 роботи - в спеціальних виданнях, затверджених переліком ВАК України як фахові.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків.

Загальний обсяг роботи 201 сторінка, у тому числі 66 рисунків на 31 сторінках, 13 таблиць на 12 сторінках та шість додатків на 41 сторінці. Список використаних літературних джерел містить 127 найменувань на 11 сторінках.

Основний зміст

гоночний несучий стержньовий автомобіль

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено основні положення наукової новизни і практичної цінності.

У першому розділі розглянуто стан наукової задачі і напрямки її практичного вирішення.

У зв'язку зі специфікою спортивних змагань і особливістю конкурентної боротьби дослідження НС гоночних автомобілів у відкритому друці не наводяться. Тим більше не наводяться рекомендації щодо вдосконалення конструкції цих систем. Методи проектування зберігаються закритими для кожної з конкуруючих фірм і також є предметом змагань.

Наведений огляд раніше виконаних досліджень (рис. 1) торкається лише загальних питань розрахунково-експериментального аналізу НС автомобілів. Методи розрахунку НДС НС безпосередньо пов'язані з їх конструкцією і конструкцією всього автомобіля. Конструкції НС гоночних автомобілів мають свої особливості залежно від їх класу і виду змагань, для яких вони призначаються.

Виконані роботи відображають дослідження несучих систем тільки автомобілів транспортного призначення. Нині відсутні узагальнені науково обґрунтовані критерії оцінки навантажень, що діють на гоночний автомобіль. Недостатньо дослідженим є процес формування кінцево-елементної моделі, яка могла б бути універсальною для усіх програмних комплексів для визначення НДС НС.

Виходячи з результатів аналізу стану питання, в дисертації обґрунтовано мету і сформульовано задачі досліджень.

У другому розділі наведено теоретичні дослідження щодо визначення навантажень, які діють на гоночний автомобіль в процесі змагань на заданій трасі.

Механіка просторової рами повинна допускати розрахунок зовнішніх сил, діючих на НС від підвіски. Метою досліджень у цьому розділі є систематизація і визначення зовнішніх сил, необхідних для розрахунків несучої системи гоночного автомобіля. Визначальними у навантаженні НС гоночного автомобіля є режим руху і конфігурація траси. Режим руху автомобіля, а відповідно і навантаження, діючі на нього, визначаються більшою мірою конфігурацією траси і у меншій мірі людським чинником. З метою підтвердження цього наводиться аналіз навантажень, діючих на гоночний автомобіль, що були виявлені під час змагань на основних світових гоночних трасах.

Чемпіонати України з шосейно-кільцевих гонок проводяться на спеціально підготовлених трасах, таких як автодром «Чайка» (м. Київ), або на спеціально підготовлених дорогах загального користування. Як показав аналіз літературних джерел, питання визначання навантажень, що діють на гоночний автомобіль під час змагань на таких трасах, ніколи не було предметом вивчення науковців.

З метою теоретичного аналізу цих навантажень у цьому розділі складено модель руху гоночного автомобіля.

Для гоночних автомобілів, призначених, зокрема, для шосейно-кільцевих гонок, характерним є рух по спеціально підготовленій трасі, тому симетричні вертикальні навантаження, що впливають на НС, залежать більшою мірою від мікропрофілю траси і характеристики підвіски.

Виходячи з цього, розглянуто вплив характеристик підвісок на коливання автомобіля під час руху зі швидкостями від 100 до 250 км/год по дорогах з вдосконаленим дорожнім покриттям. На наведених нижче діаграмах (рис. 2-3) показано статичні характеристики величин, що характеризують коливання підресорених мас автомобіля. Ці діаграми допомагають оцінити величину навантажень на НС, а також резерв підвищення плавності ходу, стабільність контакту коліс з дорогою хорошої якості.

Розглянувши одержані результати, представлені на графіках (див. рис 2-3), робимо висновок, що прискорення, які сприймаються кузовом, ростуть із збільшенням швидкості непостійно. Після досягнення швидкості певного порогу відбувається різке зниження величин цих прискорень. При цьому зниження відбувається не до нуля, а до певного асимптотичного значення.

Аналіз наведений за даними побудованого в ЛША ХНАДУ макетного зразка автомобіля для шосейно-кільцевих гонок. Варійовані і схожі характеристики вказані на наведених діаграмах.

На величину прискорень підресорених мас у свою чергу справляє істотний вплив жорсткість підвіски.

Найменші значення прискорень кузова забезпечуються при жорсткості передньої підвіски менше 14 Н/мм і більше 19 Н/мм.

Для задньої підвіски прискорення кузова також ростуть непропорційно збільшенню жорсткості підвіски. Мінімальні значення прискорень (до 500 см/с²) відповідають жорсткості задньої підвіски нижче 20Н/мм. При жорсткості більше 22 Н/мм прискорення різко зростають. Мінімальне значення середньоквадратичних прискорень кузова досягається при значенні жорсткості передньої підвіски 13 Н/мм в діапазоні коефіцієнтів опору підвіски від 0,3 до 1,02 Нс/мм. Для жорсткості передньої підвіски 13 Н/мм мінімум прискорень кузова відповідають таким значенням коефіцієнтів опору підвіски:

- при швидкості 100 км/год - К₂=1,02 Нс/мм;

150 км/год - К₂=0.59 Нс/мм;

200 км/год - К₂=0,44 Нс/мм;

250 км/год - К₂ менше 0,3 Н с/мм.

Умова контакту шин з дорогою на високих швидкостях руху досягається підбором таких характеристик підвіски, які забезпечують мінімум середньоквадратичного переміщення коліс щодо дороги -.

Основними режимами навантажень руху гоночного автомобіля є розгін до максимально можливої швидкості на прямій ділянці з подальшим гальмуванням до швидкості, що визначає стійкість автомобіля на повороті. Максимальна швидкість на конкретній ділянці залежить, з одного боку - від динамічної характеристики автомобіля, а з другого - від довжини ділянки і стійкості під час руху по прямій ділянці траси. Аналіз конфігурацій існуючих трас показав, що максимальна довжина прямої ділянки траси складає 500-1000 м і максимальне прискорення на ній 2,1g, що відповідає максимальній швидкості V_max, далі позначимо її як безпечну швидкість для цієї ділянки траси V_б перед гальмуванням. Кінцева швидкість при гальмуванні, визначається безпекою входження в поворот і стійким рухом при проходженні повороту. Граничним режимом навантаження при гальмуванні є пригальмовування з швидкості V_бi до безпечної швидкості входження в поворот V_бi+1.

Нашою задачею є вибір керування, що забезпечує проходження траси за мінімальний час. Ця задача відноситься до розділу математики так званого «Оптимального керування» і називається задачею швидкодії.

Специфіка задачі полягає в тому, що рішення рівняння розгону можна одержати в аналітичному вигляді, оскільки воно є диференціальним рівнянням із змінними, що розділяються. Рівняння гальмування є нелінійним рівнянням. Для його розв'язання застосовано чисельний метод.

У результаті рішення одержано оптимальний швидкісний режим V(S), що забезпечує проходження траси за якнайменший час. Далі знайдено залежність j(S).

На підставі цієї математичної моделі можна прогнозувати режим навантаження при проходженні траси, що дозволяє провести вибір параметрів НС на стадії проектування.

Математична модель цієї задачі полягає у такому: траса вважається лінією на площині (тобто не враховується підйом, спуск, поперечний ухил і т.ін.) розбитої на ділянки постійної кривизни. Всі обчислення зроблені на прикладі траси спортивного комплексу «Чайка» м. Київ.

По кожній ділянці визначається безпечна швидкість V_б. Автомобіль вважається матеріальною точкою, рух якої описується відомими диференціальними рівняннями.

У разі розгону використовується рівняння силового балансу

, (1)

де Р_Т - тягове зусилля на ведучих колесах Н,

Р_ш - сумарний дорожній опір,

Pw - сила опору повітря,

m_a - маса автомобіля

- коефіцієнт, що враховує обертові маси,

При рішенні (1) отримали аналітичні залежності

(2)

де - різні константи, які залежать від вихідних параметрів автомобіля,

V(t) - швидкість автомобіля у момент часу t.

Шлях, що проходить автомобіль на кожній ділянці S(t) під час розгону за час t, визначається за залежністю (3).

. (3)

Далі знаходимо (чисельно) залежність швидкості від шляху в процесі розгону. Визначається функція , що дає значення швидкості в кінці ділянки траси довжиною S при початковій швидкості V_н.

Режим гальмування описується нелінійним диференціальним рівнянням (4).

. (4)

Диференціальне рівняння (4) з початковими умовами V(0) = V_Н на проміжку . Воно є нелінійним і для його рішення застосуємо чисельний метод поступових наближень. Кожне таке наближення знаходилось за формулою

. (5)

Послідовно знаходимо шлях гальмування при

. (6)

У третьому наближенні похибка складає Д = 0,1, приймаємо, що

. (7)

Шлях гальмування визначається як

. (8)

Використовуючи вираз (7), знаходимо

. (9)

Далі розглянемо диференційне рівняння (4) на ділянці . Його можна записати

. (10)

При розв'язанні отримаємо

. (11)

. (12)

. (13)

При рішенні цієї математичної моделі отримали параметри розгону та гальмування (рис. 4).

Алгоритм оптимізації часу проходження траси можна представити таким чином. Спочатку розглянемо оптимізаційну задачу на одній ділянці, тобто нам необхідно визначити керування (швидкісний режим), при якому автомобіль повинен пройти ділянку траси завдовжки So з початковою швидкістю V_н, прийшовши в кінцеву точку зі швидкістю меншою або рівною V_к. При цьому швидкість впродовж всього шляху повинна бути менше ніж безпечна швидкість V_б.

Використовуючи результати моделювання, було складено програму розрахунку режимів руху автомобіля по трасі заданої конфігурації. Для цього використовується мова програмування Pascal в середовищі DELPHI.

Програма розрахунку складається з основного модуля і трьох додаткових. Основний модуль програми підключає додаткові модулі, ініціалізує дані і запускає цикл інтерфейсу користувача. В додаткових модулях реалізуються такі задачі:

- перший модуль створює графічний інтерфейс, управляє введенням початкових даних технічної характеристики автомобіля і геометрії траси, збереженням і завантаженням даних на диск, а також візуалізує результати розрахунку в графічній формі;

- другий модуль використовується як інструмент для контролю правильності введення і зберігання даних, обслуговування масиву поточних значень швидкості, прискорення, шляху і часу, а також масиву даних по кожній ділянці траси;

- третій модуль проводить розрахунок миттєвої швидкості на i-му інтервалі часу, перерахунок шляху від часу на цьому інтервалі, а також розраховує «миттєве» прискорення.

У результаті розрахунку отримано значення швидкості і прискорення, залежно від часу і пройденого шляху.

У третьому розділі наведено теоретичні та експериментальні дослідження напружено-деформованого стану НС гоночного автомобіля, які і склали основу РЕМ.

Для вирішення задач, поставлених у цій роботі, застосовувалися програмні комплекси SAP - 80, ЛІРА, COSMOS, ANSYS як найбільш доступні як за ціною, так і за освоєнням.

При створенні КЕМ враховувалася можливість універсального застосування даної моделі будь-яким вибраним програмним комплексом.

Просторова НС складається з 145 жорстких і шарнірних вузлів і 242 стержнів. Розрахунок такої рами можливий тільки на ЕОМ за допомогою програм в основу яких покладено метод кінцевих елементів. При цьому кінцевий елемент повинен враховувати всі умови роботи кожного стержня рами. В цьому випадку кожний кінцевий елемент повинен мати 12 степенів вільності, а саме по три лінійні зсуви і по три повороти на кожному кінці. Окремі стержні рами мають малу довжину, тому необхідно врахування не тільки переміщень, викликаних розтягуванням (стисненням), вигином і крученням, але також і зсувом.

Програмою, що відповідає всім вище зазначеним вимогам, є стандартний пакет програм, який був використаний для визначення зусиль і переміщень в прийнятій розрахунковій схемі каркаса автомобіля (рис. 9). Точність розрахунку за методом кінцевих елементів у значній мірі залежить від ширини матриці жорсткості і тому вимагається, щоб різниця між номерами вузлів i і j, на які спирається кінцевий елемент ij, була б по можливості мінімальною.

У такому випадку цей мінімум досягався введеною системою нумерації з носової частини: спочатку прямо, потім направо, потім вгору. При цьому враховано також симетрію розрахункової схеми. На лівій частині розрахункової схеми є вузол, якому відповідає його аналог на правій частині. При цьому різниця номерів рівна одиниці. Вузли, що не мають аналогів на лівій і правій частинах рами, знаходяться тільки в тій зоні розрахункової схеми, яка імітує двигун.

Порівняльний аналіз результатів розрахунку КЕМ і стендового експерименту показав хорошу збіжність, похибка склала не більше 9%. Це свідчить про адекватність КЕМ і реальну конструкцію НС гоночного автомобіля. На підставі цього рекомендується підходити до вибору перетинів елементів, кутів їх розташування в об'ємно-стержньовій конструкції, виходячи з аналізу розрахункових даних, одержаних у теоретичній частині роботи.

Для раціонального конструювання рами автомобіля пропонується поперечний перетин кожного стержня рами підбирати так, щоб він був якнайменшим для всіх режимів навантаження. Рішення при цьому побудовано таким чином.

Нехай вимагається знайти радіус трубчастого поперечного перетину R за відомим співвідношенням товщини труби до зовнішнього радіусу /R.

Тоді, використовуючи формулу міцності

, (14)

де М_и = Mz + My

А - площа поперечного перетину

; (15)

Jz - осьовий момент інерції