International scientific e-journal

ΛΌГOΣ. ONLINE

14 (October, 2020)

e-ISSN: 2663-4139
КВ №20521-13361Р

ENGINEERING AND IT

UDC 629.3.01

EOI 10.11232/2663-4139.14.02

ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ПОЛОЖЕННЯ ЦЕНТРА КРЕНУ ПІДВІСКИ НА КУТ КРЕНУ АВТОМОБІЛЯ ЗА ДОПОМОГОЮ ДИНАМІЧНОГО АНАЛІЗУ

МОРОЗОВСЬКИЙ Дмитро Юрійович

cудовий експерт сектору автотехнічних досліджень

Харківський науково-дослідний експертно-криміналістичний центр МВС України

 

УКРАЇНА


Анотація. Побудовано трьохвимірну модель на базі гоночного автомобіля ХАДІ-33 з підвіскою на подвійних поперечних важелях. За допомогою динамічного аналізу в середовищі Autodesk Inventor проведено дослідження впливу зміни положення верхніх поперечних важелів передньої та задньої підвісок на центр крену та кут крену автомобіля при русі по криволінійній траєкторії.

Ключові слова: підвіска на подвійних поперечних важелях; центр та висота крену підвіски; кут крену автомобіля; autodesk inventor; динамічний аналіз; ЛСА ХАДІ; ХАДІ-33.

Підвіска автомобіля є найважливішим елементом автомобіля. Від рівня якості її аналізу, дослідження та проектування залежать вихідні параметри ходової частини та показники експериментальних властивостей усього автомобіля. Рішення завдань, що виникають при проектуванні всіх систем, вузлів і деталей створюваного автомобіля, неможливо без детального аналізу, дослідження та розрахунку на ранніх етапах проектування.

Незалежна підвіска на подвійних поперечних важелях з пружинами має деякі переваги у вигляді наступних кінематичних якостей: взаємним положенням важелів можна визначити висоту, як центру поперечного крену, так і центру поздовжнього крену. Крім того, за рахунок різної довжини важелів можна впливати на кутові переміщення коліс при ходах відбою і стиснення, тобто на зміну розвалу і на зміну колії. конструкція підвіски на подвійних поперечних важелях дає можливість застосування різних регулювань.

Під креном автомобіля зазвичай мають на увазі його нахил щодо своєї осі вправо або вліво. Крен автомобіля також може бути присутнім як попереду, так і ззаду та, в залежності від навантаження одного з коліс, покращувати його здатність сприймати бічні сили, а отже і проходити повороти на більш високій швидкості – проте в цьому випадку забезпечення безпеки руху вимагає ретельного узгодження роботи передньої і задньої підвісок.

Існують два центри крену – передній і задній, які знаходяться в центрі передньої і задньої осі відповідно. Центр крену сам по собі представляє теоретичну точку, навколо якої крениться підвіска автомобіля.

Передній центр крену відповідає за повертання при прискоренні під час проходження середини віражу і при виході автомобіля з нього. Чим нижче передній центр крену, тим краще автомобіль повертає при прискоренні, але чутливість його менша. Таке розміщення центру переднього крену підходить для авто, які прямують по рівних трасах з затяжними поворотами. При високому розміщенні переднього центра крену у автомобіля менші межі повертання при прискоренні, але саме авто краще керується. Такий центр крену підходить для переміщення по трасах з безліччю поворотів.

Задній центр крену відповідає за керованість автомобілем при прискоренні та при рівномірному русі у всіх стадіях повороту (входження, середина і вихід з віражу). При низькому розташуванні заднього центру крену автомобіль має відмінне зчеплення з дорогою при прискоренні, але погане - при гальмуванні. Таке розташування центру крену сприяє збільшенню зчеплення шин з дорогою, а також запобігає швидкому зносу задніх покришок. При високому задньому центрі крену авто має гіршу керованість при прискоренні, але краще керується при гальмуванні.

Крім того, існує таке поняття, як вісь крену – це уявна лінія, що з'єднує передній і задній центри крену. Кут крену автомобіля в повороті залежить розташування осі крену щодо центра ваги автомобіля. Чим вона ближче до центра ваги, тим менша буде висота крену (відстань від осі крену до центру ваги автомобіля), а отже і кути крену у кузова автомобіля в поворотах будуть менші, а чим більша буде висота крену, тим далі від центру тяжіння знаходиться вісь крену, і тим більше автомобіль буде повертати навколо його поздовжньої осі крену.

На гоночному автомобілі верхні важелі підвіски можуть мати кілька різних варіантів положень, в яких вони встановлюються. Зміна положення верхнього важеля підвіски впливає на положення центра крену, тому що саме кут нахилу верхнього важеля підвіски відносно нижнього важеля визначає, де знаходиться центр крену, а оскільки при різному розташуванні центрів крену передньої та задньої підвісок змінюється положення осі крену, то змінюється і його висота.

Для визначення розташування центрів крену передньої та задньої підвіски були побудовані принципові схеми підвісок з різними варіантами положень верхніх важелів (рис. 1). У своєму початковому положенні верхні важелі підвіски розташовані паралельно нижнім (рис. 1, а). Відповідно до цих схем було визначено варіанти положень осей крену та величини висоти крену автомобіля (рис. 2).

а – верхні важелі у середньому положенні, паралельні нижнім важелям;

б – верхні важелі у нижчому положенні; в – верхні важелі у вищому положенні;

Рис. 1. Варіанти схем двохважільних підвісок з різним положенням верхніх важелів.

а – осі крену при нижчому центрі крену передньої підвіски для різних положень центрів крену задньої підвіски; б – осі крену при середньому центрі крену передньої підвіски для різних положень центрів крену задньої підвіски; в – осі крену при вищому центрі крену передньої підвіски для різних положень центрів крену задньої підвіски.

Рис. 2. Варіанти положень осей крену автомобіля та величини висоти крену.

 

Для проведення експериментального дослідження впливу висоти крену автомобіля на зміну кута крену, було обрано середовище динамічного моделювання Inventor програмного забезпечення Autodesk. У даному середовищі було створено модель гоночного автомобіля для кільцевих перегонів, за аналогом існуючого автомобіля ХАДІ-33.

Модель проектованого автомобіля складається з основних конструктивних елементів необхідних для проведення даного дослідження (рис. 3). Поперечні важелі передньої та задньої підвіски на моделі автомобіля знаходяться в такому положенні, в якому вони встановлені на існуючому аналогу автомобіля;

1 - Переднє колесо; 2 - Верхній важіль передньої підвіски; 3 - Нижній важіль передньої підвіски; 4 - Передній амортизатор; 5 - Передній рокер (коромисло); 6 - Передня штовхаюча тяга; 7 - Заднє колесо; 8 - Верхній важіль задньої підвіски; 9 - Нижній важіль задньої підвіски; 10 - Задній амортизатор; 11 - Задній рокер (коромисло) ; 12 - Задня штовхаюча тяга; 13 - Рама автомобіля; 14 - Підрамник силового агрегату; 15 - Корпус КП; 16 - Блок цента маси; 17 - Рульовий механізм; 18 - Рульова тяга; 19 - Поворотний кулак переднього колеса; 20 - Регулююча тяга; 21 - Кулак заднього колеса.

Рис. 3. Загальне зображення моделі проектованого автомобіля.

 

Для присвоєння фізичних параметрів проектованій моделі автомобіля у несучій частині встановлено блок мас (рис. 3, поз. 16), який своїми параметрами відображає маси відсутніх систем та частин дійсного автомобіля і розташований таким чином, що центр мас розробленої моделі відповідає центру мас існуючого автомобіля (рис. 4).

Рис. 4. Фізичні параметри проектованої моделі гоночного автомобіля.

 

Наступним етапом підготовки для проведення дослідження було створення необхідної опорної поверхні (модель ділянки траси) з якою автомобіль міг би взаємодіяти при русі. Модель траси має вигляд дуги із середнім радіусом 40 м та шириною 15 м.

Для взаємодії моделі автомобіля з проектованою опорною поверхнею встановлена залежність коліс з трасою у вигляді 3D-контакту із призначенням вхідних параметрів їх взаємодії (рис. 5), що наближені до дійсних умов з урахуванням деформації, жорсткості та коефіцієнту зчеплення покришок передніх і задніх коліс з дорожнім покриттям.

а – параметри контакту задніх коліс; б – параметри контакту передніх коліс;

Рис. 5. Параметри залежності 3D-контакту коліс с трасою.

 

Для коректної роботи підвіски під час динамічного аналізу були зазначені залежності для амортизаторів при яких імітується їх дійсна робота. Параметри цих залежностей були розраховані у та зазначені з урахуванням демпфуючих властивостей та величини ходу підвіски (рис. 6).

а – параметри амортизаторів передньої підвіски;

б – параметри амортизаторів задньої підвіски;

Рис. 6. Вхідні параметри амортизаторів.

 

Заключним етапом перед запуском розрахунку динамічного аналізу стало призначення параметрів необхідних для руху моделі автомобіля по криволінійній траєкторії:

– керовані колеса моделі автомобіля виставлено на відповідний кут при якому модель буде рухатись по криволінійній траєкторії радіусом 40 м;

– у вхідних параметрах для задніх коліс задано вимушений обертальний рух із кутовою швидкістю 4050 град/с, що відповідає лінійній швидкості автомобіля 20 м/с при радіусі коліс 0.283 м (рис. 7).

Рис. 7. Характер вимушеного руху ведучих коліс.

 

Враховуючи всі вказані властивості та параметри, динамічний аналіз було запущено для розрахунку кута крену автомобіля при початковому (паралельному) положенні важелів підвіски впродовж двох секунд руху автомобіля по криволінійній траєкторії.

По завершенню розрахунку було отримано графічну залежність зміни кута крену від часу руху автомобіля по криволінійній траєкторії (рис. 8). У даній залежності просліджується, як відбувається відхилення початкового положення вертикальної осі моделі автомобіля, що становить 90°, тобто кут крену починає поступово збільшуватись впродовж часу руху автомобіля від 0 с до 1.6 с. Після досягнення відмітки часу в 1.6 с відбувається стабілізація положення автомобіля на позначці 87.68° при якому він продовжує рухатись від 1.6 с до 2 с без суттєвої зміни його положення.

Динамічний аналіз при розрахунках враховує більше параметрів проектованої моделі автомобіля та умов взаємодії його елементів, як між собою, так і з опорною поверхнею ніж при математичному моделюванні, тому результат матиме незначне відхилення у порівнянні з математичними розрахунками при таких саме параметрах конструкції підвіски.

Рис. 8. Графік залежності кута крену від часу руху автомобіля.

 

Оскільки показання динамічного аналізу наближені до розрахункових, то використовуючи спроектовану модель автомобіля було прийнято рішення за допомогою динамічного аналізу провести дослідження при якому буде проаналізований вплив зміни положення верхніх важелів передньої та задньої підвісок на кут крену автомобіля при русі по криволінійній траєкторії.

Опираючись на побудовані схеми (рис. 1, 2), на спроектованій моделі автомобіля почергово змінювались положення верхніх важелів підвіски та проводився динамічний аналіз відповідно до кожної зі схем. Слід зазначити, що зміна положення важелів відбувалась на однакову відстань від їх початкового положення, тобто залежність зміни положення є лінійною. Результати отриманих даних виведені графічно (рис. 9-11).

Рис. 9. Графік залежності кута крену автомобіля при різних величинах висоти крену (рис. 2,а).

.

Рис. 10. Графік залежності кута крену автомобіля при різних величинах висоти крену (рис. 2,б).

 

Рис. 11. Графік залежності кута крену автомобіля при різних величинах висоти крену (рис. 2,в).

 

На основі даних отриманих при проведені динамічного аналізу побудована таблиця залежності кута крену автомобіля від схем положень важелів його підвісок (табл. 1).

 

Таблиця 1. Залежності кута крену автомобіля від положення важелів його підвісок

Схеми положення важелів у таблиці розташовані наступним чином:

– стовбці таблиці містять у собі один варіант положення важелів передньої підвіски при трьох варіантах положення важелів задньої підвіски від найнижчого до найвищого їх положення;

– строки таблиці містять у собі один варіант положення важелів задньої підвіски при трьох варіантах положення важелів передньої підвіски від найнижчого до найвищого їх положення.

Опираючись на дані таблиці побудовано характеристику впливу різних положень важелів підвісок на кут крену автомобіля (рис. 12).

Рис. 12. Характеристика впливу положення важелів підвіски на кут крену автомобіля.

 

Аналізуючи отриману характеристику необхідно зазначити, що лінійна зміна положень важелів підвіски (зміна положення на однакову відстань) впливає на кут крену автомобіля нелінійно з певною залежністю.

На даній характеристиці суцільними лініями вказана зміна положень важелів задньої підвіски від нижчого до вищого їх положення, при сталих положеннях передніх важелів, а пунктиром вказана зміна положень важелів передньої підвіски, при сталих положеннях задніх важелів.

Таким чином зміна положень важелів задньої підвіски має значно більший вплив на зріст кута крену автомобіля ніж вплив при зміні положень важелів передньої підвіски. Також при поступовому встановленні важелів підвіски від нижнього до верхнього положення разом зі зростанням кута крену спостерігається прогресія росту кута, тобто, чим вище положення, тим швидше зростає кут крену.


СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ:

 

  • Раймпель, Й. (1987). Шасси автомобиля: Элементы подвески. Г.Г. Гридасов. (ред.). Москва: Машиностроение.

  • Осепчугов, В.В. & Фрумкин, А.К. (1989). Автомобиль: Анализ конструкций, элементы расчета. Москва: Машиностроение.

  • Лукин, П.П., Гаспарянц, Г.А. & Родионов, В.Ф. (1984). Конструирование и расчет автомобиля. Москва: Машиностроение.

  • Плетин, Д.А. (2014). Особенности конструкции гоночных автомобилей класса Формула. Известия МГТУ «МАМИ», (19), 63-66.

  • Постигаем "Центр крена". Вилучено з http://rc-auto.ru/articles_podveska/id/291/.


INVESTIGATION OF THE EFFECT OF THE SUSPENSION ROLL CENTER POSITION ON THE VEHICLE ROLL ANGLE USING DYNAMIC ANALYSIS

MOROZOVSKYI D.,
forensic expert
Kharkiv Research forensic center of the Ministry of Internal Affairs
UKRAINE

Abstract.
A three-dimensional model was built on the basis of a KHADI-33 racing car with a suspension on double wishbones. For analysis in Autodesk Inventor conducted a study of the effect of changing the position of the upper transverse levers of the front and rear suspensions on the roll center and roll angle during the car moving on a curved trajectory.


Keywords: suspension on double transverse levers; roll center and roll height of the suspension; autodesk inventor; dynamic analysis; LSA KHADI; KHADI-33.

© Морозовський Д.Ю., 2020

© Morozovskyi D., 2020

 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

PUBLISHED : 08.10.2020