ВЫСТАВКА-КОНГРЕСС
«ВЫСОКОТЕХНИЧЕСКИЕ АВТОМОБИЛИ И ДВИГАТЕЛИ»
МОДЕНА, 27-28 мая 2004 г.
Исследование устойчивости двухколесного транспортного средства
через эксперименты на дороге и в лаборатории
Исследование устойчивости двухколесного транспортного средства
путем экспериментальных испытаний, проводимых на дороге и в лаборатории
Мауро Сальвадор, Давиде Фабрис
Исследовательская группа по динамике мотоциклов
Факультет машиностроения, Университет Падуи.
Адрес: Via Venezia 1, 35131 Падуя (Италия).
Тел. +39 049 827 6715, факс: +39 049 827 6785;
mauro.salvador@unipd.it; davide.fabris@unipd.it
Аннотация
Эта работа показывает многочисленные экспериментальные результаты, касающиеся устойчивости двухколесного транспортного средства.
Некоторые режимы вибрации, касающиеся мотоциклов, могут стать нестабильными для определенной скорости транспортного средства.
В частности, на режим воблинга влияет в основном передняя часть рамы, а на режим колебаний курса основное влияние оказывают крены и рыскания задней рамы.
Скутер был оснащен соответствующими датчиками для измерения угла поворота и усилия рулевого управления, скорости и ускорения крена и рыскания транспортного средства, а также скорости транспортного средства.
В этой статье мы сконцентрируемся на режиме колебаний, которые были определены в ходе экспериментов на дороге с помощью скутера.
Большое количество параметров было изменено, чтобы проверить их влияние на режим колебаний.
В частности, проанализировано влияние инерции передней рамы относительно оси рулевого управления, параметров переднего колеса, жесткости шасси.
Более того, мы нашли связь между динамическими характеристиками мотоцикла и колебательными режимами его отдельных частей.
Введение
Устойчивость мотоцикла очень важна для безопасности и комфорта гонщика. Поэтому необходимо изучить колебания, которые могут возникнуть при движении мотоцикла: так называемые режимы вибрации.
Их можно разбить на две группы: моды (колебания), принадлежащие плоскости симметрии (в вертикальной плоскости по оси симметрии мотоцикла), и моды в горизонтальной плоскости (внеплоскостные моды).
Внеплоскостные моды в основном влияют на устойчивость мотоциклов, и по этой причине мы сосредоточили наше внимание на этих режимах.
Основные виды внеплоскостных мод: опрокидывание, плетение и воблинг. Rf [1]
Опрокидывание отличается от двух других мод своей колебательной природой и является нестабильным только на очень низких скоростях. Режим плетения показывает частоты от 2 до 4 Гц и включает в себя, главным образом, колебания крена и рыскания задней рамы.
Режим воблинга включает в себя колебание передней рамы на частотах от 6 до 10 Гц. В этой статье мы объясняем идентификацию и временную эволюцию режима воблинга, через эксперименты в дороге на скутере.
Кроме того, экспериментальный модальный анализ проводился в лаборатории, чтобы найти первые внеплоскостные структурные моды и получить полную колебательную модель транспортного средства.
Часть первая.
Определение режима колебания и его временной эволюции с помощью экспериментов на дороге
Экспериментальное оборудование
Мотоцикл, использованный для испытаний, был скутером, оснащенным соответствующими датчиками для измерения колебаний воблинга. Датчиками были: угловой потенциометр для измерения угла поворота руля, линейный потенциометр на передней вилке, инерционная платформа с тремя гироскопами и тремя акселерометрами, датчик скорости на переднем колесе и новый датчик для измерения Крутящего момента — разработан Механической лабораторией города Падуя.
Сигнал рулевого крутящего момента был использован для характеристики колебания воблинга по двум причинам: этот сигнал, в отличие от других, гораздо чувствительнее к этому режиму, и это позволяет легко идентифицировать реакцию водителя.
Сбор данных производился с помощью 12-битного регистратора данных, а частота дискретизации составляла 100 Гц для всех сигналов.
Типы дорожных испытаний
Дорожные испытания проводились одним и тем же гонщиком в разных условиях. С фиксированной скоростью, водитель снял руки с руля, и система рулевого управления могла свободно вращаться. Райдер ждал появления рулевых колебаний, а затем остановил руль при амплитуде колебаний, приближающихся к нестабильному состоянию.
Скорость поддерживалась постоянной с помощью механической установки на акселераторе.
Дорожный эксперимент повторялся много раз для каждой конфигурации и для многих приращений скорости.
Сигнал крутящего момента рулевого управления в режиме вобуляции показан на рисунке 1. На левом графике показано колебание с постепенным возбуждением, а на правом графике показан импульс, подаваемый водителем для возбуждения режима вибрации.
Рисунок 2 Примеры развития воблинга как самомстоятельно, так и с провокацией со стороны водителя
Идентификация и временная характеристика явления
После выбора подходящего временного диапазона для визуализации явления вобуляции было использовано следующее уравнение, которое можно рассматривать как суперпозицию экспоненциальной и гармонической функции:
Где ωn — собственная частота, а ξ — затухание кривой
Таким образом, частота и коэффициент затухания моды вобуляции были определены с использованием простого математическое выражения.
Рисунок 3 Наложение исходного сигнала крутящего момента рулевого управления и смоделированного математически.
Результаты дорожных испытаний
Менялось множество характеристик скутера, чтобы оценить их влияние на колебание воблинга, в частности: инерция передней рамы относительно оси рулевого управления, характеристики передних шин и жесткость рамы.
• Влияние инерции передней рамы относительно оси рулевого управления.
Рисунок 3-1 Влияние приращения инерции передней рамы относительно оси рулевого управления на демпфирование и частоту колебаний воблинга
Рисунок 3-1 представляет изменение режима колебания в терминах частоты и значений демпфирования для различных значений инерции передней рамы на многочисленных скоростях. Когда увеличивается инерция передней рамы, частота колебаний уменьшается, и в то же время увеличивается демпфирование.
• Влияние давления в передней шине
Рисунок 4 Влияние давления в передней шине на режим колебаний воблинга.
Частота колебаний не зависит от давления в передней шине. Тем не менее, демпфирование увеличивается с давлением в передней шине, способствуя стабильности мотоцикла.
• Влияние жесткости боковин передней шины
Были рассмотрены две шины с двумя различными значениями жесткости. Эта характеристика была измерена для каждой шины в лаборатории, специализирующейся на тестировании шин для мотоцикла. Rf [3]
При уменьшении жесткости бокового скольжения частота колебаний уменьшается, а демпфирование увеличивается с положительным влиянием на безопасность и стабильность мотоцикла.
Рисунок 5 Влияние жесткости боковин передней шины на режим колебания воблинга
• Влияние жесткости шасси
Жесткость шасси была увеличена с помощью жесткой опоры, прикрученной к раме. Rf [4] — [5] В режиме воблинга частота умеренно увеличивается, а демпфирование не показывает заметных изменений.
Рисунок 6 Влияние жесткости шасси на частоту и демпфирование режима воблинга.
.
Часть вторая
Модельный анализ скутера
Введение
Этот анализ был проведен для определения первичных структурных колебательных режимов транспортного средства и оценки их связи с колебаниями воблинга. Rf [6]
Определение полной колебательной модели с частотами, затуханием и формами колебаний очень важно для изучения влияния структурных изменений на этапе проектирования скутера.
Измерительная система
Инструменты, используемые во время этого лабораторного испытания:
• Электромагнитный шейкер, который осуществляет синусоидальную воздействие с постоянным ускорением.
Генерируемая сила контролировалась с использованием одноосного тензодатчика. Rf [8]
• Трехосный акселерометр применен в точках, которые определяют полную сетку
средство передвижения.
• ICATS, программное обеспечение для модального анализа, которое использует все полученные FRF, определяемые как инерционность: ускорение как результат силы.
Граничные условия
Транспортное средство подвешено к конструкции с резонансными частотами вне зоны исследования для избежания проблемы помех; шины соприкасаются с двумя опорами. Rf [8]
Две линейные пружины изолируют вибрации скутера в пространстве. Важно измерять нагрузку для каждой пружины, чтобы обеспечивать согласованность и повторяемость данных во времени.
Возбуждение прикладывается к задней шине через вибрирующую опорную поверхность в боковом направлении, ориентированном в соответствии с системой координат SAE.
Передняя шина находится в простом контакте со стационарной опорой, сохраняя свободу вращения передней вилки вокруг своей оси.
Определение сетки
Скутер асимметричен относительно своей продольной плоскости, поэтому полная точечная сетка должна использоваться в определении модели всего транспортного средства.
35 точек, выбранных соответствующим образом на скутере относительно глобальной системы координат, дают полную сетку конструкции. Поскольку возбуждение применяется в боковом направлении по трехмерной системе координат SAE, глобальную и локальную декартовы системы координат можно считать с ней совпадающими.
Датчики ускорений располагается в каждой точке измерения, оси сенсоров совпадают с системой координат SAE. Эта ориентация также принимается во время генерации сетки геометрии в Модуле программного обеспечения для модального анализа: MESHGEN.
Рисунок 7 Сетка создана с помощью кода модального анализа.
Эксперименты FRF Rf [7] — [8]
Возбуждение — синусоидальная развертка с постоянным ускорением [1 м / с ^ 2], реализованная на частоте в полосе 10-22 Гц.
Регистрация была сделана с помощью трехосного акселерометра, его локальные направления ориентированы на SAE триаду, как было сказано ранее.
Таким образом, 105 FRF были измерены и использованы в следующем модальном анализе.
Программное обеспечение для модального анализа Rf [7]
Для этой работы было использовано программное обеспечение ICATS. Применено два разных алгоритма частотной области, позволяющих пользователю анализировать все реализованные функции одновременно.
Вот эти два алгоритма:
• GLOBAL_M: полиномиальный метод, который вычисляет коэффициенты по квадратичной минимизация ошибки между реальным FRF и восстановленным с использованием модальной модели
• GRF-MIF: итерационный метод, который просто использует количество режимов, которые будут определены.
Использование этих кодов, частот, демпфирований и видов колебаний, позволило определить каждый колебательный режим модальной модели в полосе частот.
Достоверность модальной модели была затем подтверждена путем реконструкции одного FRF. Было найдено приемлемое соответствие между всеми полученными функциями и их реконструкциями.
При вычислении ошибки важно отметить, что эти алгоритмы не учитывают явления за пределами диапазона исследования. Фактически неизбежно существует расхождение между двумя рассматриваемыми функциями в начале и в конце полосы частот.
Рисунок 8 представляет собой представление FRF, измеренных и реконструированных для двух точек в самом конце скутера. Для каждой точки процент ошибки рассчитывается во всей полосе частот менее 2%.
Рисунок 8 FRFs Измерены и реконструированы для двух точек в конце скутера.
Результаты модального анализа
В полосе частот 10-22 Гц можно выделить четыре моды с полной конвергенцией для всех проанализированных FRF, и они достаточно отдалены друг от друга.
На рисунке 9 представлены первые две структурные моды, которые имеют довольно низкие для этих видов транспортных средств частоты.
Рисунок 9 Первый и Второй режимы вибрации скутера.
• В первом режиме [частота: 12,6 Гц, демпфирование η: 8,33%] наблюдается четкое кручение
рамы скутера, с большим продольным изгибом в плоскости X-Z,. В то же время, передняя вилка не дает явной деформации, но она представляет большие движения из-за деформации всего транспортного средства.
• Во втором режиме [частота: 15,55 Гц, демпфирование η: 5,48%] наблюдается четкое кручение двигателя, который представляет собой в частности конечные точки задней рамы; небольшой боковой изгиб также присутствует в плоскости X-Y. Опять же передняя вилка показывает большое движение, но не проявляет значительной деформации; точка крепления с рамой теперь узловая точка.
На рисунке 10 представлены два других режима, которые необходимы для полного определения модальной модели в полосе частот [10-22 Гц].
• В третьем режиме [частота: 17,84 Гц, демпфирование: 5,09%] изгиб в плоскости X-Y равен такому же изгибу в плоскости X-Z, [SAE система координат].
Изгиб в плоскости X-Y вызывает движение центра задней рамы, в фазе противодействия движению оси рулевого управления и вилки.
Изгиб в плоскости X-Z, расположен соосно с шарнирным рычагом.
• В четвертом режиме [частота: 19,14 Гц, демпфирование: 8,47%] продольное кручение, которое включает заднюю раму и, в частности, двигатель; изгиб в плоскости X-Z тоже присутствует, но не так существенно.
Рисунок 10 Третий и Четвертый режимы вибрации скутера.
Выводы
В данной работе было показано влияние на колебательный режим воблинга характеристик передних шин, инерции передней рамы и жесткости шасси. В частности, показано, что:
- увеличение давления в передней шине
- повышение жесткости шасси
- увеличение инерция передней рамы относительно оси рулевого управления
- уменьшение жесткости боковых колес передней шины
улучшает демпфирование в колебательном режиме воблинга, что повышает устойчивость транспортного средства.
Модальный анализ идентифицирует первичные структурные колебания транспортного средства, показывая, что они четко разделены друг от друга. В частности, эти моды имеют низкие частоты и включают переднюю часть рамы как в режиме воблинга. Таким образом, модальная модель представляет очевидные структурные моды на низкой полосе частот, показывая очень гибкую структуру скутера. Этот факт подтверждает, что колебание в режиме воблинга может быть критическим для этих видов транспортных средств.
Источники
[1] Cossalter, V .: Динамика мотоцикла,Race Dynamics, Greendale WI (2002).
[2] Коссальтер, В., Дориа, А., Лот, Р., Руффо, Н., Сальвадор, М .: Динамические свойстваШины для мотоциклов и скутеров: измерение и сравнение, Динамика системы автомобиля
Международный журнал автомеханики и мобильности.
[3] Коссальтер В., Лот Р. и Маджо Ф. Модальный анализ мотоцикла в прямомБег и по кривой,
Meccanica, Kluwer ed, (2003).
[4] Шарп Р. С. и Алстед К. Дж .: Влияние структурных гибкостей на устойчивость мотоциклов StraightRunning,Динамика системы автомобиля, вып. 9 (1980), стр. 327-354.
[5] Верма, М. К., Скотт, Р. А. и Сегель, Л .: Влияние соответствия рамок на боковое.Динамика мотоциклов,
Динамика системы автомобиля, вып. 9 (1980).
[6] Коссальтер В., Дориа А. и Митоло Л. Инерционные и модальные свойства гонок.Мотоциклы,
Motorsports Engineering Conference & Exhibition, Индианаполис, Индиана, США, (2002),
Бумага SAE № 02MSEC-5.
[7] Майя, Н. М. М. и Монтальвао е Сильва, Дж. М .: Теоретический и экспериментальный модальный анализ,John Wiley & Sons Inc, Нью-Йорк (1997).
[8] Коссальтер В., Дориа А., Бассо Р. и Фабрис Д. Экспериментальная оценка бокового переносафункции и конструктивные особенности двухколесных транспортных средств, появившиеся в Международном журнале
Шок и Вибрация.
References
[1] Cossalter, V.: Motorcycle Dynamics,Race Dynamics, Greendale WI (2002).
[2] Cossalter, V., Doria, A., Lot, R., Ruffo, N., Salvador, M.: Dynamic Properties ofMotorcycle and Scooter Tires: measurement and comparison, Vehicle System Dynamics
International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility.
[3] Cossalter V., Lot R. and Maggio F.: The Modal Analysis of a Motorcycle in StraightRunning and on a Curve,
Meccanica, Kluwer ed, (2003).
[4] Sharp, R. S. and Alstead, C. J.: The Influence of Structural Flexibilities on the StraightRunning Stability of Motorcycles,Vehicle System Dynamics, vol. 9 (1980), pp 327-354.
[5] Verma, M. K., Scott, R. A. and Segel, L.: Effect of Frame Compliance on the LateralDynamics of Motorcycles,
Vehicle System Dynamics, Vol. 9 (1980).
[6] Cossalter, V., Doria, A., and Mitolo, L.: Inertial and Modal Properties of RacingMotorcycles,
Motorsports Engineering Conference & Exhibition, Indianapolis, Indiana, USA, (2002),
SAE Paper Number 02MSEC-5.
[7] Maia, N. M. M. and Montalvao e Silva, J.M.: Theoretical and Experimental Modal Analysis,John Wiley & Sons Inc, New York (1997).
[8] Cossalter V., Doria A., Basso R. and Fabris D.: Experimental evaluation of lateral transferfunctions and structural modes of two wheeled vehicles, to appear in International Journal of
Shock and Vibration.