Технические науки/4. Транспорт

Бутин Д.А. Беляков В.В. А.В.Тумасов

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, Россия

Исследование управляемости спортивного автомобиля класса “Formula SAE” в программном комплексе MSC.ADAMS/CAR

В статье представлены результаты расчетно-экспериментальных исследований свойств активной безопасности спортивного автомобиля класса “formula student”. Компьютерное моделирование выполнено в программном комплексе MSC.ADAMS/CAR лицензионного пакета University MD FEA Bundle, переданного в НГТУ компанией MSC.Software GmbH в рамках соглашения о стратегическом сотрудничестве.

Ключевые слова: спортивный автомобиль, моделирование, управляемость, активная безопасность

Отличительной особенностью спортивного автомобиля является его выдающаяся управляемость, позволяющая преодолевать контрольный участок за минимальное время. На управляемость автомобиля оказывает влияние множество конструктивных параметров, к основным относятся: характеристики шины, кинематика подвески и рулевого управления, жёсткостные и демпфирующие свойства подвески. Исследование влияния параметров автомобиля на управляемость, требует проведения большого количества испытаний. Для сокращения времени затрачиваемое исследования все больше применяют имитационное моделирование. Моделирование, представляет процесс конструирования на ЭВМ модели сложной реальной системы, функционирующей во времени, и постановки экспериментов на этой модели с целью либо понять поведение системы, либо оценить различные стратегии, обеспечивающие функционирование данной системы.

В данной работе представлены результаты натурного испытания Skid-Pad и его моделирования, проводимое в рамках соревнований Formula Student.

В качестве программного комплекса для проведения исследований был выбран программный комплекс MSC.ADAMS/CAR лицензионного пакета University MD FEA Bundle, обладающий значительным функционалом и имеющий широкий спектр возможностей.

Объектом исследования являлся спортивный автомобиль созданный по регламенту Formula SAE [1]. В качестве аналога был выбран автомобиль, созданный студенческим конструкторским бюро “Amigo”, схема автомобиля приведена на рис. 1. Автомобиль имеет полную массу 420кг, независимую подвеску на параллельных рычагах с толкающей тягой, без стабилизаторов поперечной устойчивости. При проведении натурных испытаний использовались шины размерностью 185/60R13, фирмы Yokohama.

Рис. 1 Схема спортивного автомобиля класса “Formula SAE”

В качестве испытания для оценивания управляемости автомобиля использовалось движение по траектории постоянной кривизны, широко используемое при исследовании управляемости автомобилей на соревнованиях Formula SAE, имеющее общепринятое название Skid-Pad [1, 2]. В качестве параметра характеризующего управляемость является критическая скорость движения.

На рис. 2 показана схема полигона для испытаний управляемости АТС - движение по траектории постоянной кривизны, в соответствии с регламентом соревнований “Formula SAE”.

Рис. 2 Схема виртуального полигона для имитации испытания «движение по траектории постоянной кривизны»

На рис. 3 представлена модель автомобиля, учитывающая основные конструктивные параметры: расположение центра тяжести, кинематику и упругодемпфирующие свойства подвесок и пр.

Основные свойства модели:

Модель АТС состоит из 25 тел которые имеют 45 частот собственных колебаний, с максимальной частотой 2895 Гц.

Рис. 3 Схема модели спортивного автомобиля класса “Formula SAE”

Верификация имитационной модели выполнялась с помощью тестового испытания. Сравнение результатов натурных испытаний и моделирования позволяют сказать о адекватности модели.

На рис. 5 показан фрагмент натурных испытаний, выполненных на территории авто спортивного комплекса “Нижегородское кольцо”. Сравнительный анализ результатов испытаний с данными имитационного моделирования представлен в таблице 1. Из данных таблицы видно, что расхождение значений критической скорости движения и радиуса траектории составляет менее 3%, что является вполне приемлемым и свидетельствует об адекватном поведении модели и корректном выборе параметров.

Таблица 1

Сравнение результатов натуральных и виртуальных испытаний.

Параметр	Натурные испытания	Виртуальное испытание	Расхождение,%
Время прохождения круга, сек	6,716	6,571	2,159
Средняя скорость движения, м/с	8,25	8,199	0,61
Среднее боковое ускорение, м/с^2	7,722	7,84	1,52
Средний радиус движения, м	9,117	9,115	0,02

Следующим этапом работы была модернизация подвески и рулевого управления автомобиля, на основании теории автомобиля [3] . Влияние изменений на управляемость автомобиля будет оцениваться с помощью моделирования движения по траектории постоянной кривизны.

Основные изменения в конструкции:

-колесная база

-кинематика направляющего механизма подвески

-зависимость поворота управляемых колес

Результаты виртуальных испытаний автомобиля со стандартной и модернизированной подвеской и рулевым управлением представлены в таблице2.

Таблица 2

Сравнение результатов моделирования испытания

Параметр	АТС со стандартной подвеской	АТС с модернизированной подвеской	Расхождение,%
Время прохождения круга, сек	6,571	6,1	-7,167
Средняя скорость движения, м/с	8,199	8,9	8,549
Среднее боковое ускорение, м/с^2	7,84	9,05	15,433
Средний радиус движения, м	9,115	9,18	-0,713

Из таблицы 2 видим что время прохождения контрольного участка уменьшилось на 0,471 секунды, что означает повышение конкурентной способности спортивного автомобиля с модернизированной подвеской и рулевым управлением при участии в соревнованиях класса “Formula SAE”. Увеличившееся среднее значения бокового ускорения означает, о расширении области управляемого движения и повышении активной безопасности АТС.

Литература:

1. Formula Student Combustion Rules 2014 [электронный ресурс] URL: http://www.formulastudent.de/uploads/media/FSC_Rules_2014_v1.1.0.pdf (дата обращения 30.07.2014)

2. Race car vehicle dynamics/ William Milliken, Douglas Milliken// -Society of Automotive Engineers, 1995. -826c

3. Раймпель Й. Шасси автомобиля. Конструкции подвесок. М.Машиностроение, 1989. -328с.