Matematický model a vibrační analýza zavěšení vozidel

Abstract

Dilema, kterému čelí konstruktér během programu vývoje vozidla, je během procesu navrhování, ve kterém požaduje, aby data zatížení představovala závažné použití zákazníkem. Během počáteční fáze jsou k dispozici pouze předpokládaná zatížení odhadovaná z historických cílů, zatímco skutečná zatížení nejsou dostupná v počáteční fázi, ale pouze na vzdáleném konci procesu. Současně během počátečních fází procesu navrhování jsou požadované změny jednodušší a levnější, zatímco v pozdějších fázích procesu se stávají velmi nákladnými. Pro návrháře automobilů je konstrukce zavěšení jedním z nejnáročnějších úkolů, protože má přehled o složitých cílech, počtu řídících parametrů a stochastických poruchách. Je náročné udržet vysoký standard jízdního komfortu a dobré ovladatelnosti vozidla, od nejhoršího po nejlepší, za všech jízdních podmínek. Předpovídání zatížení působícího na celé vozidlo se v současnosti zkoumá a je také jedním z aktuálních témat výzkumu. Vibrace silničního vozidla jsou způsobeny nerovností povrchu vozovky, po které můžeme cestovat. Dynamická analýza vozidla je důležitá z hlediska pohodlí při jízdě, bezpečnosti osobního a obranného vozidla a celkového výkonu vozidla. Když se částice nebo těleso nebo systém propojených těles přemístí ze své ustálené polohy nebo z okraje rovnovážné vibrace, dojde k zobrazení. Většina vibrací není žádoucí ani u strojů, systémů ani struktur. Vibrace způsobují zvýšení napětí materiálu a těla, zvyšují energetické ztráty a zvyšují opotřebení systému, zvyšují zatížení ložisek, vytvářejí únavu, způsobují nepohodlí cestujících ve vozidlech, která jsou v této práci podrobně popsána a absorbují energii ze systému. Vibrační systém se obecně skládá z pružiny, hmoty nebo setrvačnosti a tlumiče. Jaro se používá k ukládání potenciální energie. Hmota nebo setrvačnost se používá k ukládání kinetické energie. Tlumič se používá pro degradaci energie. Neupravený vibrační systém zahrnuje alternativně převod jeho potenciální energie na kinetickou energii a naopak. U tlumeného vibračního systému se ztrácí určitá energie v každém vibračním cyklu a je třeba ji nahradit externím zdrojem, aby se udržel stabilní stav vibrací. K provádění analýzy se používají hlavně 3 modely pro dynamické chování vozidla a jeho kontrolu vibrací: model čtvrtinového vozu, model polovičního vozu a model celého vozidla. Nejjednodušší reprezentace pozemního vozidla je model s čtvrtinovým vozem s pružinou a tlumičem spojujícím těleso s jediným kolem, které je zase spojeno se zemí přes pružinu pneumatiky. V automobilovém průmyslu je důležitým tématem, který je třeba zvážit, NVH (Noise, Vibration and Harness). Při navrhování také NVH je jedním z požadovaných bodů (ale vzhledem k menší důležitosti). Hlavní techniky pro analýzu vibrací jsou: analýza časové domény, analýza frekvenčního spektra, modální analýza, analýza konečných prvků a digitální sledování objednávek. Mezi těmito FEA se dnes nejčastěji používá.

The dilemma faced by a design engineer during the vehicle development program is during the design process, in which he requires, load data representing severe customer usage. During the initial stage, only predicted loads estimated from historical targets are available, whereas the actual loads are not available at in the initial stage but only at the far end of the process. At the same time during the initial stages of the design process changes required are easier and inexpensive whereas they become extremely costly in the latter stages of the process. For the automobile designers suspension design is a one of the most challenging task as it have view of complex objectives, number of control parameters, and stochastic disturbances. It’s a challenging to maintain high standard of ride comfort and good vehicle handling, from worst to best, under all driving conditions. Predicting the load acting on the whole vehicle is currently being researched and is also one of the hot research topic. The vibration of an on-road vehicle is because of the unevenness of road surface on which we may travel. Vehicle dynamic analysis is important from the view point of ride comfort, safety of passenger and defense vehicle, and overall performance of vehicle. When a particle or a body or system of connected bodies displaced from its steady state position or from an edge of an equilibrium vibration comes into picture. Most vibrations are not desirable neither in machines, system nor in structures. Vibration produce increase in stresses of material and body, it increases energy loss, and add wear in the system, it increases bearing loads, it created fatigue, create passenger discomfort in vehicles, which is detailed in this work and absorb energy from the system. In general, a vibrating system consists of a spring, a mass or inertia, and a damper. Spring is used for storing potential energy. Mass or Inertia is used for storing kinetic energy. Damper is used for energy degradation. An undamped vibrating system involves alternatively transfer its potential energy to kinetic energy and vice versa. In a damped vibrating system, some energy is lost in each vibration cycle and required to be replaced by an external source in order to maintain a steady state of vibration. There are mainly 3 models used for performing analysis the dynamic behavior of vehicle and its vibration control: The quarter-car model, the half-car model and the full-vehicle model. The simplest representation of a ground vehicle is a quarter-car model with a spring and a damper connecting the body to a single wheel which is in turn connected to the ground via the tire spring. In automobile industry, NVH (Noise, Vibration and Harness) is an important issue to consider. In designing also NVH is one of the points required (but given less importance). The main techniques for vibration analysis are: Time Domain Analysis, Frequency Spectrum Analysis, Modal Analysis, Finite Element Analysis and Digital Order Tracking. Among these FEA is mostly used nowadays.