ZASTOSOWANIE PROGRAMÓW PC-CRASH I V-SIM DO SYMULACJI RAJDOWEJ JAZDY SAMOCHODEM

Transkrypt

1 Potr Śwder Krzysztof Wach ZASTOSOWANIE PROGRAMÓW PC-CRASH I V-SIM DO SYMULACJI RAJDOWEJ JAZDY SAMOCHODEM Streszczene Podczas wypadku drogowego samochód bardzo często porusza sę ruchem odbegającym od ruchu ustalonego. Tymczasem w wększośc przypadków symulacje wykonywane w programach używanych do rekonstrukcj wypadków oparte są na wynkach prób przeprowadzanych zgodne z odpowednm normam stawanym m założenam. W takch przypadkach pojazd porusza sę ruchem ustalonym, a nelnowośc charakterystyk kół ogumonych czy zaweszena ne są w zasadze wykorzystywane. Nnejszy artykuł został napsany w oparcu o przeprowadzone na Poltechnce Krakowskej badana samochodu rajdowego Subaru Impreza. Badana drogowe polegały na rajdowym pokonywanu toru testu łosa oraz toru do jazdy okrężnej. Następne dokonano symulacj przeprowadzonych prób w programach komputerowych PC-Crash V-SIM. Symulacje wykonano na podstawe wynków przeprowadzonych prób, z wykorzystanem wszystkch dostępnych w tych programach model styku koła ogumonego z jezdną. Modele te, a także modele pojazdów zastosowane w tych programach, zostały krótko scharakteryzowane. Słowa kluczowe Symulacja komputerowa, PC-Crash, V-SIM, waldacja. 1. Wstęp * * * Przedstawona praca polegała na przeprowadzenu dynamcznych prób przejazdów stylem sportowym rajdowym samochodem Subaru Impreza oraz na waldacj dwóch najczęścej używanych w Polsce programów do rekonstrukcj wypadków drogowych, tj. programów PC-Crash V-SIM. Na podstawe wynków tych badań, podczas VII Konferencj Naukowo- Techncznej Problemy bezpeczeństwa w pojazdach samochodowych, która mała mejsce w Kelcach, w dnach 9 10 lutego 2010 r., zaprezentowalśmy referat [9]. Jednakże późnej, Dr nż. Potr Śwder, adunkt, Poltechnka Krakowska Instytut Ekspertyz Sądowych, Kraków. Mgr nż. Krzysztof Wach, doktorant, Poltechnka Krakowska. 42

2 w symulacjach, których wynk są przedstawone we wspomnanym referace, dokonalśmy zman nektórych parametrów w szczególnośc parametrów kół ogumonych, które mają stotny wpływ na otrzymywane wynk. W rzeczywstośc, begl z zakresu rekonstrukcj wypadków drogowych zazwyczaj ne mają dostępu do tego typu parametrów. Dlatego też, w stosunku do wspomnanego perwszego opracowana, w nnejszym artykule zostały przestawone wynk symulacj przeprowadzonych przy użycu parametrów standartowych, przyjętych we wspomnanych programach symulacyjnych (podkr. red.). 2. Modele pojazdów w programach PC-Crash V-SIM Modele pojazdów stosowane w programach służących do rekonstrukcj wypadków drogowych są z reguły modelam stosunkowo prostym. Spowodowane jest to brakem dostępu do welu parametrów nezbędnych do wykonana symulacj ruchu w bardzej złożonych programach, takch jak te, używane przez producentów samochodów. Dodatkowym ogranczenem jest moc oblczenowa komputerów, z jakch korzystają begl podczas rekonstrukcj wypadków drogowych Model pojazdu zastosowany w programe V-SIM W programe V-SIM pojazd przedstawony jest jako układ pęcu cał sztywnych o 10 stopnach swobody, z których 6 przypada na nadwoze, a jeden na każde z kół. Dodatkowo uwzględnony został skręt kół os kerowanej [1]. Ryc. 1. Model pojazdu zastosowany w programe V-SIM [2]. Pojazd jest bryłą sztywną, poruszającą sę w wynku oddzaływana na nego sł zewnętrznych, co przedstawone jest wzorem (1): 43

3 gdze: F g F F ax F ay sła grawtacj, F F F F F (1) g sły generowane przez zaweszena poszczególnych kół, ax ay sła czołowego oporu aerodynamcznego, sła bocznego oporu aerodynamcznego. Zastosowane są trzy rodzaje układów współrzędnych: układ globalny (nercjalny), układy nenercjalne, zwązane ze środkem masy każdego z pojazdów, układy zwązane z punktem styku ogumonego koła z jezdną Model pojazdu zastosowany w programe PC-Crash Model pojazdu w programe PC-Crash jest analogczny do zastosowanego w programe V-SIM. Pojazd, który traktowany jest jako bryła sztywna, porusza sę w wynku oddzaływana sł zewnętrznych. W zależnośc od wyboru modelu styku koła ogumonego z jezdną pojazd posada dzesęć lub sześć stopn swobody. Podobne jak w programe V-SIM wykorzystane są trzy rodzaje układów współrzędnych [4]. Ryc. 2. Model pojazdu zastosowany w programe PC-Crash [2]. 44

4 3. Modele styku ogumonego koła z jezdną w programach PC-Crash V-SIM 3.1. Model styku koła ogumonego z jezdną w programe V-SIM W programe V-SIM użytkownk ma do dyspozycj dwa nelnowe modele, pozwalające wyznaczyć sły momenty generowane na styku koła ogumonego z jezdną. Są to: model HRSI, zwany równeż modelem Dugoffa [5], model TM-Easy, zwany też Easy-to-use [6] Model HSRI W modelu tym sły momenty generowane na styku koła ogumonego z jezdna są zależne od szeregu czynnków. Ogólne zależność tę można przedstawć w następujący sposób: gdze: F F M x y s f ( L, L,, s,, v s L α, L s knematyczne współczynnk sztywnośc poprzecznej podłużnej opony, α kąt znoszena -tego koła, określony wzorem: vy ar ctg, (3) v s x x, v y, F poślzg obwodowy -tego koła, wyrażony wzorem: rd s 1, (4) v x μ współczynnk przyczepnośc, v x, v y składowe pozome prędkośc -tego koła w kerunku wzdłużnym poprzecznym, F sła normalna do płaszczyzny podłoża -tego koła w układze odnesena z zwązanym z punktem styku opony z nawerzchną. W modelu tym został założony równomerny rozkład nacsków w śladze współpracy opony z nawerzchną [2] Model TM-Easy W przypadku modelu TM-Easy sły generowane na styku koła ogumonego z jezdną są określane na podstawe zależnośc sły podłużnej F x poprzecznej F y, odpowedno od poślzgu wzdłużnego s x poprzecznego s y (ryc. 3). Krzywe przedstawone na ryc. 3 mają klka punktów charakterystycznych. Są to: 0 nachylene charakterystyk dla poślzgu s = 0 df, z ) (2) 45

5 poślzg, przy którym występuje sła maksymalna wartość sły maksymalnej poślzg, przy którym wartość przenoszonej sły ustala sę na stałym pozome wartość przenoszonej sły dla poślzgu s S s M s, M F, S s, S F. Ryc. 3. Zależnośc sły podłużnej F x poprzecznej F y w zależnośc odpowedno od poślzgu wzdłużnego s x poprzecznego s y [3]. W programe wykorzystywana jest charakterystyka ujednolcona, będąca złożenem charakterystyk jednowymarowych, co spowodowane jest częstym występowanem w warunkach rzeczywstych zarówno poślzgu wzdłużnego, jak poprzecznego, co ma mejsce na przykład podczas hamowana bądź przyspeszana pojazdu na łuku [3]. Ryc. 4. Ujednolcona charakterystyka zależnośc mędzy słą generowaną na styku ogumonego koła z jezdną, będąca złożenem charakterystyk F F (s x ) oraz F F (s y ) [3]. x x y y 46

6 3.2. Model styku koła ogumonego z jezdną w programe PC-Crash W programe PC-Crash użytkownk ma równeż do dyspozycj dwa modele ogumonego koła. Jednym z nch jest omówony wcześnej model TM-Easy, zamplementowany równeż w programe V-SIM, drugm modelem jest natomast tzw. model lnowy Model lnowy W modelu lnowym sła hamowana bądź przyspeszana została przyjęta jako dzałająca na koło sła podłużna. Pomnęty został moment bezwładnośc ogumonego koła. Model określa zależność sły poprzecznej, powstałej na styku ogumonego koła z jezdną, w zależnośc od kąta znoszena koła, dla założonej wartośc występującej sły podłużnej. Można to przedstawć następującym wzorem [3]: gdze: α μ Fz, α αmax F y αmax (5) sgn(α ) μ Fz, α αmax α kąt znoszena -tego koła, α max maksymalny kąt znoszena -tego koła, standardowo α max = 10, współczynnk przyczepnośc, F z sła normalna występująca na styku koła z jezdną, F y sła poprzeczna generowana na styku koła z jezdną. Ryc. 5. Zależność sły poprzecznej od kąta bocznego znoszena koła w modelu lnowym styku ogumonego koła z jezdną. 47

7 4. Badana 4.1. Badany pojazd Próby drogowe przeprowadzono na samochodze Subaru Impreza (ryc. 6). Był to samochód rajdowy o parametrach charakterystycznych odmennych od parametrów tzw. wersj cywlnych. Podstawowe dane technczne badanego pojazdu są zestawone tabel 1. Ryc. 6. Samochód Subaru Impreza. Wdok ogólny. Tabela 1. Dane technczne samochodu Subaru Impreza, wykorzystanego podczas symulacj. pojemność skokowa slnka 1994 [cm 3 ] moc maksymalna/obroty moment maksymalny/obroty obroty mnmalne obroty maksymalne prędkość maksymalna 280 [KM]/5880 [obr/mn] 250 [Nm]/3120 [obr/mn] 780 [obr/mn] 6900 [obr/mn] 260 [km/h] 4.2. Welkośc merzone oraz wykorzystane przyrządy pomarowe W badanach wykorzystano następujące przyrządy (ryc. 7): dwuwymarową głowcę Correvt C-SE typu LQ do pomaru prędkośc podłużnej poprzecznej samochodu; blok pomarowy Crossbow DMU-FOG do pomaru prędkośc kątowych oraz przyspeszeń względem trzech os układu współrzędnych; lnkowe przetwornk przemeszczeń do pomaru położena pedałów przyspeszena hamulca zasadnczego, położena dźwgn hamulca awaryjnego oraz kąta obrotu koła kerowncy; 48

8 przetwornk analogowo-cyfrowy AD-16, przetwarzający na sygnały cyfrowe sygnały napęcowe pochodzące z czujnków; laptop rejestrujący otrzymane wynk. Ryc. 7. Urządzena pomarowe zamocowane w badanym pojeźdze Próby drogowe Praca została oparta na badanach przeprowadzonych na Poltechnce Krakowskej, pod kerunkem dr. nż. Roberta Janczura. Symulacje zostały przeprowadzone na podstawe wynków dwóch z przeprowadzonych prób, a manowce: tzw. testu łosa przy prędkośc początkowej pojazdu wynoszącej 76 km/h oraz próby jazdy po okręgu o promenu około 20 metrów. Jak już wcześnej wspomnano, ze względu na specyfczny cel pracy, próby ne były wykonywane zgodne ze stawanym m wymaganam czy stnejącym normam. 5. Symulacje Parametry pojazdu wykorzystane w symulacjach uzyskano podczas badań stanowskowych, bądź bezpośredno od właśccela samochodu. Jako wymuszena przyjęto przebeg czasowe kąta obrotu koła kerowncy oraz nacsku na pedał hamulca zasadnczego. Porównywane były odpowedz pojazdu na te wymuszena, w postac czasowych przebegów prędkośc odchyla- 49

9 na przyspeszena poprzecznego, uzyskane podczas prób drogowych będące wynkem symulacj w programach PC-Crash V-SIM Jazda po okręgu W przypadku symulacj tej próby, wymuszene zrealzowano za pomocą czasowych przebegów kąta obrotu koła kerowncy oraz stopna nacsku na pedał przyspeszena. Poneważ ne było możlwośc bezpośrednego wprowadzena danych uzyskanych podczas prób drogowych, przebeg zostały aproksymowane lnam prostym, co jest przedstawone na ryc. 8. Pomnęto nacsk na pedał hamulca zasadnczego, poneważ kerowca podczas przejazdu w zasadze go ne używał. Współczynnk przyczepnośc przylgowej oraz ślzgowej przyjęto na pozome 0,9. Ryc. 8. Aproksymacja przebegów wymuszeń w przypadku jazdy po okręgu. Wynk symulacj w postac przebegu przyspeszena poprzecznego w funkcj czasu przedstawa ryc

10 Przyspeszene poprzeczne ay [m/s 2 ] Czas t[s] ay PC-CRASH model lnowy ay PC-CRASH model TM-Easy Ay V-SIM model HSRI Ay V-SIM model TM-Easy ay z badań Ryc. 9. Zależność przyspeszena poprzecznego od czasu dla jazdy po okręgu. Na wykres nanesono przebeg uzyskane z badań drogowych oraz z symulacj w programach PC-Crash V-SIM dla różnych model styku ogumonego koła z jezdną Test łosa W przypadku symulacj testu łosa wymuszene zostało zrealzowane jedyne poprzez kąt obrotu koła kerowncy. Było to spowodowane brakem wększego wpływu na wynk symulacj przebegów nacsku na pedał przyspeszena czy hamulca zasadnczego. Przebeg wymuszena też został aproksymowany lnam prostym (ryc. 10), współczynnk przyczepnośc przyjęto na pozome 0,95. Ryc. 10. Aproksymacja przebegu wymuszena w przypadku testu łosa. 51

11 Wynk symulacj przedstawa ryc. 11. Przyspeszene poprzeczne ay [m/s 2 ] Czas t[s] ay PC-CRASH model lnowy ay PC-CRASH model TM-Easy ay V-SIM model HSRI ay V-SIM model TM-EASY ay z pomarów Ryc. 11. Zależność przyspeszena poprzecznego od czasu dla testu łosa. Na wykres nanesono przebeg uzyskane z badań drogowych oraz z symulacj w programach PC-Crash V-SIM, dla różnych model styku ogumonego koła z jezdną. 6. Wnosk Można zaobserwować, że wartośc przyspeszeń poprzecznych uzyskane podczas badań drogowych zostały odtworzone dość dobrze, zarówno za pomocą programu PC-Crash, jak V-SIM. Zadowalające wynk uzyskano przy każdym z dostępnych w programach model kół ogumonych. Wraz z upływem czasu symulacj pojawają sę neco wększe różnce mędzy przebegam rzeczywstym a uzyskanym z symulacj (ch charakter jest jednak nadal zachowany). Zostało to spowodowane nakładanem sę coraz wększej lczby wymuszeń losowych, występujących podczas drogowych badań samochodu. Ponadto, na pojawene sę różnc mędzy przebegam rzeczywstym a symulowanym wpływ mały: lczne nerównośc drog, które w nektórych momentach mogły znacząco zafałszowywać uzyskwane wynk; szczególne dotyczy to uzyskanych wartośc przyspeszena poprzecznego; wrażlwość symulacj na parametryzację modelu opony; rzeczywste parametry konkretnych opon badanego pojazdu ne są znane; neznajomość rzeczywstych momentów napędzających hamujących, występujących na poszczególnych kołach samochodu; pomnęce rzeczywstej knematyk zaweszeń stablzatora przechyłów; nepewność danych oraz nepewność modelowana. W przypadku symulacj rekonstrukcj wypadków drogowych, do których przeznaczone są użyte programy, przyjęte w programach uproszczena są jak 52

12 najbardzej uzasadnone. Mmo tych uproszczeń możlwe jest uzyskane zadowalających wynków symulacj. Obydwa programy użyte w nch trzy różne modele opon dają bardzo zblżone wynk. Przy symulacj gwałtownych manewrów dynamcznych należałoby jednak uwzględnać modele składowych układów pojazdu, takch jak układ napędowy, układ hamulcowy, kerownczy tp. Lteratura [1] D. Bułka, P. Śwder, Model pojazdu w programe V-SIM do symulacj ruchu zderzeń pojazdów samochodowych, Materały VII Konferencj Naukowo- Techncznej Problemy bezpeczeństwa w pojazdach samochodowych, Kelce, luty [2] D. Bułka, S. Walczak, S. Wolak, Uncertanty of modellng of typcal defensve manoeuvres dscussed for models used n road accdent reconstructon as examples (Nepewność modelowana typowych manewrów obronnych na przykładze model stosowanych w rekonstrukcj wypadków drogowych), Materały XVI Konferencj EVU, Wydawnctwo Instytutu Ekspertyz Sądowych, Kraków 2007, s [3] PC-Crash. A Smulaton program for Vehcle Accdents, Techncal Manual Verson 6.2, October [4] H. Steffan, A. Moser, The Collson and Trajectory Models of PC-Crash, SAE Techncal Paper [5] H. Dugoff, P. S. Fancher, L. Segel, An Analyss of Tre Tracton Propertes and Ther Influence on Vehcle Dynamc Performance, SAE Techncal Paper [6] G. Rll, Vehcle dynamcs, Unversty of Appled Scences, October 2007, s [7] W. Hrschberg, G. Rll, H. Wenfurter, User-Approprate Tyre Modelng for Vehcle Dynamcs n Standard and Lmt Stuatons, Vehcle System Dynamcs 2002, vol. 38, no. 2, pp [8] W. Wach, Symulacja wypadków drogowych w programe PC-Crash, Wydawnctwo Instytutu Ekspertyz Sądowych, Kraków [9] P. Śwder, K. Wach, Symulacja manewrów ekstremalnych w programach PC-Crash oraz V-SIM eksperymentalna weryfkacja wynków, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów Poltechnk Warszawskej 2010, nr 1 (77), s

13 APPLICATION OF PC-Crash AND V-SIM PROGRAMS IN SIMULATING RALLY DRIVING MANNER Abstract In a road accdent the car frequently moves n a moton dfferent from the steady moton. The smulatons of vehcle moton, however, performed n accdent reconstructon programs, are based chefly on the results of road tests carred out accordng to vald standards. In such cases only lnear ranges of the coeffcents of tre cornerng stffness are actually used. For road accdent reconstructon, however, t s often necessary to use ther full range. The present paper deals wth the manoeuvre of crcular trajectory and the socalled moose test, performed wth rally racng rdes of Subaru Impreza, whch leads to enterng non-lneartes of tre characterstcs. The smulatons of road tests were done n PC-Crash and V-SIM programs. The vehcle responses obtaned n calculatons were compared wth real ones. Key Words Computer smulaton, PC-Crash, V-SIM, valdaton. 54