Weryfikacja eksperymentalna modelu symulacyjnego ruchu samochodu LTV Dzik

Transkrypt

1 Lozia Z., Simiński P., Zdanowicz P., Wpływ położenia środka masy na zachowanie się pojazdu LTV w ruchu krzywoliniowym. Czasopismo Techniczne. Mechanika. Zeszyt 10 (105), z. 6-M/2008. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej. Kraków 2008r. Str Zbigniew Lozia 1, Przemysław Simiński 2, Piotr Zdanowicz 3 Weryfikacja eksperymentalna modelu symulacyjnego ruchu samochodu LTV Dzik 1. Wstęp Prezentowany równolegle artykuł (Z. Lozia, Model symulacyjny ruchu samochodu LTV Dzik [4]) przedstawia model fizyczny, matematyczny oraz symulacyjny samochodu Dzik, produkowanego w naszym kraju. Warunkiem stosowania modelu symulacyjnego we wspomaganiu prac konstrukcyjnych lub modernizacyjnych jest jego zgodność z własnościami obiektu rzeczywistego. Niniejsza publikacja przedstawia wyniki weryfikacji eksperymentalnej modelu dla dwóch typowych manewrów: ruchu po okręgu i wymuszenia skokowego na kole kierownicy z liniowym okresem narastania. 2. Samochód patrolowo-interwencyjny Dzik Dzik jest produkowany w przedsiębiorstwie AMZ-Kutno Sp. z o.o., specjalizującym się w projektowaniu oraz produkcji zabudów specjalnych samochodów użytkowych [1, 2, 6, 7]. Każda z wersji nadwoziowych tego pojazdu jest zbudowana na podwoziu samochodu terenowego włoskiej firmy SCAM [1, 6, 7]. Nadwozie ma konstrukcję typową dla pojazdu terenowego. Bryła pomieszczenia załogi jest osadzona na ramie wykonanej z kształtowników. Dwie osie jezdne łączą się z ramą poprzez zawieszenie zależne. Jest ono zbudowane z resorów piórowych z gumowymi zderzakami krańcowymi, stabilizatorów przechyłu bocznego oraz amortyzatorów hydraulicznych. Zastosowano ogumienie jest bezdętkowe. Pojazd jest napędzany silnikiem o zapłonie samoczynnym o mocy 107 kw. Układ napędowy działa na wszystkie koła jezdne. W jego skład wchodzi sprzęgło suche, manualna, sześciobiegowa skrzynka przekładniowa oraz reduktor o trzech przełożeniach. Mechanizm różnicowy międzyosiowy oraz mechanizmy różnicowe obu osi jezdnych są wyposażone w blokady elektrohydrauliczne, działające jedynie przy niewielkich prędkościach ruchu pojazdu. Przekładnia kierownicza jest wspomagana hydraulicznie. W pojeździe zastosowano hamulce tarczowe (koła przednie) i bębnowe (koła tylne). Układ hamulcowy ma dwa obwody i jest wyposażony w układ przeciwblokujący ABS. Dane samochodu Dzik określono na podstawie dokumentacji producenta podwozia oraz wykonawcy zabudowy użytkowej [1, 6, 7]. 1 ) Zbigniew Lozia, prof. nzw. PW, dr hab. inż. Wydział Transportu Politechniki Warszawskiej, ul. Koszykowa 75, Warszawa, lozia@it.pw.edu.pl 2 ) Przemysław Siminski, dr inż. Wojskowy Instytut Techniki Pancernej i Samochodowej, ul. Okuniewska 1, Sulejówek, psim@witpis.mil.pl 3 ) Piotr Zdanowicz, mgr inż. Wydział Transportu Politechniki Warszawskiej, ul. Koszykowa 75, Warszawa, zdanowicz@it.pw.edu.pl

2 Część parametrów wyznaczono drogą pomiarów w AMZ-Kutno oraz w laboratoriach WITPiS i Wojskowej Akademii Technicznej. Niektóre dane były szacowane z wykorzystaniem modeli geometrycznych zapisanych w pakietach CAx. 3. Wykorzystywany układ pomiarowo-rejestrujący W trakcie weryfikacji eksperymentalnej modelu symulacyjnego wykorzystano aparaturę pomiarową składającą się z systemu inercyjno nawigacyjnego RT 3020, kierownicy pomiarowej DATRON MSW1, przetwornika analogowo cyfrowego oraz dwóch komputerów sterująco rejestrujących. System RT 3020 jest wyposażony w czujniki przyspieszenia (pomiar trzech składowych), trójkanałowy żyroskop oraz układ nawigacji satelitarnej. Umożliwia on określenie wielu parametrów ruchu pojazdu zarówno w układzie inercjalnym, skojarzonym z drogą, jak i w układzie sztywno związanym z korpusem urządzenia. System ten posiada wbudowany algorytm obliczeniowy, sprowadzający rejestrowane parametry do układu spoziomowanego. Ze względu na możliwość redukowania mierzonych wielkości do dowolnego punktu bryły nadwozia, mierzono i rejestrowano następujące wielkości, określone dla środka masy pojazdu: składowe wektora prędkości w układzie inercjalnym (związanym z drogą), przyspieszenie poprzeczne w układzie spoziomowanym, prędkość kątową odchylania w układzie spoziomowanym, kąt przechyłu bocznego bryły nadwozia, kąt bocznego znoszenia, kąt obrotu koła kierownicy. W tabeli 1 zamieszczono podstawowe dane dotyczące aparatury pomiarowej użytej podczas badań. Tabela 1. Nawigacyjny system inercyjny RT Wielkości mierzone i maksymalny błąd pomiaru [8] L. p. Wielkości mierzone Maksymalny błąd 1 położenie liniowe (translacyjne) 0,2m 2 położenie kątowe w płaszczyźnie poziomej 0,1 3 prędkości liniowe 0,08km/h 4 przyspieszenia liniowe 0,01m/s 2 5 kąt przechyłu bocznego i podłużnego 0,04 6 prędkości kątowe 0,01 /s 7 kąt bocznego znoszenia 0,15 Wyniki badań były rejestrowane metodą cyfrową z częstotliwością próbkowania wynoszącą 100 Hz. 4. Drogowe badania eksperymentalne Badania eksperymentalne samochodu patrolowo-interwencyjnego Dzik w warunkach drogowych zostały przeprowadzone dla wersji medycznej, przy pełnym obciążeniu pojazdu. Ładunek zastępczy został rozłożony w sposób odpowiadający obciążeniu załogą oraz osobami przewożonymi w pozycji leżącej. Wykonano test ruchu ustalonego po okręgu oraz wymuszenia skokowego na kole kierownicy z liniowym okresem narastania. Próby przeprowadzono na suchym podłożu asfaltowym. W przypadku ruchu ustalonego po okręgu moduł kąta obrotu koła kierownicy był stały i wynosił około 223º; prędkość pojazdu zwiększano od 10 km/h do 30 km/h. W teście z wymuszeniem skokowym prędkość samochodu była stała i miała wartość 40 km/h

3 oraz 45 km/h, odpowiednio dla skrętu w lewo i w prawo, a moduł kąta obrotu koła kierownicy narastał liniowo od 0 do około 150º. W trakcie badań symulacyjnych odtwarzano warunki badań eksperymentalnych, wprowadzając tę samą wartość kąta obrotu kierownicy i utrzymując prędkość pojazdu na zbliżonym poziomie. 5. Zestawienie wyników pomiarów i symulacji Rysunki 1 3 przedstawiają porównanie wyników badań eksperymentalnych i symulacyjnych dla ruchu po okręgu, przy skręcie w prawą i lewą stronę. Na rys. 1 zaprezentowano porównanie zalecanych przez normę ISO 4138 [3] charakterystyk: różnicy kąta obrotu kierownicy badanego samochodu i odpowiadającego mu pojazdu Ackermanna w funkcji przyspieszenia poprzecznego w układzie spoziomowanym. Wyniki badań eksperymentalnych mieszczą się w obszarze zaznaczonym szarym kolorem. Zauważalna jest dobra zgodność jakościowa i ilościowa wyników symulacji i eksperymentu. Położenie ekstremów jest bardzo zbliżone, zauważalna jest też wyraźna asymetria charakterystyk dla skrętu w prawo i w lewo. Zarówno pojazd rzeczywisty jak i jego model wskazują na niepokojącą postać prezentowanej charakterystyki: jej zmienność i wyraźną nadsterowność pojazdu dla przyspieszeń poprzecznych o module większym od 3 m/s 2. Rys. 1. Różnica kąta obrotu kierownicy α k i kąta obrotu koła kierownicy α ka pojazdu Ackermanna w funkcji spoziomowanego przyspieszenia poprzecznego a ηh Na rys. 2 i 3 przedstawiono, odpowiednio, zmiany kąta bocznego znoszenia pojazdu i kąta przechyłu bocznego bryły nadwozia w funkcji spoziomowanego przyspieszenia poprzecznego. Zgodność wyników symulacji z eksperymentem jest zadawalająca, zwłaszcza w przypadku kąta przechyłu bocznego bryły nadwozia. Zmiany kąta bocznego znoszenia pojazdu są podobne dla przypadku symulacji i eksperymentu, ale widoczne są różnice jego wartości. Na rys. 4 przedstawiono porównanie trajektorii ruchu środka masy pojazdu na płaszczyźnie drogi. Widoczna jest zadawalająca zgodność jakościowa i ilościowa. Należy w tym miejscu przypomnieć, że łatwiej jest uzyskać zgodność symulacji i eksperymentu dla

4 charakterystyk pochodnych analizowanych wielkości (czyli dla prędkości, przyspieszeń) niż obliczanych wartości funkcji pierwotnych [3, 5]. Wynika to, między innymi z niekorzystnego wpływu całek błędów stałych analizowanych wielkości. Na rys. 5 przedstawiono wymuszenia przebiegi czasowe kąta obrotu kierownicy w trakcie testu wymuszenia skokowego na kole kierownicy z liniowym okresem narastania (test zbliżony do zalecanego w normie ISO 7401 [3]). Rys. 2. Kąt bocznego znoszenia β w funkcji spoziomowanego przyspieszenia poprzecznego a ηh Rys. 3. Kąt przechyłu bocznego bryły nadwozia w funkcji spoziomowanego przyspieszenia poprzecznego a ηh

5 Rys. 4. Trajektorie ruchu środka masy pojazdu O 1 dla ruchu w stronę prawą (a) oraz dla ruchu w stronę lewą (

6 Rys. 5. Przebieg czasowy wymuszenia kąta obrotu kierownicy α k dla ruchu w stronę lewą (a) oraz dla ruchu w stronę prawą ( Na rys zobrazowano porównanie wyników eksperymentu i symulacji, otrzymanych dla wymuszeń na kole kierownicy, takich jak na rys. 5. Rys. 6 i 9 przedstawiają przebiegi czasowe spoziomowanego przyspieszenia poprzecznego, rys. 7 i 10 - prędkości kątowej odchylania, a rys. 8 i 11 - kąta bocznego znoszenia środka masy pojazdu. Na części a każdego z tych rysunków zamieszczono porównanie wymienionych wielkości dla tych samych chwil wymuszeń (rys. 5). Widoczne jest wyraźne przesunięcie fazowe prezentowanych wyników. Rezultaty symulacji wyprzedzają w czasie t wyniki eksperymentu o wartość τ z stosownym indeksem identyfikującym prezentowaną wielkość. To przesunięcie fazowe wynika z trzech przyczyn: stanów nieustalonych ogumienia (tzw. zjawisko nabiegania opony), dynamiki układu kierowniczego oraz charakterystyki fazowej wspomaganej przekładni kierowniczej (wyodrębnionej z własności dynamicznych układu kierowniczego). Wszystkie z wymienionych zjawisk nie są uwzględniane w pierwotnej postaci modelu symulacyjnego. Jeżeli jednak zostaną wprowadzone funkcje opóźniające zmiany kątów skrętu kół (lewego α 2 i prawego α 3 ) względem kąta obrotu koła kierownicy α k o τ 2 i τ 3 ( 2 2 t 2 ( 3 3 t 3 k, ) (1) k, ) (2) to wyniki symulacji na tle eksperymentu będą miały postać zbliżoną do przedstawionej na części b rys Trudność wykonania tego typu operacji wynika z faktu zależności wspomnianych przesunięć fazowych τ 2 i τ 3 od prędkości pojazdu i częstotliwości zmian kata obrotu kierownicy α k. Jednak efekt końcowy jest bardzo zachęcający: zgodność wyników symulacji z eksperymentem jest (poza przebiegiem kąta bocznego znoszenia pojazdu rys. 8) bardzo dobra.

7 Rys. 6. Przebieg czasowy spoziomowanego przyspieszenia poprzecznego a ηh bez korekcji (a) oraz z korekcją (

8 Rys. 7. Przebieg czasowy prędkości kątowej odchylania ψ 1 bez korekcji (a) oraz z korekcją (

9 Rys. 8. Przebieg czasowy kąta bocznego znoszenia β bez korekcji (a) oraz z korekcją (

10 Rys. 9. Przebieg czasowy spoziomowanego przyspieszenia poprzecznego a ηh bez korekcji (a) oraz z korekcją (

11 Rys. 10. Przebieg czasowy prędkości kątowej odchylania ψ 1 bez korekcji (a) oraz z korekcją (

12 Rys. 11. Przebieg czasowy kąta bocznego znoszenia β bez korekcji (a) oraz z korekcją (

13 Należy zwrócić uwagę na daleki od teoretycznego przebieg wymuszenia na kole kierownicy oraz na krótki czas trwania testu w warunkach rzeczywistych (patrz rys. 5). Wynikało to z ostrożności kierujących badanym pojazdem. Dla osiąganej wartości przyspieszenia poprzecznego na poziomie 4 m/s 2 pojazd był już nadsterowny (patrz rys. 1), co w odczuciu kierujących stanowiło zagrożenie stateczności ruchu, zmuszające do zakończenia testu. 6. Podsumowanie Przedstawione wyniki weryfikacji eksperymentalnej modelu symulacyjnego ruchu samochodu patrolowo-interwencyjnego Dzik dla dwóch typowych manewrów (ruchu po okręgu i wymuszenia skokowego na kole kierownicy z liniowym okresem narastania) uznano za zadawalające. Zaprezentowany w pracy [4] model może być zatem stosowany w trakcie obliczeń wspomagających konstrukcję lub modernizację badanego pojazdu rzeczywistego. Literatura [1] [2] [3] Lozia Z., Analiza ruchu samochodu dwuosiowego na tle modelowania jego dynamiki. Prace Naukowe PW. Transport. Zeszyt 41. Warszawa 1998r. [4] Lozia Z., Model symulacyjny ruchu samochodu LTV Dzik. Publikacja w tych samych Zeszytach Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej. Warszawa, 2008r. [5] Lozia Z., Simiński P., Zdanowicz P., Weryfikacja eksperymentalna modelu symulacyjnego dynamiki i ruchu pojazdu patrolowo-interwencyjnego. Materiały konferencji "Badania symulacyjne w technice samochodowej". Lublin-Susiec r. [6] Orłowski L. Samochód patrolowo-interwencyjny Dzik. Dom Wydawniczy Bellona 2006r. [7] Prospekt: Dzik. Pojazd patrolowo-interwencyjny. AMZ-Kutno Sp. z o.o. [8] RT 3000 Inertial and GPS Measurement System. User Manual. Upper Heyford Streszczenie Artykuł przedstawia wyniki weryfikacji eksperymentalnej programu symulacyjnego ruchu samochodu patrolowo-interwencyjnego Dzik. Opisano obiekt rzeczywisty, zastosowaną aparaturę pomiarową oraz porównanie wyników symulacji i eksperymentu dla dwóch typowych manewrów: ruchu po okręgu i wymuszenia skokowego na kole kierownicy z liniowym okresem narastania. Experimental Verification of the LTV Vehicle Dzik Simulation Model Summary The paper presents results of experimental verification of simulation model of LTV vehicle (Light Tactical Vehicle) Dzik. The real object is described as well as applied measurement system. Comparison of measured and simulated results is presented for two typical manoeuvres: steady-state motion and step input on the steering wheel.