دینامیک در صنعت خودرو

چکیده

ساختار صنعت و بازار جهانی خودرو، تغییر بی سابقه­ای را در دهه ۱۹۹۰ تجربه نمود. در سال­های اخیر، میل و تقاضا به سمت ایمنی خودرو، حفظ محیط زیست و کنترل هوشمند، رو به افزایش بوده است. بنابراین، فناوری­های پیشرفته مانند فناوری رایانه، فناوری واقعیت مجازی(۱) و الگوریتم هوشمند، به طور گسترده­ای در صنعت خودرو به کار برده شده­اند. دینامیک خودرو، به عنوان تئوری بنیادی صنعت خودرو شناخته می­شود که نقش مهمی در توسعه صنعت خودرو دارد. در دهه­های پیش، پیشرفت شگرفی در زمینه تئوری و تجربی دینامیک خودرو پدید آمده است. در دینامیک خودرو، بدنه خودرو (جرم معلق(۲))، اجزاء تعلیق (بخشی از آن جرم معلق و بخش دیگری از آن جرم غیر معلق(۳)) و تایر (جرم معلق) اجزاء حیاتی این سیستم به شمار می روند. هر چند، سیستم انتقال قدرت(۴)، ترمز و فرمان نیز از اجزاء جدایی ناپذیر این سیستم می­باشند. روش­های مدل سازی و مشخصه­های خودرو، تایر و مدل راننده خودرو (رفتار راننده)، با توجه به فرمان پذیری(۵) و راحتی سواری(۶)، در این مقاله مورد بحث قرار واهند گرفت.

در زمینه دینامیک خودرو، برای انجام امور طراحی، نرم افزارهای بسیاری موجود هستند که معروف­ترین آن­ها عبارتند از:

۱- Adams

۲- Carsim/Trucksim

نرم افزار MATLAB/Simulink نیز، در نسخه­های اخیر خود، پیشرفت قابل توجهی در زمینه دینامیک خودرو نموده است ولی درجات آزادی مدل­های ارائه شده و پیچیدگی این مدل­ها، در نرم افزار­های نام برده شده که از لحاظ تخصصی به دینامیک خودرو پرداخته­اند، مشهود­تر می­باشد. همچنین، در نهایت، به مدل سازی دینامیکی خودرو تارا در پروژه K132 پرداخته خواهد شد که با استفاده از قوی­ترین نرم­ افزار­ طراحی دینامیکی، یعنی نرم افزار Adams، صورت گرفته است.

پارامتر­های طراحی

نرخ زاویه یاو(۷)، زاویه کنار­سرش(۸) و سرعت خودرو، از پارامتر­های بسیار مهم در زمینه فرمان پذیری خودرو به شمار می­روند. ولی در شاخه راحتی سواری خودرو، شاخص راحتی(۹) و انتقال پذیری(۱۰) از جمله پارامتر­های مهم در برای ارزیابی شاخصه راحتی هستند.

مدل سازی دینامیکی

مدل­های دینامیکی خودرو، با گذار مدل جرم متمرکز مرسوم، و رسیدن به مدل المان محدود(۱۱)، تغییر مدل زیر-ساختاری(۱۲) دینامیکی به مدل دینامیکی چند-جسمی(۱۳)، و تبدیل مدل خطی به مدل غیر خطی با سختی(۱۴) و میرایی(۱۵) غیر خطی، رو به توسعه نهاده است. در ادامه به بررسی این مدل­ها پرداخته خواهد شد.

  • مدل جرم متمرکز

روش مدل سازی با جرم متمرکز، مدلی با درجه آزادی محدود سیستم خودرو می­باشد که شامل المان­هایی مانند جرم، فنر و کمک فنر می­باشد. از مثال­هایی که می­توان در این زمینه نام برد، می توان مدل ۲ درجه آزادی یک-چهارم(۱۶) خودرو، مدل نیم-خودرو(۱۷) با ۴ تا ۵ درجه آزادی و مدل خودرو کامل(۱۸)، با ۷ تا ۱۸ درجه آزادی می­باشند.

برای بررسی پایداری فرمان­پذیری خودرو، تعداد درجات آزادی می تواند دو، ده و یا بیشتر باشد. برای مثال می توان از یک مدل ۲ درجه آزادی که شامل زاویه یاو(۱۹) و متغیر جانبی(۲۰) می­شود، استفاده نمود و یا از یک مدل ۳ درجه آزادی که شامل متغیر طولی، جانبی و زاویه یاو می­شود، استفاده کرد و یا یک مدل ۴ درجه آزادی با متغیر طولی، جانبی، زاویه یاو و رول(۲۱) تشکیل داد. مدل­های نام برده شده جهت ارزیابی فرمان­پذیری خودرو با بهره­گیری از فرضیات مدل ۲ چرخ و مدل ۴ چرخ ساخته می­شود که با استفاده از نرم افزار MATLAB/Simulink قابل توسعه هستند.

هرچند، مدل­های جرم متمرکز، در واقع، ساختار ساده­سازی شده واقعی خودرو می­باشند، ولی می­توانند مشخصه­های ارتعاشات خودرو و اثرات پارامتر­های مربوط به ساختار خودرو را با بهره­گیری از عملکرد خودرو ارائه دهند. مزایای استفاده از این مدل­ها، سادگی و امکان دستیابی به شرح تحلیلی و طراحی کنترل فعال(۲۲) و نیمه-فعال(۲۳) می­باشد.

  • مدل دینامیک چند-جسمی

مدل دینامیک چند-جسمی به سیستمی اطلاق می­گردد که شامل اجسام یا اتصالات صلب می باشد که با استفاده از مفاصل به یکدیگر متصل می­شوند و حرکت نسبی آن­ها را محدود می­کند. مطالعه سیستم دینامیک چند-جسمی، در واقع، به تجزیه و تحلیل چگونگی مکانیزم سیستم­هایی اطلاق می­گردد که تحت تأثیر نیروها حرکت می­کنند که با نام دینامیک مستقیم(۲۴) نیز شناخته می­شود.

مدل سازی دقیق دینامیکی نیازمند مدل سازی انواع گوناگونی از اجزاء، مانند سیستم­های کنترل الکترونیکی، اجزاء و اتصالات متصل و همچنین پدیده­های فیزیکی مانند ارتعاشات، اصطکاک و نویز(۲۵) می­باشد. تحلیل حرکتی، به فرد این قابلیت را می­دهد که با ارزیابی سریع و اصلاح طراحی، چالش­های عملکردی، ایمنی و راحتی یک سیستم را برطرف نماید.

 

مدل ­سازی دینامیکی خودرو تارا (K132)

مدل دینامیکی خودرو تارا که در نرم­افزار Adams و MATLAB، در شرکت جتکو(۲۶) توسعه یافته و با روش­های مختلف مدل سازی و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. مدل دینامیکی تحلیلی خودرو تا که در نرم افزار MATLAB توسعه یافته است، در راستای اعتباردهی مدل Adams و تحقیق رفتار تقریبی این مدل، ایجاد گردیده است.

مدل دینامیکی خودرو تارا در نرم افزار Adams با دو حالت پارامتریک (مدل ساده) و انعطاف­پذیر، مدل سازی شده است. همان طور که در شکل ۱ مشاهده می­گردد مدل انعطاف­پذیر خودرو تارا در نرم افزار Adams، با وارد نمودن اجزاء انعطاف­پذیر سیستم­های تعلیق جلو و عقب، با استفاده از نرم افزار FEM، توسعه یافته است. تمامی پارامترهای خودرو تارا در این مدل وارد شده و این مدل صحه­گذاری گردیده است. همان طور که در شکل ۲ مشاهده می­گردد، صحه­گذاری پاسخ­های سیستم با در نظر گرفتن خطای ۱۵ درصدی در پاسخ ها با استفاده از یک ابر خاکستری رنگ ارائه خواهند گردید.

 

شکل ۱ مدل دینامیکی خودرو تارا در نرم افزار Adams/Car

 

در ادامه، پاسخ­های ۳ مدل خودرو در نرم افزار Adams مشاهده خواهند گردید:

 

شکل ۲مقایسه پاسخ مدل­های توسعه یافته در نرم افزار Adams و MATLAB در آزمون Step-Steer

همان طور که در شکل ۲ مشاهده می­گردد پاسخ­های مربوط به هر سه مدل با تقریب بسیار خوبی به یکدیگر نزدیک هستند و تفاوت بسیار اندکی نسبت به پاسخ خروجی آزمون تجربی دارند.

در راستای تحلیل عملکرد خودرو، زیر سیستم­های تعلیق جلو و عقب به صورت مجزا مدل سازی شده­اند که در شکل ۳ مشاهده می­گردد. این مدل سازی در راستای تحلیل رفتار دینامیکی و عملکردی اجزاء تعلیق جلو و عقب در حالت اعمال نیروهای استاتیکی انجام شده است.

 

شکل ۳ زیر سیستم تعلیق جلو و عقب خودرو تارا در نرم افزار Adams/Car

 

آینده مدل سازی دینامیکی

پیشرفت علم و فناوری، در زمینه دینامیک خودرو، باعث سرعت هرچه بیشتر توسعه مدل­های دینامیکی و دقت هرچه بیشتر این مدل­ها می­گردد. غیرخطی نمودن مدل­های دینامیکی در زمینه­های گوناگون موجب همسایگی و نزدیکی پاسخ­های تئوری و تجربی و قابلیت اعتماد بیشتر به این مدل­ها می­گردد. قابلیت اتکاء به مدل­های ریاضی و نرم­افزاری، به علم مهندسی، قدرت پیشبینی واقعیت را ارائه می­نماید و این قدرت پیشبینی، موجب ایمنی و راحتی هر چه بیشتر سرنشین در هر زمینه­ای می­گردد.

پیشروی خودرو­های برقی در بازار خودروهای کنونی باعث جلب توجه هر چه بیشتر خودروسازان در این زمینه شده که این امر به خودی خود دقت هرچه بیشتر این نوع خودرو را در زمینه­های مربوط به دینامیک و ایمنی خودرو در جاده می طلبد. زیرا که با پیشرفت علم در زمینه سیستم­های انتقال قدرت خودرو، سیستم­های دینامیکی خودرو نیز بایستی به طور افزاینده­ای مورد توجه قرار گیرد.

 

پانوشت

[۱] Virtual Reality

[۲] Sprung Mass

[۳] Unsprung Mass

[۴] Powertrain System

[۵] Handling

[۶] Ride Comfort

[۷] Yaw

[۸] Sideslip

[۹] Ride Index

[۱۰] Transmissibility

[۱۱] FEM

[۱۲] Dynamical Substructure

[۱۳] Multi-Body

[۱۴] Stiffness

[۱۵] Damping

[۱۶] Quarter-Vehicle Model

[۱۷] Half-Vehicle Model

[۱۸] Full-Vehicle Model

[۱۹] Yaw

[۲۰] Lateral

[۲۱] Roll

[۲۲] Active

[۲۳] Semi-Active

[۲۴] Forward Dynamics

[۲۵] Noise

[۲۶] جامع تحقیق و توسعه فناوری­های خودرو

 

منابع

Jian-bin, L., Xinlu, L., & Wei-qiang, Y. (2011). The Vehicle Dynamic Parameters Recognition of In-wheel Motor Driven Electric Vehicle. Procedia Engineering, ۱۵, ۴۴۳–۴۴۷. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2011.08.084

Multibody Dynamics. (n.d.). Www.mscsoftware.com. https://www.mscsoftware.com/application/multibody-dynamics#:~:text=A%20multibody%20dynamic%20(MBD)%20system

Yang, S., Lu, Y., & Li, S. (2013). An overview on vehicle dynamics. International Journal of Dynamics and Control, 1(4), 385–۳۹۵. https://doi.org/10.1007/s40435-013-0032-y