Разработка системы продольной устойчивости мотоцикла

Автор работы: Суранов Я.С.
Научный руководитель: Асонов И.Е.

Введение

Во всем мире эксплуатируется около 200 млн двухколесных транспортных средств, что делает их одним из наиболее распространенных видов транспорта. Будучи доступным и удобным видом транспорта, двухколесные транспортные средства являются предпочтительным видом транспорта в развивающихся странах, таких как Индия и Китай, где используется в общей сложности 6 млн. автомобилей по сравнению с 71 млн двухколесных транспортных средств. В то же время динамика движения и торможения двухколесных транспортных средств изучена недостаточно полно, а совершенствование тормозной системы и других механических характеристик двухколесных транспортных средств является актуальной задачей. Вопросами исследования движения двухколесных транспортных средств занимаются основные крупные компании мотоиндустрии такие как, Yamaha, Honda, Ducati, Bosh, а так же учёные В.Ф. Журавлев, Н.А Фуфаев, V. Cossalter, А Doris, T.Hayaski и многие другие.

В настоящее время в мире среди двухколесных транспортных средств существенную долю занимают мотоциклы с высокими скоростными характеристиками. Владельцами данного типа мотоциклов, являются люди предпочитающие экстремальный вид вождения. В России в 2014 году погибли 1146 и были ранены 9506 мотоциклистов. Немалый вклад в данную статистику вносят аварии с опрокидыванием мотоциклов при торможении и ускорении. При торможении в определенных дорожных условиях, а за частую по желанию самого водителя мотоцикла, происходит подъем заднего колеса. Для предотвращения опрокидывания необходимо ослабление переднего тормоза. В большинстве таких случаев водитель не в состоянии вовремя и достаточно четко среагировать в такой ситуации. При ускорении так же существует проблема опрокидывания по аналогичным причинам, что и с торможением. В этом случае для предотвращения опрокидывания необходимо обратное воздействие на заднее колесо, т.е. его торможение.

Построение аналитической модели, описывающей движение двухколесного транспортного средства на одном колесе

Постановка задачи для данной работы сводится к разработке двухмерной математической модели двухколесного транспортного средства с водителем (рис. 1). Данное ДТС состоит из двух частей: 1) Заднее колесо; 2) Тело, представляющее корпус мотоцикла с водителем. Переднее колесо и заднее колесо имеют жесткое соединение с телом и могут вращаться вокруг своих центральных продольных осей. Движение ДТС происходит по горизонтальной ровной поверхности. Проскальзывание колес отсутствует.

Рис.1 - Расчетная схема двухколесного транспортного средства (движение на одном колесе)

Построение аналитической модели, описывающей движение двухколесного транспортного средства на двух колесах

Для движения мотоцикла на двух колесах постановка задачи сводится к разработке двухмерной математической модели двухколесного транспортного средства (рис. 2). Данное ДТС состоит из трех частей: 1) Переднее колесо; 2) Заднее колесо; 3) Тело, представляющее корпус мотоцикла с водителем. Переднее колесо и заднее колесо имеют жесткое соединение с телом и могут вращаться вокруг своих центральных продольных осей. Движение ДТС происходит по горизонтальной ровной поверхности. Проскальзывание колес отсутствует. Данная модель имеет две степени свободы, и положение в пространстве в любой момент времени каждого из составляющих его тел можно однозначно определить, используя обобщенную координату - угол поворота колеса из начального положения (ψ).

Рис.2 - Расчетная схема двухколесного транспортного средства (движение на двух колесах)

Реализация математической модели в MSC Adams

Для реализации математической модели мотоцикла был использован программный пакет MSC Adams. Параметры модели заданы в соответствии с реальными параметрами мотоцикла Yamaha YZF R1.

Модель двухколесного транспортного средства (рис. 3) представляет собой твердое тело состоящее из нескольких элементов: 1) Корпус соответствующий размерам и форме мотоцикла; 2) Задний маятник жестко закрепленный к корпусу; 3) Заднее колесо жестко закрепленное к маятнику; 4) Переднее колесо жестко закрепленное к корпусу. Данная модель находится на поверхности тела длинной 200м. Коэффициент трения задан равным 100, что обуславливает отсутствие проскальзывания колес. На модель действует сила тяжести.

Рис.3 – Модель двухколесного транспортного средства

Моделирование движения производилось при заданном вращающем моменте на заднем колесе М=1100 Нм, который подается с 0,2 секунды. Данное значение момента является максимальным для данного мотоцикла на первой передаче. Шаг по времени задан 10 миллисекунд. На корпусе мотоцикла установлен датчик угла наклона. На рисунке 11 показано отклонение корпуса мотоцикла при ускорении.

Выводы

В данной работе исследовано поведение двухколесного транспортного средства в различных режимах движения. Разработана расчетная схема двухколесного транспортного средства, составлены уравнения динамки движения, уравнения связи между силы нормальной реакции опоры и вращающего момента на заднем колесе. Произведено аналитическое решение для режима движения на двух колесах. А так же методом численного интегрирования в программе MatLab получено решение для режима «Вилли» с включением системы продольной устойчивости. С помощью программного пакета MSC Adams разработана математическая модель мотоцикла. Произведено моделирование движения в режиме «Вилли» с системой продольной устойчивости, а так же в режиме движения на двух колесах. По полученным результатам можно сделать вывод о соответствии математического моделирования и аналитического решения.

Литература

• Туладхар Даниел: Динамика процесса торможения двухколесного транспортного средства , оснащенного антиблокировочной системой // Диссерт. канд. техн. наук. Юго-Зап. гос. ун-т.- Курск, 2011.- 140 с.
• Брылев И. С. Реконструкция ДТП по параметрам торможения двухколесных механических транспортных средств // Диссерт. канд. техн. наук. СПбГАСУ.- Санкт-Петербург, 2015.- 159 с.
• Вайсман А.И. Здоровье водителя и безопасность движения // Транспорт, 1979,- 208 с.
• Singh K. Automobile engineering // Standard Publishers- Delhi: 2006.-Vol.2.
• Волков А. Т. Проектирование мотоцикла // Машиностроение, 1978. - 159 с.
• Кумбс М. Мотоциклы. Устройство и принцип действия // СПб.: Алфамер, 2002. - 150 с.
• Тверсков Б.М. Теория мотоцикла // Курган : Изд-во Курган, гос. ун-та, 2004. -111с.
• Ксенофонтов, И.В. Основы управления мотоциклом и безопасность движения // И.В. Ксенофонтов-М: Академия, 2004.- 80с. :ил.
• Нарбут А.Н. Мотоциклы // А. Н. Нарбут. - М: Academia, 2008. — 176с.
• Singh, K. Automobile engineering Set 9th ed // K. Singh- Standard Publishers- Delhi: 2006.-Vol.2.
• Cossalter V The Modal Analysis of a Motorcycle in Straight Running and on a Curve, // V. Cossalter, R. Lot and F. Maggio // Meccanica, Kluwered, 2003.
• Webster, J. Automotive suspension, steering & brakes // J. Webster. New York, Delmar Publications, 1987.
• Браун Роланд. Мотоциклы. Энциклопедия. Перевод: с англ. Гальперштейна Л.Я // Издательство: Росмэн-Пресс.- 2003
• Роджер Хикс. Мотоциклы. Мировая энциклопедия. Перевод: с англ. Изместьева М.В., Юльева Ю. И. // Издательство: АСТ Москва, 2005.- 544с.
• Yamaha YZFR1W Service manual // Yamaha Motor Co., Ltd, 2006