Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СХЕМА ВОДИТЕЛЯ АВТОМОБИЛЯ КАК МНОГОЗВЕННАЯ СИСТЕМА

Шмаков В.С. 1
1 ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет», Владимир
Рассматривается создание математической модели и анализ динамической системы: водитель-рабочая зона оператора в транспортном средстве в экстремальных ситуациях с целью моделирования процесса и определения динамических воздействий на оператора для замещения натурных испытаний соударения подвижного объекта с оператором (механиком – водителем) с жесткой средой (удар) моделированием этой системы. Вопросы, подлежащие рассмотрению и исследованию настоящего динамического процесса, следующие: математическое описание кинематической схемы оператора, как звена со сложной угловой кинематикой; материализация кинематической системы силами тяжести и моментами инерции, формирование динамической матрицы «оператора»; описание рабочей зоны оператора и объекта (транспортного средства с учетом упругостей моментов инерции и т.п., определяемых массами, моментами инерции параметрами движения объекта); разработка математической модели настоящей системы; разработка открытой системы моделирования и исследования настоящей динамической системы.
оператор
механик-водитель
рабочая зона
алгоритм
экстренная ситуация
динамические нагрузки
1. Безопасность конструкции автомобиля / М.А. Андронов, Ф.Е. Межевич, Ю.М. Немцов, Е.С. Саввушкин. – М.: Машиностроение,1985. – С. 160.
2. Илюхин Ю.В., Подураев Ю.В. Проектирование исполнительных систем роботов. Линеаризованные системы. – М.: Изд. МПИ, 1989. – С. 75.
3. Медведев В.С., Лесков А.Г., Ющенко А.С. Системы управления манипуляционных роботов. – М.: Наука, 1978. – С. 416.
4. Игнатьев М.Б., Кулаков Ф.М. Покровский А.М. Алгоритмы управления роботами-манипуляторами. – М.: Машиностроение, 1977. – С. 248.

В настоящее время анализ взаимодействия водителя с элементами его рабочей зоны основан на натурных испытаниях. Эксперимент состоит в соударении транспортного средства (ТС) и находящимся в нем манекеном оператора с внешней абсолютно жесткой средой. Эти испытания дорогостоящие и, кроме того, продолжительны во времени, так как разбиваются автомобили и деформируются манекены с системой датчиков, велики затраты по времени на подготовку материальной части испытаний. В настоящей работе рассматривается постановка задачи для анализа взаимодействия механика-водителя с его рабочей зоной при соударении автомобиля с внешней средой, разрабатывается кинематическая схема МВ, процесса взаимодействия автомобиля с сидящим в нем водителем-механиком.

Проблема, рассмотренная в рамках статьи, направлена на создание математической модели и анализ динамической системы: оператор (механик - водитель) ‒ рабочая зона оператора в транспортном средстве в экстремальных ситуациях с целью моделирования процесса и определения динамических воздействий на оператора.

Цель работы состоит в замещении натурных испытаний соударения подвижного объекта с оператором (механиком-водителем) с жесткой средой (удар) моделированием этой системы. Вопросы, подлежащие рассмотрению и исследованию настоящего динамического процесса, следующие:

- математическое описание кинематической схемы оператора, как звена со сложной угловой кинематикой;

- материализация кинематической системы силами тяжести и моментами инерции;

- формирование динамической матрицы «оператора»;

- описание рабочей зоны оператора и объекта (транспортного средства с учетом упругостей моментов инерции и т.п., определяемых массами, моментами инерции параметрами движения объекта); разработка математической модели настоящей системы; разработка открытой системы моделирования и исследования настоящей динамической системы.

Под внешней средой подразумевается замкнутое пространство кабины водителя. Процесс взаимодействия описывается в декартовой системе координат. В проекте рассматривается построение кинематической модели водителя, как многозвенной системы. Контролируемые и анализируемые координаты: x, y, z, x´, y´, z´, x", y", z". Со стороны объекта на водителя в экстремальных ситуациях (резкие угловые и линейные ускорения) действуют возмущения (усилия). Представим вектор возмущения в виде

f

Рассмотрим модель взаимодействия ТС-водитель-внешняя среда:

547

Рис. 1. Структурное представление системы водитель - транспортное
средство - внешняя среда:
ТС - транспортное средство; F1(σ) - возмущение при движении от рельефа σ на ТС;
F2(t) - управляющее воздействие от МВ на ТС через двигатель и движитель;
Q(t) - деформации корпуса МВ (звеньев системы), Q(t) = F(F3, t)

При этом водитель представлен в виде многозвенной системы с кинематической схемой вида рис. 2.

 pic

Рис. 2. Расчетная схема системы:
l0,...,l3 - длина звеньев, С0,...,С3 - центр масс звеньев,q1,...,q7 - обобщенные координаты углов, r0,...,r3 - расстояние от сустава до центра масс звена, Fp - воздействие на водителя от руля ТС

Со стороны объекта на водителя в экстремальных ситуациях (резкие угловые и линейные ускорения) действуют возмущения (усилия). Представим вектор возмущения в виде

f

Представим водителя в виде многозвенной системы в виде скелетона с кинематической схемой вида рис. 2. Водитель представляет собой пространственную механическую систему из N тел (звеньев), соединенных между собой кинематическими парами пятого класса (с одной степенью свободы). Далее под системой будем понимать скелетон механика-водителя, а именно, скелет с силовыми мышцами по соответствующим суставам.

Вектор f является вектором обобщенных координат системы. На первом этапе принимаем следующие допущения:

- пренебрегаем силами трения в кинематических парах;

- считаем связи идеальными, голономными и удерживающими;

- звенья абсолютно жесткие.

Тогда описание динамики многозвенной системы может быть получено с помощью уравнений Лагранжа 2-го рода. Для системы тел звенья, находящейся в потенциальном поле сил тяжести, уравнения Лагранжа 2-го рода записываются в векторной форме так:

f

Здесь φ ‒ вектор обобщенных скоростей (N×1), причем 400 Т - кинетическая энергия системы; П - потенциальная энергия системы; М - вектор обобщенных неконсервативных сил (NX1), представляющий собой сумму вектора сил Мпр, передаваемых от исполнительных мышц на конечности скелетона, и вектора внешних сил Мвн. Вычислив потенциальную энергию системы и определив моменты статических сил, обусловленных массой звеньев и массой головы, получим модель системы в виде дифференциальных уравнений Лагранжа 2-го рода.

F - сила воздействия со стороны ТС на МВ.

Найдем кинетическую энергию механической системы и получим систему уравнений.

Для верхних конечностей водителя:

401

Для туловища водителя:

042

Полагаем, что силы F1, F2 со стороны корпуса ТС на плечевой сустав водителя действуют одновременно и одинаковы. Приведенные силовые воздействия к координатам со стороны ТС обозначены как F1,...,F4. Из полученной системы уравнений видно, что движения звеньев динамически взаимосвязаны. Кроме того, звенья l4, li (спинной и шейный позвоночники соответственно) следует рассматривать в одном из двух вариантов:

1) упругое звено с определенной жесткостью и приведенной стрелкой прогиба относительно геометрического центра l(С, F);

2) звено, состоящее из набора последовательно соединенных двухшарнирных звеньев.

В соответствии с физиологическим строением скелета человека, известно что позвоночник состоит из 33-34 позвонков: 7 шейных, 12 грудных, 5 поясничных, 5 крестцовых, 4-5 копчиковых.

Кроме того, инерционные характеристики (величины b11, ...,b23 и а11, ...,а44) зависят от обобщенных координат qi, а следовательно, от конфигурации механизма. Полученные дифференциальные уравнения являются нелинейными.

В настоящее время проводится моделирование взаимосвязанной системы механик‒водитель‒транспортное средство. Цель исследований - определение силового воздействия на механика, реакций шарниров и суставов, получение эффекта разрушения шарниров и суставов.

Рецензенты:

Кульчицкий А.Р., д.т.н., профессор, зам. главного конструктора по испытаниям ООО «Владимирский моторно-тракторный завод» г. Владимир;

Гоц А.Н., д.т.н., профессор кафедры тепловых двигателей и энергетических установок Владимирского государственного университета им. А. Г. и Н. Г. Столетовых Министерства образования и науки, г. Владимир.

Работа поступила в редакцию 27.07.2011.


Библиографическая ссылка

Шмаков В.С. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СХЕМА ВОДИТЕЛЯ АВТОМОБИЛЯ КАК МНОГОЗВЕННАЯ СИСТЕМА // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 12-1. – С. 199-201;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=28879 (дата обращения: 14.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074