mehanika vo nje - odsek za puteve, eleznice i aerodrome · dinamika vozila u poduºnom ravcup...
TRANSCRIPT
Dinamika vozila u poduºnom pravcu
MEHANIKA VO�NJE
Odsek za puteve, ºeleznice i aerodrome
Prof dr Stanko Br£i¢Doc dr Stanko �ori¢Doc dr Anina Glumac
Gra�evinski fakultetUniverzitet u Beogradu
�k. god. 2018/19
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcu
Sadrºaj
1 Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Sadrºaj
1 Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Prostorni i materijalni sistem10. Vehicle Planar Dynamics 585
x
z
Fx
FzMz
Mx
ϕ
ψ
p
r
yFy
My
θq
XY
Z
B G
ψ
FIGURE 10.2. Illustration of a moving vehicle, indicated by its body coordinateframe B in a global coordinate frame G.
The vehicle coordinate frame is called the body frame or vehicle frame, andthe grounded frame is called the global coordinate frame. Analysis of thevehicle motion is equivalent to expressing the position and orientation ofB(Cxyz) in G(OXY Z). Figure 10.2 shows how a moving vehicle is indi-cated by a body frame B in a global frame G.The angle between the x and X axes is the yaw angle ψ and is called
the heading angle. The velocity vector v of the vehicle makes an angle βwith the body x-axis which is called sideslip angle or attitude angle. Thevehicle’s velocity vector v makes an angle β + ψ with the global X-axisthat is called the cruise angle. These angles are shown in the top view of amoving vehicle in Figure 10.3.There are many situations in which we need to number the wheels of a
vehicle. We start numbering from the front left wheel as number 1, and thenthe front right wheel would be number 2. Numbering increases sequentiallyon the right wheels going to the back of the vehicle up to the rear rightwheel. Then, we go to the left of the vehicle and continue numbering thewheels from the rear left toward the front. Each wheel is indicated by aposition vector ri
Bri = xii+ yij + zik (10.6)
expressed in the body coordinate frame B. Numbering of a four wheelvehicle is shown in Figure 10.3.
Example 375 Wheel numbers and their position vectors.Figure 10.4 depicts a six-wheel passenger car. The wheel numbers are
indicated besides each wheel. The front left wheel is wheel number 1, andthe front right wheel is number 2. Moving to the back on the right side,we count the wheels numbered 3 and 4. The back left wheel gets number 5,
G . . . Prostorni (inercijalni) koordinatni sistem OXYZB . . .Materijalni (pokretni) koordinatni sistem Sxyz
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Glavni rotacioni stepeni slobode5. Applied Kinematics 231
roll
pitch
yaw
x
z
ϕ
ψ
yθ
FIGURE 5.4. Local roll-pitch-yaw angles.
5.5 F Euler Angles
The rotation about the Z-axis of the global coordinate is called precession,the rotation about the x-axis of the local coordinate is called nutation,and the rotation about the z-axis of the local coordinate is called spin.The precession-nutation-spin rotation angles are also called Euler angles.Rotation matrix based on Euler angles has application in rigid body kine-matics. To find the Euler angles rotation matrix to go from the globalframe G(OXY Z) to the final body frame B(Oxyz), we employ a bodyframe B0(Ox0y0z0) as shown in Figure 5.5 that before the first rotation co-incides with the global frame. Let there be at first a rotation ϕ about thez0-axis. Because Z-axis and z0-axis are coincident, by our theory
B0r = B0
RGGr (5.72)
B0RG = Rz,ϕ =
⎡⎣ cosϕ sinϕ 0− sinϕ cosϕ 00 0 1
⎤⎦ . (5.73)
Next we consider the B0(Ox0y0z0) frame as a new fixed global frame andintroduce a new body frame B00(Ox00y00z00). Before the second rotation, thetwo frames coincide. Then, we execute a θ rotation about x00-axis as shownin Figure 5.6. The transformation between B0(Ox0y0z0) and B00(Ox00y00z00)is
B00r = B00
RB0B0r (5.74)
B00RB0 = Rx,θ =
⎡⎣ 1 0 00 cos θ sin θ0 − sin θ cos θ
⎤⎦ . (5.75)
Finally, we consider the B00(Ox00y00z00) frame as a new fixed global frameand consider the final body frame B(Oxyz) to coincide with B00 before thethird rotation. We now execute a ψ rotation about the z00-axis as shown in
roll . . . bo£no ljuljanje (rotacija oko poduºne ose x)
pitch . . . galopiranje (rotacija oko popre£ne ose y)
yaw . . . skretanje (rotacija oko vertikalne ose z)
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Generalisane koordinate i sile (pokretni sistem)
10
Vehicle Planar DynamicsIn this chapter we develop a dynamic model for a rigid vehicle in a planarmotion. When the forward, lateral and yaw velocities are important and areenough to examine the behavior of a vehicle, the planar model is applicable.
10.1 Vehicle Coordinate Frame
The equations of motion in vehicle dynamics are usually expressed in a setof vehicle coordinate frame B(Cxyz), attached to the vehicle at the masscenter C, as shown in Figure 10.1. The x-axis is a longitudinal axis passingthrough C and directed forward. The y-axis goes laterally to the left fromthe driver’s viewpoint. The z-axis makes the coordinate system a right-hand triad. When the car is parked on a flat horizontal road, the z-axis isperpendicular to the ground, opposite to the gravitational acceleration g.
xz
y
FxFz
Fy
Mz
My
Mx
ϕθ
ψ
C
pq
r
FIGURE 10.1. Vehicle body coordinate frame B(Cxyz).
To show the vehicle orientation, we use three angles: roll angle ϕ aboutthe x-axis, pitch angle θ about the y-axis, and yaw angle ψ about the z-axis. Because the rate of the orientation angles are important in vehicle
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Prostorni i materijalni sistem (kretanje u ravni)586 10. Vehicle Planar Dynamics
X
Y
C
x
y
v
β
d
ψ
BG1
2
3
4r2
r1
r3
r4
Yaw angleSideslipβ
ψCruise angleψ + β
FIGURE 10.3. Top view of a moving vehicle to show the yaw angle ψ betweenthe x and X axes, the sideslip angle β between the velocity vector v and thex-axis, and the crouse angle β + ψ between with the velocity vector v and theX-axis.
and then moving forward on the left side, the only unnumbered wheel is thewheel number 6.If the global position vector of the car’s mass center is given by
Gd =
∙XC
YC
¸(10.7)
and the body position vectors of the wheels are
Br1 =
∙a1w/2
¸(10.8)
Br2 =
∙a1−w/2
¸(10.9)
Br3 =
∙−a2−w/2
¸(10.10)
Br4 =
∙−a3−w/2
¸(10.11)
Br5 =
∙−a3w/2
¸(10.12)
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Sile koje deluju na vozilo - reakcije podloge
9
Applied DynamicsDynamics of a rigid vehicle may be considered as the motion of a rigidbody with respect to a fixed global coordinate frame. The principles ofNewton and Euler equations of motion that describe the translational androtational motion of the rigid body are reviewed in this chapter.
9.1 Force and Moment
In Newtonian dynamics, the forces acting on a system of connected rigidbodied can be divided into internal and external forces. Internal forcesare acting between connected bodies, and external forces are acting fromoutside of the system. An external force can be a contact force, such as thetraction force at the tireprint of a driving wheel, or a body force, such asthe gravitational force on the vehicle’s body.
xz
y
Fy2Mz2
My2
Mx2
C
Fz2
Fx2
Fy3
Fz3
Fx3
My3
Mz3Mx3
FIGURE 9.1. The force system of a vehicle is the applied forces and moments atthe tireprints.
External forces and moments are called load, and a set of forces andmoments acting on a rigid body, such as forces and moments on the vehicleshown in Figure 9.1, is called a force system. The resultant or total force Fis the sum of all the external forces acting on a body, and the resultant or
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Analiza kretanja drumskih vozila
Analiti£ko i numeri£ko modeliranje drumskih vozila
Motorno vozilo (npr. automobil) je pokretan sistem veomasloºene strukture
Moºe da se posmatra kao skup krutih tela koja su me�usobnopovezana u jednu celinu sa komplikovanim me�usobnimvezama
- razni zglobovi i mehanizmi- elasti£ne opruge- prigu²iva£i
Veliki broj stepeni slobode kretanja
Komplikovane nelinearne veze izme�u pojedinih delova sistema
Veoma sloºen sistem nelinearnih dif. jedna£ina kretanja
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Ra£unarska simulacija automobila (SIMPACK)
SIMPACK AUTOMOTIVE
What is SIMPACK?
SIMPACK is a general-purpose multi-body
simulation (MBS) software tool which is used
to aid the development of any mechanical or
mechatronic device, ranging from single
components through to complete systems (e.g.
wind turbines, vehicles, and high performance
Formula 1 engines). All SIMPACK products are
100% compatible.
SIMPACK Automotive is an add-on module
tailored to the specific requirements of the
automotive simulation sector.
Applications:
Passenger cars/trucks/busses
Racing (Formula 1)/Formula Student
Land machinery
People movers/motorcycles
Component/complete system analyses
Handling/ride/NVH analyses
SiL, HiL and MiL applications
Stress/durability
DOE and optimization
Highlights:
Unlimited modeling flexibility
Extreme non-linear system behavior
Analyses in the frequency and time domain
Fully parameterized highly detailed
automotive database for all typical
suspension/driveline types available
Scalable detail and complexity
Batch jobs and automatic report generation
Interfaces to third party software
(CDTire, Delft-Tyre, FTire, TMEasy)
Accurate Fast Robust Versatile
Application
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Ra£unarska simulacija automobila (veDYNA)
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Ra£unarska simulacija automobila (veDYNA)
veDYNA - Driver Simulators
DYNAware User MeetingDYNAware User Meeting23rd June 2008
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Ra£unarska simulacija automobila (veDYNA)
Driver SimulatorsExamples with veDYNA - FordExamples with veDYNA Ford
11All brand names, trademarks and registered trademarks belong to their respective owners • © TESIS GmbH Tokyo , 23 June 2008
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Analiza kretanja drumskih vozila
Pojednostavljena klasi�kacija kretanja drumskih vozila
Pojednostavljeni slu£ajevi kretanja vozila sa smanjenimstepenima slobode kretanja
Bolja preglednost i razumevanje dominantnog kretanja
Klasi�kacija prema lokalnim osama vozila xyz
Poduºna dinamika vozilaPopre£na dinamika vozilaVertikalna dinamika vozila
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Analiza kretanja drumskih vozila
Poduºna dinamika drumskih vozila
Vozilo se kre¢e pravolinijskom i/ili krivolinijskom putanjom uvertikalnoj ravni:
- kretanje po pravolinijskoj horizontalnoj deonici puta- kretanje po pravolinijskom usponu ili padu puta- kretanje u vertikalnoj krivini (konkavnoj i konveksnoj)
Usvaja se da se drumsko vozilo kre¢e (globalno posmatrano)translatorno, sa brzinom ~v(t) i ubrzanjem ~a(t)
Uzimaju se u obzir samo sile u ravni kretanja (ostale sezanemaruju)
Najjednostavniji ra£unski modeli kretanja
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Analiza kretanja drumskih vozila
Popre£na dinamika drumskih vozila
Analiza kretanja vozila u horizontalnoj krivini
Analiza kretanja vozila u serpentinama
Analiza manevrisanja vozila tokom kretanja (preticanje i sl.)
Znatno sloºeniji ra£unski modeli kretanja
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Analiza kretanja drumskih vozila
Vertikalna dinamika drumskih vozila
Analiza oscilacija vozila tokom kretanja (usled raznihporeme¢aja)
Analiza uticaja oscilacija vozila na udobnost putnika tokomvoºnje
Analiza uticaja oscilacija vozila na kontakt sa putem
Znatno sloºeniji ra£unski modeli kretanja
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Analiza kretanja drumskih vozila
Specijalizovana dinami£ka analiza kretanja vozila
Analiza ekstremnih situacija tokom kretanja vozila
- nailazak na prepreku ili rupu na putu- prevrtanje vozila u krivini- prevrtanje vozila usled prepreke sa jedne strane vozila
Analiza udara vozila u nepokretnu prepreku
Analiza sudara vozila pri kretanju u istom smeru
Analiza sudara vozila pri kretanju u suprotnim smerovima(£eoni sudar)
Analiza sudara vozila pod (pravim) uglom
Najsloºeniji ra£unski modeli
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Sadrºaj
1 Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Poduºna dinamika drumskih vozila
Poduºna dinamika drumskih vozila
Vozilo se kre¢e po horizontalnom (ili nagnutom) pravcu
Posmatraju se samo poduºne sile (u vertikalnoj ravni)
Vozilo je simetri£no u odnosu na vertikalnu poduºnu ravan
Glavni aspekt razmatranja su otpori kretanju i reakcije puta
Ravnomerno kretanje (~v = const) ili kretanje sa konstantnimubrzanjem ili ko£enjem (~a = const)
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Parkiran automobil na ravnom putu
2
Forward Vehicle DynamicsStraight motion of an ideal rigid vehicle is the subject of this chapter.We ignore air friction and examine the load variation under the tires todetermine the vehicle’s limits of acceleration, road grade, and kinematiccapabilities.
2.1 Parked Car on a Level Road
When a car is parked on level pavement, the normal force, Fz, under eachof the front and rear wheels, Fz1 , Fz2 , are
Fz1 =1
2mg
a2l
(2.1)
Fz2 =1
2mg
a1l
(2.2)
where, a1 is the distance of the car’s mass center, C, from the front axle,a2 is the distance of C from the rear axle, and l is the wheel base.
l = a1 + a2 (2.3)
a1a2
2Fz2 2Fz1
x
z
C
mg
FIGURE 2.1. A parked car on level pavement.
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Parkiran automobil na ravnom putu
Vozilo miruje na horizontalnom ravnom putu
Vozilo je simetri£no u odnosu na poduºnu vertikalnu ravan
Posmatra se kao "prosta greda"
Vertikalne reakcije puta se odre�uju iz uslova ravnoteºe∑Z = 0
∑M = 0
Dobija se
Fz1 =1
2mg
a2`
Fz2 =1
2mg
a1`
(` = a1 + a2)
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Parkiran automobil na nagnutom putu46 2. Forward Vehicle Dynamics
2Fx2
2Fz1
xz
C
mg
a2
a1
2Fz2
h
a
φ
FIGURE 2.5. A parked car on inclined pavement.
These equations provide the brake force and reaction forces under the frontand rear tires.
Fz1 =1
2mg
a2lcosφ− 1
2mg
h
lsinφ (2.44)
Fz2 =1
2mg
a1lcosφ+
1
2mg
h
lsinφ (2.45)
Fx2 =1
2mg sinφ (2.46)
Example 46 Increasing the inclination angle.When φ = 0, Equations (2.36) and (2.37) reduce to (2.1) and (2.2). By
increasing the inclination angle, the normal force under the front tires ofa parked car decreases and the normal force and braking force under therear tires increase. The limit for increasing φ is where the weight vectormg goes through the contact point of the rear tire with the ground. Such anangle is called a tilting angle.
Example 47 Maximum inclination angle.The required braking force Fx2 increases by the inclination angle. Be-
cause Fx2 is equal to the friction force between the tire and pavement, itsmaximum depends on the tire and pavement conditions. There is a specificangle φM at which the braking force Fx2 will saturate and cannot increaseany more. At this maximum angle, the braking force is proportional to thenormal force Fz2
Fx2 = μx2Fz2 (2.47)
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Parkiran automobil na nagnutom putu
Vozilo miruje na nagnutom putu
Aplicirana je ru£na ko£nica na zadnje to£kove
Reakcije puta se odre�uju iz uslova ravnoteºe∑X = 0
∑Z = 0
∑M = 0
Dobija se
Fz1 =1
2mg
a2`cosφ− 1
2mg
h
`sinφ
Fz2 =1
2mg
a1`cosφ+
1
2mg
h
`sinφ
Fx2 =1
2mg sinφ
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Kretanje automobila po horizontalnom putu50 2. Forward Vehicle Dynamics
a1a2
2Fz2 2Fz1
x
z
C
mg2Fx1
ha
2Fx2
FIGURE 2.7. An accelerating car on a level pavement.
Assumingμx1 = μx2 = μx (2.83)
will provide
Fz1 =1
2mg
a2lcosφM −
1
2mg
h
lsinφM (2.84)
Fz2 =1
2mg
a1lcosφM +
1
2mg
h
lsinφM (2.85)
tanφM = μx. (2.86)
2.3 Accelerating Car on a Level Road
When a car is speeding with acceleration a on a level road as shown inFigure 2.7, the vertical forces under the front and rear wheels are
Fz1 =1
2mg
a2l− 12mg
h
l
a
g(2.87)
Fz2 =1
2mg
a1l+1
2mg
h
l
a
g. (2.88)
The first terms, 12mg a2l and12mg a1l , are called static parts, and the second
terms ±12mg hl
ag are called dynamic parts of the normal forces.
Proof. The vehicle is considered as a rigid body that moves along a hor-izontal road. The force at the tireprint of each tire may be decomposedto a normal and a longitudinal force. The equations of motion for the ac-celerating car come from Newton’s equation in x-direction and two static
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Kretanje automobila po horizontalnom putu
Vozilo se kre¢e po horizontalnom putu sa ubrzanjem ~a = a~ı
Zakon o kretanju centra mase i Zakon o promeni momentakoli£ine kretanja:
m~a = ~FR JS ε =M(S)R
Vozilo se kre¢e translatorno (kao mat. ta£ka), pa je ε = 0,
odnosno, M(S)R = 0
Predpostavlja se pogon na sva £etiri to£ka 2Fx1 i 2Fx2
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Kretanje automobila po horizontalnom putu
Zakon o kretanju centra mase (zanemaren otpor vazduha):
ma = 2Fx1 + 2Fx2 (1)
0 = 2Fz1 + 2Fz2 −mg (2)
Zakon o promeni momenta koli£ine kretanja (za sredi²te mase):
0 = −2Fz1 a1 − (2Fx1 + 2Fx2)h+ 2Fz2 a2 (3)
Tri jedna£ine, 4 nepoznate reakcije puta Fx1, Fx2, Fz1 i Fz2
(nepoznato je i ubrzanje a, ali se posmatra kao poznatparametar)
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Kretanje automobila po horizontalnom putu
Unose¢i jedn. (1) u (3) elimini²u se Fx1 i Fx2:
0 = 2Fz1 a1 +mah− 2Fz2 a2 (4)
Iz jedn. (2) se elimini²e, npr. Fz1:
2Fz1 = mg − 2Fz2
pa se dobija, unose¢i u (4),
0 = mg a1 − 2Fz2 a1 +mah− 2Fz2 a2
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Kretanje automobila po horizontalnom putu
Dobija se re²enje za vertikalne reakcije puta:
Fz2 =1
2
a1`mg +
1
2
h
`mg
a
g
Fz1 =1
2
a2`mg − 1
2
h
`mg
a
g
kao i za zbir horizontalnih reakcija puta:
Fx1 + Fx2 =1
2ma =
1
2mg
a
g
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Kretanje automobila po horizontalnom putu
Stati£ke komponente vertikalnih reakcija puta:
Fz2,st =1
2
a1`mg Fz1,st =
1
2
a2`mg
Dinami£ke komponente vertikalnih reakcija puta:
Fz2,din =1
2
h
`mg
a
gFz1,din = −1
2
h
`mg
a
g
Dinami£ki deo vertikalnih reakcija zavisi od ubrzanja vozila,kao i od vertikalnog poloºaja centra mase vozila
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Kretanje automobila po horizontalnom putu
Tokom voºnje sa ubrzanim kretanjem (a > 0) - ubrzavanje,prednji to£kovi su rastere¢eni (za dinami£ki deo), a zadnjito£kovi su vi²e optere¢eni u odnosu na stati£ki deo
Tokom voºnje sa usporenim kretanjem (a < 0) - ko£enje,prednji to£kovi su vi²e optere¢eni (za dinami£ki deo), a zadnjito£kovi su rastere¢eni u odnosu na stati£ki deo
Za vozilo sa prednjom vu£om je Fx2 = 0, dok su komponentevertikalnih reakcija puta iste (kao i za pogon na sva 4 to£ka)
Za vozilo sa zadnjom vu£om je Fx1 = 0, dok su komponentevertikalnih reakcija puta iste (kao i za pogon na sva 4 to£ka)
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Maksimalno ubrzanje na horizontalnom putu
Ubrzanje sredi²ta mase vozila je:
a =1
m(2Fx1 + 2Fx2)
Maksimalno ubrzanje vozila je proporcionalno sa "vu£nim"silama, odn. sa horizontanim reakcijama podloge
Maksimalno ubrzanje je proporcionalno sa koe�cijentomprianjanja izme�u guma i puta (jer je Fx = µx Fz)
Predpostavlja se da su koe�cijenti prianjanja prednjih i zadnihto£kova me�usobno isti i da se maksimum ostvari u isto vreme
Horizontalne komponente reakcija podloge su, tada:
Fx1 = ±µx Fz1 Fx2 = ±µx Fz2
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Maksimalno ubrzanje na horizontalnom putu
Iz uslova ravnoteºe vertikalnih sila je 2Fz1 + 2Fz2 = mg,
pa se dobija maksimalno ubrzanje vozila
a = ± 1
mµx(2Fz1 + 2Fz2) = ±
1
mµxmg
Prema tome, maksimalno ubrzanje vozila je dato sa
a = ±µx g
Maksimalno ubrzanje (usporenje) vozila direktno zavisi odkoe�cijenta prianjanja µx (za asfaltne i betonske kolovoze jeµx ≈ 0.8÷ 0.9)
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Maksimalno ubrzanje na horizontalnom putu
Sa stanovi²ta udobnosti voºnje, ubrzanje (usporenje) vozila upoduºnom pravcu se ograni£ava
Ograni£enje ubrzanja vozila u poduºnom pravcu:
Ubrzanje vozila Udobnost voºnjeu [m/s2] u faktoru od g
do 2.65 0.27 g udobna voºnjado 3.45 0.35 g neudobna voºnjado 4.25 0.43 g posebni uslovi
(gde je g = 9.81m/s2 ubrzanje zemljine teºe)
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Maksimalno ubrzanje na horizontalnom putu
Sa stanovi²ta udobnosti voºnje, ubrzanje (usporenje) vozila upopre£nom pravcu se tako�e ograni£ava
Ograni£enje ubrzanja vozila u popre£nom pravcu:
Ubrzanje vozila Udobnost voºnjeu [m/s2] u faktoru od g
do 2.50 0.25 g udobna voºnjado 3.00 0.31 g neudobna voºnjado 3.50 0.36 g posebni uslovi
(gde je g = 9.81m/s2 ubrzanje zemljine teºe)
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Maksimalno ubrzanje na horizontalnom putu
Pogon na zadnjoj osovini:
a
g=
µx
1− µx h`
a1`
ia
g≤ a2
h
Pogon na prednjoj osovini:
a
g=
µx
1 + µxh`
(1− a1`)
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Maksimalno ubrzanje na horizontalnom putu
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Maksimalno usporavanje na horizontalnom putu
Ko£nice na prednjoj osovini:
a
g= − µx
1− µx h`
(1− a1`)
Ko£nice na zadnjoj osovini:
a
g= − µx
1 + µxh`
a1`
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Maksimalno usporavanje na horizontalnom putu
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Trenutna promena ubrzanja - "trzaj"
Vektor poloºaja materijalne ta£ke . . .~r = ~r(t)
Vektor brzine materijalne ta£ke . . .~v = ~̇r(t)
Vektor ubrzanja materijalne ta£ke . . .~a = ~̇v(t) = ~̈r(t)
Vektor promene ubrzanja materijalne ta£ke - trzaj ("jerk")
~t = ~̇a(t) = ~̈v(t) =...~r (t)
Najve¢a dozvoljena vrednost trzaja, sa stanovi²ta udobnostivoºnje, je
|~t|max = 2.50 [m/s3]
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Kretanje automobila po nagnutom putu56 2. Forward Vehicle Dynamics
2Fx2
2Fz1
xz
C
mg
a2
a1
2Fz2
h
a
2Fx1
φ
FIGURE 2.9. An accelerating car on inclined pavement.
The dynamic parts, ±12mg hl
ag , depend on acceleration a and height h of
mass center C and remain unchanged, while the static parts are influencedby the slope angle φ and height h of mass center.
Proof. The Newton’s equation in x-direction and two static equilibriumequations, must be examined to find the equation of motion and groundreaction forces. X
Fx = ma (2.123)XFz = 0 (2.124)XMy = 0. (2.125)
Expanding these equations produces three equations for four unknownsFx1 , Fx2 , Fz1 , Fz2 .
2Fx1 + 2Fx2 −mg sinφ = ma (2.126)
2Fz1 + 2Fz2 −mg cosφ = 0 (2.127)
2Fz1a1 − 2Fz2a2 + 2 (Fx1 + Fx2)h = 0 (2.128)
It is possible to eliminate (Fx1 + Fx2) between the first and third equations,and solve for the normal forces Fz1 , Fz2 .
Fz1 = (Fz1)st + (Fz1)dyn
=1
2mg
µa2lcosφ− h
lsinφ
¶− 12ma
h
l(2.129)
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Kretanje automobila po nagnutom putu
Zakon o kretanju centra mase (zanemaren otpor vazduha):
ma = 2Fx1 + 2Fx2 −mg sinφ (5)
0 = 2Fz1 + 2Fz2 −mg cosφ (6)
Zakon o promeni momenta koli£ine kretanja (za sredi²te mase):
0 = −2Fz1 a1 − (2Fx1 + 2Fx2)h+ 2Fz2 a2 (7)
Tri jedna£ine, 4 nepoznate reakcije puta Fx1, Fx2, Fz1 i Fz2
(nepoznato je i ubrzanje a, ali se posmatra kao poznatparametar)
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Kretanje automobila po nagnutom putu
Zbir tangencijalnih reakcija se iz (5) unosi u (7)
Jedna od normalnih reakcija se iz (6) unosi u (7)
Re²enje za normalne reakcije i za zbir tangencijalnih reakcija je
Fz1 =1
2mg(
a2`cosφ− h
`sinφ)− 1
2ma
h
`
Fz2 =1
2mg(
a1`cosφ+
h
`sinφ) +
1
2ma
h
`
Fx1 + Fx2 =1
2ma+
1
2mg sinφ
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Kretanje automobila po nagnutom putu
Ubrzanje centra mase (pri kretanju uzbrdo):
a =1
m(2Fx1 + 2Fx2) −g sinφ
Ubrzanje centra mase (pri kretanju nizbrdo):
a =1
m(2Fx1 + 2Fx2) +g sinφ
U slu£aju pogona samo na zadnje ili samo na prednje to£koveje Fx1 = 0 ili Fx2 = 0
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Kretanje automobila po nagnutom putu
Vozilo sa pogonom na zadnje to£kove:
Vu£ne (tangencijalne) sile . . .Fx1 = 0 i Fx2 6= 0Normalne reakcije puta Fz1 i Fz2 . . . iste kao i za 4WDZa isto ubrzanje kao i za 4WD vu£na sila Fx2 mora da budeve¢a nego za slu£aj pogona 4WD
Vozilo sa pogonom na prednje to£kove:
Jedina razlika je . . .Fx1 6= 0 i Fx2 = 0
Normalne reakcije su iste bez obzira da li je pogon na prednje,zadnje ili na sve to£kove (za umereno ubrzanje i prav put)
Prednosti i mane pogona se javljaju u manevrisanjima, naklizavom putu i kada su potrebna maksimalna ubrzanja
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Maksimalno ubrzanje na nagnutom putu - prianjanje
Ubrzanje sredi²ta mase vozila (za kretanje uzbrdo) je:
a =1
m(2Fx1 + 2Fx2)− g sinφ
Maksimalno ubrzanje vozila je proporcionalno sa "vu£nim"silama, odn. sa horizontanim reakcijama podloge
Maksimalno ubrzanje je proporcionalno sa koe�cijentomprianjanja izme�u guma i puta (jer je Fx = µx Fz)
Predpostavlja se da su koe�cijenti prianjanja prednjih i zadnihto£kova me�usobno isti i da se maksimum ostvari u isto vreme
Horizontalne komponente reakcija podloge su, tada:
Fx1 = ±µx Fz1 Fx2 = ±µx Fz2
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Maksimalno ubrzanje na nagnutom putu - prianjanje
Iz uslova ravnoteºe sila upravno na put je
2Fz1 + 2Fz2 = mg cosφ,
pa se dobija maksimalno ubrzanje vozila
a = ± 1
mµx(2Fz1 + 2Fz2)− g sinφ = ±µx g cosφ− g sinφ
Prema tome, maksimalno ubrzanje vozila je dato sa
amax
g= ±µx cosφ− sinφ
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Maksimalno ubrzanje na nagnutom putu - prianjanje
Za ubrzano kretanje uzbrdo . . . a > 0, φ > 0
Za usporeno kretanje nizbrdo . . . a < 0, φ < 0
Koe�cijent prianjanja treba da bude
µx ≥ | tanφ|
Za suv i dobar kolovoz (beton, asfalt) je µx ≈ 0.8÷ 0.9
Uglovi nagiba puta sa stanovi²ta prianjanja
- za µx = 0.8 . . .φ ≈ 390
- za µx = 0.9 . . .φ ≈ 420
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Maksimalno ubrzanje na nagnutom putu - geometrija
Normalne komponente reakcija puta:
Fz1 =1
2mg(
a2`cosφ− h
`sinφ)− 1
2ma
h
`
Fz2 =1
2mg(
a1`cosφ+
h
`sinφ) +
1
2ma
h
`
Reakcije veza moraju da budu pritisci na podlogu:
Fz1 ≥ 0 Fz2 ≥ 0
Iz relacije Fz1 ≥ 0 se dobija
a
g≤ a2
hcosφ− sinφ
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Maksimalno ubrzanje na nagnutom putu - geometrija
Iz relacije Fz2 ≥ 0 se dobija
a
g≥ −a1
hcosφ− sinφ
Zajedno, oba uslova mogu da se prikaºu kao
−a1h
cosφ ≤ a
g+ sinφ ≤ a2
hcosφ
U grani£nom slu£aju za a→ 0 se dobija:
−a1h≤ tanφ ≤ a2
h
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Maksimalno ubrzanje na nagnutom putu - geometrija
Za realne prose£ne podatke o putni£kom automobilu:
- osovinski razmak . . . ` = 2.6 [m]- rastojanja osovina do teºi²ta . . . a1 ≈ a2 = 0.5 ` = 1.3 [m]- visina teºi²ta . . .h ≈ 0.56 [m]
Geometrijski uslov nagiba puta
tanφ =a1h
= 2.321 ⇒ φ ≈ 670
Realni (dozvoljeni) poduºni nagibi puteva su neuporedivo manji
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Maksimalni dozvoljeni poduºni nagibi puteva
Niveleta puta je prostorna linija - osovina kolovoza
Maksimalni mogu¢i poduºni nagibi nivelete puta zavise odsnage motora vozila i uslova prianjanja
Za prose£na motorna vozila (automobile) je oko 30%(φ ≈ 170)
Za prose£na teretna vozila je oko 15% (φ ≈ 8.50)
Maksimalan dozvoljeni poduºni nagib nivelete zavisi odpredvi�ene brzine kretanja vozila i od vrste puta
Red veli£ine dozvoljenih poduºnih nagiba puta je 5÷ 12%
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Automobil sa prikolicom po nagnutom putu
Zglobna veza izme�u automobila i prikolice (sa jednom osovinom)Zanemaruje se otpora vazduha60 2. Forward Vehicle Dynamics
2Fx2
2Fz1
xz
C
mg
a2
a1
2Fz2
h
a
2Fx1
φ
Ct
mt g
b2
b1
b3
2Fz3
FIGURE 2.11. A car moving on an inclined road and pulling a trailer.
2Fx1 + 2Fx2 − Fxt −mg sinφ = ma (2.152)
2Fz1 + 2Fz2 − Fzt −mg cosφ = 0 (2.153)
2Fz1a1 − 2Fz2a2 + 2 (Fx1 + Fx2)h
−Fxt (h− h1) + Fzt (b1 + a2) = 0 (2.154)
If the value of traction forces Fx1and Fx2 are given, then these are six equa-tions for six unknowns: a, Fxt , Fzt , Fz1 , Fz2 , Fz3 . Solving these equationsprovide the following solutions:
a =2
m+mt(Fx1 + Fx2)− g sinφ (2.155)
Fxt =2mt
m+mt(Fx1 + Fx2) (2.156)
Fzt =h1 − h2b2 − b3
2mt
m+mt(Fx1 + Fx2) +
b3b2 − b3
mt g cosφ (2.157)
Fz1 =b32l
µ2a2 − b1b2 − b3
mt +a2b3m
¶g cosφ
+
∙2a2 − b1b2 − b3
(h1 − h2)mt − h1mt − hm
¸Fx1 + Fx2l (m+mt)
(2.158)
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Automobil sa prikolicom po nagnutom putu2. Forward Vehicle Dynamics 61
Fzt2Fx2
2Fz1
xz
C
mg
2Fz2
h
a
2Fx1
φ
Ct
mt g
Fxt
FztFxt
φ
2Fz3
h1
h1h2
a1
a2
b1
b2
b3
FIGURE 2.12. Free-body-diagram of a car and the trailer when moving on anuphill road.
Fz2 =b32l
µa1 − a2 + b1
b2 − b3mt +
a1b3m
¶g cosφ
+
∙a1 − a2 + b1
b2 − b3(h1 − h2)mt + h1mt + hm
¸Fx1 + Fx2l (m+mt)
(2.159)
Fz3 =1
2
b2b2 − b3
mt g cosφ+h1 − h2b2 − b3
mt
m+mt(Fx1 + Fx2) (2.160)
l = a1 + a2. (2.161)
However, if the value of acceleration a is known, then unknowns are: Fx1+Fx2 , Fxt , Fzt , Fz1 , Fz2 , Fz3 .
Fx1 + Fx2 =1
2(m+mt) (a+ g sinφ) (2.162)
Fxt = mt (a+ g sinφ) (2.163)
Fzt =h1 − h2b2 − b3
mt (a+ g sinφ) +b3
b2 − b3mt g cosφ (2.164)
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Automobil sa prikolicom po nagnutom putu
Prikolica je ukupne mase mt i ima samo jednu osovinu
Vr²i se dekompozicija automobila i prikolice
U zglobu izme�u automobila i prikolice (kuka) se javljaunutra²nja sila veze, sa komponentama Fxt i Fzt
Jedna£ine kretanja za prikolicu
mt a = Fxt −mt g sinφ
0 = 2Fz3 + Fzt −mt g cosφ
0 = 2Fz3b3 − Fztb2 − Fxt(h2 − h1)(8)
S.�ori¢ Mehanika voºnje
Dinamika vozila u poduºnom pravcuKretanje vozila u prostoruPravolinijsko kretanje vozila
Pravolinijsko kretanje drumskih vozila
Automobil sa prikolicom po nagnutom putu
Jedna£ine kretanja za automobil (pogon na sva 4 to£ka)
ma = 2Fx1 + 2Fx2 − Fxt −mg sinφ
0 = 2Fz1 + 2Fz2 − Fzt −mg cosφ
0 = 2Fz2a2 − 2Fz1a1 − (2Fx1 + 2Fx2)h
+ Fzt(b1 + a2)− Fxt(h− h1)
(9)
Ako se smatra da su "vu£ne sile" Fx1 i Fx2 poznate, ondasistem (8) i (9) sadrºi 6 jedna£ina po nepoznatim veli£inama:
- ubrzanje vozila i prikolice . . . a- normalne reakcije puta . . .Fz1, Fz2 i Fz3
- sile veze izme�u automobila i prikolice . . .Fxt, Fzt
S.�ori¢ Mehanika voºnje