Dynamic analysis of the steering system of a passenger car with McPherson suspension.

• Autorzy: Harlecki A. , Adamiec-Wójcik I. , Kubas K.

Warianty tytułu

PL

Analiza dynamiczna układu kierowniczego samochodu osobowego z zawieszeniem typu McPherson.

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The objective of this paper is to present the method of dynamic analysis of the steering system of a passenger car with McPherson suspension. The links of the system are modelled as rigid bodies; however, the method enables flexibility of the steering shaft of the car to be taken into account. The geometry of the system is described by using homogenous transformations. Equations of motion are derived on the basis of the Lagrange equations. In the method proposed, the classed loop of links is cut at selected joints and suitable reaction forces are introduced. Dry friction occuring in the steering system is reduced to the prismatic joint between the steering rack and guide. The method can be used in design and optimization of steering system of passenger car with McPherson suspension.

PL

W pracy przedstawiono pewną metodę analizy dynamicznej (w zakresie tzw. prostego zadania dynamiki) układu wieloczłonowego będącego modelem fizycznym układu kierowniczego wybranego samochodu osobowego z zawieszeniem typu McPherson. Analizowany układ stanowiący przestrzenny mechanizm dźwigniowy zbudowany jest z dziesięciu członów modelujących: kierownicę, żebatkę, drążki kierownicze, zwrotnice wraz z kołami, tłoczyska kolumn typu PcPherson oraz wahacze. W przyjetym modelu człony traktowane sa jako ciała sztywne, można natomiast uwzględnić podatność skrętną kolumny kierownicy. Geometrię układu opisano przy wykorzystaniu tzw. macierzy jednorodnych. Równania ruchu układu wyprowadzono bazując na fromalizmie równań Lagrange'a. Równania te uzupełniono odpowiednimi równananiami więzów geometrycznych. Przyjęty model daje możliwość uwzględnienia tarcia suchego występującego w połączeniach członów układów kierowniczych samochodów, przy czym dla potrzeb przeprowadzonej analizy tarcie to zredukowano do przesuwnego połączenia między zębatką a obudową. Dane do obliczeń przyjęto na podstawie analizy dokumentacji technicznej dotyczącej wybranej marki samochodu osobowego z zawieszeniem typu McPherson, udostępnionej przez jego producenta. W celu wyznaczenia potrzebnych parametrów masowych poszczególnych członów odwzorowano ich rzeczywistą geometrię, korzystając z pakietu oprogramowania Autodesk Inventor. Proponowana metoda analizy dynamicznej układów kierowniczych może zainteresować projektantów mechanizmów samochodowych, a w szczególności może być użyteczna w procesie wspomagania projektowania układów kierowniczych.

Słowa kluczowe

EN

forward dynamics; steering system; passenger car; McPherson suspension

PL

dynamika jazdy; układ kierowniczy; samochód osobowy; zawieszenie typu McPherson

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2004
• Tom: Vol. LI, nr 2
• Strony: 181--213
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., rys.

Twórcy

autor

Harlecki A.

• Department of Mechanics and Computer Methods, University of Bielsko-Biała, ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biała, Poland

autor

Adamiec-Wójcik I.

• Department of Mechanics and Computer Methods, University of Bielsko-Biała, ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biała, Poland

autor

Kubas K.

• Department of Mechanics and Computer Methods, University of Bielsko-Biała, ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biała, Poland

Bibliografia

• [1] Adamiec-Wójcik I.: Modelling dynamics of multibody systems using homogenous transformations ZN Akademii Techniczno-Humanistycznej, Ser. Rozprawy Naukowe, Nr 3, 2003.
• [2] Alexandru С.: The dynamic model of the guiding - suspension system of the passenger cars using the MBS Adams - Part I. Proc. Euroconference on Computational Mechanics and Engineering Practice, Szczyrk, Poland, 2001.
• [3] Alexandru C.: The dynamit model of the guiding - suspension system of the passenger cars using the MBS Adams - Part II. Proc. Euroconference on Computational Mechanics and Engineering Practice, Szczyrk, Poland, 2001.
• [4] Frik S., Hiller M.: Kinematik und Dynamik einer McPherson-Radaufhängung mit elastischem hinterem Querlenkerlager, ZAMM, Bd. 69, Nr. 5, 1989.
• [5] Gillespie Т. D.: Fundamentals of vehicle dynamics. Society of Automotive Engineers, Inc., 400 Commonwealth Drive Warrendale, 1992.
• [6] Gotoh Т., Imaizumi Т.: Optimization of force action line with spring design on the McPherson strut suspension for reading comfort. Proc. 2000 SAE International Congress and Exposition, Detroit, MI, 2000.
• [7] Grzegożek W.: Modelowanie dynamiki samochodu przy stabilizującym sterowaniu siłami hamowania (The modelling of vehicle dynamics with stabilizing control of braking forces). ZN Politechniki Krakowskiej, Ser. Mechanika, Nr 275, 2000.
• [8] Harlecki A.: Metoda analizy dynamicznej mechanicznych układów wieloczłonowych z tarciem suchym w parach kinematycznych (Method of dynamic analysis of multibody systems with dry friction in joints). ZN Akademii Techniczno-Humanistycznej w Bielsku-Białej, Ser. Rozprawy Naukowe, Nr 2, 2002.
• [9] Hiller M., Schnelle K.-P.: Simulation der nichtlinearen Kinematik und Dynamik von Personenwagen. Automobil-Industrie, Nr. 2, 1990.
• [10] Jurevič E. I. (ed.): Dynamics of robots control. Moscow, Nauka, 1984.
• [11] Kasprzyk Т., Prochowski L.: Teoria samochodu. Obciążenia dynamiczne zawieszeń (Theory of car. Dynamic loading of suspensions). Warszawa, WKiŁ, 1990.
• [12] Knapczyk J., Kuranowski A.: Analysis of the characteristics of the MacPherson suspension taking silentblocks flexibility into consideration. Archiwum Budowy Maszyn, Vol. 33, No. 1, 1986.
• [13] Knapczyk J., Kuranowski A.: The analysis of McPherson suspension and steering system flexibility and its influence on the wheel guidance. Archiwum Budowy Maszyn, Vol. 34, No. 2, 1987.
• [14] Kölsch, D.: Die Behandlung Coulombscher Reibung in der Kraftfahrzeugsimulation. Fortschr. - Ber. VDI, Nr. 230, Düsseldorf, 1994.
• [15] Lozia Z.: Analiza ruchu samochodu dwuosiowego na tle modelowania jego dynamiki (Analysis of biaxial car motion based upon dynamic models). Monografia, Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, Transport, Nr 41, 1998.
• [16] Lozia Z.: Wykonanie komputerowych obliczeń symulacyjnych ruchu samochodu Cinquecento, jadącego ze stałą prędkością, w testach kierowalności: „wymuszenie skokowe na kole kierownicy", „jazda po łuku", „puszczenie kierownicy przy jeździe po łuku", dla różnych wartości oporów w układzie kierowniczym (Computer simulation of motion of a Ciquecento car travelling at a constant velocity during drive tests: „sudden wrenching of the steering wheel", „travelling in a curve", „release of the steering wheel while travelling in a curve" for different values of resistance in the steering system). Sprawozdanie z wykonania Pracy Nauk.-Bad. Nr 163/501/540/1, Politechnika Warszawska, Wydział Transportu, 1996.
• [17] Lozia Z., Zardecki D.: Vehicle dynamics simulation with inclusion of freeplay and dry friction in steering system, SAE Technical Paper 2002-01-0619.
• [18] Morecki A., Knapczyk J., Kędzior K.: Teoria mechanizmów i manipulatorów. Podstawy i przykłady zastosowań w praktyce (Theory of mechanisms and manipulators. Fundamentals and examples of practical applications). Warszawa, WNT, 2002.
• [19] Ostermeyer G. P.: Lenkradwobbeln — Simulation unwuchterregter Lenkraddrehschwingunen am Passat B3. Statusbericht FFT9108N/4, Volkswagen AG, 1991.
• [20] Neureder U.: Investigation into steering wheel nibble. Proc. Instn. Mech. Engrs, Part D, Journal of Automobile Engineering, Vol. 216, 2002, pp. 267-276.
• [21] Neureder U.: Modellierung und Simulation des Lenkstranges für die Untersuchung der Lenkungsunruhe. ATZ Automobiltechnische Zeitschrift, Bd. 103, Nr. 3, 2001.
• [22] Rahnejat H.: Multi-body dynamics. Vehicles, machines, and mechanisms. London and Bury St Edmunds, Professional Engineering Publishing Limited, 1998.
• [23] Riepl A., Schmid M., Reinalter W.: Application of ADAMS/Carin vehicle development. Proc. International ADAMS User Conference, 2000.
• [24] Schmidt A., Wolz U.: Nichtlineare räumliche Kinematik von Radaufhängungen - kinematische und dynamische Untersuchungen mit dem Programmsystem MESA VERDE. Automobil-Industrie, Nr. 6, 1987.
• [25] Simionescu P.A., Smith M.R.: Initial estimates in the design of rack-and-pinion steering linkages. Trans. of ASME Journal of Mechanical Design, Vol. 122, June 2000.
• [26] Wicher J., Wektorowa analiza obciążeń układu kierowniczego samochodu opisanego przestrzennym modelem matematycznym (Vectorial analysis of loads of car steering system described by spatial mathematical model). ZN Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej, Vol. 2, Nr 14, 1995.
• [27] Wohnhaas A.T., Essers U.: Nonlinear modelling and simulation of a rack-and-pinion steering. Proc. International Symposium on Advanced Vehicle Control, 1992, SAE Paper 923012.
• [28] Wohnhaas A.T.: Simulation von Kraftfahrzeug - Lenkungen unter besonderer Berücksichtigung von Reibung und Spiel. Dokt. Diss., Univ. Stuttgart, 1994.
• [29] Wojciech S.: Dynamic analysis of manipulators with consideration of dry friction. Computers and Structures, Vol. 57, No. 6, 1995.
• [30] Wou S. J., Oste T. D., Baxter J.: Modelling of mesh friction and mechanical efficiency of rack and pinion steering design. Proc. Steering and Suspension Technology Symposium, Published by Society of Automotive Engineers, Inc., USA, 2001.
• [31] Zarak C.E., Townsend M.A.: Optimal design of rack-and-pinion steering linkages. Trans. of ASME Journal of Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design, June 1983.
• [32] Żardecki D.: Badania symulacyjne dynamiki układów kierowniczych z uwzględnieniem luzu i tarcia (Simulation of steering system dynamics with regard to backlash and friction), Materiały IV Konferencji „Badania symulacyjne w technice samochodowej", Kazimierz Dolny, 1993.
• [33] Żardecki D.: Model matematyczny dynamiki układu kierowniczego z luzem i tarciem w przekładni (Mathematical model of car steering system dynamics with regard to geerbox backlash and friction), Materiały VI Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej „Autoprogres'98", Jachranka, 1998.