background image

1.  Model dynamiczny siedzenia kierowcy. 

 

Poniżej  przedstawiono  schemat  układu  kierowca-fotel.  W  pierwszym  stopniu 

zawieszenia  amortyzowany  jest  fotel  kierowcy,  natomiast  drugi  stopień  zawieszenia 
odwzorowuje oddziaływanie fotela na kierowcę. 

 

w t

1

x

2

x

1

b

2

c

2

b

1

c

1

m

2

m

Pierwszy stopień 

zawieszenia

Drugi stopień 

zawieszenia

 

2.  Dane 

Symbol i wartość 

Opis 

1

80

m

kg

 

masa kierowcy 

2

30

m

kg

 

masa siedzenia 

0,15

f

m

 

całkowite ugięcie statyczne sprężyn 

0,15

f

k

 

współczynnik udziału pierwszego stopnia zawieszenia w 
całkowitym ugięciu 

1

0, 05

 

bezwymiarowy współczynnik tłumienia drugiego stopnia 

2

0,8

 

bezwymiarowy współczynnik tłumienia pierwszego 
stopnia 

4

L

m

 

długość fali 

25

m

v

s

 

90

/

km h

 

prędkość pojazdu 

3.  Równania różniczkowe ruchu 

 

Układ posiada dwa stopnie swobody. Równania ruchu wyprowadzam korzystając z 

metody Lagrange'a II rodzaju. Jako współrzędne uogólnione wybieram 

1

2

,

x x

. Postać 

równań ruchu jest następująca: 

background image

k

p

k

p

i

i

i

i

E

E

E

E

d

D

Q

dt

q

q

q

 

 

gdzie: 

k

E

energia kinetyczna układu 

p

E

energia potencjalna układu 

D

funkcja dyssypacji energii 

Q

siły uogólnione 

q

współrzędna uogólniona 

q

prędkość uogólniona 

a)  Wyznaczanie energii kinetycznej układu 

2

2

1 1

2 2

1

1

2

2

k

E

m x

m x

 

b)  Wyznaczanie energii potencjalnej układu 

2

2

1

1

2

2

2

1

1

2

2

p

E

c x

x

c

x

w

 

gdzie 

1

2

,

c c

 - współczynnik sztywności sprężyn obliczony w oparciu o ugięcie 

statyczne układu i wpływ ugięcia na pierwszy stopień sprężynowania 

1

1

6155

1

f

m

N

c

g

m

f

k

 

 

1

2

2

47960

f

m

m

N

c

g

f k

m

 

 

sin

u t

A

t

  

 

- wymuszenie kinematyczne 

0,03

A

  

 

 

- amplituda wymuszenia kinematycznego  

2

39, 27

v

rad

L

s

 

- częstość wymuszenia kinematycznego 

c)  Wyznaczanie funkcji dyssypacji energii 

2

2

1

1

2

2

2

1

1

2

2

D

b x

x

b x

w

 

gdzie 

1

2

,

b b

współczynniki tłumienia układu. Obliczamy je ze wzoru: 

1

1

1 1

2

70

N s

b

m c

m

 

2

2

1

2

2

2

3675

N s

b

m

m c

m

 

 

cos

w t

A

t

 

 

- pochodna wymuszenia kinematycznego 

d)  Praca wirtualna sił oraz siły uogólnione 

0

W

    

1,2

0

Q

 

 

Wyznaczam pochodne 

background image

 

1 1

1

k

p

E

E

m x

x

 

2 2

2

k

p

E

E

m x

x

 

1 1

1

k

p

E

E

d

m x

dt

x

 

1 2

2

k

p

E

E

d

m x

dt

x

 

1

1

2

1

k

p

E

E

c x

x

x

 

 

1

1

2

2

2

2

k

p

E

E

c x

x

c

x

w

x

 

1

1

2

1

D

b x

x

x

 

1

1

2

2

2

2

D

b x

x

b x

w

x

 

 

1

0

Q

 

2

0

Q

 

 
Układ równań różniczkowych ruchu 

1 1

1

1

2

1

1

2

2 2

1

1

2

2

2

1

1

2

2

2

0

0

m x

c x

x

b x

x

m x

c x

x

c

x

w

b x

x

b x

w





 

 
lub w postaci macierzowej 

Mx Bx Cx Q

 

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2

1

1

2

2

1

1

2

2

2

2

0

0

0

m

x

b

b

x

c

c

x

m

x

b b

b

x

c c

c

x

c w b w

   

   

   

   

   

   

   

   

   

 

4.  Drgania swobodne 

 

Drgania swobodne analizujemy przyrównując prawą stronę układu równań 

różniczkowych do zera 

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2

1

1

2

2

1

1

2

2

0

0

0

0

m

x

b

b

x

c

c

x

m

x

b b

b

x

c c

c

x

   

   

    

   

   

    

 

   

   

  

 

Rozwiązań szczególnych układu równań poszukujemy w następującej postaci 

1

1

2

2

st

st

x

A e

x

A e

1

1

2

2

st

st

x

A se

x

A se

 

2

1

1

2

2

2

st

st

x

A s e

x

A s e

 

Podstawiając przewidywane rozwiązania do układu równań otrzymujemy 

2

1

1

1

1

1

1

2

2

1

1

2

1

2

1

2

0

0

A

s m

sb

c

sb

c

A

sb

c

s m

s b

b

c

c

   

    

 

 

 

 

Układ równań posiada rozwiązanie niezerowe wówczas gdy wyznacznik główny macierzy 
jest równy 0. 

background image

2

1

1

1

1

1

2

1

1

2

1

2

1

2

4

3

2

2400

301718,05

4771766,9

27713862,68

295207905,89

s m

sb

c

sb

c

W

sb

c

s m

s b

b

c

c

W

s

s

s

s

 

 

Równanie charakterystyczne: 

4

3

2

2400

301718,05

4771766,9

27713862,68

295207905,89

0

s

s

s

s

 

Miejsca zerowe równania charakterystycznego: 

1

2

3

4

15,92

108, 23

0,78

8, 41

0,78

8, 41

s

s

s

i

s

i

 

  

  

  

 

8, 41

b

rad

s

  

- częstość drgań tłumionych 

1,34

2

b

b

f

Hz

 

- częstotliwość drgań tłumionych 

2

0,75

b

b

T

s

 

- okres drgań tłumionych 

Układowi nadano następujące warunki początkowe 

 

 

1

2

0

0,05

0

0,01

x

m

x

m

 

 

 

Odpowiedź  układu  na  tak  przyjęte  warunki  początkowe  pokazano  na  poniższym  rysunku. 

Przebiegi  wykonano  w  oparciu  o  numeryczne  rozwiązanie  przedstawionych  równań 

różniczkowych.  Wykorzystano  do  tego  celu  algorytm  Rungego-Kutty  IV  rzędu.  Symulacji 

dokonano dla czasu 5s.  

 

background image

 

Rys. 1 Drgania swobodne tłumione 

W przypadku gdy 

1

2

0

b

b

, wówczas analizować będziemy drgania nietłumione. Równanie 

charakterystyczne będzie równe 

4

2

2400

4771766,9

295207905,89

0

s

s

 

a pierwiastki równania charakterystycznego będą równe: 

1

2

3

4

8, 2

8, 2

42,6

42,6

s

i

s

i

s

i

s

i

 

 

  

 

 

częstość drgań 

nietłumionych 

częstotliwość drgań 

nietłumionych 

okres drgań nietłumionych 

1

8, 2

rad

s

 

1

1,31

f

Hz

 

1

0,76

T

s

 

2

42,6

rad

s

 

2

6,8

f

Hz

 

2

0,14

T

s

 

 

Przebiegi  czasowe  układu  bez  tłumienia  wytrąconego  z  położenia  równowagi  są  pokazane 
poniżej. Przyjęto następujące warunki początkowe 

 

 

1

2

0

0,05

0

0,01

x

m

x

m

 

 

 

 

 

 

1

2

0

0

0

0

x

x

 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

t[s]

x

1

,x

2

 [

m

]

 

 

kierowca

fotel

background image

 

Rys. 2 Drgania swobodne nietłumione 

Na rysunku są widoczne dwie formy drgań fotela kierowcy. Druga forma drgań nie ujawniała 
się podczas drgań z tłumieniem. 

5.  Drgania wymuszone 

 

Celem  analizy  drgań  wymuszonych  jest  sporządzenie  charakterystyk  amplitudowo-

częstotliwościowych.  Drgania  pochodzące  z  podwozia  samochodu  przekazywane  na  fotel 
kierowcy  poprzez  układ  sprężysto-tłumiący  będą  stanowiły  harmoniczne  wymuszenie 
kinematyczne.  Układ  równań  w  postaci  macierzowej  dla  układu  z  wymuszeniem 
przedstawiony jest poniżej. 

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2

1

1

2

2

1

1

2

2

2

2

0

0

0

m

x

b

b

x

c

c

x

m

x

b b

b

x

c c

c

x

c w b w

   

   

   

   

   

   

   

   

   

 

gdzie: 

sin

cos

w

A

t

w

A

t


 

Zapis prawej strony równania macierzowego można przekształcić do postaci: 

 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

sin

cos

sin

arctan

c A

t

b A

t

C

t

C

Ac

Ab

A c

b

b

c

 

 

Dokonajmy następujące podstawienie 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

t[s]

x

1

,x

2

 [

m

]

 

 

kierowca

fotel

background image

sin

i

t

i t i

C

t

Ce

Ce e

 

 

 

 

Drgania swobodne tłumione jak widać na rys.1 po pewnym czasie wygasają.  Po tym 

czasie układ będzie drgał tylko na skutek występującego wymuszenia z taką samą częstością i 

pewną  ustaloną  amplitudą.  Celem  naszym  będzie  wyznaczenie  charakterystyk  amplitudowo 

częstotliwościowych, które w sposób jednoznaczny określą amplitudę drgań fotela kierowcy 

oraz  samego  kierowcy  w  funkcji  częstości  wymuszenia.  Podstawienie  za  sin(ωt+τ)  funkcję 

e

i(ωt+τ)

 jest nietożsame, dlatego interesuje nas tylko część zespolona rozwiązania gdyż 

cos

sin

i

t

e

t

i

t

 

 

 

 

Jeżeli  nie  interesuje  nas  przesunięcie  fazowe  to  doskonałym  odwzorowaniem  będzie 

przedstawienie  modułu  amplitudy  w  funkcji  częstości  wymuszenia.  Przewidywane 

rozwiązanie układu równań będziemy poszukiwać w postaci: 

 

 

1

1

2

2

i t

i t

x t

A e

x t

A e

  

 

 

 

1

1

2

2

i t

i t

x t

i A e

x t

i A e

 

 

 

 

2

1

1

2

2

2

i t

i t

x t

A e

x t

A e

 

 

 

Podstawiając następnie do układu równań i upraszczając przez e

iωt

 otrzymamy: 

2

1

1

1

1

1

1

2

2

1

1

2

1

2

1

2

0

i

A

m

i b

c

i b

c

A

Ce

i b

c

m

i

b

b

c

c

  

   

 

 

 

Szukane amplitudy wyznaczamy metodą wyznacznikową. 

4

3

2

2400

301718,05

4771766,9

27713862,68

295207905,89

W

i

i

1

1

1

2

2

1

2

1

2

1

0

303813,07

8856237,18

100964,76

26649303, 47

i

i b

c

W

Ce

m

i

b

b

c

c

W

i

 

 

 

cos

sin

i

e

i

2

1

1

1

2

1

1

2

2

2

0

115104

303813,07

8856237,18+i

346359,45

+100964,76

 26649303,47

i

m

i b

c

W

i b

c

Ce

W

 

 

1

1

2

2

W

A

W

W

A

W

 

1

1

2

2

W

A

W

W

A

W

 

background image

Charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowe: 

 

 

2

2

1

2

2

4

2

2

2

2

2

2

2

2

4

2

303813, 07

8856237,18

100964, 76

26649303, 47

2400

4771766, 9

295207905,89

27713862, 68 301718,05

115104

303813,07

8856237,18

+

346359,45

+100964,76

 26649303,47

2400

4771766, 9

A

A

2

2

2

2

295207905,89

27713862, 68 301718,05

Za pomocą oprogramowania MATLAB narysowano wyżej przedstawione funkcje. 

 

Rys. 3 Charakterystyka amplitudowo częstotliwościowa układu tłumionego 

 

 

Na charakterystyce umieszczono przerywaną linią czerwoną znacznik częstości 

drgań  własnych  tłumionych  układu 

8, 41

rad

s

.  Amplituda  drgań  kierowcy  dla  takiej 

częstości wymuszenia osiąga ekstremalne wartości. Zjawisko to nazywane jest rezonansem i 
jest  zazwyczaj  niekorzystne.  W  takim  stanie  zdecydowanie  pogarsza  się  komfort  jazdy 
kierowcy.  Jest  również  przyczyną  złego  samopoczucia  i  może  powodować  utratę 
koncentracji.  Częstość  wymuszenia  w  rozpatrywanym  przypadku  jest  większa  od  częstości 
drgań własnych układu. W związku z tym  rejestrujemy znacznie mniejsze amplitudy drgań. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0018

0.031

0.0951

1

Częstość wymuszenia [rad/s]

A

m

pl

itu

da

 d

rg

 [

m

]

 

 

częstość wymuszenia

kierowca

fotel

background image

Zostały  one  zaznaczone  na  osi  pionowej  na  rysunku  3.  Za  pomocą  metod  numerycznych 
wyznaczono przebiegi czasowe układu kierowca-fotel dla rozpatrywanych warunków pracy. 
Przebiegi  te  przedstawiono  na  rysunku  poniżej.  Do  symulacji  założono  jednakowe  warunki 
początkowe jak w przypadku drgań swobodnych. 

 

Rys. 4 Przebiegi czasowe drgań wymuszonych 

Wykresy  przedstawiają  przemieszczenie  kierowcy  i  fotela  w  czasie.  W  pierwszej  fazie 
rejestrujemy  drgania  własne  układu.  Po  krótkiej  chwili  drgania  własne  ustają  i  układ  drga 
wyłącznie z częstością wymuszenia i  ustaloną amplitudą. Można zaobserwować, że drgania 
kierowcy  znacznie  wolniej  osiągają  stan  ustalony.  Widać,  że  w  pierwszej  fazie  drgań 
kierowca ulega drganiom wolnozmiennym, których częstość wraz z upływem  czasu zmierza 
do częstości drgań wymuszenia. 

6.  Literatura 

 

"Teoria drgań" - Zbigniew Osiński 

  "Drgania  Maszyn" - Ryszard Gryboś 

 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

t[s]

x

1

,x

2

 [

m

]

 

 

kierowca

fotel