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
Рассмотрим модель взаимодействия ТС-водитель-внешняя среда:
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.
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
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 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:
Здесь φ ‒ вектор обобщенных скоростей (N×1), причем 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:
Для туловища водителя:
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: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=28879 (дата обращения: 16.10.2024).