Спектральный анализ вибраций переднего антикрыла гоночного автомобиля «Даллара т12»

УДК 629.371.21

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВИБРАЦИЙ ПЕРЕДНЕГО АНТИКРЫЛА ГОНОЧНОГО АВТОМОБИЛЯ «ДАЛЛАРА Т12»

П. А. Сорокин, К.С. Хряков, А.В. Мишин

Проведен спектральный анализ данных, полученных в результате экспериментальных исследований вибраций переднего антикрыла гоночного автомобиля «Даллара Т12». Составлены энергетические спектры колебаний антикрыла для трех характерных случаев, возникающих при езде по гоночной трассе.

Ключевые слова: гоночный автомобиль, ««Даллара Т12», спектральный анализ, энергетический спектр, частота колебаний.

Для анализа влияния вибраций аэродинамических элементов скоростных транспортных средств на уровень генерируемой ими прижимной силы необходимо располагать как можно большей информацией о характеристиках этих вибраций. При этом колебания аэродинамических элементов представляют собой случайный нестационарный процесс, зависящий от множества факторов: профиль дороги, скорость, вибрации трансмиссии, перемещения воздушных масс и т. д.

Из-за случайного характера вибраций аэродинамических элементов решать задачу воздействия этих вибраций на прижимную силу автомобиля следует при помощи спектрального анализа [1]. Спектральный анализ позволяет представить распределение энергии колебаний по частотам. Интервалы частот с наибольшей энергией указывают на то, что колебания с этими частотами происходят наиболее часто или же обладают наибольшей амплитудой [1, 2].

В результате экспериментальных исследований вибраций переднего антикрыла гоночного автомобиля «Даллара Т12» были получены значения его вертикальных перемещений. Исследования проводились на специализированной гоночной трассе «Моторлэнд Арагон» (Испания). Схема этой трассы приведена на рис. 1.

Для анализа вертикальных перемещений антикрыла целесообразно выделить три характерных случая.

1. Первый случай соответствует наезду на высокий бордюр при входе в поворот №9. Автомобиль имеет низкую скорость и движется без ускорения.

2. Второй случай соответствует наезду на низкий бордюр при выходе из поворота №9. Автомобиль разгоняется.

3. Третий случай соответствует езде по прямолинейному участку трассы между поворотами №15 и 16 без заезда на бордюры. Автомобиль движется на высокой скорости.

Рис. 1. Схема автодрома «Моторлэнд Арагон»

Значения вертикальных перемещений антикрыла для каждого характерного случая целесообразно представить в виде энергетических спектров, распределяющих энергию этих колебаний в частотной области. Эти энергетические спектры, называемые также спектральной плотностью мощности колебаний, позволят наглядно определить, с какой частотой колебания антикрыла происходят наиболее часто или же когда они имеют наибольшие амплитуды.

Расчет спектральной плотности мощности колебаний выполнялся с помощью расчетного модуля Бр1оо1 вычислительного комплекса МЛТЬЛВ [3, 4]. Построение энергетического спектра колебаний осуществлялось методом быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Спектральная плотность мощности колебаний антикрыла для 1-го характерного случая, когда автомобиль на постоянной скорости 85 км/ч заезжает левыми колесами на бордюр высотой 4 см, приведена на рис. 2.

Временной интервал первого характерного случая равен 2 секундам. Измерения вертикального положения антикрыла осуществлялись с частотой 100 Гц, поэтому спектр построен на основе 201 значения. Для отображения спектральной плотности мощности вибраций антикрыла в масштабе, удобном для визуального восприятия, каждое значение спектра было умножено на соответствующую частоту Таким образом, на рис. 2 представлен спектр ]$$). Анализируя спектр, можно сделать вывод, что наибольшей энергией в 1-м характерном случае обладают колебания с частотами, близкими к 1 и 4 Гц. Также значительная часть энергии колебаний расположена в районе 2 и 7 Гц.

Распределение энергии по этим частотам обуславливается низкочастотными колебаниями с большими амплитудами, возникающими в результате езды по высокому бордюру на низкой скорости.

Наезд на бордюр слева при входе в поворот №9

Ь ™

0 5 z а

3" %

н

1 0)

Ï *

^ О)

с о.

я ш

<о с

s

о

X и

о 30

S Ï

а ю

1

il

V х

0,00

5,00

ю,оо

15,00

25,00 Частота

30,00

35,00

40,00

45,00

50,00

Рис. 2. Спектральная плотность мощности вибраций переднего антикрыла гоночного автомобиля «Даллара Т12» в первом характерном случае

Спектральная плотность мощности колебаний антикрыла для второго характерного случая, когда автомобиль за 3 секунды разогнался со 103 до 185 км/ч, заезжая при этом правыми колесами на бордюр высотой 2 см, приведена на рис. 3. Для удобства визуального анализа спектр также представлен в формате fS(f). Временной интервал второго характерного случая равен 3 секундам. Спектр построен на основе 301 значения.

Наезд на бордюр справа при выходе из поворота №9

S

о

X

3" о

s

«е.

5

S о

X

о

. о

ç

S 2

I!

I

JJ W Al

К

1

25,00 Частота

Рис. 3. Спектральная плотность мощности вибраций переднего антикрыла гоночного автомобиля «Даллара Т12» во втором характерном случае

Анализируя спектр, можно сделать вывод, что наибольшей энергией во втором характерном случае обладают колебания с частотами, близкими к 1 и 3 Гц. Однако в отличие от первого характерного случая в этом спектре нет четко выделенных частот с высокой энергией колебаний. Значительное количество энергии сосредоточено в частотном диапазоне от 0 до 7 Гц. Такое распределение энергии по частотам обуславливается более высокой скоростью движения автомобиля по сравнению с первым характерным случаем, а также низкой высотой бордюра.

Спектральная плотность мощности колебаний антикрыла для третьего характерного случая, когда автомобиль за 10 секунд разогнался с 193 до 280 км/ч, двигаясь по прямолинейной траектории без заезда на бордюры, приведена на рис. 4. Для удобства визуального анализа спектр, так же, как и в первых двух характерных случаях, представлен в формате ]§(]). Временной интервал 3-го характерного случая равен 10 секундам. Спектр построен на основе 1001 значения.

Движение по прямой между поворотами №15 и №16

Спектральная плотность мощности вибраций переднего антикрыла в вертикальной плоскости /5Й1 (мм2) О ё ё 8 В 8 О 00

X) 5,00 10,00 15 00 20 00 25 Часто 00 30,00 55 та (Гц) СО 40 00 45 00 50

Рис. 4. Спектральная плотность мощности вибраций переднего антикрыла гоночного автомобиля «Даллара Т12» в третьем характерном случае

Анализируя спектр, можно сделать вывод, что наибольшей энергией в третьем характерном случае обладают колебания с частотами, близкими к 2,5 Гц. Также большое количество энергии колебаний сосредоточено в районах 1 и 7,5 Гц. Остальная энергия распределена в диапазоне 0...20 Гц.

Движение с большой скоростью по прямолинейным участкам трассы приводит к снижению амплитуды колебаний и увеличению их частоты. Энергия колебаний равномерно распределяется по всей частотной области за исключением особо выделенных пиков. Такая тенденция проявляется из-за усиления высокочастотных вибраций двигателя и трансмиссии, а также возникновения автоколебаний колес, вызванных погрешностями в их балансировке.

Данные, полученные в результате спектрального анализа трех характерных случаев вибрации переднего антикрыла гоночного автомобиля «Даллара Т12», дают ясное представление о характеристиках колебаний антикрыла во время езды автомобиля по трассе.

Использование результатов этого исследования при проведении CFD-анализа или обдувок в аэродинамической трубе в качестве исходных данных для формирования вибрационных возмущений позволит исследовать влияние вибраций аэродинамических элементов скоростных транспортных средств на уровень генерируемой ими прижимной силы.

Список литературы

1. Афонский А.А., Дьяконов В.П. Цифровые анализаторы спектра, сигналов и логики. Серия «Библиотека инженера» / под ред. В. П. Дьяконова. М.: СОЛОН-ПРЕСС. 2009. 248 с.

2. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб: БХВ-Петербург, 2011. 758 с.

3. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MATLAB: учеб. курс. СПб: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2005. 512 с.

4. Чен К., Джиблин А., Ирвинг А. MATLAB в математических исследованиях. / пер. с англ. В. Е. Кондрашова, С. Б. Королева. М.: Мир, 2001. 346 с.

Сорокин Павел Алексеевич, д-р техн. наук, проф., pavalsorarambier.ru, Россия, Москва, Московский государственный университет путей сообщения,

Хряков Кирилл Станиславович, асп., kirill-khryakov@,mail. ru, Россия, Москва, Московский государственный университет путей сообщения,

Мишин Алексей Владимирович, канд. техн. наук, ассист., alexeymishin89@gmail. com, Россия, Москва, Московский государственный университет путей сообщения

SPECTRAL ANALYSIS OF «DALLARA T12» RACE CAR FRONT WING VIBRATIONS

P.A. Sorokin, K.S. Khryakov, A. V. Mishin

Performed spectral analysis of the experimental data of «Dallara T12» race car front wing vibrations. Made up energy spectra of wing vibrations for tree specific cases arising during driving on the circuit.

Key words: race car, «Dallara T12», spectral analysis, energy spectrum, vibration frequency.

Sorokin Pavel Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, paval-sor@rambler. ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Railway Engineering,

Khryakov Kirill Stanislavovich, postgraduate, kirill-khryakov@,mail. ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Railway Engineering

Mishin Alexey Vladimirovich, candidate of technical science, assistant, alexeymi-shin89@,gmail. com, Russia, Moscow, Moscow State University of Railway Engineering

УДК 622

РАЗРАБОТКА СТЕНДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОХОДКИ КРИВОЛИНЕЙНОЙ СКВАЖИНЫ МЕТОДОМ

ПРОКОЛА

А.С. Рыбаков

Дается базовое описание наиболее применяемого метода создания скважин бестраншейным способом. Рассказывается о возможности создания криволинейной скважины и текущих недостатках при ее строительстве. Описываются основные факторы и показатели процесса создания криволинейной скважины. Предлагается конструкция стенда для экспериментальных исследований данного процесса.

Ключевые слова: прокол, ГНБ, криволинейная скважина, стенд, экспериментальное исследование.

На текущем этапе развития подземного строительства в условиях плотной городской застройки ремонт существующих и прокладку новых коммуникаций становится все менее возможным осуществлять традиционными способами с экскавацией грунта на поверхность. Данное обстоятельство привело к весьма широкому распространению различных способов и средств создания горизонтальных скважин бестраншейным методом.

Среди способов реализации бестраншейных технологий наибольшую распространенность получили способы статического прокола и горизонтально-направленного бурения. Вызвано это двумя факторами. Во-первых, при анализе типоразмеров коммуникаций городов РФ выявлено [1], что большая их часть, а это около 70 %, имеет диаметр до 300 мм, и все эти типоразмеры покрываются возможностями машин, реализующих эти технологии. Во-вторых, машины для статического прокола по своей конструкции весьма просты и производятся на отечественных предприятиях, что делает их более доступными как в приобретении, так и в ремонте. А машины для горизонтально-направленного бурения хоть и дороги, но по-