LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO LUT KONE
KANDIDAATINTYÖ
AUTOURHEILUSIMULAATTORIEN FYSIIKKAMALLINNUKSEN EROT TUOTEKEHITYSSIMULAATTOREIHIN
DIFFERENCES BETWEEN PHYSICS MODELS OF RACING SIMULATOR GAMES AND AUTOMOTIVE DEVELOPMENT SIMULATORS
13.12.2012
Henri Oksman 0294433
SISÄLLYSLUETTELO
1 JOHDANTO ... 1
2 MONIKAPPALEDYNAMIIKAN TEORIA ... 2
3 AJONEUVOJEN MALLINTAMINEN ... 7
3.1 RUNKO JA KORI ... 11
3.2 VOIMANSIIRTO ... 13
3.3 PYÖRÄNTUENTA, JOUSITUS JA ISKUNVAIMENNUS ... 14
3.4 RENKAAT ... 15
3.5 TIE JA MAASTO ... 17
4 YHTEENVETO ... 19
LÄHTEET ... 21
1 1 JOHDANTO
Kandidaatintyössä käsitellään ajoneuvosimulaattoreita pelien ja tuotekehityksen maailmasta. Tarkoituksena on selvittää lähinnä kirjallisuuskatsauksena, minkälaisia fysiikkamalleja simulaatiopeleissä käytetään ja miten ne eroavat tuotekehityksessä käytettävistä ajoneuvosimulaatiomalleista. Peleistä keskitytään vain yleisesti simulaattorinomaisina pidettyihin peleihin. Tämä siksi, että osa ajopeleistä on tehty puhtaasti viihdyttämismielessä, eivätkä ne edes pyri vastaamaan todellisuutta esimerkiksi ajotuntuman osalta. Työ rajattiin puhtaasti monikappaledynamiikkaan ja fysiikkamallinnukseen, koska kirjoittajan asiantuntemus ei riitä käyttöliittymistä ja visualisoinneista kirjoittamiseen. Vauriomallinnusta sivutaan lyhyesti, sillä tuotekehityksessä sitä tarvitaan harvoin.
Suomessa kehitetään sekä autourheilupelejä että tuotekehityssimulaattoreita. Näin ollen suomalaisia internetlähteitä löytyy helpohkosti. Varsinaiset tieteelliset raportit aiheesta käsittelevät monikappaledynamiikkaa lähinnä yleisellä tasolla, peliaiheisia oli vähänlaisesti. Yritysesimerkkejä liitettiin mukaan sikäli, kun ajantasaista tietoa toiminnasta löytyi. Niitä löytyi lähinnä kotimaisilta konevalmistajilta. Isot autonvalmistajat eivät esittele tuotekehitystään kovin hanakasti, joten joitain henkilöautojen kehitykseen liittyviä näkökantoja jää varmasti puuttumaan.
Aluksi tarkastellaan lyhyesti monikappaledynamiikan teoriaa. Kolmannessa kappaleessa käydään läpi ajoneuvon simulointia osakokonaisuuksittain sekä pelien että tuotekehityksen käytäntöjen kautta. Kaikkia yksityiskohtia ei ole mahdollista eritellä, eikä varsinkaan esitellä varsinaisia mallinnustapoja. Tärkeämmäksi katsottiin tuoda esiin se, mitä on mallinnettu, kuin se, miten kyseinen ominaisuus saadaan mallinnettua. Tämä siksi, että monet mallinnustekniikat riippuvat hyvin paljon pelimoottorin rakenteesta tai simulointiohjelman mahdollisuuksista. Myöskään simulointituloksiin ja niiden tuomiin mahdollisuuksiin ei puututtu, sillä niitä ei peleissä käytetä.
Työ on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston konetekniikan koulutusohjelmassa kandidaatintutkinnon lopputyönä.
2 2 MONIKAPPALEDYNAMIIKAN TEORIA
Monikappaledynamiikka on laskentatapa, jolla voidaan analysoida koneiden tai useista kappaleista koostuvien mekaanisten järjestelmien dynamiikkaa. Sitä käytetään muun muassa robottien, ajoneuvojen ja erilaisten koneiden mekaniikan analysointiin, yleensä prototyyppimittausten sekä muiden CAE-metodien yhteydessä. Monikappaledynamiikassa jäykät kappaleet liitetään toisiinsa niveliä, jousia tai puslia kuvaavien tai muiden rajoitteiden avulla. Kappaleet esitetään paikkavektorin ja lokaalin koordinaatiston kiertymän kuvauksen avulla (kuva 1). [1,2]
Kuva 1. Jäykän avaruuskappaleen kuvaus [1]
Järjestelmän dynamiikka kuvataan liikeyhtälöillä, jotka muodostetaan esimerkiksi Lagrangen yhtälön ja kineettisen energian lauseen avulla. Yhtälöiden tulee kuvata järjestelmä täysin. Kappaleiden asemat ratkaistaan rajoiteyhtälöiden perusteella.
Kappaleen massa ja hitausominaisuudet käyvät ilmi massamatriisista. Kun tiedetään kappaleen nopeus, kiihtyvyys, asema, massa ja hitausominaisuudet, voidaan ratkaista voimat esimerkiksi nivelistä tai jousista. [1,2]
Joustavien kappaleiden kuvaus on mahdollista monikappaledynamiikassa. Yleisesti käytetään kahta tapaa. Keskitettyjen massojen menetelmässä (kuva 2) massa idealisoidaan pisteisiin, joiden välissä on jäykkyyselementtejä. Käytännössä deformaatio kuvataan sarjalla siirtymiä. Menetelmä on yksinkertainen ja kevyt laskea, mutta sopii lähinnä palkkielementeille ja matalien ominaistaajuuksien analysointiin. [1]
3
Kuva 2. Joustavan kappaleen deformaatio, keskitettyjen massojen menetelmä. [1]
Ominaismuotoja eli moodeja käyttämällä voidaan tutkia monimutkaisempien kappaleiden joustoja. Se perustuu jäykän kappaleen liikkeen ja kappaleen deformaation erotteluun. Moodit ratkaistaan FEM:lla tai mittaamalla kokonaisen kappaleen tai jopa laitteen ominaismuodot, jotka sitten tuodaan MBS-ohjelmaan.
Kappaleen dynamiikka ajatellaan jäykän kappaleen liikkeenä, johon superponoidaan kappaleen muodonmuutokset (kuva 3). [1]
Kuva 3. Pisteen P aseman kuvaus joustavassa kappaleessa, ominaismuotomenetelmä. [1]
Todellisuudessa kaikki kappaleet ja materiaalit ovat joustavia, mutta monissa tapauksissa rakenteiden jousto voidaan jättää huomioimatta. Näin on usein esimerkiksi koneissa ja mekanismeissa, joita käytetään hydraulisilla toimilaitteilla.
Hydrauliikan joustot voivat olla moninkertaisia verrattuna vaikkapa runkoon.
Toisaalta taas pitkien ja hoikkien puomien tai sauvojen joustoa ei kannata aliarvioida, sillä niillä voi olla suurta vaikutusta sivuttaisvoimiin ja kappaleen
4
tasapainoon. Joustavuus tulee huomioida aina, kun halutaan selvittää värähtelyjä tai jännityksiä rakenteista. [1]
Rengasmallinnusta on syytä tarkastella erikseen. Renkaat ovat joustavia, eikä niiden joustoa voida jättää huomiotta jousitusta, saati ajodynamiikkaa simuloidessa. Niitä ei voida kuitenkaan mallintaa joustavina kappaleina sanan varsinaisessa merkityksessä, sillä renkaan runko ja lamellit ovat toivottoman monimutkaisia laskettavia. Renkaan dynamiikkaa tarkastellaan sekä pituus- että leveyssuunnassa.
Pituussuuntaisen liikkeen deformaatiosta esimerkkinä on kuva 4, jossa kiihdytyskilpailuihin erityisesti suunnitellun auton renkaat kiertyvät selvästi vanteen suhteen lähtökiihdytyksessä. Normaaleilla renkailla ja suuremmilla rengaspaineilla ilmiö on samanlainen, joskin huomattavasti pienempi. [3]
Kuva 4. Kuva renkaan muodonmuutoksista pitkittäissuunnassa. [4]
Leveys- eli sivusuunnassa rengas joustaa kaarreajossa. Kuva 5 esittelee piirrosmallin F1-auton renkaasta kaarteessa. Se havainnollistaa myös camberkulman.
5
Kuva 5. Kuva renkaan muodonmuutoksista sivusuunnassa. [5]
Ongelman ratkaisuksi on kehitetty kaavoja, jotka yhdistävät mittausdataa ja teoreettista fysiikkaa renkaan käyttäytymisen mallintamiseksi. Tunnetuin näistä malleista on Pacejka Magic Formula, josta on vuosien saatossa tehty useampi kehitysversio. Se on metodi, jossa erilaisia matemaattisia funktioita on sovitettu rengasdataan kevyemmän laskennan ja sitä kautta reaaliaikasimuloinnin mahdollistamiseksi. Kaavan kertoimet ovat määritettävissä rengastyypin tai -mallin mukaan. Magic Formula tarvitsee tietyt lähtötiedot, joita ovat sortokulma (sivusuuntainen ero renkaan nopeusvektorin ja osoittaman välillä), luistosuhde (renkaan todellisen nopeuden ja pyörimisnopeuden ero), camberkulma ja pyöräkuorma. Tulokseksi se antaa renkaan tuottamat voimat sivu- ja pitkittäissuunnassa sekä rengasta oikaisevan momentin. Kuvassa 6 nähdään esimerkki Pacejka Magic Formulalle ominaisista renkaan dynamiikkaa kuvaavista käyristä. [6,7,8]
6
Kuva 6. Tyypillisiä Pacejka Magic Formulan rengasvoimien kuvaajia. [8]
Pitkittäisille voimille, sivuttaisille voimille ja oikaisevalle momentille on kaikille eri kaavat. Kaavat ovat osin samankaltaisia, mutta kertoimet vaihtelevat tarkasteltavan ilmiön mukaan. Varsinaisiin kaavoihin ei kuitenkaan puututa tässä tarkemmin, sillä pelkästään kyseisten kaavojen ja niiden sisältämien kerrointen ymmärrettävä esiintuominen ylittää kandidaatintyön laajuuden.
7 3 AJONEUVOJEN MALLINTAMINEN
Ajoneuvojen mallintaminen on pohjimmiltaan yksinkertaistamista. Monimutkaisia muotoja ja jäykkyyksiä redusoidaan tietyt materiaali- ja inertiaominaisuudet sisältäviksi palkeiksi tai laatikoiksi, renkaat redusoidaan funktioiksi ja voimansiirto momentti- ja pyörimisnopeuskäyriksi. Monesti saman ilmiön tai komponentin toteuttamiseen on useita tapoja. Kulloinkin sopivin tapa riippuu siitä, mitä halutaan selvittää. Kuvat 7-10 esittelevät erilaisia tapoja mallintaa henkilöauton jousitus.
Kaikkia alla olevia voidaan käyttää simuloimaan ajoneuvon kallistumista kaarreajossa. Sopivin malli riippuu lähtötiedoista ja niiden mitattavuudesta.
Esimerkiksi esteen yliajoon taas ei alla olevista malleista sovellu ainakaan kuvan 8 malli, sillä siitä puuttuu pituussuuntaisen jouston komponentti.
Kuva 7. Jousituksen malli keskittyneiden massojen periaatteen mukaan. [7]
8
Kuva 8. Jousituksen malli ekvivalentin kallistusjäykkyyden periaatteen mukaan. [7]
Kuva 9. Jousituksen malli heiluriakselein toteutettuna. [7]
9
Kuva 10. Jousituksen malli kaikki nivelet, tukivarret ja kallistuksenvakaajat mallinnettuna. [7]
Autopelillä tai pelisimulaattorilla tarkoitetaan tässä työssä sovellusta, jota myydään tai jaetaan huokeaan hintaan kotikäyttöön lähinnä pc:lle. Tuntomerkkejä ovat pitkälle viety grafiikka ja sitä myötä komea ulkonäkö (kuva 11) sekä reaaliaikalaskentaa varten voimakkaasti kevennetty laskenta-algoritmi. Tämä mahdollistaa ajoneuvojen mallintamisen kokonaisina, moninpelit, vaihtuvat säät sekä monet muut ajamista hankaloittavat virikkeet.
Kuva 11. Kuvakaappaus NetKar Pro -simulaattoripelistä. [18]
10
Tuotekehityssimulaattorilla sen sijaan tarkoittaa autojen tai koneiden kehityksessä ja analysoinnissa käytettävää kaupallista tai joissain tapauksissa itse kehitettyä ohjelmistoa, jolla pystytään mallintamaan ajoneuvon rakenne tarvittavilta osin.
Visualisointi ei ole pääasia (kuva 12), eikä kaikkea tarvitse laskea reaaliajassa.
Tärkeintä on sen sijaan saada tarkkoja tuloksia valitusta mitattavasta ominaisuudesta, kuten ajokäytöksestä ja rengasvoimista.
Kuva 12. Raskaan kaluston ajoneuvon ADAMS-malli. [19]
Ennen kuin tarkastellaan ajoneuvojen mallinnusta osakokonaisuuksittain tai komponenteittain, uhrataan hetki törmäysten simuloinnille. Autotehtaat simuloivat kolaritestejä FE-analyysein selvittääkseen korirakenteen käyttäytymisen törmäystilanteessa. Kaupalliset monikappaledynamiikkaohjelmistot ovat turhan kankeita korirakenteen siirtymien tarkasteluun esimerkiksi EuroNCAP- törmäystestissä, sillä laskenta täytyy kuitenkin tehdä käytännössä FE-menetelmää hyödyntäen. Sen sijaan autopeleissä törmäysten mallinnukseen nähdään runsaasti vaivaa. Tapoja toteuttaa törmäyksiä on useita, mutta yleisimpiä tapoja ovat rangaistusvoimien käyttö ja mahdollisten kontaktien rajoittaminen vain ajoneuvon lähellä oleviin esteisiin. Varsinaisia rakenteen joustoja ei törmäyksissä huomioida, vaan illuusio vaurioista luodaan grafiikalla ja ajo-ominaisuuksien muuttumisella jollain sopivaksi katsotulla tavalla. [1,3]
11 3.1 RUNKO JA KORI
Ajoneuvon runko mallinnetaan dynaamisissa simuloinneissa hyvin usein jäykkänä kappaleena. Sovelluksesta riippuen se voi yksinkertaisimmillaan olla vain jotenkin visualisoitu ”laatikko”. Toisaalta esimerkiksi runko-ohjatuissa työkoneissa täytyy malli muodostaa vähintään kahdesta jäykästä kappaleesta ja niiden välisestä nivelestä.
Dynaamista simulointia varten täytyy joka tapauksessa selvittää rungon, korin osien tai koko ajoneuvon massakeskipiste, massa ja inertiaominaisuudet.
Runko voidaan laskea joustavana kappaleena. Tämä kuitenkin kasvattaa tarvittavan laskentatehon määrää etenkin reaaliaikalaskennassa. Tuotekehityksessä ajoneuvon rungon ominaistaajuudet ja kuormitustilanteen jännitykset selvitetään monesti erillisellä FE-laskennalla (kuva 13) joko simuloitujen kuormitustilanteiden pohjalta tai sijoittaen FE-analyysin tulokset simulointimalliin. Syyt työnjakoon vaihtelevat. Kyse voi olla laskentatehon puutteesta tai siitä, että rakenteiden hyväksyttämistä varten täytyy kuitenkin tehdä erinäisiä lujuusopillisia tarkasteluja. Joissain tapauksissa, kuten kuorma-autojen tikapuurungon kohdalla tulokset voivat olla riittävän tarkkoja rungon jäykkyyden rankoilla yksinkertaistamisilla, esimerkiksi laittamalla kahden jäykän kappaleen väliin vääntöjousi. [7,9,10]
Kuva 13. Ajoneuvon raakakorin elementtimalli. [7]
Autourheilupeleistä rungon joustavuutta pyrkivät kuvaamaan hyvin harvat. Tämä on linjassa sen kanssa, että todellisuudessa kilpa-autojen rungoista pyritään saamaan
12
mahdollisimman jäykkiä hallitsemattomien joustojen eliminoimiseksi. BeamNG – yhtiön vielä kesken oleva reaaliaikainen fysiikkamoottori Cryengine 3 on varsin kehittynyt auton rungon joustojen mallintamisessa. Kappaleiden joustot on viety hyvin pitkälle, sillä demovideoissa autojen rungot ja peltiosat kokevat jopa plastisia muodonmuutoksia (kuva 14). [11,12]
Kuva 14. Plastisia muodonmuutoksia Cryengine 3 simulaattorilla kuvattuna. [12]
Nykypäivänä ajoneuvon korin aerodynamiikka on yhä tärkeämpää mm.
polttoainetalouden osalta. Toisaalta kilpa-autoissa erilaisilla spoilereilla pystytään tekemään huomattaviakin muutoksia ajoneuvon ajokäyttäytymiseen. Simuloinnissa aerodynamiikka on jätetty vähemmälle. Merkittävänä syynä on ollut virtauslaskentaohjelmien runsas laskentatehontarve. Tuotekehityksessä aerodynamiikkaan liittyvät asiat ratkotaan usein tuulitunnelissa. Pelimaailmassa aerodynamiikkaa yksinkertaistetaan rankasti juuri laskentatehon riittämättömyyden takia. Varsinaisen virtausmallin liittäminen peliin olisi toivotonta, joten spoilereiden vaikutus mallinnetaan monesti nopeuden mukaan muuttuvalla alaspäin painavalla voimalla ja ilmanvastus liikettä vastustavalla voimalla. Samasta syystä spoilereita ei myöskään mallinneta joustavina, vaikka ne todellisuudessa joustavat huomattavasti.
Aerodynamiikan vauriot mallinnetaan usein on/off -tyyppisesti; siipi joko painaa autoa alaspäin tai sitten se puuttuu kokonaan. [7,11]
13 3.2 VOIMANSIIRTO
Tuotekehityksen ajoneuvon käytökseen liittyvissä simulaatioissa käytetään monesti vakionopeutta, jolloin vaihteistoa ei tarvita. Autourheilusimulaattorissa taas vaihteiden vaihtaminen ja moottorin optimaalisen tehoalueen käyttäminen on yksi tärkeimmistä realismiin vaikuttavista tekijöistä. Vaihteiston kuvaaminen on sinänsä yksinkertaista, eri vaihteille annetaan vain erilaiset kokonaisvälitykset. Useissa peleissä voi valita automaattisen vaihteiston, mutta tämä tarkoittaa käytännössä vain tekoälyn käyttämää käsivalintaista vaihteistoa. Perinteisten momentinmuuntimella varustettujen vaihteistojen simuloinnista ei juuri löydy mainintoja ainakaan pelipuolelta. [10,11]
Helpoin tapa mallintaa polttomoottorin moniosainen voimansiirto on luoda vetäviin renkaisiin vaikuttava momenttikäyrä kierrosluvun suhteen yhdellä vakiona pysyvänä kokonaisvälityksellä. Tällaista ratkaisua pystytään käyttämään vain yksinkertaisissa ajotilanteissa, sillä se ei kuvaa tasauspyörästöä. Monimutkaisissa ajodynaamisissa tarkasteluissa ja varsinkin ajosimulaattoreissa tasauspyörästöjen lukot joudutaan kuvaamaan jotenkin, sillä ne harvoin ovat täysin lukittuja ja autourheilussa tuskin koskaan kokonaan auki. Tällöin vääntökäyrä (kuva 15) asetetaan vaikuttamaan esimerkiksi kardaaniakseliin, vaihteiston jälkeen. [10,11]
Kuva 15. Polttomoottorin tuottama teho ja vääntö pyörimisnopeuden funktiona, esimerkkikäyrä. [20]
14
Yksi pisimmälle vietyjä tasauspyörästön malleja on Richard Burns Rallyssa, jossa nelivetoautojen kaikki 3 tasauspyörästöä ovat säädettävissä kaasupolkimen asennon mukaan, kuten 2000-luvun alun WRC-autoissa oli. Lähestulkoon kaikissa simulaattoreiksi kelpuutettavissa peleissä on mallinnettu ainakin kitkalukko, joka lukitsee tasauspyörästöä pyörintänopeuden eron mukaan. [10,11]
3.3 PYÖRÄNTUENTA, JOUSITUS JA ISKUNVAIMENNUS
Variaatiot jousituksen ja pyöräntuennan simuloinnissa ovat lähinnä variaatioita mallinnustavoissa. Eri peleissä simuloidaan esimerkiksi erilaisia tukivarsiratkaisuja.
Mallinnettavat ilmiöt ovat ymmärrettävästi aina samanlaisia, sillä jousituksen jousivakiota tai iskunvaimennusta ei voi jättää poiskaan. Iskunvaimenninta ei käsitellä sen todellisesta toimintaperiaatteesta huolimatta virtausta simuloimalla, vaan se yksinkertaistetaan funktioiksi, josta esimerkkinä kuva 16. Iskunvaimentimien parametrit ovat useissa peleissä suoraan säädettäviä ainakin keskialueen vaimennuksen ja nopean, ns. ”fast bump” –alueen vaimennuksen osalta. [10,11]
Kuva 16. Iskunvaimentajan tuottaman voima liikenopeuden funktiona, esimerkkikäyrä. [10]
Tuotekehityksessä jousituksia simuloidaan hyvin useasti esimerkiksi ajoneuvon neljännesmallilla tai etu- ja taka-akselin erillisellä tarkastelulla. Kaupallisista ohjelmistoista ainakin ADAMS/Car:ssa on Suspension Test Rig eli niin sanottu jousitustestauspenkki (kuva 17) sitä varten. Neljännesmallilla voidaan helpohkosti tutkia jousituksen käyttäytymistä esimerkiksi antamalla pyörälle herätettä testipenkin
15
alustalla. Kokonaisien ajoneuvojen jousitusta voidaan tarkastella Test Rigillä, kuten alla, tai simuloida ajoneuvoa tiellä. Tie voi olla tasainen tai röykkyinen, josta lisää asiaa tuonnempana. [7,13]
Kuva 17. Puoliperävaunurekan jousituksen simulointimalli. [15]
Pyöräntuennan tukivarret ja linkkitangot ajatellaan yleensä jäykiksi. Näiden käsitteleminen joustavana on kuitenkin mahdollista siinä, missä muidenkin osien.
Kallistuksenvakaajat, jotka tekevät työtään nimenomaan joustamalla, käsitellään usein yksinkertaistettuna ongelmana varsinaisen vääntösauvan sijaan. Kumipuslat voidaan ADAMS-ohjelmassa mallintaa parametrisellä Bushing –elementillä, mikä on kätevää kumipuslien voimakkaan epälineaarisen käytöksen takia. [7,13]
3.4 RENKAAT
Renkaiden tuotekehitys tehdään pitkälti FEM -mallien ja prototyyppitestauksen avulla. Nokian Renkaat esimerkiksi ei simuloi tuotteitaan monikappaledynamiikkaa hyödyntäen. Vastaavasti kokonaisen ajoneuvon simuloinnissa ei voida käyttää täysin joustavaa rengasmallia sen hillittömän laskentatehontarpeen takia, FEM- mallissa voi olla jopa 100000 vapausastetta. Renkaiden ja ajoneuvojen tuotekehitys on tässä asiassa toistaiseksi kovin kaukana toisistaan. Kuten teoriaosuudessa todettiin, ajoneuvoteollisuuden simuloinneissa rengas on kuitenkin elintärkeä ja
16
usein eniten harmaita hiuksia aiheuttava osa, sillä ajoneuvon käyttäytymistä ääritilanteissa ei voida tutkia ilman tiekosketuksen mallintamista.
Ajoneuvosimulointia keventämään on kehitetty useita renkaita kuvaavia malleja, joita on pyritty vahvistamaan erilaisin mittauksin. Tunnetuin renkaan ominaisuuksien sovite on Pacejka Magic Formula, jonka kehitystä ainakin Michelin on tukenut mittauksin. Magic Formulan eri kehitysversioita taas on sovellettu eri rengasmalleihin, kuten 3D-Tire ja Delft-Tire. [7,10,15]
Ajoneuvosimuloinnissa rengasmallin on kyettävä toteuttamaan renkaan käyttäytyminen riittävän realistisesti. Ajoneuvon käyttäytymisen kannalta se tarkoittaa todellisuutta vastaavien pitkittäisten ja sivuvoimien tuottamista mallille, kun tutkitaan väistöjä, vakioympyrää ja muita kaarreajoja sekä jousituksen toimintaa kiihdytyksessä tai jarrutuksessa. Pystyvoimia tarvitaan lähinnä tutkittaessa rengasta jousituksen osana epätasaisella alustalla.
Työkoneiden renkaista on selkeästi henkilöautojen renkaita vähemmän tietoa ajodynamiikan osalta. Vaikuttaisi, että rengasvalmistajat ovat panostaneet tutkimuksessaan kestävyyteen ajo-ominaisuuksien dokumentoinnin sijaan, mikä on toki luonnollista. Kotimaiset työkonevalmistajat ovat aika ajoin suorittaneet omia ja viritelleet yhteisiä mittauksia nimenomaan ajodynaamisten ominaisuuksien keräämiseksi. Esimerkiksi Patria käyttää ADAMS-ohjelman omaa 3D-mallia, jota voidaan muokata noin 40 parametrilla. Se on säädetty antamaan mittaustulosten kanssa yhteneviä tuloksia. [7,10,13,15,16]
Monet simulaattoripelit käyttävät joko Milliken & Pacejka –rengasmallia tai Pajecka Magic Formulasta johdettua omaa mallia (mm. Forza Motorsport). Kokonaan pelikehittäjien omiakin malleja on, kuten esimerkiksi iRacing:ssa ja Live for Speed:ssa. Rengasmalleihin on yleisesti ottaen kerätty tietoja useilta kilparengasvalmistajilta. Peleissä pyritään tässäkin osa-alueessa realististen tulosten sijaan realistiseen tuntumaan. Pelien renkaat kykenevät kulumaan eri tavoin ja muodostamaan jopa ns. flat spotteja eli lukkojarrutuksen aiheuttamia tasaisia kohtia.
Ne kykenevät käyttäytymään eri tavalla rengaspaineen tai lämpötilan muuttuessa.
Edistyneimmissä malleissa radan ulkopuolelta renkaisiin tarttunut lika huonontaa pitoa, kunnes se kuluu pois renkaan pinnasta. [11]
17 3.5 TIE JA MAASTO
Yksinkertaisimmillaan tie on vain kaksiulotteinen ja jäykkä taso, jolla on jokin kitkakerroin renkaan kanssa. Vierintävastus jätetään tarvittaessa rengasmallin ratkaistavaksi. Useissa ajoneuvokehityksen standarditapauksissa, kuten kaistanvaihtokokeessa ja vakiosäteisessä kaarroksessa kitkallinen taso onkin täysin riittävä. Jousitustarkasteluja varten on kehitetty erilaisia tie- ja testikenttäprofiileja.
Yleisesti käytössä ovat ainakin ”rough road” ja ”smooth road” – mallit. Työkoneiden tapauksessa näillä pyritään selvittämään esimerkiksi kuljettajan kehoon kohdistuvia herätteitä. [3,7,15]
Tuotekehityksessä, kuten jousituksen suunnittelussa ja ajomukavuustarkasteluissa, tarvitaan erilaisia pinnanmuotoja. Kitkakerroin pidetään yleensä vakiona, renkaan ja kuivan asfaltin välisenä. Kitkakertoimet määritetään monesti mittaamalla tai rengastehtaiden tarjoamaa tietoa hyödyntäen. Monimutkaisimmissa tapauksissa tie voidaan tehdä elementtimenetelmää hyödyntäen. Näin muodostettua profiilia käyttäen voidaan tutkia esimerkiksi kaivosdumpperin jousituksen käyttäytymistä kaivoksen rampeissa. Elementeille voi antaa erilaisia kitkakertoimia, jolloin voidaan tarkastella esimerkiksi käyttäytymistä kaarreajossa märältä asfaltilta kuivalle tultaessa tai jarrutusta toisen puolen pyörät jäällä. [3,7,9,10]
Autourheilupeleissä taas tarvitaan erilaisia pintoja märästä asfaltista lätäkköineen aina pehmeään soraan, lumeen ja jopa jäähän realistisen kokemuksen luomiseksi.
Kaikkia alustan pehmeyksiä ja esimerkiksi urien muodostumista ei kuitenkaan yleensä mallinneta, vaan renkaalle annetaan isompi vierintävastuksen tai sivuttaispidon arvo. Tarkimmin asiaan vihkiytyneissä peleissä, kuten Richard Burns Rallyssa, on 132 eri pintaa tai maastoelementtiä, joilla on omat pinnan paksuuden, tiheyden ja viskositeetin parametrit. Lisäksi useissa rata-ajopeleissä, kuten GT Legendsissä ja rFactorissa, on kitkakertoimen muutoksilla mallinnettu öljyläikkiä ja irronneita kuminpalasia. Tiet sisältävät korkeuseroja, kuoppia ja hyppyjä. [11]
18
Sotilasajoneuvoja, traktoreita ja metsäkoneita varten on tutkittu deformoituvan maaperän mallintamista monikappaledynamiikan keinoin (kuva 18) ainakin Lassi Partasen diplomityössä. Parametrejä on selvitetty maakerrosten jäykkyyttä ja vaimennusta mittaamalla ja rengasmallina on käytetty Pacejkan Magic Formulaa.
[17]
Kuva 18. Osittain deformoituvan maaperän 2D-malli ADAMS-ohjelmalla toteutettuna. [17]
Työ on tehty 2002 ja siinä on silloisen laskentatehon takia pitäydytty 2D-analyysissa.
Nyttemmin voisi olla perusteltua tutkia rengaskontaktia kolmiulotteisesti. Ainakaan Patria Land & Armament ei tuotekehityksessään käytä vielä tällä hetkellä joustavaa maastomallia [16].
19 4 YHTEENVETO
Pelisimulaattorin tärkein tavoite on realistinen tuntuma. Lisäksi etuja ovat pelaajaa koukuttava haaste ja viihde. Tuotekehityssimulaattorissa tärkein tavoite taas on hyödyntämiskelpoinen tulos. Näkyvin ero on visualisoinnissa, mutta mallinnettavat ilmiöt sekä tapa mallintaa niitä eroavat myös monilta osin. Mallinnuksen pääpiirteet on koottu seuraavan sivun taulukkoon 1 tuoden esiin yleisin tapa tai muuten voimakkaasti yleistäen.
Tulevaisuuden ennakointi on aina arvailua, mutta koko lailla varmoja voidaan olla ainakin siitä, että käytettävissä oleva laskentateho jatkaa kasvuaan. Tämä tarkoittaa pelisimulaattorien osalta luultavasti sitä, että mallinnettavien detaljien ja ilmiöiden määrä lisääntyy. Yhä useampien osien mallintaminen joustavana reaaliajassa alkaa olla esimerkkien perusteella jo mahdollista, joten sitä soisi tulevan lisää peleihin.
Tuotekehityksessä lisääntynyt laskentateho mahdollistaa isompien kokonaisuuksien analysoinnin kerralla tai vaihtoehtoisesti pienempien kokonaisuuksien simuloinnin reaaliajassa esimerkiksi testihenkilön ajamana. Sekä pelien että tuotekehityksen laskennassa olisi syytä panostaa algoritmien keventämiseen. Tässä puolessa pelinkehittäjät ovat reilusti edellä. On kuitenkin muistettava, että tuotekehittäjillä tuloksen oikeellisuus ja tarkkuus on etusijalla.
20
Taulukko 1. Pelisimulaattoreiden ja tuotekehityssimulaattoreiden yhtäläisyydet ja erot.
Ominaisuus Pelisimulaattorit Tuotekehityssimulaattorit
Kori useimmiten jäykkä, hyvin
harvoin joustava
useimmiten jäykkä,
mahdollisesti redusoitu jousto tai jopa FE-malli rungosta
Renkaat useimmiten Pacejka MF:stä
johdettu rengasmalli, lämpötilan ja paineen vaihtelut sekä kuluminen mallinnettu yksinkertaistaen
useimmiten Pacejka MF:stä johdettu rengasmalli
Tukivarret erilaiset tukivarsiratkaisut, mallinnettu useimmiten kokonaan
erilaiset tukivarsiratkaisut joko kokonaan mallinnettuna tai tarkoitusta varten redusoituna
Puslat usein jäykkiä, kuten kilpa-
autoilussa on tapana
bushing –elementti kumipuslille (epälineaarinen kumi)
Jouset progressiivinen jousi,
mahdollisesti apujouset
progressiivinen tai vakio jousielementti, joskus redusoitu pois kokonaan
Iskunvaimentimet progressiivinen vaimennus progressiivinen vaimennus, joskus redusoitu pois
Moottori teho- ja vääntökäyrät
kierrosluvun mukaan
teho- ja vääntökäyrät
tarvittaessa, usein ei käytössä Vaihteisto manuaalivaihteisto, useita eri
välityksiä
harvoin käytössä, usein simuloinnit yhdellä kokonaisvälityksellä Voimansiirto vaihteiston lisäksi ainakin jollain
tasolla säädettävät tasauspyörästöt ja lukot edessä, takana ja keskellä vetotavasta riippuen
tasauspyörästö mahdollisesti lukittuna, useissa analyyseissa voidaan jättää pois
Ajoalusta tiet, radat, ojat, hypyt, eri pinnat urineen ja kitkoineen
tie, taso, kuoppa, yleensä vakio pinta ja kitka
Vauriomallinnus visuaaliset vauriot,
ominaisuuksien heikkeneminen
tarvittaessa FE-analyysi, useimmiten ei mitään
21 LÄHTEET
[1] Mikkola Aki. 2002. Luentomateriaali; Mekatronisen koneen simulointi.
[2] Rouvinen Asko. 2003. Mekanismien dynamiikan simuloinnissa sovellettavia numeerisia- ja mallinnusmenetelmiä. Tutkimusraportti.
[3] Eichberger Arno. 2011. Luentomateriaali; Cax in Automotive and Engine Technology. Chapter: Simulation in Active and Passive Vehicle Safety.
[4] DragRacingTV.com. 2010. Valokuva. Saatavissa:
http://www.cruisewestcumbria.co.uk/forum/index.php?showtopic=33373&st=120, viitattu 21.11.2012.
[5] Formula 1.com. 2005. Barcelona – tyre dynamics and deformation. Saatavilla:
http://www.formula1.com/news/technical/2005/736/110.html, viitattu 26.11.2012.
[6] Beckman Brian. 2001. The Physics of Racing, Part 21: The Magic Formula:
Longitudinal Version. Saatavilla: phors.locost7.info/phors21.htm, viitattu 26.11.2012.
[7] Blundell Michael, Harty Damian. 2004. Multibody Systems Approach to Vehicle Dynamics. Society of Automotive Engineers, Inc. 509 s. s. 131-394
[8] Van Gaal Ruud. 2010. Pacejka’s Magic Formula. Saatavilla:
www.racer.nl/reference/pacejka.htm, viitattu 26.11.2012.
[9] Sandvik Mining and Construction, Rantala Esa. 2011. Haastattelu.
[10] Kaijalainen Osku. 2009. Luentomateriaali; Ajoneuvomallinnus.
[11] Comparison of racing simulators. 2010. Saatavissa:
gaming.wikia.com/wiki/Comparison_of_racing_simulators, viitattu 15.11.2012
[12] BeamNG. 2012. Yritysesittely, CryEngine3 kehitysesimerkit. Saatavissa:
www.beamng.com, viitattu: 26.10.2012.
22
[13] MSC.Software. 2007. MD ADAMS Car R2 Course Notes.
[14] Yong Yang, Weiqun Ren, Liping Chen, Ming Jiang, Yuliang Yang. 2007. Study on ride comfort of tractor with tandem suspension based on multi-body system dynamics. Applied Mathematical Modelling 33 (2009) s. 11–33
[15] Sandvik Mining and Construction, Vento Arto. 2012. Haastattelu.
[16] Patria Land & Armament, Niskanen Mikko. 2012. Sähköpostihaastattelu.
[17] Partanen Lassi. 2002. Deformoituvan maaperän mallintaminen ajoneuvosimulointiympäristöön. Diplomityö. TKK. 97 s. s. yy-zz
[18] NetKar Pro. 2005. netKar Pro Gallery. Saatavissa: http://www.netkar- pro.com/gallery.htm, viitattu 12.12.2012
[19] Lehessaari Mikko. 2007 Moduuliyhdistelmän stabiliteetin parantaminen renkaiden avulla. Diplomityö. TKK. 107 s. s. 62
[20] Volkswagen Group. 2009. Audi 2,7 litre V6 TDI engine specs. Saatavissa:
http://murobbs.plaza.fi/yleista-keskustelua/402327-tehon-ja-vaannon-ero-7.html, viitattu 12.12.2012
