[natuurkunde] differentiaalvergelijkingen van een veersysteem

Moderators: ArcherBarry, Fuzzwood

Berichten: 89

[natuurkunde] differentiaalvergelijkingen van een veersysteem

http://www.wetenschapsforum.nl/index.php?showtopic=82135

VERGEET ALLES UIT HET BOVENSTAANDE TOPIC!!

Ik zal de opgave even helemaal neerzetten, want ik heb behoorlijk wat verkeerde informatie gegeven en ben er nog steeds niet uit!

We willen differentiaalvergelijkingen opstellen die de reactie van het veersysteem van een autowiel op het wegdek geven. Dit kunnen we doen door te kijken naar de krachten die er op werken!

Hieronder een afbeelding van het veersysteem:

Afbeelding

Het is dus een gekoppeld systeem met twee gedempte veren: de band en de wielophanging.

De weg is sinusvormig (amplitude 5 centimeter en periode 20 meter)

We beperken ons alleen tot de verticale krachten; andere krachten (rotatie, horizontale) verwaarlozen we.

Op de naaf van het wiel werken de volgende krachten:

de veerkracht van de band

de demping van de band

de veerkracht van de wielophanging

de demping van de wielophanging

de zwaartekracht

Op de auto werken de volgende krachten:

de veerkracht van de wielophanging

de demping van de wielophanging

de zwaartekracht

De dempingskrachten van beide veren zijn evenredig en tegengesteld aan de snelheid waarmee de lengte van de veer verandert. (evenredigheidsconstantes d-band en d-ophanging).

De veerkrachten van beide veren zijn ook evenredig en tegengesteld aan de uitwijking van die veer. (evenredigheidsconstantes v-band en v-ophanging).

Overige gegevens:

gewicht wiel: 10 kg

gewicht van auto op dit wiel: 250 kg

zwaartekrachtsconstante: 10 N/kg

Vraag: Hoe zien de diffenrentiaalvergelijkingen er voor dit veersysteem uit? Ik hoop dat iemand me goed op weg kan helpen!

Berichten: 89

Re: [natuurkunde] differentiaalvergelijkingen van een veersysteem

Ik zal vast zeggen hoe ik ben begonnen: We moeten een krachtenbalans maken!

Krachten omhoog gericht zijn:

veerkracht ophanging

demping ophanging

Krachten naar beneden gericht zijn:

zwaartekracht op auto

zwaartekracht op naaf van het wiel

veerkracht band

demping band

veerkracht ophanging

demping ophanging

Vervolgens ga ik deze krachten uitdrukken in x en afgeleiden van x. Dat is toch de juiste weg? We vullen de gegevens nog even niet in. Dat doe ik aan het eind.

zwaartekracht op auto = mx''

zwaartekracht op naaf van het wiel = mx''

veerkracht band: (v-band)x

veerkracht ophanging: (v-ophanging)x

demping band: (d-band)x'

demping ophanging: (d-ophanging)x'

Ik heb nu toch alle krachten? Moet ik hier nu 1 differentiaalvergelijking van maken met links de krachten omhoog en rechts de krachten naar beneden? Of hebben we meerdere differentiaalvergelijkingen? Er lijken nu ook dingen tegen elkaar weg te vallen. Dat lijkt me niet de bedoeling eigenlijk! Kunnen jullie me enigszins op de rails helpen? Hoe betrek ik het sinusvormige wegdek in mijn balans?

Berichten: 4.246

Re: [natuurkunde] differentiaalvergelijkingen van een veersysteem

Eerst maar 's simpel beginnen:
1.jpg
1.jpg (92.25 KiB) 647 keer bekeken
Quitters never win and winners never quit.

Berichten: 4.246

Re: [natuurkunde] differentiaalvergelijkingen van een veersysteem

Nu een wegdekprofiel:
DV.jpg
DV.jpg (37.25 KiB) 639 keer bekeken
Quitters never win and winners never quit.

Berichten: 89

Re: [natuurkunde] differentiaalvergelijkingen van een veersysteem

Ik heb het gelezen, maar kom niet echt veel verder. Ik ben dus een krachtenbalans aan het maken en als ik alle krachten omhoog links zet en alle kracht naar beneden rechts, krijg ik de volgende differentiaalvergelijking:

(v-ophanging)x + (d-ophanging)x' = m(auto)x'' + m(naaf)x'' + (v-band)x + (v-ophanging)x + (d-band)x' + (d-ophanging)x'.

Dit klopt toch? Volgens mij moet ik alleen het wegdek hierin nog verwerken! Maar hoe pas ik mijn differentiaalvergelijking hierop aan?

Berichten: 4.246

Re: [natuurkunde] differentiaalvergelijkingen van een veersysteem

Volgens mij moet ik alleen het wegdek hierin nog verwerken! Maar hoe pas ik mijn differentiaalvergelijking hierop aan?
Dat staat toch in mijn tweede post?
Quitters never win and winners never quit.

Berichten: 89

Re: [natuurkunde] differentiaalvergelijkingen van een veersysteem

Sorry, dan begrijp ik je oplossing niet! Want ik zie staat y, u, fasehoek, etc... Dat heb ik toch niet nodig?

moet ik de stationaire oplossing gewoon rechts van de differentiaalvergelijking optellen? Ik moet oplossen naar x! Heb ik dan nog y en u nodig? Sorry, misschien lijkt het dom, maar kun je dan misschien zeggen hoe mijn uiteindelijke differentiaalvergelijking eruit moet zien?

Gebruikersavatar
Berichten: 9.240

Re: [natuurkunde] differentiaalvergelijkingen van een veersysteem

je moet de eerste differentiaal nemen van het wegdek, dat is de extra kracht op de wielen. Als de snelheid constant is tenminste.

Dus dan heb je 'je differentiaal vergelijking' = F(x).

Als het wegdek stijl is, is de extra kracht groot (dus op x=0 is er een maximum) als het wegdek stijl naar beneden is, is de kracht negatief.

Berichten: 89

Re: [natuurkunde] differentiaalvergelijkingen van een veersysteem

DePurpereWolf schreef:je moet de eerste differentiaal nemen van het wegdek, dat is de extra kracht op de wielen. Als de snelheid constant is tenminste.

Dus dan heb je 'je differentiaal vergelijking' = F(x).

Als het wegdek stijl is, is de extra kracht groot (dus op x=0 is er een maximum) als het wegdek stijl naar beneden is, is de kracht negatief.
Oke, maar dan wordt mijn dv:

(v-ophanging)x + (d-ophanging)x' = m(auto)x'' + m(naaf)x'' + (v-band)x + (v-ophanging)x + (d-band)x' + (d-ophanging)x' + A sin (2pi (x gedeeld door l)

waarbij l is de periode en a de amplitude!

Klopt dit? Zo nee, welke foutje zit er nog in? En volgens mij vallen er nu ook dingen links en rechts tegen elkaar weg, of niet?

Berichten: 7.068

Re: [natuurkunde] differentiaalvergelijkingen van een veersysteem

Zo denk ik dat het moet:

Massa z = de auto.

Massa y = de naaf.

x is het wegdek.

veer 1 zit tussen de auto en de naaf.

veer 2 zit tussen de naaf en het wegdek.

Voor de massa (= mz) die de auto is geldt:
\(m_z \ddot{z} = c_1 (y - z) + k_1 (\dot{y} - \dot{z}) + m_z g\)
waarbij:
\(m_z \ddot{z}\)
= de totale kracht op de auto.
\(c_1 (y - z)\)
= de kracht die de veer op de auto uitoefend. Let op! x en z zijn zo gedefinieerd dat ze nul zijn als alle veren in rusttoestand zijn.
\(k_1 (\dot{y} - \dot{z})\)
= de kracht die de demping veroorzaakt.
\(m g\)
= de zwaarte kracht.

Voor de massa (= my) die de naaf is geldt:
\(m_y \ddot{y} = c_1 (z - y) + k_1 (\dot{z} - \dot{y}) + m_y g + c_2 (y - x) + k_2 (\dot{y} - \dot{x})\)
waarbij:
\(m_y \ddot{y}\)
= de totale kracht op de naaf.
\(c_1 (z - y)\)
= de kracht die de veer op de naaf uitoefend. Deze is natuurlijk precies tegengesteld aan de kracht die de veer op de auto uitoefend.
\(k_1 (\dot{z} - \dot{y})\)
= de kracht die de demping veroorzaakt.
\(m g\)
= de zwaarte kracht.
\(c_2 (y - x)\)
= de kracht die de onderste veer op de naaf uitoefend.
\(k_2 (\dot{y} - \dot{x})\)
= de kracht die de demping veroorzaakt.

Berichten: 89

Re: [natuurkunde] differentiaalvergelijkingen van een veersysteem

Dank je! Ik ben deze middag alweer heel ver gekomen. Ik zit alleen nog even met het wegdek. Het wegdek heeft de vorm van een sinusfunctie, waarvan de amplitude 0.05 meter is en de periode 20 meter. Moet ik x vervangen door 0,05 Sin (Pi/10)? Kan iemand me daar nog even mee helpen? Want ik moet dat wegdek toch ergens in die dv kwijt?

Berichten: 7.068

Re: [natuurkunde] differentiaalvergelijkingen van een veersysteem

Moet ik x vervangen door 0,05 Sin (Pi/10)?
Ga je er dan nog wel even een tijdsafhankelijkheid instoppen? :D

Berichten: 89

Re: [natuurkunde] differentiaalvergelijkingen van een veersysteem

Ga je er dan nog wel even een tijdsafhankelijkheid instoppen? :D
Kijk, ik snap het dus niet! x is de positie van het wegdek, maar die positie hangt inderdaad af van de tijd... Hoe verander je dan concreet de dv?

Moet ik dus x vervangen door 0,05 Sin (pi/10 t)? En x' kan ik die gewoon laten staan?

Berichten: 7.068

Re: [natuurkunde] differentiaalvergelijkingen van een veersysteem

Kijk, ik snap het dus niet! x is de positie van het wegdek, maar die positie hangt inderdaad af van de tijd... Hoe verander je dan concreet de dv?
De plek op het wegdek hangt af van de tijd (via de voorwaartse snelheid van de auto). De plek op het wegdek hangt samen met de hoogte van het wegdek op die plek (dit is x). De hoogte hangt dus af van de tijd.
En x' kan ik die gewoon laten staan?
Nee, want dat is de afgeleide van x naar de tijd...

Berichten: 89

Re: [natuurkunde] differentiaalvergelijkingen van een veersysteem

Oke, dus ter bevestiging:

Ik vul voor x overal 0,05 sin (pi/10 t) in. En voor x' vul ik de afgeleide van het hiervoor genoemde in... Dan klopt het? Dank voor je toelichting tot dusver!

Reageer