8x8 AĞIR TİCARİ TAŞIT HİDROPNÖMATİK SÜSPANSİYON SİSTEMİNİN MODELLENMESİ

Transkript

1 OTEKON Otomotiv Tekolojileri Kogresi 6 7Mayıs 014, BURSA 8x8 AĞIR TİCARİ TAŞIT HİDROPNÖMATİK SÜSPANSİYON SİSTEMİNİN MODELLENMESİ Kahrama Küçük *, Hükar Kemal Yurt **, Kutluk Bilge Arıka ***, Hüseyi İmrek **** * Hidroko Koya Hidrolik Mak. Sa. Tic. Ltd. Şti., KONYA ** Ekse Mühedislik, İSTANBUL *** Atılım Üiversitesi, Mühedislik Fakültesi, Mekatroik Müh. Böl., ANKARA **** Selçuk Üiversitesi, Mühedislik-Mimarlık Fakültesi, Makie Müh. Böl., KONYA ÖZET Bu çalışmada, 8x8 sürüş yeteeği ola, teleskobik bomlu viç taşıyıcısı ağır ticari vasıtaı hidro-pömatik (HP) süspasiyo sistemii matematiksel modeli ve ilgili bezetimler aktarılmıştır. Çoğulukla arazi koşullarıda çalışa araçlarda, ağır ticari vasıtalarda ve askeri araçlarda kullaıla HP süspasiyou yay ve söümleyici etkileri ayrı ayrı modellemiş, taşıt üzerideki etkileri 1/8 taşıt modeli ve çoklu gövde diamiği esaslarıa göre MSC ADAMS Car yazılımı ortamıda da matematiksel model kurulmuştur. Elde edile modeller ve bezetimler süspasiyo sistemii aaliz ve optimizasyoları içi temel oluşturmaktadır. Aahtar kelimeler: Ağır Ticari Vasıta, Hidropömatik Süspasiyo, Modelleme, Bezetim ABSTRACT I this study, modelig ad simulatio of the hydro-peumatic (HP) suspesio system of a 8x8 mobile crae heavy-duty vehicle is briefly reported. Sprig ad damper effects of the HP suspesio system which is mostly employed i off-road, heavy duty ad military vehicles, are modeled seperately ad implemeted o 1/8 vehicle model ad MSC ADAMS Car multibody dyamical model. Geerated model structures will be used for suspesio optimizatio ad cotroller desig purposes. Keywords: Heavy-duty vehicle, Hydropeumatic Suspesio, Modelig, Simulatio 1. GİRİŞ Bu bildiriye kou ola sistem, Türkiye de ilk kez üretile 8x8 çekişli, özel dümeleme sistemie ve HP süspasiyolara sahip 48 to ağırlığıda mobil bir viçtir. Bu bildiride, TÜBİTAK tarafıda desteklee No. lu proje kapsamıda üretilecek bu taşıtı süspasiyo sistemii matematiksel modeli üzerie yapıla çalışmalar aktarılmıştır. HP süspasiyo (HPS) sistemi, hidrolik silidirler, akümülatörler ve hidrolik valflerde oluşmaktadır[1-6]. Klasik süspasiyo sitemlerideki damper ve yay etkileri, HP süspasiyo sistemide, sırasıyla hidrolik silidir ve akümülatör tarafıda sağlamaktadır. HPS sistemi, geleeksel yay ve damperde oluşa süspasiyolarla karşılaştırıldığıda farklı yüklerde yüksek kofor sağlaması ve platform deetimi gibi öemli avatajlara sahiptir. Acak yüksek maliyeti dezavataj olarak görülmektedir [1]. Proje kapsamıda yapıla çalışmalarda, süspasiyo sistemii tasarım ve optimizasyouda kullaılmak üzere matematiksel modeller kurulmuştur. Şekil 1. 8x8 Ağır ticari taşıtı geel görüümü Şekil 1 de suulduğu üzere, bu bildiriye kou ola taşıt sekiz adet HPS sistemie sahiptir. 1/8 taşıt modeli ve MSC ADAMS/Car yazılımı ile tüm taşıt çoklu gövde modeli üzeride HPS diamiği uygulamıştır. Çeyrek taşıt modelleride olduğu üzere [8-10], kurula 1/8 taşıt modelide de tek bir HPS sistemi modellemiş, yolda 1

2 gele bozucu girdilere karşı asılı ve asılı olmaya kütleleri tepkileri bezetimler ile icelemiştir. Tüm HPS sistemlerii taşıt diamiğie etkilerii gözlemlemek ve optimal HPS tasarımı gerçekleştirmek amacıyla ADAMS/Car ortamıda da model kurulmuş, HPS diamiği bu model üzeride de yasıtılmış ve araç üzerideki farklı oktaları yolda gele girdilere karşı tepkileri icelemiştir. Literatürde HPS sistemlerie dair farklı modelleme yaklaşımlarıı içere birçok çalışma mevcuttur[1-6]. HPS, aktif süspasiyo olarak çalışmaya uygu özelliktedir. Bu kouda yapılmış çalışmalar içeriside, doğrusal ve doğrusal olmaya deetim yapılarıı aktif HPS sistemi tasarımı amacıyla kullaıldığı görülmektedir [3]. HPS i modellemeside, literatür taraması ışığıda, sistemi fiziğii daha iyi yorumlayabilmek adıa eerji depolama ve eerji söümleme (yay ve damper etkileri) sebebiyle oluşa kuvvetler ayrı ayrı modellemiş ve toplam etkileri elde edilmiştir. Bildirii devamıda sırasıyla şu başlıklara yer verilmiştir: İkici bölümde HPS ile üretile kuvvetleri matematiksel ifadeleri aktarılmıştır, Üçücü Bölümde HPS modelii de yer aldığı 1/8 taşıt modeli ve ilgili bezetimler aktarılmıştır, soraki bölümde ADAMS/Car modeli ve HPS kuvvetlerii bu model üzeride uygulaması bezetimler ile suulmuştur. Beşici ve so bölümde souçlar değerledirilmiş ve sürmekte ola çalışmalar hakkıda bilgi verilmiştir. Şekil. HPS silidiri ve statik dege koumu Buradaki V 30 statik dege koumudaki akümülatörü içideki havaı hacmii, A p pisto alaıı, politropik gaz sabitii ifade etmektedir. x s ve x u süspasiyou araç üzeride bağlı olduğu oktaları (1/8 taşıt modelide sırasıyla asılı ve asılı olmaya kütleleri pozisyo değişkeleri) statik dege koumu etrafıdaki pozisyolarıı ifade etmektedir. Akümülatördeki basıç değişimi içi ilk olarak statik dege durumudaki basıcı hesaplaması gereklidir. Bu ifade aşağıda suulmuştur.. HPS MATEMATİKSELMODELİ Bu bölümde, HPS sistemii oluşturduğu kuvvetlere ait matematiksel ifadeler suulmuştur. Bu kuvvetler, yay ve söümleyici olmak üzere iki farklı etkii toplamı şeklide modellemiştir. Şekil de suula HPS pistouu hareket geişliği 0.5 m olup, statik dege koumuda yie Şekil de P P 30 atm m s g () A Buradaki P atm atmosfer basıcıı ifade etmektedir. Adyabatik gaz kauu kullaılarak aşağıdaki ifadeler elde edilmektedir. p P 3 V 3 P 3 V 3 (3) 0 0 gösterildiği haliyle yer almaktadır. Şekil 4 üzeride HPS silidirii akümülatör ile bağlatısı ve ara elemaları V 3 basitçe suulmaktadır. P 3 P 3 (4) V Statik dege durumda itibare, pistou yukarı doğru m ve aşağıya doğru da 0.135m lik bir hareket imkâı bulumaktadır. Burada, HPS sistemi akümülatörüdeki hacim değişimi aşağıda verilmiştir. m s g P V atm 30 A p (5) P 3 V V A x x 3 30 p s u (1) V A x x 30 p s u elde edilmiştir. HPS de pisto pozisyoua bağlı değişe kuvvet yay etkisi olarak belirtilmiş ve aşağıdaki ifade ile taımlamıştır. F yay P 3 A p (6)

3 F m g P A V eşitliğiyle verilmiştir. Bu eşitlikte, ζ yerel direç s atm p 30 (7) katsayısıı, A akümülatördeki dar kısmı kesit alaıı yay aka V A x x 30 p s u ifade etmektedir. Bu üç eşitlikteki debi ifadesi yerie; Kouma bağlı olarak değişe etki yay katsayısı Q A p z (1) aşağıda hesaplamıştır. yazılarak deklemler düzelemiş ve damper etkisi ile V A m g P A oluşa kuvvet ifadesi, F df damper, elde edilmiştir. yay 30 p s atm p k (8) gaz 1 d x s x u V A x x 30 p s u 1 A p z l p A p z F damper = ρ A p sig z +ρλ A p sig z C d A orifis D p A bka Pisto deplasmaıa göre F yay kuvvetii değişimi (13) Şekil 3 te gösterilmiştir. + 1 ρζ A p z A p sig z A aka Yukarıda kısaca aktarıla kuvvet bileşelerii toplamı ile HPS i ürettiği kuvvet ortaya çıkmaktadır. F s F yay F damper (14) Şekil 3. F yay kuvvetii değişimi F s P V A p V A x x 30 p s u (15) 1 A p z l p A p z A p z C d A orifis D p A bka A aka A p sig z HPS i eerji söümleme, damper etkisi, sistem içeriside basıç düşmesie sebep ola bileşeleri etkileri ile modellemiştir. Silidir girişideki basıç kaybı aşağıda verilmiştir. 1 z>1 sig z = 0 z=0-1 z<1 (16) P damper 1 Q C d A orifis sig z (9) ile ifade edilir. z x s x u (17) Bu eşitlikte, ρ hidrolik akışkaı yoğuluğuu, Q hidrolik akışkaı debisii, C d boşaltma katsayısıı, A orifis silidir üzeride orifis alaıı ifade etmektedir. Hidrolik borudaki basıç kayıp ifadesi P hidrolikboru l p D p Q A bka sig z (10) 3. 1/8 TAŞIT MODELİ Literatürde çeyrek taşıt modeli olarak yer ala modeller icelediğide, taşıt diamiğii hedeflee frekas aralığıa bağlı olarak farklı detaylarda matematiksel modeller yer almaktadır [8-10]. Bu bildiride suula çalışmada Şekil 4 te yer ala taşıt modeli kullaılmıştır. eşitliğiyle verilmektedir. Bu eşitlikte, λ hidrolik boru hattıdaki sürtümeyi, l p hidrolik boruu boyuu, D p hidrolik boruu çapıı, A bka hidrolik boruu kesit alaıı ifade etmektedir. Akümülatör girişideki basıç kaybıı ifadesi P akümulator 1 Q A aka sig z (11) 3

4 Şekil 6. x s değişimi Şekil 4. 1/8 Taşıt modeli ve HPS sistemi m s x s = F s (18) m u x u = -F s + k t (x r -x u ) (19) Burada m s yaylaa kütleyi, x s bu kütlei koumuu, F s HPS u oluşturduğu kuvveti, m u yaylamaya kütleyi, x u bu kütlei koumuu, k t lastik düşey sertliğii, x r yolda gele bozucu girdileri ifade etmektedir. Doğrusal olmaya HPS kuvvetleri, F s, ve 1/8 taşıt diamiği modeli Simulik te kurulmuştur, Şekil 5. Şekil 7. x u değişimi Yukarıda suula bezetim örekleride yol girdisi olarak Şekil 8 de verile profil uygulamıştır. Aracı doğrusal ilerleme hızı 0 km/h olarak alımıştır. Şekil 5. MatLab/Simulik ortamıda 1/8 taşıt modeli Nomial parametre değerleri kullaılarak gerçekleştirile bezetimlere örek olarak Şekil 6 ve 7 de suulmuştur. Şekil 8. Yol girdisi ve ivme ölçüm koumları [7] 4. HPS MODELİNİNMSC ADAMS CAR MODELİ ÜZERİNDE UYGULANMASI 1/8 taşıt modeli, üzeride optimizasyo uygulamalarıı ve deetim sistemi tasarımlarıı kolaylıkla yapıldığı bir matematiksel modeldir. Bu yapı üzeride tasarlaa deetimciler veya optimizasyo algoritmaları soucu tasarlaa süspasiyo bileşeleri, çoklu gövde diamiği esaslarıa göre kurula ve daha detaylı ve karmaşık modeller üzeride sıamaktadır. Bu modeller üzeride gerçekleştirile bezetim çalışmaları, gerçek araç üzerideki uygulamalar öceside sistemi ve performasıı sıama ve doğrulama imkaı vermektedir. 4

5 Proje kapsamıda gerçekleştirile optimizasyo çalışmalarıda da bu yaklaşım uygulamıştır. Bu sebeple proje kousu taşıtı Adams/Car modeli de kurulmuştur. Aracı katı model datası referas alıarak, MSC Adams Car ortamıda, hareketli uzuvlar ve aralarıda taımlaa uygu sıır şartları ile diamik sistem bezetim modeli kurulmuştur. Hareketli uzuvlar, MSC ADAMS Car ortamıda ilgili koumlar arasıda parametrik geometriler ile oluşturularak, optimizasyo çalışmalarıa uygu bir yapıda hazırlamıştır. Oluşturula parametrik uzuvlar üzerie, katı model üzeride referas alıa kütle ve atalet bilgileri taımlamıştır. Lastikler, uygu boyutlarda, Pacejka (PAC00) lastik modeli ile modellemiştir. Lastik üreticiside alıabilie özellik bilgileri, lastik modelii içerisie taımlamıştır. Yukarıda detaylı olarak açıklamaları verile HPS Sistemi, MSC Adams Car kütüphaeside mevcut olarak bulumaya, özel bir süspasiyo tipidir. Bu edele ilgili süspasiyo sistemii oluşturduğu kuvvetleri MSC ADAMS Car modelie etegrasyou gerçekleştirilmiştir. Şekil 9 da taşıtı MSC ADAMS Car Modeli suulmuştur. Şekil 11. Yol girdisi profili Nomial parametre kümesi kullaılarak gerçekleştirile bezetimler ile belirtile oktalarda alıa ivme değerleri Şekil 1 de suulmuştur. Şekil 1. İvme değişimleri Şekil 9. MSC ADAMS Car modeli Hazırlaa araç modelide ISO 631stadardıa uygu olarak 0 km/h ilerleme hızı ile tümsek geçiş bezetimi gerçekleştirilmiş, Şekil 8 ve 10 da belirtile oktalardaki düşey ekse çizgisel ivmeleri icelemiştir. Bezetimlerde kullaıla tümsek modeli Şekil 11 de suulmuştur. A A Sürücü Bölgesi B Araç Ağırlık Merkezi C Arka Uç Bölgesi B C 5. DEĞERLENDİRME Bu çalışmada, proje kapsamıda geliştirile 8x8 çekiş özelliğie sahip, 48 to kütleli mobil viç taşıyıcı aracı hidropömatik süspasiyo sistemii modellemesi ve bezetimleri kısaca aktarılmıştır. Geliştirile model ve bezetim yazılımları, HPS sistemii optimizasyouu gerçekleştirmek ve deetim sistemi tasarlamak içi uygu yapıdadır. Bu bildiride suula bezetimler omial bir parametre kümesi ile elde edile souçlardır. Geetik algoritma kullaarak gerçekleştirdiğimiz optimizasyo süreci devam etmektedir. Çok amaçlı optimizasyo yaklaşımı ile, sürüş koforu, yol tutuş, süspasiyo hareketi gibi farklı amaçlara verile ağırlıklar ile farklı tasarımlar elde etmekteyiz. Deetim sistemi olarak, bozucu girdi kestire ve bertaraf ede yapılar üzeride çalışmalarımızı sürdürmekteyiz. TEŞEKKÜR Bu çalışma, 1501 Saayi Arge Projeleri Destekleme Programı çerçeveside TÜBİTAK tarafıda desteklee No. lu proje kapsamıda gerçekleştirilmiştir. Destekleride dolayı TÜBİTAK a teşekkürlerimizi suarız. Şekil 10. İvme ölçüm oktaları 5

6 KAYNAKLAR 1. W. Bauer, 011, Hydropeumatic Suspesio Systems, Spriger, Heidelberg.. L. Wu, 003, Aalysis of Hydro-peumatic Itercoected Suspesio Struts i the Roll Plae Vehicle Model, Master s Thesis, Cocerdia Uiversity, Motreal, Quebec, Caada. 3. J-W. Shi, X-W. Li, J-W. Zhag, 009, Feedback Liearizatio ad Slidig Mode Cotrol for Active Hydropeumatic Suspesioof a Special Purpose Vehicle, Proc. IMechE, Vol. 4, Part D: J. Automobile Egieerig, pp P. Simiski, 010, Aspect of Simulatio ad Experimetal Research Studies o Wheeled Armored Fightig Vehicles with Hydropeumatic Suspesio, SAE Iteratioal. 5. L. Baozha, H. Aiju, Z. Sihog, 009, Simulatio o Noliear Vibratio Characteristics of Off-Road Vehicle Hydro Peumatic Suspesio, Iteratioal Coferece o Trasportatio Egieerig, pp A. M. M. Abdelhaleem, 001, Ivestigatio of the Performace of Hydropeumatic Slow Active Suspesio Systems for Motor Vehicles, PhD Thesis, Zagazig Uiversity, Egypt. 7. O. Friberg, P. Eriksso, 000, Optimizatio of Ride Comfort, Multi-Body Dyamics Moitorig ad Simulatio Techiques II, Proffesioal Egierrig Publishig Limited, Edited by H. Rahejat, M. Ebrahimi, R. Whalley, pp İ. Kare, N. Kaya, F. Öztürk, 01, Sürüş Kofor Optimizasyo Problemii Yei Geliştirile E İyi Fark Vektörlerii Kullaa Diferasiyel Gelişim Algoritması (debvs) ile Çözümü, 6. Otomotiv Tekolojileri Kogresi, Bursa. 9. İ. Kare, N. Kaya, F. Öztürk, M. Yıldızha, A. Yurttaş, İ. Korkmaz,010, Araç Kofor Özelliklerii Aalizi: Model Taımı ve Aalizler ile Kofor Değerledirmesi, 5. Otomotiv Tekolojileri Kogresi, Bursa. 10. R. N. Jazar, 008, Vehicle Dyamics, Theory ad Applicatio, Spriger. 6