T.C. SELÇUK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 T.C. SELÇUK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KARAYOLU TAŞITLARI SÜSPANSİYON SİSTEMİNDE AKTİF TİTREŞİM KONTROLÜ Abdullah ÇAKAN YÜKSEK LİSANS TEZİ Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Temmuz-2013 KONYA Her Hakkı Saklıdır

2

3 TEZ BLDRM Bu tezdeki bütün bilgilerin etik davran ve akademik kurallar çerçevesinde elde edildiini ve tez yazm kurallarna uygun olarak hazrlanan bu çalmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynana eksiksiz atf yapldn bildiririm. DECLARATION PAGE I hereby declare that all information in this document has been obtained and presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also declare that, as required by these rules and conduct, I have fully cited and referenced all material and results that are not original to this work. Abdullah ÇAKAN Tarih :

4 ÖZET YÜKSEK LSANS TEZ KARAYOLU TAITLARI SÜSPANSYON SSTEMNDE AKTF TTREM KONTROLÜ Abdullah ÇAKAN Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendislii Anabilim Dal Danman: Prof. Dr. Fatih Mehmet BOTSALI Yl, 83 Sayfa Jüri Prof. Dr. Fatih Mehmet BOTSALI Doç. Dr. Mete KALYONCU Yrd. Doç. Dr. Mustafa TINKIR Tat dinamii alanndaki aratrmaclarn en çok ilgisini çeken konularn banda araç sürü konforunun ve sürü güvenliinin salanmas gelmektedir. Bu çalmada, karayolu tatlarnn sürü konforunun ve güvenliinin iyiletirilmesi amacna yönelik olarak yol yüzeyindeki düzgünsüzlüklerin yol açt araç titreimlerinin aktif kontrolü için dorusal eyleyici kullanlan bir yöntem sunulmutur. ki sebestlik dereceli bir çeyrek araç modeli olarak ele alnan sisteme ait matematiksel model Newton yasalar ve Lagrange Hareket Denklemi kullanlarak elde edilmitir. Sisteme ait transfer fonksiyonlar ve durum-uzay modeli elde edildikten sonra sistemin frekans cevab, kök yer erisi ve Routh dizisi elde edilerek sistemin kararll irdelenmitir. Tat titreimlerinin aktif kontrolünde kullanmak üzere PID ve Yapay Sinir A Tabanl Bulank Mantk Kontrol (YSABM) için iki farkl kontrolcü tasarlanmtr. Matlab/Simulink ve ADAMS yazlmlar kullanlarak yaplan simülasyonlarda tasarlanan kontrolcülerin performans incelenmitir. Tasarlanan kontrolcülerin alt farkl yol düzgünsüzlüü fonksiyonu kullanlmas durumundaki performans karlatrlarak tasarlanan kontrolcülerin kullanlabilirlii irdelenmitir. Çalma kapsamnda, Matlab/Simulink ve ADAMS yazlmlarndan elde edilen simülasyon sonuçlar karlatrlarak bu yazlmlarn aktif titreim kontrolünde kullanlabilirlii de deerlendirilmitir. Anahtar Kelimeler: Araç Süspansiyon Sistemi, Tat Titreimi, Aktif Titreim Kontrolü, Kontrolcü Tasarm, Dorusal Eyleyici, PID Kontrol, Bulank Mantk Tabanl Kontrol, Yapay Sinir Alar, Kararllk iv

5 ABSTRACT MS THESIS ACTIVE VIBRATION CONTROL IN ROAD VEHICLE SUSPENSION SYSTEM Abdullah ÇAKAN THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCE OF SELÇUK UNIVERSITY THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE IN MECHANICAL ENGINEERING Advisor: Prof. Dr. Fatih Mehmet BOTSALI Year, 83 Pages Jury Prof. Dr. Fatih Mehmet BOTSALI Assoc. Prof. Dr. Mete KALYONCU Assist. Prof. Dr. Mustafa TINKIR Vehicle comfort and driving safety are interesting topics for researchers among many issues in vehicle dynamics area. In this study, a method for active vibration control of vehicle vibrations caused by road profile by utilizing a linear actuator in order to improve drive comfort and safety is proposed. The system is assumed as a 2 degrees of freedom quarter car suspension model. Equations of motion of the system are derived by utilizing Newton laws and Lagrange s Equation of Motion. After obtaining transfer functions and state-space representation of the system, the stability of the system is investigated by obtaining frequency response and root locus plots and Routh array of the system. A PID and an Artificial Neural Network Based Fuzzy Logic (ANNFL) controllers are designed for active control of vehicle vibrations. Performance of the designed controllers were investigated by conducting simulations using Matlab/Simulink and ADAMS software. Performance of the designed controllers are determined and compared with each other by using six different road profile functions. by comparing the obtained simulation results usability of Matlab/Simulink and ADAMS software in active vibration control of a quarter vehicle model is also evaluated. Keywords: Vehicle Suspension System, Vehicle Vibrations, Active Vibration Control, Controller Design, Linear Actuator, PID Control, Fuzzy Logic Based Control, Artificial Neural Network, Stability v

6 ÖNSÖZ Çalmalarmn her aamasnda hiçbir yardmm esirgemeyen, her türlü problemimi titizlikle ele alan, deerli hocam Prof. Dr. Fatih Mehmet BOTSALI ya, tezi tamamlamamda önemli katklar olan Yrd. Doç. Dr. Mustafa TINKIR a, tez çalmalar boyunca her zaman her konuda bana deerli yardmlarn esirgemeyen Ar. Gör. Yusuf AHN e son olarak da bana büyük emekleri geçen, beni yetitirip bu konuma ulamam salayan aileme sonsuz teekkür ederim. Abdullah ÇAKAN KONYA-2013 vi

7 ÇNDEKLER ÖZET... iv ABSTRACT... v ÖNSÖZ... vi ÇNDEKLER... vii SMGELER VE KISALTMALAR... ix 1. GR KAYNAK ARATIRMASI MATERYAL VE METOD KARAYOLU TAITLARINDA TTREM KONTROLÜ Titreim Sönümleme Özelliklerine Göre Tat Süspansiyon Sistemleri Pasif Süspansiyon Sistemleri Yar Aktif Süspansiyon Sistemleri Çeyrek Tat Modeli Aktif Süspansiyon Sistemli Çeyrek Tat Modeli Newton Hareket denklemleri ile sistemin modellenmesi Sistemin Lagrange Hareket Denklemi ile modellenmesi Dorusal Sistemin Transfer Fonksiyonlarnn Elde Edilmesi Sistemin Durum Uzay Modeli Sistemin Frekans Cevab Sistemin Kök Yer Erisi Routh Hurwitz Kararllk Kriteri KONTROLCÜ TASARIMI PID Kontrol Yapay Sinir A Tabanl Bulank Mantk Kontrol Durulatrma lemi Adaptif Yapay Sinir A Hibrit Örenme Algoritmas BLGSAYAR SMÜLASYONLARI VE RDELEME Yol Düzgünsüzlüü Fonksiyonlar Çeyrek Tat Modeli Pasif Durum Bilgisayar Simülasyonlar MATLAB/Simulink Ortamnda Pasif Durum Simülasyonu ADAMS Ortamnda Pasif Durum Simülasyonu Çeyrek Tat Modeli Aktif Durum Bilgisayar Simülasyonlar PID Kontrol Yapay Sinir A Tabanl Bulank Mantk Kontrol vii

8 6.4 Bilgisayar Simülasyonu Sonuçlarnn Karlatrlmas Sinüs Yol Düzgünsüzlüü Etkisi Altnda Aktif Titreim Kontrolü Kutu Fonksiyonu Biçimli Yol Düzgünsüzlüü Etkisi Altnda Aktif Titreim Kontrolü Basamak Fonksiyonu Biçimli Yol Düzgünsüzlüü Etkisi Altnda Aktif Titreim Kontrolü Trapez Biçimli Yol Düzgünsüzlüü Etkisi Altnda Aktif Titreim Kontrolü Çift Trapez Yol Düzgünsüzlüü Etkisi Altnda Aktif Titreim Kontrolü Genlii Rastgele Deien Yol Düzgünsüzlüü Etkisi Altnda Aktif Titreim Kontrolü SONUÇLAR VE ÖNERLER Sonuçlar Öneriler KAYNAKLAR ÖZGEÇM viii

9 SMGELER VE KISALTMALAR Simgeler M 1 M 2 K 1 K 2 b 1 b 2 U L T V X 1 X 2 W K p K i K d : Çeyrek tat kütlesi : Süspansiyon kütlesi : Süspan sisteminin yay katsays : Tekerlein yay katsays : Süspansiyon sisteminin sönüm katsays : Tekerlein Sönüm Katsays : Kontrol Kuvveti : Lagrange formülasyonu : Kinetik enerji : Potansiyel enerji : Çeyrek tat kütlesinin deplasman : Süspansiyon kütlesinin deplasman : Yol profili : Oransal etki kazanç parametresi : ntegral etki kazanç parametresi : Türev etki kazanç parametresi Ksaltmalar YSABM PID : Yapay sinir a tabanl bulank mantk : Oransal+Türev+ntegral ix

10 1 1. GR Motorlu tatlarn ortaya çkndan, hatta daha da eski zamanlarda motorlu olmayan ve sadece insan ya da hayvanlar tarafndan çekilen tatlarn kullanmndan bu yana, bir tat üzerinde üstesinden gelinmesi gereken ana problemlerden ikisi sürü güvenliinin ve sürü konforunun salanmasdr. Tat teknolojisindeki gelimelere ve tatlarn üzerinde seyrettikleri yollarn yapm tekniklerindeki gelimelere paralel olarak kullandmz araçlarn hzlar sürekli olarak art göstermektedir. Hzn artmas bu iki ölçütün salanmasn güçletiren bir etkendir. Mekanik sistemlere iyi bir örnek olarak verebileceimiz tatlar, seyrettikleri yol yüzeyi, kullanm ekli ve kendi dinamiklerinden kaynaklanan çok farkl frekans deerlerine sahip titreimlere maruz kalmaktadr. Bu titreimlerin (ki bir ksm gürültü olarak yansmaktadr) sürü konforu ve sürü güvenlii ölçütlerini salamak amacyla etkin bir ekilde bastrlabilmesi için birçok farkl tasarm ve denetim yöntemleri gelitirilmitir. Bu tasarm sürecinde karlalan en büyük güçlük; tatlarn çok sayda bal hareketi bir arada gerçekletirmesidir. Tasarm sürecinin en önemli problemlerinden birisi de salanmas istenilen ölçütlerin kendi aralarnda bir uyumazlk içerisinde olmalardr. Örnein yüksek sürü konforu sürü güvenliini azaltrken, sürü güvenliini arttrmak amacyla yaplan müdahaleler de sürü konforunu azaltmaktadr. Tat üzerinde hissedilen titreimler farkl kaynaklar tarafndan uyarlmaktadr. Bunlar; tat motoru ve aktarma organlar, aerodinamik kuvvetler, tekerlek ve bal olduu grubun statik dengesizlikleri ve en önemlisi de tekerleklerin düzensiz (bozuk, engebeli) yol yüzeyi ile olan etkileimleridir. Yol yüzeyindeki bozukluklar, neredeyse pürüzsüz saylabilecek olan otoyollardan off-road olarak tabir edilen çok engebeli yol yüzeyine kadar deien farkl snflandrmalara tabi tutulmaktadr. Yoldan kaynaklanan titreimlerin tat gövdesine iletilen ksm baz tasarm ve çalma artlarna bal olarak deimektedir, yani tekerlek grubunun ve süspansiyon sisteminin statik ve dinamik özellikleri, tatn eylemsizlik kuvvetleri ve tat hz iletilen titreimlerin genlik ve frekans araln belirlemektedir. Tüm yer tatlarnda sürü konforu ve sürü güvenliini arttrmann yolu titreim hareketlerinin bastrlmasndan geçmektedir. Özellikle off-road (yol harici) tatlarnda yüksek genlik ve düük frekans deerine sahip yol bozukluklarndan gövdeye yansyan titreimlerin bastrlmas, hem kullanc ve yolcularn salk ve güvenliklerini hem de

11 2 yük ve tatn yapsn korumak için zorunludur. Bunun için öncelikle maruz kalnan titreimin analizinin yaplmas ve bileenlerinin anlalmas gerekmektedir. Ayn zamanda tat, yolcular ve tanan yükün de titreim hareketine gösterdikleri cevabn incelenmesi ve bunlar üzerinde etkin olan baskn bileenleri ayrt edilmesi de yerinde olacaktr. Bütün kara tatlar genelde 3 adet öteleme ve 3 adet dönme titreim hareketine maruz kalmasna ramen bunlar içerisinde en baskn olan düey dorultudaki titreim hareketleridir. Tatlarda titreim hareketlerini bastrma amacyla kullanlan sistemler süspansiyon sistemleri olmaktadr. yi bir süspansiyon sistemi tasarlamak için öncelikle tat üzerinde salanmas beklenen ölçütlerin doru bir ekilde tespit edilmesi ve sorunun kaynann yukarda belirtildii ekilde tanmlanmas gerekmektedir. Bunun için öncelikle ele alnan sistemin analitik bir modelini oluturmak gerekmektedir. Ardndan insanlarn titreime kar hassasiyetleri bir ölçüt halinde matematiksel olarak ifade edilmeli, benzer ekilde yol düzensizlikleri de bu model için bir giri olacak ekilde düzenlenmelidir. Böylece ele alnan sistem üzerinde gerekli olan tasarm parametrelerine ulamak mümkün olmaktadr.

12 3 2. KAYNAK ARATIRMASI Tüm mekanik sistemlerde olduu gibi tatlarda da yoldan ya da sürü eklinden kaynaklanan titreimler hem yolcu hem de tat oluturan elemanlar için önemli bir problem tekil etmektedir ylnda Almanya Manneheim da Karl Benz tarafndan hareket ettirilen bildiimiz anlamdaki ilk otomobilden günümüze kadar olan süreçte bu problemin önüne geçebilmek amacyla birçok çalmalar yaplmtr. Bu amaçla ortaya konan çözüm; çok çeitli süspansiyon sistemlerinin ve denetim yöntemlerinin gelitirilmesi olmutur. Süspansiyon sistemlerinin tasarmnda iki ana hedef bulunmaktadr; bunlardan ilki yolcularn fiziksel ve ruhsal yapsnda oluabilecek etkiyi en aza indirecek konfor seviyesinin salanmas, dieri ise tatn yol ile olan temas kuvvetinin sürekliliinin, yani iyi bir sürü karakteristiinin salanmasdr. Bu iki özellik birbirine sk skya bal olup genel anlamda birinin iyilemesi dierinin kötülemesi anlamna gelebilmektedir. yi bir süspansiyon sisteminin tasarlanabilmesi için öncelikle tatn bütün süspansiyon parametrelerine ve çevresel etkenlere nasl tepkiler verdiinin iyi bilinmesi gerekmektedir. Ayn zamanda tasarlanan sistemin gereksinimlere göre yeni elemanlarla takviye edilmesi ya da farkl denetim yöntemleriyle denetlenmesi de gerekebilmektedir. Malzeme biliminde kaydedilen gelimeler ve tatlar üzerinde kullanma hazr harici enerji kaynaklarnn artmas ile birlikte yar aktif sistemlerin kullanmnda karlalan kstlamalar aktif süspansiyon sistemleri ile giderilmeye çallmtr. Isermann (1996) n çalmasnda belirttii üzere aktif süspansiyon sistemlerindeki sönümleyici artk bir eyleyici haline dönümektedir. Isermann a göre aktif süspansiyon sistemleri yaplarnda akkan (hidrolik ya da pnömatik) kullanlan, gelitirilmi materyaller (piezoelektrik, memory metal vb.) kullanlan ve elektromekanik eyleyiciler (motor, elektromagnet vb.) kullanlan olmak üzere üç farkl gruba ayrlabilmektedir. Bannatyne (1998), Ikenaga ve ark. (1999), Nguyen ve ark. (2001) ile Fialho ve Balas (2002) tarafndan yaplan çalmalarda; eyleyici yapsnda sadece hidrolik akkan malzeme kullanlmtr. Bu türden bir sistemde yay ve sönümleyicinin iini eyleyici tek bana üstlenmektedir. Eyleyici içerisindeki akkan miktar harici bir pompa tarafndan salanmaktadr. Böylece tat üzerindeki her bir süspansiyon grubunun sönümleme deeri ve tat sürü yükseklii birbirinden bamsz olarak salanabilmitir.

13 4 Williams (1997b) ise çalmasnda oleo-pnömatik ad altnda yeni bir eyleyici yaps ortaya koymutur. Bu eyleyici tipinde akkan olarak ya ve hava birlikte kullanlmtr. Eyleyici içerisinde ya tarafndan sktrlm durumda olan hava bir nevi yay etkisi göstermektedir. Sönümleyici içerisindeki ya ak ise sönümleme etkisini oluturmaktadr. Ramsbottom ve Crolla (1997) ise çalmalarnda pnömatik sönümleyicilere yer vermilerdir. Bu sistemlerde sönümleme kuvveti, körük ad verilen bölmelere seviye kontrol valfleri üzerinden hava baslmas ya da tahliye edilmesi sayesinde elde edilmektedir. Burada körükler standart süspansiyon sistemlerindeki yay elemannn seviye kontrol valfleri ise sönümleyici elemannn ilevini yerine getirmektedir. Demerdash ve ark. (1995) ile Demerdash (1998) in çalmasnda Ramsbottom ve Crolla (1997) nn çalmasndakine benzer bir yapy standart bir otomobile uyguladklar görülmektedir. Ayn zamanda sistem performansn arttrmak için wheelbase correlation adn verdikleri bir algoritma ile yol modeli hakknda bir kestirimde bulunmaktadrlar. Bu ilikisel kestirim arka tekerleklerin ön tekerleklerin maruz kald yol bozukluuna belirli bir zaman gecikmesi ila maruz kalacaklar varsaymna dayanmaktadr. ekil 2.3 da bu bilginin nasl elde edildii görülmektedir. Demerdash yapt çalmalarda bu ilikisel yaklam sayesinde ilikisel yaklamn kullanlmad aktif yapya göre bavurma ivmelenmesi deerlerinde %20, gövde ivmelenmesi (arka teker grubunda) deerlerinde ise %18 e varan iyilemeler elde etmilerdir. Pasif sistemler ile ayn yol modelinde elde edilen sonuçlarla karlatrldnda ise; bavurma ivmelenmesi deerlerinde %44, gövde ivmelenmesi (arka teker grubunda) deerlerinde ise %29 daha iyi sonuçlar elde etmitir.

14 5 ekil 2.1. Yarm tat modeli üzerinde ön izleme bilgisinin elde edilmesi Roh ve Park (1998) e göre ise; ön tekerleklerin hareketinden yola çklarak elde edilen bu ön izleme bilgisi sadece arka eyleyicilerin performansna katkda bulunmaktadr. Oysa hem ön hem de arka tekerlekler için bu türden bilgi elde edilebilirse elde edilecek performans daha fazla olacaktr. Bu nedenle ön izleme yönteminin bir adm ötesine gidilerek yol alglayclarnn kullanm ortaya çkmaktadr. Bu türden sistemlerde yol alglaycs olarak ksa mesafe radar ya da optik yansma alglayclar kullanlmaktadr (McConnell 2001). Walker (1997) ve Donahue (2001) nin bu türden bir sistem üzerinde yapt çalmalarda tatn ön ksmna yerletirilen alglayc ekil 2.4 deki gibi tatn hemen önündeki yol profilini taramakta ve denetim algoritmasna göndermektedir. ekil 2.2. Yol alglaycs ilavesi ile yol profilinin kestirilmesi (Donahue 2001)

15 6 Görüldüü üzere alglaycdan elde edilen iaretler deerlendirilerek tatn bir sonraki admda maruz kalaca yol profili kestirilmektedir. Böylece hem ön hem de arka süspansiyon sistemi için bir ön izleme bilgisi elde edilmi olmaktadr. Gerçekte bir tat üzerinde yaylanr ve yaylanmaz kütleler arasnda bu iki bloun hareketlerinden farkl bir yönde kuvvet üreterek sönümleme etkisi yaratabilecek her sistem aktif bir eyleyici olarak kullanlabilmektedir. Elektromekanik eyleyicilerde buna en güzel örnekleri tekil etmektedirler. Örnein Hoogterp ve ark. (1997) bu düünce ile ele aldklar süspansiyon sistemi yapsnda eyleyici olarak bir elektrik motoru kullanmlardr. Ancak motorun dönel hareketini dorusal harekete çevirmeyip tekerlek grubuna dorudan balayarak düey dorultudaki hareketleri sönümlemeye çalmlardr. Bu balant ekliyle özellikle çok tekerlekli zrhl araçlar üzerinde tatmin edici sonuçlar elde etmilerdir. Weeks ve ark. (1999) ve (2000) nn yaptklar çalmalarda ise eyleyici olarak yine bir DC motor kullanmlardr. Ancak Hoogterp in çalmasndan farkl olarak motorun dönel hareketini dorusal harekete dönütürerek sisteme uygulamlardr. Sistemde bir elektrik motorunun kullanm ile hidrolik sistemlere göre hem yer kazanm açsndan hem de hareketlere çok daha hzl yant vermesi açsndan avantaj salamlardr. Bu türden bir eyleyicinin en büyük dezavantaj ise dört tekerlek grubu için birer eyleyici kullanm düünülürse sistemin tümü için ihtiyaç duyulan enerji miktarnn fazla oluudur. Weeks ve arkadalar yaptklar gerçek denemelerde düzgün yol koullarnda oldukça uygun sonuçlar elde etmi, bozuk yol koullarndaki sonuçlarda kabul edilebilir seviyelerde kalmtr. Bununla birlikte yukarda bahsedilen tipte bir eyleyici yaps ile gerçekletirilen aktif süspansiyon sistemlerinde tat gövdesi düey ivmelenme ve yerdeitirme deerlerinde pasif sistemlere göre 2,5 kata kadar daha iyi sonuçlar elde etmilerdir. Weeks ve arkadalarnn dönel elektrik motorundan dönüümle elde ettikleri dorusal hareketi salamak amacyla Holdman ve ark. (2001) pasif yay ve sönümleyici içeren geleneksel süspansiyon sistemine düey dorultuda hareket eden bir elektromagnet yaps ilave etmilerdir. Bu eklenti ile sistemlerde oluan sönümleme kuvveti eksikliini gidermeye çalmlardr. Tatlar üzerinde ilerledikleri yol yüzeyinde gerçekte çok karmak yol profillerine maruz kalmaktadrlar. Karaçay (2002) a göre bir yol profili; yol yüzeyinin

16 7 sanal bir çizgiden alnan iki boyutlu kesiti olarak tanmlanmaktadr ve aadaki ekildeki gibidir. ekil 2.3. Yol profilleri (Karaçay 2002) Gillespie (1992) ye göre tat sürü karakteristiinde en etkili olan titreim kayna yolda mevcut ekil 2.3 deki gibi pürüzlülüklerdir. Bu pürüzlülük yol üzerindeki çukurlar, kasisler, yol yapm hatalar ve yapmda kullanlan malzemelerin karakteristik özelliklerinden olumaktadr. Yaplan çalmalar sonucunda, sabit hzla ilerleyen bir tat için üzerinde ilerledii yolun pürüzlülüünün normal dalm gösterdii anlalmtr. Buna göre; yol pürüzlülüünü deneysel ölçümlerle elde etmek yerine bunlara yakn sonuçlar veren farkl formüller gelitirilmesi yoluna gidilmitir. Buradaki amaç analitik çalmalar için genel bir ifade elde etmek olmutur. Böyle bir amaçla çalmalar yapan Robson (1979) ilk olarak yol yüzeyinin pürüzlülüünün spektral younluunu veren ifadeyi elde etmitir. Bu çalmay takip eden Sharp ve Crolla (1987) nn çalmasnda ise belirlenen üç farkl yol tipi (tali yol, ana yol, otoyol) için Robson n formülünde yer alan pürüzlülük katsaysnn alabilecei deer aralklar ve ortalama deeri verilmitir. Gillespie (1992) ise güç spektral younluk fonksiyonu ifadesini gelitirerek pürüzlülük katsays deerinin yan sra yol yapmnda kullanlan materyale ilikin bir katsayy daha ifadeye eklemitir. Gillespie ye göre bu denklem uygun bir rassal say serisiyle birlikte kullanldnda tipik bir yol için pürüzlülüün spektral younluunu ifade eden sonuçlar üretmektedir. Sayers ve Karamihas (1998) yaptklar çalmalarnda pürüzlülüü tatn ilerledii tekerlek izinin yükselti profiliyle tanmlamlar ve bunlar geni bantl rassal

17 8 sinyaller olarak snflandrmlardr. Bu amaçla yol profilini matematiksel fonksiyonlarla ifade etmiler bu amaç için de trigonometrik fonksiyonlardan faydalanmlardr. Sayers ve Karamihas a göre tipik bir yol profili dorudan bir sinüs erisine benzememekle birlikte bir seri sinüs erisine ayrlabilmektedir. Böylece karmak ekilli fonksiyonlar matematiksel olarak deiik dalga boylar, genlikler ve fazlarndan oluan sinüs erilerinin bir araya getirilmesiyle oluturulabilmilerdir. Yol profilini oluturmak için birbirine eklenmesi gereken sinüs erilerinin genliklerini de ayrk fourier dönüümü yardmyla hesaplamlar, bu sayede rassal bir olayn içerisindeki farkl frekans bileenlerinin etkileri ayr ayr ortaya çkarabilmilerdir. Bu noktaya kadar tatlarn üzerinde ilerledikleri yolun yani titreim hareketlerinin modellenmesine ilikin çalmalara yer verilmiti. Takip eden çalmalarda ise titreim hareketlerinin insan üzerindeki etkilerini incelenmitir. Bu konuda çalmalar yapanlardan birisi olan Yang (2001) a göre bu titreimler genellikle karmak bir yapya sahip olup, birçok frekans bileenlerinin bir araya gelmesinden olumakta ve zaman içerisinde çok farkl yönlerde oluabilmektedir. Yang tatlarda maruz kalnan bu titreim hareketlerinin insan üzerinde baz psikolojik ve biyolojik etkiler yarattn belirtmektedir. Griffin (2001a) ve (2001b) ise çalmalarnda bu titreim hareketlerinin insan sal üzerinde etkili olan esas bileenlerini ortaya çkarmaya çalmtr. Böylece insan vücudunun bir ya da iki frekans deerine kar hassas olduunu ortaya koymu ve bu frekans deerlerini insan vücudunun rezonans frekanslar olarak belirtmitir. Maruz kalnan titreimlerin snflandrlmas konfor ve insan salna etkileri açsndan snflandrlmas daha da eski tarihlere dayanmaktadr. Bu konudaki ilk ve en önemli çalma Janeway (1975) tarafndan yaplmtr. Janeway, tatn tek bir frekans bileenine sahip sinüzoidal tipte düey dorultulu titreime maruz kald durum için konfor açsndan farkl ölçütler ve limit grafikler tanmlamtr. Günümüzde Janeway Konfor Ölçütleri olarak anlan bu kriterler Society of Automotive Engineers = SAE tarafndan da kabul görmü olup, bir standart olarak uygulanmaktadr. Benzer türde bir çalma International Organization for Standardization = ISO tarafndan da gerçekletirilmitir. ISO adyla yaynlanan bu standartta ISO, insanlar için titreime maruz kalma süresi ve titreim hareketinin ivmelenme deerine bal yorgunluk ya da tahammül snrlarn belirleyen ölçütler yaynlamtr (Anonim 1997) Ayn zamanda standart içerisinde, insann absorbe edebildii titreim doz aralklar ile yolun düzgünlük snfn veren ölçütlerde yer almaktadr.

18 9 Maruz kalnan titreimin insan vücudu üzerinde yorgunluk hissinden sonra en sklkla görülen etkilerinden birisi de tat tutmasdr. ISO gibi standartlar yaynlayan bir kurulu olan British Standart = BS tarafndan yaynlanan ilgili standarda göre düük frekansl ve düzenli maruz kalnan titreim hareketi tat tutmasna yol açmaktadr (Anonim 1987). Bu standardn içerisinde tat tutmas için bir doz formülü belirtilmi olup, ayrca frekansa bal limit deer grafikleri de verilmitir. Bir fiziksel sistemi en iyi ekilde ele alp inceleyebilmek için o sistemi en gerçekçi ekilde modellemenin ne derece önemli olduu gayet açktr. Bu nedenle süspansiyon sistemlerini ve üzerinde bulunduu tat sistemini modellemek adna da birçok çalmalar yaplmtr. Örnein Williams (1997a) süspansiyon sistemlerini titreimleri sönümleme özelliklerine göre pasif, yar aktif ve aktif olmak üzere 3 ana grupta ele almtr. Williams a göre pasif sistemler yaplarnda geleneksel elemanlarn kullanld süspansiyon sistemleri olup bu elemanlarn karakteristik parametre deerleri sürü esnasnda deitirilememektedir. Bu özellikleriyle pasif süspansiyon sistemleri kendilerinden beklenen performans (tat gövdesinde minimum ivmelenme deeri hissedilmesi ve yol tutu kuvvetinin sürekliliinin salanmas) her zaman salayamamaktadr. Bu nedenlerle yar aktif ve aktif sistemler ortaya çkmtr. iren (1996) e göre böyle bir sistem balangçta arzu edilen kullanm tipine göre tasarlanmakta, karakteristik parametre deerleri sistem tasarmclar tarafndan istenilen amaçlar gerçekletirecek dorultuda belirlenmektedir. AutoZine (2006) e göre farkl yol ve sürü koullarnda konfor ve güvenlik ölçütlerini ayn ekilde muhafaza etmek için tat süspansiyon sisteminde yer alan parametrelerin deitirilebilmesi gerekmektedir. Bunun için yay ve sönümleme katsays tat kullancs tarafndan daha önceden belirlenmi deerlere ayarlanabilen yaplara gerek duyulmaktadr. Bu türden sistemlerde kullanc uygun yol koulu (otoban, ehirleraras yol, bozuk yol vb.) ya da sürü ekline (spor kullanm, ekonomik kullanm vb.) göre balangçta istedii deeri (yumuak, orta, sert gibi) ayarlayabilmektedir. te bu ihtiyaç sebebiyle yar aktif ve aktif sistemler ortaya çkmtr. Yar aktif bir süspansiyon sistemini gerçeklemek için gerekli olan sönümleme parametre deeri deitirilebilen türde eyleyiciler ile sistemi güncellemektir. Emura ve arkadalar (1994) sürü esnasnda sönümleme katsays deitirilebilen bir eleman gerçekletirebilmek amacyla rotoru sönümleyicinin pistonuna balanm bir step motordan faydalanmlardr. Bu step motorun dönü hareketi sayesinde piston

19 10 üzerindeki valflerin geniliklerini deitirerek sönümleyici içerisindeki ak miktarn deitirmilerdir. Ancak bu türede bir eleman kullanarak sönümleyiciye sadece sert ve yumuak olmak üzere iki farkl sönümleme deeri salayabilmilerdir. Bu çalmay takip eden Teramura ve arkadalar (1997) ise ayn türde bir sönümleyici ile çalmlar ancak sönümleyicinin sert ve yumuak deerine geçilerini ayarlayan farkl bir algoritma ile bu eleman çaltrmlardr. Bu sayede tat gövdesinde hissedilen ivmelenme deerinde bir iyileme salamlardr. Yine ayn türde bir eleman ile çalmalar yapan Yoshida ve arkadalar (1999) ise sönümleyicinin alabildii deer saysn arttrmak amacyla step motor için yeni bir tasarm gelitirmilerdir. Step motorun yapt daha küçük hareketler sayesinde sert ve yumuak sönümleme deerlerinin arasnda da deerler elde edilmitir. Sönüleme katsaysnn bu iki farkl ekilde ayarlanmas yar aktif süspansiyon sistemlerini Gordon ve Sharp (1998) n çalmalarnda da belirttii gibi açk-kapal ve sürekli deiken yar aktif sistemler olmak üzere kendi içerisinde iki gruba ayrmtr. Sürekli deiken yar aktif sistemler aktif sistemlere yakn performans deerleri göstermekte olup aktif sistemlerin ortaya çkmasnda temel oluturmulardr. Liu ve arkadalar (2005) da çalmalarnda açk-kapal ve sürekli deiken yar aktif sistemlerin her ikisini de kullanarak sürekli deiken sistemlerin avantajn ortaya koymulardr. Kaydedilen gelimeler dorultusunda, yar aktif sistemler için sönümleme katsays birçok farkl deere ayarlanabilir türde sönümleyicilere duyulan gereksinimi geleneksel yaplarla karlamak güçlemitir. te bu nedenle süspansiyon sistemlerinde, malzeme bilimindeki gelimelerden faydalanlarak türetilmi yeni materyallerin kullanmna gidilmitir. Bu materyaller smart sfatyla snflandrlmlardr. Pinkos ve Shtarkman (1996) a göre; smart materyaller, karakteristikleri denetlenebilen, kestirilebilen ve gözlenebilen materyal snfn oluturmaktadr. Bu türden materyallerin karakteristikleri elektrik ya da manyetik alan gibi bir d etki ile denetlenebilmekte ve enerji materyale uygulandnda materyalde baz kestirilebilir ve tekrarlanabilir deiimler olumaktadr. Kat ve sv formlar bulunan bu malzemelerin kat formda olanlarna bir örnek piezoelektrik malzemelerdir. Bu malzemeler elektrik ve mekanik enerjiler arasnda denetlenebilir bir enerji dönüümü salamaktadr (MSI 2005). MSI ve McConnell (2001) n da çalmasnda belirttii gibi piezoelektrik etki olarak adlandrlan bir etkiye göre bu türden bir molekül yaps bir elektriksel alana maruz brakldnda fiziksel yapsnda deiim (genleme ve büzülme gibi)

20 11 gözlenmektedir. te bu etkiden faydalanlarak farkl sönümleyici tasarmlarna gidilmitir. lk olarak Thirupathi ve Naganathan (1995) piezoelektrik seramik yaplar art arda balayarak makro boyutlarda titreim hareketlerini bastrabilecek deneysel tasarmlar üzerinde durmulardr. Oldukça düük cevap süreleri ile mükemmel performans göstermesine karn yüksek gerilim ihtiyac sebebiyle bu deneysel yaplar uygulamaya geçirilememitir. Yinede bu çalmaya paralel yöndeki çalmalarla piezoelektrik materyaller tatlar üzerindeki yüksek frekansl gürültü ve titreimlerin bastrlmas uygulamalarnda younlukla kullanlmlardr (Anonim 2006a). Süspansiyon sistemlerinde kullanlan sv fazdaki smart materyallere güzel bir örnek ise Rheological svlardr. Bunlar üzerine bir enerji alan uygulandnda enerji alannn deiimleri ile ak özellikleri (viskozitesi) deiebilen svlardr (Jordan ve Shaw 1989) bir enerji alan uygulanmas ile birlikte tanecikler belirli bir formda (kolonlar eklinde) sralanmakta ve bunlarn krlmas için gerekli enerji miktar artmaktadr. Bu da alkann yapkanlk gücünü (viskozite) arttrmaktadr. Alan kaldrld zaman parçacklar eski konumlarna geri dönmektedirler. Pinkos ve Shtarkman (1996) a göre rheological akkanlarn enerjiyi bu ekilde absorbe edebilmeleri süspansiyon sistemlerinde sönümleyicilerin enerji sönümlemesinde kullanlabileceini göstermektedir. Bu düünceden yola çkan Chung ve Shin (2004) electro-rheological sv içeren bir yar aktif sönümleyici tasarlamtr. Bu yap içerisindeki sönümleyicide bir elektrik alan uygulandnda valfler arasnda gözlenen ak hareketinin daha büyük bir dirençle karlamasn salam, yani sönümleme kuvvetini uyguladklar elektrik alan ile deitirilebilmilerdir. Ayn prensibin kullanld baka bir çalmada (Anonim 2006b) ise electrorheological sv yerine magneto-rheological sv kullanlmtr. Bu türden bir sönümleyicinin ve içerisindeki materyalin yaps ekildeki gibidir.

21 12 ekil 2.4. Akkan olarak rheological sv kullanlan sönümleyici yaps (Anonim 2006b) Fischer ve Isermann (2004) n çalmasnda ise pasif sistemlerle yar aktif sistemlerin performans arasnda ayrntl bir karlatrmaya gidilmitir. Buna göre; yapsnda rheological akkan kullanlan benzer bir sönümleyiciyle gerçeklenen yar aktif süspansiyon sisteminde pasif elemanlar kullanlan bir süspansiyon sistemine göre sürü konforu açsndan %20-30, sürü güvenlii açsndan da %10-25 arasnda daha iyi sonuçlar elde edilmektedir. Aktif süspansiyon sistemlerinde ise bu oranlar sadece ve sadece sürü konforu için >%30 ve sürü güvenlii için de %25 e çkmaktadr. Sonuç olarak basit yaplar olan ve çok az harici enerji kayna gerektiren yar aktif süspansiyon sistemleri aslnda oldukça iyi performans deerleri sunmaktadr. Bütün sistemlerde olduu gibi süspansiyon sistemlerinin de hareketlerini belirleyen bir denetim yapsna ihtiyaç duymaktadrlar. Bu amaçla birçok farkl süspansiyon denetim yöntemi gelitirilmitir. Bunlardan en yaygn olarak bilinen yöntem Skyhook süspansiyon denetim yöntemidir. Emura ve arkadalar (1994) nn çalmalarnda yaptklar tanma göre; ideal skyhook süspansiyon denetimi, süspansiyon sönümleyicisinin tat gövdesi ile onunla ayn hzda hareket eden ve havada asl bir sabit varsaymsal nokta arasna baland kabul edilen hayali bir süspansiyon modeline dayanmaktadr. Yine Emura ve arkadalarna göre bu türden bir montaj sönümleyicinin kütleyle ayn yerdeitirmeye sahip olmas, böylece tatn yol yüzeyinden bamsz bir biçimde ilerlemesi anlamna gelmektedir.