ZİNCİR YAPILI KÜTLE YAY SÖNÜMLEYİCİLİ SİSTEMLER İLE SÜRÜŞ KONFORUNUN ARTTIRILMASI

Transkript

1 OTEKON Otomotiv Teknolojileri Kongresi Haziran 2014, BURSA ZİNCİR YAPILI KÜTLE YAY SÖNÜMLEYİCİLİ SİSTEMLER İLE SÜRÜŞ KONFORUNUN ARTTIRILMASI Selçuk Kayabaşı *, S. Çağlar Başlamışlı *, Ender Ciğeroğlu ** * Hacettepe Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Beytepe, ANKARA ** Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 06530, ANKARA ÖZET Bu çalışmada, aktif ve yarı aktif süspansiyon sistemleri yerine ayarlanabilir kütle sönümleyicileri (AKS) kullanan pasif süspansiyon sistemleri kullanılarak sürüş konforunu olumsuz yönde etkileyen yaylanan kütle ivmesinin azaltılması hedeflenmiştir. Serbestlik derecesinin artmasından dolayı yapılacak analizlerdeki karmaşıklıkları önlemek için sadece bazı temel hareketler dikkate alınarak sistem çeyrek araba modeli kullanılarak modellenmiştir. Oluşturulan sistem üzerinde süspansiyon sönümleme oranının, sistemdeki A.K.S sayısının ve toplam A.K.S kütlesinin etkileri incelenmiştir. Toplam A.K.S kütlesinin artmasıyla yaylanan kütle ivmesindeki iyileşmelerin arttığı, A.K.S sayısının artmasıyla da sadece tek bir frekans civarında iyileşme değil A.K.S sistemi için seçilen parametre değerlerine bağlı olarak yaylanan kütlenin rezonansa girdiği gövde ve tekerlek sıçrama frekanslarının her birinde veya ikisinde de aynı anda iyileşmelerin sağlandığı görülmüştür. Anahtar kelimeler: Ayarlanabilir kütleli sönümleyici, Ayarlanabilir titreşim emici, Süspansiyon optimizasyonu, Sürüş ve kullanım konforu, Tam araba modeli VIBRATION REDUCTION IN CHAIN MULTIPLE MASS SPRING DAMPER SYSTEMS ABSTRACT This study aims to reduce vehicle sprung mass acceleration which adversely affects vehicle ride comfort through the usage of passive suspension systems incorporationg tuned mass dampers (TMD) instead of active and semi-active suspension systems. To prevent potential complications arising from the large number of degrees of freedom of a complete vehicle vibrational model, analyses have been conducted on a simple quarter car model embodying only the necessary vehicle motions. The effects of suspension damping ratio, the number of T.M.D s in the system, and the total added T.M.D mass have been analyzed. It is observed that as the mass of added T.M.D structures increases, the improvement in sprung mass acceleration increases; and that, together with the increase in the number of T.M.Ds, there is improvement not only around one frequency, but, depending on the optimized parameters, improvement also occurs around either body-bounce and wheel-hop frequencies or both. Keywords: Tuned mass damper, Tuned vibration absorber, Suspension optimization, Ride comfort, Full car model 1. GİRİŞ Bu çalışmada otomobillerde meydana gelen, yol yüzeyinden kaynaklanan ve sürüş konforu üzerinde olumsuz etkileri bulunan titreşimlerin sürücü ve yolculara en asgari düzeyde iletilmesi amaçlanmıştır. Çeşitli tasarımlar geliştirerek, sistemlerin sönümleme düzeylerini değiştirerek veya dinamik titreşim sönümleyiciler kullanarak otomobillerin maruz kaldığı bu titreşim uyartılarını kaynağında azaltmak mümkündür ve bu amaçla aktif, yarı-aktif ve pasif olmak üzere üç farklı titreşim kontrol tekniği kullanılmaktadır [1-2]. Aktif ve yarı aktif kontrol sistemleri sensör ve işleticilerinin yüksek enerji tüketimlerine bağlı olarak yakıt ve enerji tüketimini dolaylı olarak artırmaktadır, aynı zamanda başlangıç ve bakım masrafları da yüksektir [3]. Bu 1

2 sebeplerden dolayı, bu çalışmada, diğer sistemlere nazaran daha ucuz ve herhangi bir harici enerji tüketimleri de bulunmayan ayarlanabilir kütle sönümleyicileri (AKS) sistemi seçilmiştir. Bir A.K.S sistemi, birincil kütlenin hareketi tarafından oluşturulan enerjiyi sönümlemek için kütle (m), yay (k) ve sönümleyici elemandan (c) faydalanır (Şekil 1).(M) ise sönümleyicinin tutturulduğu birincil yapıyı göstermektedir Sistemin Kısıtları ve Sınır Koşulları Şekil 2 de adet A.K.S ye sahip bir süspansiyon sisteminin tüm katları ve sistem yapısı görülmektedir. Sistemin hareket denklemleri aşağıda verilmiştir. için hareket eşitliği: ( ) ( ) için hareket eşitliği ise: şeklinde yazılabilir. Şekil 1. A.K.S li bir sistemin şematik gösterimi A.K.S ler titreyen bir yapıya tutturulmuş, ikinci bir kütle kullanan pasif sönümleyici sistemlerdir. Bu ikinci kütleye, birincil yapıyla yakından ilişkili olarak belirli dinamik özellikler verilmiştir. Birincil gövdeye göre ikinci kütlenin kütle oranı, iki kütle arasındaki frekans oranı ve ikincil kütlenin sönümleme oranları değiştirilerek, belirli bir miktarda sönümleme üretilebilmektedir. A.K.S ler kendi doğal frekansları civarında sistemin enerjisini emme konusunda oldukça etkilidirler. Sistemde tek A.K.S kullanılabileceği gibi birden fazla kütlenin sisteme ilave edilmesiyle oluşan zincir yapılı bir A.K.S sistemi de kullanılabilmektedir Otomotiv uygulaması olarak, egzoz askıları, direksiyon sistemleri, motor blokları, aynalar ve şase [4] gibi sürüş konforuyla direk olarak etkili olmayan yapılar üzerinde de kullanılmaktadır. A.K.S lerin otomobillerin süspansiyon sistemlerine uygulanmasıyla ortaya çıkan modelin patenti Cerri ve ekibi tarafından alınmıştır [5]. Bu yapı ilk olarak Citroen 2CV tarafından otomobil süspansiyonlarının temel elemanı olarak kullanılmıştır ve Formula pistlerinin bordürlerinin üzerinden geçen araçların yol tutuşunu artırmak için 2005 yılında Renault takımı tarafında Formula 1 yarışlarında da kullanılmışlardır [6]. Fakat Uluslararası Otomobil Federasyonu FIA tarafında yasaklanmıştır [7]. A.K.S lerin bina ve köprü gibi yapılarda yaygın olarak kullanılmalarına rağmen, bu çalışmanın asıl araştırma konularından birisi olan sürüş konforunun iyileştirilmesi amacıyla karayolu taşıtlarındaki A.K.S uygulamaları üzerine yapılan çalışmalar literatürde oldukça sınırlıdır 3. A.K.S SİSTEMİNE SAHİP BİR TİTREŞİM YALITICISININ MODELLENMESİ Şekil 2. adet A.K.S ye sahip çeyrek araba modelinin tüm katları Sistemdeki seri bağlı yayların direngenlikleri toplamı olan aşağıdaki eşitlikle belirlenmektedir: Buradan yola çıkarak adet seri bağlı yayın, her birinin yay direngenlikleri, toplamda sistemin değerini sağlayacak şekilde paylaştırılabilmektedir ve bu paylaşım oranı ile sağlanmaktadır. adet yayın direngenliği bu oran aşağıdaki gibi bölüştürülür ve lerin toplamı 1 e eşittir. Aynı şekilde adet sönümleyici de sisteme seri olarak bağlanmıştır (Şekil 3.) ve bu seri bağlı sönümleyicilerin sönümleme katsayıları toplamı olan aşağıdaki eşitlikle belirlenmektedir değeri ise adet seri bağlı sönümleyiciye, her birinin sönümleme katsayıları toplamda sistemin bu 2

3 değerini sağlayacak şekilde paylaştırılabilir ve bu paylaşım oranı ile sağlanmaktadır. adet sönümleyicinin sönümleme katsayıları bu oran ile aşağıdaki gibi bölüştürülür ve lerin toplamı 1 e eşittir. Sisteme ilave edilen kütleler arasında da belli bir oran vardır. Fakat yaylanan kütle ile yaylanmayan kütle arasında kalan tüm plakalar, sadece A.K.S lerin sisteme tutturulabilmesi için kullanıldığından kütlesiz oldukları kabulü yapılmaktadır. Yaylanmayan kütle ile sisteme ilave edilen A.K.S lerin toplam kütlesi arasında oranı vardır. adet A.K.S nin her birinin kütlesi ise yaylanan kütleye aşağıdaki oranla bağlıdır. Her bir A.K.S nin sahip olduğu değerlerinin toplamı ya eşittir Boyutsuz Analiz Otomobillerin süspansiyon sistemleri tasarlanırken gövde ve tekerlek sıçrama rezonans frekanslarının sırasıyla 1 Hz ve 10 Hz civarında gerçekleşmesi istenir. Özellikle gövde sıçrama ivmesinin 1 Hz de gerçekleşecek şekilde ayarlanmasının sebebi, insan vücudunun alışık olduğu, yürüme sırasında oluşan vücut titreşimlerinin de 1Hz civarda olmasıdır. Bunun başarılabilmesi için yaylanan ve yaylanmayan kütlelerin doğal frekansları bu iki frekansla eşleşecek şekilde oluşturulmalıdır. Bunun için yaylanan kütlenin doğal frekansı: olmalıdır ve yaylanmayan kütlenin doğal frekansı ise: olmalıdır. A.K.S li sistem için yaptığımız analizlerde sistemimizin sahip olduğu ve sabit değerlerinin dışında, son sabiti ise yaylanan kütlenin yaylanmayan kütleye oranı olan değeridir ve bu oran tasarladığımız sistem için 10 olarak belirlenmiştir. Sistemin sahip olduğu bu üç sabitin yanında, süspansiyon sisteminin sönümleme oranı, sistemdeki A.K.S dışındaki kütlelerin sayısı ve A.K.S lerin toplam kütlesinin yaylanmayan kütleye oranı olan olmak üzere üç tane de değişkeni bulunmaktadır. Sisteminin sönümleme oranı aşağıda verilmiştir: Sistemin analizi boyutsuz olarak, sabitler ve değişkenler olarak tanımlanan oranlar referans alınarak gerçekleştirilmektedir. Bu değerlerin dışında herhangi bir değer sisteme etki etmemektedir (Optimizasyon parametresi hariç (Bkz. Bölüm 4.)). Yapılan optimizasyon ile belirlenen bu oranlar ışığında sistem için en uygun parametreler elde edilebilmektedir. Hareket eşitlikleri boyutsuz olarak tekrar düzenlendiğinde için boyutsuz hareket eşitliği: [ ( )] [ ( )] ( ) ( ) için boyutsuz hareket eşitliği ise aşağıdaki gibi olacaktır. Eşitlikleri daha basit bir gösterime kavuşturmak için aşağıdaki sadeleştirmeler kullanılabilir. [ ( )] [ ( )] 4. SÜSPANSİYON SİSTEMİNİN OPTİMİZASYONU 4.1. Optimizasyon Probleminin Dayandığı ISO standardları İnsanların tüm vücut titreşimlerine verdiği tepkiler 6841 İngiliz standartları (BS 6841) (1987) ve 2631 uluslararası standartları (ISO 2631) (1997) olmak üzere iki ana standart tarafından belirlenmiştir [8]. ISO 2631 standartlarına göre sürüş konforu sınırları, yorgunluk hissi duymadan yolcuların seyahat edebileceği maksimum süre olarak tanımlanmaktadır. Eğer bir frekans değerindeki sürüş konforu sınırı aşılırsa o zaman bu araçtaki yolcular sınırlarla belirlenmiş süre limitinden daha uzun bir süre seyahat ettiklerinde fazlasıyla rahatsız 3

4 olurlar yılında çıkarılan ISO 2631 standartlarında sadece 1-80 Hz arasındaki titreşimlerin insan vücudu üzerindeki etkileri dikkate alınırken 1997 de tekrar güncellenen standartlar içine Hz de araba tutması olarak adlandırılan rahatsızlığa sebep olan 1Hz in altında kalan titreşim frekansları da dâhil edilmiştir. Sonuç olarak, hem 1 Hz civarında hem de 4-8 Hz civarındaki yaylanan kütle ivmesinin konforu iyileştirmek adına düşürülmesi gerekmektedir. Bu sebeplerden dolayı, bu çalışmada otomobillerin süspansiyon sistemleri için A.K.S ler tasarlanıp sürüş konforunu iyileştirilerek yukarıda bahsedilen etkilerin azaltılması amaçlanmaktadır Optimizasyon Probleminin Kurulması A.K.S li süspansiyon sistemlerinin optimizasyonu yapılırken MATLAB programının optimizasyon araç kutusu (fmincom komutu) kullanılmıştır ve bu optimizasyon işlemi sistemin sabitleri olan yaylanan kütle ile yaylanmayan kütlenin doğal frekansları ve yaylanan kütlenin yaylanmayan kütleye oranı olan dikkate alınarak gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon,,,,,, ve parametrelerinin sistem için en uygun değerlerini bulmaya yönelik çalıştırılmaktadır. Optimizasyon ile hedeflenen asıl amaç, frekansa göre çizdirilen yol pürüzlüğü ile yaylanan kütle ivmesi arasındaki transfer fonksiyonunun ( ) altındaki toplam alanın en aza indirilmesidir ve bu işlem iki farklı yaklaşıma göre gerçekleştirilmektedir (Eş. 19.). Bu yaklaşımlardan ilki sonsuz norm (H norm) olarak adlandırılan ve sistemin sahip olduğu en yüksek ivmeyi azaltmayı hedefleyen yaklaşımdır ve bununla grafikteki en yüksek tepe noktası bastırmaya çalışılmaktadır. Diğer yaklaşım ise 2 norm olarak adlandırılan ve frekansa göre çizdirilen yaylanan kütle ivmesinin altında kalan toplam alanın bastırılmasıdır. Yapılan optimizasyon işlemleri bu iki yaklaşımdan uygun görülen bir tanesine göre yapılabileceği gibi iki yaklaşım bir arada da kullanılabilmektedir. Optimizasyon probleminin formülasyonunun verildiği Eş. 19 daki değeri ile bu iki yaklaşımdan optimizasyon işleminde hangi oranda yararlanılacağı belirlenebilmektedir. Eş. 19 da görülen sisteme yoldan gelen titreşim uyartılarını sistemin en tepesindeki yaylanan kütlenin ivmesi olarak dışarı veren bir transfer fonksiyonudur Optimizasyon sonuçlarının daha tatmin edici olabilmesi için sistemin bazı önemli kısıtları da programa dâhil edilmelidir. Bu kısıtlar ise: şeklinde belirlenmiştir. A.K.S sistemlerinin sonuçları optimizasyon parametresi olan in Tüm değerleri için analiz edilmiştir ve bu çalışmada sadece istenilen düzeyde iyileşme sağlanan sonuçlara yer verilmiştir. 5. ZİNCİR YAPILI A.K.S YE SAHİP SİSTEMLERİN PRATİK UYGULAMALARI Tek A.K.S li sistemler ile elde edilen iyileşmeleri daha da arttırmak için A.K.S sisteminin yapısı değiştirilerek zincir yapılı A.K.S sistemi olarak adlandırılan yeni bir model oluşturulmuştur Zincir yapılı A.K.S sistemi, süspansiyon sisteminden daha fazla enerji çekmek amacıyla kullanılmaktadır. Bu zincir yapının oluşturulabilmesi için süspansiyon yayı ve sönümleyicisi, yaylanan kütle ile yaylanmayan kütle arasına ilave plakalar yerleştirilerek birçok parçaya bölünmüştür ve yerleştirilen bu plakaların her birine birer A.K.S eklenmiştir. Yol düzensizliklerinden ve yaylanmayan kütlenin rezonansından kaynaklanan titreşimler bu sayede direkt olarak yaylanan kütleye aktarılmayıp her bir plakadaki A.K.S ler tarafından belli bir oranda sönümlendikten sonra yaylanan kütleye iletilmektedir. Bu sistem de ters ve düz bağlı olmak üzere iki farklı durum için incelenmiştir. Zincir yapılı AKS sisteminin bir binek taşıt üzerindeki uygulaması aşağıdaki Şekil 3 de verilmiştir. Şekil 3.ADAMS yazılımında üzerine A.K.S sistemi monte edilmiş taşıt süspansiyonu 5.1. Zincir yapılı A.K.S li Sistemin Sonuçları Zincir yapılı A.K.S sisteminin analizi sistemi ve. durumu için. dört farklı davranış sergileme eğiliminde olduğu gözlemlenmiştir. Bunlar sırasıyla: a) Davranış 1: Sadece gövde sıçrama frekansı civarında iyileşme; b) Davranış 2: Sadece tekerlek sıçrama frekansı civarında iyileşme; c) Davranış 3: 2-8 Hz arasındaki bölgede çok ufak kötüleşmeye karşılık hem gövde hem de tekerlek sıçrama frekansları civarında iyileşme; d) Davranış 4: 2-8Hz civarında çok kötüleşmeye karşılık gövde sıçrama frekansı civarında çok iyileşme olmak üzere dört gruba ayrılmıştır ve bu işlem davranışsal analiz olarak isimlendirilmektedir. durumunda zincir yapılı A.K.S sistemi için elde edilen grafikler davranışsal 4

5 olarak Şekil 4 de sırasıyla gösterilmektedir AKS li Sistemlerin Zaman Düzleminde Performans İncelemesi ADAMS ortamında tam araba modeli ile zaman düzleminde yapılan incelemeler A.K.S sisteminin yaylanan kütle ivmesi üzerindeki etkisini belirlemek amacıyla yapılmıştır. Testler düz bağlı A.K.S li ve A.K.S siz olmak üzere iki sistem üzerinde yapılmıştır ve alınan sonuçlar Şekil 5 de birleştirilmiştir. Tam araba modeli için 6 farklı model oluşturulmuştur. Bu modeller N=6 olan zincir yapılı A.K.S sistemlerine aittir ve aralarındaki fark ise üç tanesinin davranış 2 diğer üç tanesinin de davranış 3 e ait. olmasıdır. Davranış 2 ve 3 olarak 3 erli guruplara ayrılan bu 6 grafik kendi içlerinde de λ değerlerine göre 3 e ayrılmaktadır. Bu iki gruptaki grafiklerden birer tanesi λ nın en küçük oranı olan 0.1 diğeri ise en büyük oranı olan 1.0 seçilirken diğeri ise sistem üzerinde tatmin edici iyileşmelere sebep olabileceği düşünülen 0.1 ile 1.0 arasında küçük bir λ değeri seçilmiştir. Böyle yapılarak λ değerlerinin yaylanan kütle ivmesi üzerindeki etkisinin de gözlemlenebilmesi sağlanmıştır. 6. TARTIŞMA VE SONUÇ Bu çalışmada pasif süspansiyon sistemleri üzerinde ayarlanabilir kütleli sönümleyiciler kullanılarak sürüş konforunu olumsuz yönde etkileyen yaylanan kütle ivmesinin azaltılması hedeflenmiştir. Zincir yapılı A.K.S sistemleri yaylanan kütle ivmelerinde standart çeyrek araba modeline göre iyileşmeler sağlanmıştır ve bu iyileşmeler 4 gruba ayrılan 4 farklı davranış şeklinde gerçekleşmektedir. A.K.S kütlelerinin artması ile doğru orantılı bir şekilde 4 davranışın göstermiş olduğu iyileşme miktarları da artmaktadır. Bu dört davranış, sistem parametreleri ve konfigürasyonlarına göre isteğe bağlı olarak elde edilebilmektedir. Bu durum ise sistemde meydana gelen yaylanan kütle ivmesindeki iyileşmeleri sadece bir frekans civarına sıkıştırmayıp yaylanan kütlenin rezonansa girdiği gövde ve tekerlek sıçrama frekanslarının her birinde veya ikisinde de aynı anda oluşmasını sağlamaktadır. Sistemdeki A.K.S lerin toplam kütlesindeki artışa bağlı olarak yaylanan kütle ivmesindeki iyileşmeler de artmaktadır. Zincir yapılı A.K.S sistemindeki kütle sayısı arttıkça sistemde meydana gelen iyileşme oranları da artmaktadır fakat belirli bir A.K.S sayısından sonra sistemdeki iyileşme miktarları sabitlenmektedir. A.K.S li sistemler üzerine yapılan bu analizler ışığında A.K.S sisteminin parametreleri üzerinde değişiklikler yapılarak özellikle zincir yapılı sistemlerde istenilen frekans aralığında iyileşmeler elde edilebilmektedir. Bu iyileşmelerin düzeyi ise sistemdeki toplam A.K.S kütlesine bağlı olarak değişmektedir. Bu ilave kütlelerin otomobiller üzerindeki A.K.S uygulamalarında yakıt tüketimini arttıracağı ve aracın genel performansı da azaltacağı için aracın toplam kütlesine göre olabildiğince küçük seçilmelidir. KAYNAKLAR 1. Mead, D. J., 2000, Passive Vibration Control, John Wiley & Sons Ltd, ISBN , pp Suhairy, S. A., 2000, Prediction of ground vibration from railways, SP Swedish National Testing and Research Institude, pp Rajamani, R., 2006, Vehicle Dynamics and Control, Mechanical Engineering series, Springer, ISBN Rao, M.D., 2003, Recent Applications of Viscoelastic Damping for Noise Control in Automobile sand Commercial Airplanes, Journal of Sound and Vibration, Vol.262, pp Cerri, J, Norwalk, OH, Weilnau, J., Huron, OH, 2006, Multi-Directional Tuned Mass Damper with Unique Assembly, U.S. Patent 2006 / A1. 6. Formula 1 Latest, F1 technical, (2011), mass damper 1&t=3105&start=45 8. Nahvi, H., Fouladi, M. H., Nor, M. J., 2009, Evaluation of whole-body Vibration and Ride Comfort in a Passenger Car, İnternational Journal of Acoustics and Vibration, Vol. 14, No. 3, pp

6 6 Şekil 4. olduğu durumda değişik λ değerleri için zincir yapılı A.K.S sisteminin yaylanan kütle ivmesi (N=6) (a) Davranış 1 (b) Davranış 2 (c) Davranış 3 (d) Davranış 4

7 (a) (d) (b) (e) (c) (f) Şekil 5 AKS li ve A.K.S siz sistemlerin bozuk yol koşullarında karşılaştırılması (a) Davranış 2- N=6 ve λ=0.1 (b) Davranış 2- N=6 ve λ=0.3 (c) Davranış 2- N=6 ve λ=1.0 (d) Davranış 3- N=6 ve λ=0.1 (e) Davranış 3- N=6 ve λ=0.3 (f) Davranış 3- N=6 ve λ=1.0 7

8