MOTORLU TAŞITLARDA KAVRAMA DİNAMİĞİNİN İNCELENMESİ. (Investigation of Automotive Clutch Engagement) Y. Samim ÜNLÜSOY Metin AKKÖK ÖZET

Transkript

1 MOTORLU TAŞITLARDA KAVRAMA DİNAMİĞİNİN İNCELENMESİ (Invstigatin f Autmtiv Clutch Engagmnt) Y. Samim ÜNLÜSOY Mtin AKKÖK ÖZET Bu çalışmada, mtrlu taşıtlarda özllikl kalkış sırasında kavrama sürci, araç v tahrik sistminin ayrıntılı bir dinamik mdli kullanılarak inclnmiştir. Sürücünün dbriyaj v gaz pdallarını kullanışını tmsil dn snarylar gliştirilmiş v aracın harkti dğrusal lmayan bir mdlin sayısal çözümüyl blirlnmiştir. Yapılan analizlr mydana gln dinamik layın tüm ayrıntıları il inclnmsin v aracın kalkıştaki prfrmansının blirlnmsin k larak, n uygun dbriyaj v gaz pdalı kullanımının ld dilmsi için grkli vrilri sağlamaktadır. ABSTRACT In this study, clutch ngagmnt during start up is xamind using a dtaild dynamic vhicl and drivlin mdl. Scnaris rprsnting th drivr cntrl f th acclratr and clutch pdals ar dvlpd and th mtin f th vhicl systm is numrically slvd using a nnlinar vhicl mdl. Th study allws a dtaild study f th clutch ngagmnt prcss and th dtrminatin f a suitabl cmbinatin f th cntrl f acclratr and clutch pdals, in additin t th prdictin f vhicl prfrmanc during start up. Prf. Dr., Makina Mühndisliği Bölümü, ODTÜ, Ankara 1

2 SEMBOLLER a, b : yuvarlanma dirnci katsayıları, A f C D E : araç ksit alanı, : hava dirnci katsayısı, : ısıya çvriln nrji, i d : difransiyl hız ranı, p / w, i t : vits kutusu hız ranı, / p, J c : dbriyaj çıkış lmanı v vits kutusunun aynı hızda dönn kısımlarının atalt mmnti, J J J p J w M N r w R R R i R a R g R r R T S : mtr, vlan v dbriyajın giriş kısmının tplam atalt mmnti, : dbriyajın çıkış tarafındaki dönl kütllrin a indirgnmiş tplam atalt mmnti, : Vits kutusu çıkış şaftı hızında dönn parçaların tplam atalt mmnti, : tkrlk hızında dönn parçaların tplam atalt mmnti, : tplam araç kütlsi, : dbriyaj baskı kuvvti, : lastik yuvarlanma yarıçapı, : dbriyaj sürtünm yüzylrinin şdğr yarıçapı, : dbriyaj sürtünm yüzyi dış yarıçapı, : dbriyaj sürtünm yüzyi iç yarıçapı, : hava dirnci, : ykuş dirnci, : yuvarlanma dirnci, : tplam dirnç, : yl 2

3 t s ts : zaman, : kavrama sürsi, T : Mtr trku ( dönm hızında), T f : dbriyaj sürtünm trku (giriş-çıkış lmanları arasında iltiln trk), T L : tkrlklr tkiyn yük trku, T : dbriyaj çıkış lmanına tkiyn yük trku, V : araç hızı, : dbriyaj giriş lmanının açısal ivmsi, : dbriyaj çıkış lmanının açısal ivmsi, : dbriyaj giriş lmanının dönm hızı, i : mtrun başlangıç dönm hızı, : dbriyaj çıkış lmanının dönm hızı, i : dbriyaj çıkış lmanının ilk dönm hızı, p : vits kutusu çıkış şaftının dönm hızı, w : tkrlk dönm hızı, : yl ğim açısı, : sürtünm katsayısı, 3

4 GİRİŞ Mtrlu taşıtlarda, mtr il vits kutusu arasında yr alan dbriyajın tml fnksiynu, vits dğiştirirkn mtr v aktarma rganlarını biribirindn ayırmaktır. Araç harkt başlarkn vya harkt halind vits dğiştirilirkn, dbriyajın iki lmanı arasında aşağıda sıralanan dinamik tkilşim luşur. i) Başlangıçta dbriyajın mtr tarafındaki lman blli bir hızda dönrkn diğr taraftaki lman ya harktsizdir (araç harkt başlarkn) ya da dğişik bir hızda dönmktdir (harkt halind vits dğiştirildiğind). ii) Sürücü ayağını dbriyaj pdalından kaldırdığında, dbriyajın iki lmanı yaylar vasıtası il birbirin bastırılır; dönm hızları farklı lduğundan bir kayma harkti luşur v mkanik nrji ısıl nrjiy dönüşür. iii) Blli bir sür snunda iki lmanın hızı şitlnir v bu andan itibarn harkt brabrc aynı hızda dvam dilir. Bu sürcin ytrli ayrıntıda v hassasiytt bir matmatik mdl kullanılarak simulasynu, dbriyaj tasarımında lduğu kadar araç prfrmansının blirlnmsind d önmlidir. Litratürd, uygulamada yaygın larak kullanılan basitlştirilmiş yaklaşımları içrn [1-3] v sürücü davranışının da inclndiği dnysl [4] v [5] kuramsal çalışmalar bulunmaktadır. Bu çalışmalar günümüzd özllikl yarı tmatik transmisynlarda dbriyajın kntrlü [6], v dbriyaj kaynaklı araç titrşimlrinin anlaşılması v gidrilmsi [7] üzrind yğunlaşmış bulunmaktadır. 4

5 DİNAMİK MODEL Mtrlu araçlarda, mtrdan tkrlklr ulaşan tahrik sistminin tml lmanları Şkil 1 d vrilmktdir. Bu mdl il, tahrik sistmi kaymanın luştuğu dbriyajın giriş v çıkış yüzylri arasında mtr v araç tarafı lmak üzr iki ana bölümd inclnbilir. Mtr tarafı Araç tarafı Mtr J, J Vits Kutusu p J p Difransiyl w J w L Giriş Çıkış Dbriyaj Şkil 1. Otmbil tahrik sistmi mdli Dbriyajın giriş lmanından çıkış lmanına aktarılan sürtünm mmnti, v T f N R sgn (1) R R i R (2) R R i ifadlriyl tanımlanmaktadır. Mtr v vlana rijit larak bağlı lan dbriyaj giriş lmanının açısal ivmsi J T T (3) f difransiyl şitliğiyl vrilmktdir. Şkil 1 d tahrik sistminin araç tarafında kalan kısmı v araç kütlsi, dbriyaj çıkış hızına indirgnmiş bir atalt mmnti, J, v bir yük trku, T, larak tplanmıştır. Böylc, dbriyajın çıkış lmanının açısal ivmsi d bnzr şkild ifad dilbilir. J T T (4) f indirgndiğind Araç tarafının tplam atalt mmnti, dbriyaj çıkış lmanının hızına,, 5

6 J J 2 p J w M rw J c i t i t i d (5) şitliğindn hsaplanır. Tkrlktki yük trku is aracın harktin karşı luşan tplam yuvarlanma, ykuş v hava dirnçlrinin snucudur. R T r g a 2 a bvw W sin 0.5 C A V R R R (6) a D f Dbriyajın çıkış lmanına uygulanan yük trku larak yazılır. Bu ifadd larak tanımlanmıştır. T K R T (7) rw i t id K (8) Otmbilin tahrik sistminin lmanları arasındaki dinamik tkilşimlri v gnl dinamik davranışını tanımlayan blk diyagram Şkil 2 d sunulmuştur. Klbk açıklığı Dbriyaj baskı kuvvti Mtr Karaktristiklri Sürtünm mdli Şkil 2. Tahrik sistmi mdlinin blk diyagramı 6

7 BASİTLEŞTİRİLMİŞ ANALİZ Basitlştirilmiş analizd, mtr trku v sürtünm trkunun kavrama sürcind sabit lduğu varsayılır. Bu durumda (3) v (4) numaralı şitliklrdki intgrallr alınarak, dbriyajın giriş v çıkış lmanlarının açısal hızları ld dilbilir. i T f T t (9) J i Tf T t J (10) Kavrama sürci tamamlandığında, Şkil 3 t göstrildiği gibi dbriyajın hr iki lmanı da aynı hızda döncktir. Dönm hızı i s i İlk durum Kavrama sürci Tam Kavrama Zaman Şkil 3. Basitlştirilmiş analizd hızların dğişimi Tam kavramanın grçklştiği sürnin bulunması için, (9) v (10) numaralı ifadlr şitlnrk, t s için çözülür. t s T f T J T T f J i i J J (11) Kavrama snunda hr iki lmanın rtak hızı ifadsindn hsaplanabilir. i Tf T s ts J (12) 7

8 Kavrama sürcind ısıya çvriln nrji E ts T 0 f dt intgrali alınarak bulunur. Basitlştirilmiş analizd, dbriyajın giriş v çıkış dönm hızlarının dğrusal larak dğiştiği varsayıldığından, ısıya çvriln nrji i i t s 2 E T f (13) larak ld dilir. Uygulamada dbriyaj sürtünm trkunun, maksimum mtr trkunun katı v ilk mtr hızının da maksimum trk hızına şit vya ticari araçlarda maksimum hızın yarısı larak alınması önrilmktdir [1]. AYRINTILI ANALİZ Kavrama analizind istniln paramtrlr sadc kavrama sürsi v rişiln rtak hızdan ibarts, basitlştirilmiş analiz ytrinc hassas snuçlar vrbilmktdir. Ancak bu analizd tml varsayım, sürücünün dbriyaj pdalını bırakışının v maksimum dbriyaj baskı kuvvtinin bir adım girdisi larak alınmasıdır [5]. Grçkt tipik sürücü davranışı, gaz pdalına basarak mtr dvrini blli bir dğr çıkarttıktan snra, dbriyaj pdalını ilk tmas sağlanıncaya kadar bırakmak v tam kavramanın grçklşmsi il tkrar gaz pdalı il araç hızını ayarlamak yönünddir. Sürücülr arasında mtr dvrinin çıkartıldığı dğr, kavrama sırasında mtr dvrinin sabit tutulmaya çalışılması vya düşmsin müsaad dilmsi gibi farklılıklar gözlnmktdir. Bu davranışın aracın prfrmansına v dbriyajın ömrün tkilrinin araştırılması için, tmbilin tahrik sistminin dinamiğini tanımlayan (3) v (4) numaralı difransiyl dnklmlr, (1), (6) v (7) numaralı şitliklrl d kullanılarak dğişik sürücü davranış snarylarına gör çözülmlidir. Bu amaçla luşturulan v girdilri gaz pdalı il kntrl diln klbk açıklığı v dbriyaj pdalı il kntrl diln dbriyaj baskı kuvvti lan blk diyagramı Şkil 2 d vrilmiştir. Ayrıca sürtünm yüzylri arasındaki sürtünm katsayısının hız, basınç v sıcaklıkla dğişiminin tkilrini d bu yaklaşımla inclmk mümkün lacaktır. 8

9 k Bu amaçla Şkil 2 d vriln blk diyagram Simulink [8] kullanılarak k luşturulmuştur. Diyagramda kullanılan v Şkil 4 t göstriln mtr karaktristiklri sayısal bir tabl larak girilmiştir. Dbriyajj sürtünm yüzylrind sürtünm katsayısı il ilgilii çalışmalar, statik v dinamik katsayıların yaklaşık 0.3 v 0.2 mrtbsind lduğunuu göstrmktdir. Kullanılann sürtünm mdli Şkil 5 t vrilmiştir. v Simulasynlarda rta büyüklükt bir tmbilin tipik t paramtrlri kullanılmıştır. Mtr Trku [Nm] Klbkk Açıklığı [%] Mtr Hızı [dv/dak] Şkil 4. Mtr karaktristiklri Şkil 5. Sürtünm mdli Sürücünün gaz v dbriyaj pdallarını kullanması il ilgili göstrilmiştir. Bu snarylarda rtak lan özllik: snarylarr Şkil 6 da 9

10 - sürücünün kalkışa başlamadan önc (dbriyaj pdalı tümüyl basılı durumda) gaz pdalına basarak mtr hızını blli bir düzy çıkartması, v - gcikmli larak dbriyaj pdalını bırakması dır. Sürücülrin, gnllikl kavrama sürci tamamlanıncaya kadar dbriyajı tamamn bırakmadan blli bir knumda (B) tuttukları gözlnmktdir. Snarylarda dbriyajı bırakma sürsind, dbriyaj baskı kuvvtinin dğrusal larak arttığı v daha snra kavrama sürsi 3 t tamamlanana kadar sabit kaldığı varsayılmıştır. s A B Klbk Açıklığı Dbriyaj Baskı Kuvvti 0 Zaman Şkil 6. Klbk açıklığı v dbriyaj baskı kuvvti snaryları Yapılan simülasynlarda, klbk açıklığı, (A), dbriyaj baskı kuvvti, (B), gaz pdalı ayar sürlri, v, v dbriyaj ayar sürsi,, için dğişik dğrlr alınarak 1 2 luşturulan snaryların, kavrama sürcind aracın dinamik davranışına lan tkilri araştırılmıştır. Linar lmayan matmatik mdlin sayısal çözümünd Rung-Kutta yöntmi kullanılmıştır. Düz ylda v ykuşta yapılan kalkış simülasynlarından ld diln snuçların bir kısmı Şkil 7, 8, 9 v 10 da sunulmuştur. Kalkış sırasında mtrun v dbriyaj çıkış lmanının dönm hızlarının düz v % 10 myilli ylda dğişimi Şkil 7 d vrilmiştir. Sürücünün ayağını dbriyaj pdalından 1 saniy gcikmli larak kaldırmaya başladığı varsayıldığından, ykuşta kalkış sırasında dbriyaj çıkış lmanının trs yönd dönmy başladığı v aracın griy kaydığı gözlnmktdir. Bu sırada mtr hızı yaklaşık 2180 dv/dak ya yükslmktdir. Sürtünm yüzylri arasında tmasın sağlanmasından snra, mtr hızı bir sür daha artarak 2560 dv/dak ya ulaşmakta v düşmy başlamaktadır. Çıkış lmanının hızının, yaklaşık 1.1 saniy içind yön dğiştirrk artması il 1.8 saniy içind yaklaşık 1650 dv/dak da tam 3 10

11 kavrama durumu sağlanmaktadır. Düz ylda, sürücü dbriyaj pdalını bırakmaya başlayıncaya kadar harktsiz kalmakta, daha snra dbriyaj baskı kuvvtinin artmasıyla hızlanmaktadır. Düz ylda tam kavrama yaklaşık 1.6 saniyd v 1990 dv/dak da ld dilmktdir Giriş, =0 [%] Giriş, =10 [%] n E, n [dv/dak] Çıkış, =0 [%] 0 Çıkış, =10 [%] Zaman [s] Şkil 7 Dbriyajın giriş v çıkış lmanlarının dönm hızı Ykuşta kalkış durumunda aracın önc griy dğru hızlandığını, araç hızının zamanla dğişimini göstrn Şkil 8 d d görmk mümkündür. 5 saniy snunda aracın düz ylda v myild ulaştığı hızlar arasında 8 km/sa fark luşmaktadır. Bnzr şkild aracın kalkış sırasında aldığı yl Şkil 9 da vrilmktdir. Aracın ilk 5 saniy içind düz ylda aldığı ylun, myilli yla gör yaklaşık 7.1 m fazla lduğu gözlnmktdir. V [km/sa] =0 [%] =10 [%] Zaman [s] Şkil 8 Araç hızı 11

12 S [m] =0 [%] =10 [%] Zaman [s] Şkil 9 Aracın aldığı yl Kavrama sürci içind, dbriyajın giriş v çıkış lmanlarının dönm hızları arasındaki fark, Şkil 10 da düz v myilli yllar için vrilmktdir. İki durumda kavrama sürci içind ısıya çvriln nrji 0.6 v 9.0 Jul mrtbsinddir. Bu bilgi, vriln bir araç için kullanılacak dğişik sürtünm yüzylri v byutlarının, dbriyaj balatalarının ömrü üzrind tkisinin inclnmsi v uygun bir tasarım vya sçimin yapılmasında yararlı lacaktır n E -n [dv/dak] =10 [%] =0 [%] Zaman [s] Şkil 10 Dbriyajın giriş v çıkış lmanları arasındaki hız farkı Gliştiriln mdl, snarylar v yapılan simülasynlar yardımı il sunulan paramtrlr k larak mtr, sürtünm v yük trklarının; ısıya çvriln nrjinin v tahrik sistminin çşitli lmanlarının dönm hızlarının da bulunduğu çk sayıda dğişknin zamana gör dğişimi ld dilbilmktdir. 12

13 SONUÇ Düz vya myilli ylda kalkış yapan bir aracın tahrik sistminin, sürücünün gaz v dbriyaj pdalları kullanma snarylarını da içrn ayrıntılı v grçğ labildiğinc yakın bir mdli hazırlanmıştır. Linr lmayan mdl sayısal larak çözülmüş v araç il tahrik sistminin davranışının simulasynu yapılmıştır. Aracın v tahrik sistminin bu ayrıntıda bir mdlinin, özllikl sürücü davranışını da içrn snarylarla birlikt kullanılmasıyla dbriyaj tasarımı v sçimi sırasında grkli çk dğrli bilgilr ürtilbilmktdir. Bnzr şkild, araç harktinin kalkış sırasında dinamik larak simulasynu, aracın ykuşta kalkış ytnğinin grçkçi larak tahminind kullanılabilir. Mdl ayrıca, yarı tmatik v tmatik şanzımanlarda uygulanacak kntrl stratjilrind kullanılmak üzr, gaz v dbriyaj pdallarının n uygun kullanımının blirlnmsind d yararlı lacaktır. 13

14 KAYNAKLAR [1] Smith, G. L., Cmmrcial Vhicl Prfrmanc and Ful Ecnmy, SAE Transactins, c. 79 (1970), s [2] Akkurt, M., Makina Elmanları, 2. cilt, Birsn Kitabvi, İstanbul, [3] Dmirsy, M., Mtrlu Araçlar, 3. cilt, Birsn Yayınvi, İzmir, [4] Lucas, G. G. v Mizn, R., Clutch Manipulatin During Engagmnt, Autmtiv Enginr, 1978, s [5] Szadkwski, A. v McNrny, G. J., Clutch Engagmnt Simulatin:Engagmnt with Thrttl, SAE Transactins, c. 101 (1992), s [6] Tanaka, H. v Wada, H., Fuzzy Cntrl f Clutch Engagmnt fr Autmatd Manual Transmissin, Vhicl Systm Dynamics, c. 24 (1995), s [7] Cnta, D., Rahnjat, H. v Mnday M. T., Th Influnc f th Intrfac Cfficint f Frictin upn th Prpnsity t Juddr in Autmtiv Clutchs, Prc. Instn. Mch. Engrs. Part D, c. 213 (1999), s [8] Simulink, MatLab v (R11), Th MathWrks, Inc