Birbirine Bağlı Hidro-Pnömatik Süspansiyon Sistemlerinin Araç Performansına Etkisi

Transkript

1 Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 1-17 Haziran 15 Birbirine Bağlı Hidro-Pnömatik Süspansiyon Sistemlerinin Araç Performansına Etkisi F. Sağlam * Y. S. Ünlüsoy ASELSAN A.Ş. ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü Ankara Ankara Özet Bu çalışmada birbirine bağlı Hidro-Pnömatik (HP) süspansiyon sistemlerinin araç performansına etkileri incelenmiştir. Öncelikle lastik tekerlekli bir aracın, birbirine bağlı HP süspansiyon sistemi ve bağımsız HP süspansiyon sistemi ile donatılmış matematiksel modelleri türetilmiştir. Daha sonra aracın düşey öteleme ve yunuslama hareketleri için direngenlik ve sönümleme ifadeleri, her iki süspansiyon sistemi ayrı ayrı ele alınarak elde edilmiş; direngenlik ve sönüm özellikleri birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonunda düşey yönde direngenlik ve sönümleme özelliklerinin her iki durumda belirgin bir farklılık göstermediği gözlemlenmiştir. Yunuslama durumunda ise, birbirine bağlanmış HP süspansiyon sisteminin, bağımsız HP süspansiyon sistemine göre daha yüksek direngenlik ve sönümlemeye neden olduğu görülmüştür. Bir sonraki aşamada, birbirine bağlanmış ve bağımsız HP süspansiyonlarla donatılan lastik tekerlekli bir askeri aracın atış performansı ve sürüş konforu yapılan benzetimlerle incelenmiştir. Benzetimler birbirine bağlı HP süspansiyon ile donatılmış aracın atış şokundan gelen bozucu kuvvetlere karşı daha iyi performans sergilediğini göstermiştir. Buna karşın yoldan gelen bozucu kuvvetlere karşı, bağlı HP süspansiyon ile donatılmış aracın, bağımsız HP süspansiyon ile donatılmış araca göre az da olsa performans kaybına uğradığı görülmüştür. Anahtar kelimeler: Bağlı Hidro-Pnömatik süspansiyon, sürüş konforu, hareket kabiliyeti, atış şoku Abstract In this study, the effects of the interconnected Hydro-Pneumatic(HP) suspension system on the performance of wheeled vehicles have been examined. Firstly the mathematical models of a half car model of a (wheeled armored military) vehicle with interconnected and unconnected HP suspension systems are developed. Then the suspension stiffness and damping for the bounce and pitch motions for both suspension systems are obtained and compared to each other. As a result of the comparison, it is observed that stiffness and damping characteristics of the interconnected and the unconnected suspensions are similar to each other in bounce. However, in pitch the stiffness and the damping of the interconnected HP suspension system are higher than those of the unconnected HP suspension system. The effects of the interconnected and unconnected HP suspension systems 1 on the firing performance and ride comfort performance characteristics of the armored military vehicle are examined by simulations. According to the simulation results, the vehicle with the interconnected HP suspension system shows better performance against disturbance force resulting from firing shocks. In case of road disturbances, however, interconnected HP suspension system has a slightly reduced ride comfort. Keywords: interconnected Hydro-Pneumatic suspension, ride comfort, mobility, firing shock I. Giriş Günümüzde HP süspansiyonlar arazi araçlarında, askeri araçlarda ve iş makinalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. HP süspansiyon sistemlerinin, mekanik süspansiyon sistemlerine göre belirli üstünlükleri vardır. Bu üstünlüklerden biri HP süspansiyonların tekerleğin gövdeye göre hareketi arttıkça artan direngenliklere sahip olmalarıdır. Ayrıca, araç üzerindeki herhangi bir HP süspansiyon biriminin bir diğer HP süspansiyon birimi ile değişik şekillerde bağlanabilmesi mümkündür. Yapılan bağlantılar farklı süspansiyon direngenlik ve sönümleme karakteristikleri oluşturmaktadır. Diğer taraftan, mekanik süspansiyonlara sahip araçlar üzerindeki süspansiyon birimlerini birbirleriyle mekanik olarak bağlamak, denge çubuğunda olduğu gibi, son derecede sınırlıdır. Birbirleri ile bağlı HP süspansiyon sistemleri ile ilgili olarak literatürde yer alan çalışmaların sayısı sınırlıdır. Cao [1], ağır araçlar için birbirlerine değişik yönlerde bağlanmış HP süspansiyon sistemlerini incelemiştir. İncelenen bağlı HP süspansiyon sistemlerinin değişik yönlerdeki direngenlik ve sönümleme karakteristikleri türetilmiştir. Ayrıca, bağlı süspansiyonlarla donatılan araçların yoldan ve araç gövdesinden gelen bozucu etkilere karşı performansı da yapılan benzetimlerle incelenmiştir. Sonuç olarakta yunuslama ve yalpa yönünde, bağlı HP süspansiyonların bağımsız HP süspansiyonlara göre araç gövdesinden gelen bozucu kuvvetlere karşı daha iyi performans sağladığı gözlemlenmiştir. Zhang ve diğerleri [] hidrolik olarak bağlanmış HP süspansiyon sistemi ile donatılmış yalpa araç modelinin frekans bağımlı matematiksel modelini türetmişlerdir. Bu model için test düzeneği kurulmuş ve * fesaglam@gmail.com unlusoy@metu.edu.tr

2 Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 1-17 Haziran 15 araç sürüş konforu için testler yapılmıştır. Elde edilen test verileri, modelden alınan test verileriyle karşılaştırılmış ve model doğrulanmıştır. Zhang ve diğerleri [3], hidrolik olarak bağlanmış bir tam araç matematiksel modelini türetmişler ve türetilen bu modelle araç yol tutuşu için benzetimler yapmışlardır. Yapılan benzetimler sonucunda, bağlı HP süspansiyon sistemlerinin araç yol tutuş performansını artırdığını fakat araç sürüş konforunu belirli oranda azalttığını göstermiştir. Ding ve diğerleri [], üç akslı bir ağır araç için, yunuslama yönünde hidrolik olarak bağlanmış bir süspansiyon sistemini çalışmışlardır. Atış yeteneğine sahip olan askeri araçlarda, hareket kabiliyeti ve tekrar eden atışlar için atış sonrası oluşan şoklardan aracın en az şekilde etkilenmesi gerekir. Aracın atış şokuna karşı performansını artırmanın bir yolu aktif süspansiyon ile sağlanır. Hudha [5], atış yeteneğine sahip bir askeri zırhlı araç için aktif süspansiyon tasarlamıştır. Tasarlanan aktif süspansiyonun atış şokundan ve yoldan gelen bozucu kuvvetlere karşı performansı yapılan benzetimlerle incelenmiştir. Choi ve diğerleri [6] yaptığı çalışmada zırhlı bir askeri araç için en iyi hareket kabiliyetini sağlayacak optimum süspansiyon tasarlamışlardır. Atış sonrası oluşan şoktan kaynaklanan araç hareketinde stabilizasyon zamanını ve sürücü koltuğunun düşey ivmesini en aza indirmek için optimum süspansiyon parametreleri bulunmuştur. Literatürde HP süspansiyonların modellenmesi, aktif ve yarı-aktif kontrolüyle ilgili belirli düzeyde çalışmalar yapılmıştır [7-1]. Buna ek olarak, bağlı HP süspansiyonların araç sürüş konforu ve yol tutuşuna olan etkiside ağır araçlar ve otomobiller için az sayıda çalışmada incelenmiştir [1-]. Ancak, bağlı HP süspansiyonların atış yeteneği olan askeri araç performansına etkisi literatürde incelenmemiştir. Askeri araçlarda atış sonrası oluşan şok kuvveti aracın hareket ve atış kabiliyetini azaltmaktadır. Bu nedenle bu etkilerin en aza indirilmesi araç performansı açısından önemlidir. Bu çalışmada birbirleri ile bağlanmış Hidro-Pnömatik süspansiyon sistemlerinin atış kabiliyeti olan bir zırhlı askeri aracın performansına etkisi incelenmiştir. Bu amaçla, bağlı HP süspansiyon sistemi ile donatılmış bir aracın matematiksel modeli türetilmiş, belirli araç isterleri için süspansiyon parametreleri bulunmuştur. Bağlı HP süspansiyon ve bağımsız HP süspansiyon sistemi ile donatılan araçların direngenlik ve sönümleme karakteristikleri bulunmuş ve birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Bağlı HP süspansiyon ve bağımsız HP süspansiyon ile donatılmış aracın, atış şokundan ve yoldan gelen bozucu etkilere karşı performansı yapılan benzetimlerle incelenmiştir. Benzetim sonuçları, bağlı HP süspansiyonların, atış şokuna karşı, bağımsız HP süspansiyonlara göre aracın hareket kabiliyetini önemli ölçüde artırdığını göstermiştir. Bağlı HP süspansiyon sistemlerinin bu özelliği nedeniyle, daha karmaşık olan aktif süspansiyon sistemleri yerine bir seçenek olabileceği sonucuna varılmıştır. II. Bağlı HP Süspansiyona Sahip Bir Askeri Aracın Modellenmesi Birbirlerine yunuslama yönünde bağlanmış HP süspansiyon sistemine sahip yarım araç modeli Şekil 1 de gösterilmiştir. En temel haliyle bir HP süspansiyon birimi, bir gaz hacmine, bir valfe, ve bu valfin ayırdığı iki yağ hacmi ile hidrolik piston ve silindire sahiptir. Gazın sıkıştırılabilir olması, süspansiyona direngenlik etkisi kazandırmaktadır. Benzer şekilde yağın valften geçerken yarattığı basınç kaybı sisteme sönümleme özelliği kazandırmaktadır. Birbirleri ile yunuslama yönünde bağlanmış bir HP süspansiyon sistemine sahip araç modeli için hareket denklemleri türetilirken, F ve R alt simgeleri sırasıyla ön ve arka süspansiyona ait olan parametreleri ve değişkenleri belirtmek için kullanılmıştır. Araç ve süspansiyon modeli türetilirken kullanılan parametrelerin tanımları ve sembolleri Tablo 1 de verilmiştir. TABLO 1. Parametre tanımları ve sembolleri Tanım Sembol-Birim Araç Kütlesi M [kg] Yunuslama Ataleti I [kgm ] Lastik Kütlesi M t [kg] Aracın Ağırlık Merkezi ile Ön Aks Arasındaki Mesafe a [m] Aracın Ağırlık Merkezi ile Arka Aks Arasındaki Mesafe b [m] Lastik Direngenliği k t [N/m] Piston ile Silindir Arasındaki Sürtünme Kuvveti F pf [N] Hareketli Piston ile Silindir Arasındaki Sürtünme Kuvveti F fpf [N] Piston Alanı A p [m ] Hareketli Piston Kütlesi M fp [kg] Ön Süspansiyon İlk Gaz Hacmi V 3F [m 3 ] Arka Süspansiyon İlk Gaz Hacmi V 3R [m 3 ] Hortum Uzunluğu L [m] Hortum Çapı D [m] A. Bağlı HP süspansiyon ile donatılmış aracın modellenmesi Ön ve arka süspansiyon ana pistonu için kuvvet denklemleri, FF P1FAp PFApr FpfF (1) FR P1R Ap PR Apr FpfR () olarak yazılabilir. Bu denklemlerde F F ön süspansiyon kuvvetini, F R arka süspansiyon kuvvetini, P 1 birinci bölmedeki yağ basıncını, A p piston alanını, P dördüncü bölmedeki yağ basıncını, A pr piston alanı ile piston kolu kesit alanı (A r ) arasındaki farkı, F pf ise ana piston ile silindir duvarı arasındaki sürtünme kuvvetini ifade

3 Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 1-17 Haziran 15 etmektedir. Ön ve arka süspansiyonlar için politropik gaz denklemi kullanılarak mutlak gaz basınçları P P 3F 3R P3FV3F V A z z 3F p fpf tf P3RV3R V A z z 3R p fpr tr olarak yazılabilir. Bu denklemlerde P 3 mutlak gaz basıncını, P 3 ilk durumdaki mutlak gaz basıncını, V 3 ilk durumdaki gaz hacmini, κ politropik gaz sabitini, z fp hareketli piston konumunu ve z t lastik merkezinin konumunu ifade etmektedir. Ön ve arka süspansiyonlar için hareketli piston kütlesi hareket denklemi, (3) () P3F PAtm PF Ap FfpfF MfpgM fpzfpf (5) P P P A F M gm z (6) 3R Atm R p fpfr fp fp fpr olarak yazılabilir. Bu denklemlerde P Atm Atmosferik basıncı, P ikinci bölmedeki yağ basıncını, F fpf hareketli piston ile silindir duvarı arasındaki Coloumb sürtünme kuvvetini, M fp hareketli pistonun kütlesini ve g yerçekimi ivmesini ifade etmektedir. İkinci hacimden birinci hacme geçen yağ debisi orifis denklemleri kullanılarak, QF1F CDA v(p) PF P1F sign(pf P 1F) QR1R CDA v(p) PR P1R sign(pr P 1R ) (8) olarak yazılabilir. Bu denklemlerde Q 1 ikinci hacimden birinci hacme geçen yağ debisini, C D valf kayıp faktörünü, A v (P) üzerindeki basınç farkına göre değişen valf açıklık alanını ve ρ yağ yoğunluğunu ifade etmektedir. Normal bir orifiste açıklık alanı sabittir ve üzerindeki basınç ile değişmemektedir. Fakat sistemin performansını artırmak için üzerindeki basınç farkına göre değişen alana sahip valf kullanmak bazı avantajlara sahiptir. (7) z x θ z pf P F Q F1R Q R1F P R z pr P 1F P 1R Q F1F Q R1R z fpf P F P R z fpr P 3F P 3R z tf z tr z F z R Şekil 1. Yunuslama yönünde bağlanmış HP süspansiyon sistemine sahip yarım araç modeli 3

4 Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 1-17 Haziran 15 Ön ve arka süspansiyonların birinci hacimlerindeki yağ debileri için devamlılık denklemleri, Q A z z Q (9) F1F p pf tf R1F Q A z z Q (1) R1R p pr tr F1R olarak yazılır. Benzer şekilde ön ve arka süspansiyonun dördüncü bölmesindeki yağ hacimlerinin devamlılığından, F1R pr pf tf Q A z z (11) Q A z z (1) R1F pr pr tr olarak yazılır. Bu denklemlerde Q 1 birinci süspansiyonun dördüncü hacminden ikinci süspansiyonun birinci hacmine ya da ikinci süspansiyonun dördüncü hacminden birinci süspansiyonun birinci hacmine akan yağ debisini ifade etmektedir. Ön ve arka hortumları bağlayan hortumlarda yağın akışının laminer olduğu varsayılırsa, dördüncü hacimlerdeki yağ basıncı, QF1R RF PF P1R (13) Q R P P (1) R1F R R 1F denklemlerinden bulunur. Bu denklemlerde, R hortumlarda yağın akışı sırasında oluşan kayıp faktörünü ifade etmektedir. Laminar bir akışta bu kayıp faktörü [1], D R 18 L (15) denklemi ile bulunur. Bu denklemde D hortum iç çapını, μ yağ viskositesini ve L hortum uzunluğunu ifade etmektedir. En son olarakta ön ve arka süspansiyonun ikinci hacimleri için devamlılık denklemlerinden yağ debileri, F1F p fpf tf Q A z z (16) Q A z z (17) R1R p fpr tr olarak yazılır. Yukarıda verilen denklemler ile süspansiyon kuvvetleri bulunabilir. Süspansiyon kuvvetlerinin bulunmasından sonra ise araç gövdesi için hareket denklemleri düşey ve yunuslama yönünde sırasıyla aşağıda verildiği gibi yazılabilir. Bu denklemlerde M araç gövdesinin kütlesini, z araç gövdesinin konumunu, a ön aks ile ağırlık merkezi arasındaki mesafeyi, b arka aks ile ağırlık merkezi arasındaki mesafeyi, M D araç üzerine gelen bozucu momentleri, I aracın yunuslama yönündeki ataletini, θ ise aracın yunuslama açısını göstermektedir. Benzer şekilde araç lastikleri içinde hareket denklemleri yazılabilir. Araç kütlesi ve süspansiyonlar için küçük genlikli yer değiştirmeler varsayımıyla, kinematik denklemler aşağıda verildiği gibi yazılabilir. zpf za () zpr z b (1) Tüm bu denklemlerden bağlı HP süspansiyon sistemi ile donatılmış bir araç yunuslama modeli oluşturulabilir. B. HP süspansiyonda kullanılan valfin modellenmesi Literatürde bulunan HP süspansiyon çalışmalarında sönümleme elemanı olarak orifis kullanılmaktadır. Orifis, üzerinden yağ akışının sağlandığı sabit bir alana sahiptir. Orifis için sönümleme kuvvet ve hız karakteristiği türetildiğinde, kuvvetin hızın karesiyle orantılı olduğu görülmektedir. Referans çalışmalarda [1,13,1] da belirtildiği gibi, düşük süspansiyon hızlarında kuvvet düşük düzeydedir. Yüksek hızlarda ise, kuvvetin artması süspansiyonda sertliğe sebep olmakta ve aracın yoldan isolasyonunu azaltmaktadır. Bu nedenle eğer aktif veya yarı-aktif süspansiyon uygulaması yapılmıyorsa, sabit alanlı orifis yerine alanı değişen orifis kullanılması daha avantajlı olabilir. Dolayısıyla bu çalışmada, biri sabit açıklık alanına ve biri değişken açıklık alanına sahip iki farklı orifis kullanılarak valf modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan valf modeli Şekil de gösterilmiştir. A v (ΔP) A v P 1 P A v (ΔP) Şekil. HP süspansiyonda kullanılan sabit ve değişken alanlı valf modeli Şekil de gösterilen valfin matematiksel modeli, F FR Mg Mz (18) aff bfr MD I (19)

5 Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 1-17 Haziran 15 A A PA A if P P E vmaxe v E maxe v PE Pmax E AvmaxE Av if PE PmaxE PA A if P P C vmaxc v C maxc v PC Pmax C AvmaxC Av if PC PmaxC () olarak elde edilir. Bu denklemlerde E ve C alt simgeleri sırasıyla süspansiyonun uzaması ve sıkışması esnasındaki parametre ve değişkenleri belirtmek için kullanılmıştır. Bu denklemlerde, ΔP basınç farkını, ΔP max valfte maksimum açıklığa neden olan basınç farkını, A vmax maksimum valf açıklık alanını ve A v ise sabit orifis açıklık alanını ifade etmektedir. Valfin açıklık alanının basınç farkına göre değişimi Şekil 3 te gösterilmiştir. A vmax A v ( P) Şekil 3. HP süspansiyonda kullanılan değişken alanlı valf modeli C. Süspansiyon direngenlik ve sönümleme ifadelerinin türetilmesi Araç ve süspansiyon modeli türetildikten sonra, bağlı HP süspansiyonun düşey öteleme ve yunuslama yönlerindeki direngenlik ve sönümleme ifadeleri bulunmuştur. Direngenlik karakteristikleri bulunurken ön ve arka lastik merkezlerinin yere bağlı olduğu varsayılmıştır. Düşey yöndeki süspansiyon direngenliğini bulmak için ön ve arka süspansiyonlar ile araç gövdesinin düşey yöndeki konumlarının birbirlerine eşit olduğu varsayılmıştır. (z pf =z pr =z). Bu durumda süspansiyonun düşey yöndeki direngenliği, k d F F F R dikey () ifadesi ile bulunur. Yunuslama yönündeki direngenlik ise k ΔP max dz d aff bf d R ΔP (3) ifadesinden bulunur. Bu çalışmada yunuslama yönündeki süspansiyon direngenlik katsayısı Cao [1] nun çalışmasında kullandığı yöntem kullanılarak hesaplanmıştır. Benzer şekilde düşey yöndeki sönümleme ifadesini bulmak için ön ve arka süspansiyon hızlarının 5 eşit olduğu ve yunuslama yönündeki sönümleme ifadesinin bulunması içinde ön ve arka süspansiyon hızlarının birbirleriyle aynı büyüklükte ve ters işaretli olduğu varsayılmıştır. bir HP süspansiyon sistemi fiziksel parametreleri değiştirilmeden bağlı hale getirilirse tamamen farklı yeni bir HP süspansiyon sistemi elde edilmiş olur. Bu şekilde bağlı ve bağımsız süspansiyon sistemlerinin karşılaştırılması farklı iki süspansiyon sisteminin karşılaştırmasına eşdeğerdir. İlk aşamada düşey yönde benzer direngenlik ve sönümleme özelliklerine sahip bağlı ve bağımsız iki farklı süspansiyon sisteminin yunuslama yönündeki direngenlik ve sönümleme değerlerinin karşılaştırılması yapılmıştır. Bu amaçla, süspansiyonların fiziksel parametreleri değiştirilerek aynı düşey direngenlik değerlerine sahip bağlı ve bağımsız süspansiyon sistemleri elde edilmiştir. Değişik piston kolu alanlarına sahip bağlı HP süspansiyon ile bağımsız HP süspansiyonun yunuslama direngenlik değerleri Şekil te verilmiştir. Şekil ten de görüleceği gibi düşey yönde eşdeğer direngenliklere sahip olan bağlı ve bağımsız süspansiyonlarda, bağlı süspansiyonlar bağımsız süspansiyona göre daha yüksek yunuslama direngenliğine sahiptir. Ayrıca bağlı süspansiyonlarda, piston kolu kesit alanı azaldıkça, yunuslama direngenliği artmaktadır. Bu durum süspansiyon tasarımcısına serbestlik vermekte ve yunuslama direngenliği istenilen düzeye ayarlanabilmektedir. Yunuslama Direngenliği [knm/rad] Bağlı, Ar=.6Ap Bağlı, Ar=.8Ap Yunuslama Açısı [derece] Şekil. Bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlar için yunuslama direngenlikleri Benzer şekilde bağlı ve bağımsız HP süspansiyonların yunuslama yönündeki sönümleme karakteristiklerini karşılaştırmak için düşey yöndeki sönümleme karakteristikleri benzer olmalıdır. Bu durum, bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlarda bulunan orifis ve valf açıklıklarını ayarlayarak yapılır. Düşey yönde benzer sönümleme karakteristiklerine sahip bağlı ve bağımsız HP süspansiyon sistemleri için yunuslama yönündeki sönümleme kuvveti Şekil 5 te gösterilmiştir. Şekil 5 ten görüleceği gibi düşey yönde eşdeğer sönümleme kuvvetine sahip bağlı ve bağımsız süspansiyonlarda, yunuslama yönünde bağlı süspansiyon bağımsız süspansiyona göre daha fazla sönümleme

6 Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 1-17 Haziran 15 performansına sahiptir. Ayrıca, bağlı süspansiyonda piston kolu alanı artıkça süspansiyon sönümleme kuvveti de artmaktadır. Sönümleme Kuvveti [kn] Bağlı, Ar=.6Ap Bağlı, Ar=.8Ap Süspansiyon Hızı [m/s] Şekil 5. Bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlar için yunuslama yönündeki sönümleme kuvveti Dolayısıyla, bağlı HP süspansiyonları ile düşey yönde benzer direngenlik ve sönümleme özelliklerine sahip, yunuslama yönünde ise daha büyük direngenlik ve sönümleme özelliklerine sahip süspansiyonlar elde edilebilir. Bu durum sonraki bölümlerde açıklanacağı gibi, araç gövdesine gelen bozucu kuvvetlere karşı önemli performans gösterecektir. III. Benzetimler Süspansiyon modeli incelendikten sonra süspansiyon performansı bilgisayar tabanlı yapılan benzetimler ile incelenmiştir. Benzetimlerde, tasarlanan süspansiyonun, atış şokunun araç gövdesinde yarattığı bozucu kuvvetler ve yoldan araç lastiklerine gelen bozucu girdiler kullanılmıştır. Atış yeteneğine sahip bir askeri araçta, aracın hareket kabiliyeti atış sonrası aracın gösterdiği salınımlara bağlıdır. Atış sonrasında araç kısa bir süre içinde en az salınmayla denge konumuna geri dönmelidir. Yunuslama yönünde aracın atış şoku gibi araç gövdesine etkiyen bozucu kuvvetlere karşı en iyi performans göstermesinin yolu, aracın büyük bir yunuslama direngenliğine sahip olmasıdır. süspansiyonlarda büyük yunuslama direngenliğini elde etmenin yolu, direngenliği yüksek süspansiyon yaylarının kullanımıdır. Fakat, bu durum aracın sürüş konforunu önemli ölçüde azaltmaktadır. Diğer bir deyişle, düşey yönde yumuşak, yunuslama yönünde ise sert bir süspansiyon en iyi sonucu verecektir. Böylece araç hem yüksek sürüş konforuna hem de araç gövdesine gelen bozucu kuvvetlere karşı daha iyi bir performansa sahip olacaktır. Bağlı HP süspansiyonların önemli bir karakteristiği, daha önceki kısımlarda anlatıldığı gibi düşey yönde yumuşak, yunuslama yönünde ise sert süspansiyon tasarımına olanak vermesidir. Benzetimde kullanılan araç ve süspansiyon parametreleri Tablo de verilmiştir. A. Atış benzetimleri Aracın üzerine takılan silahtan kaynaklanan atış şok momenti, momentumum korunumundan bulunabilir. V MS m h t () Bu denklemde m merminin kütlesini, V merminin son hızı ile ilk hızı arasındaki farkı, Δt merminin son hızına ulaşana dek geçen süreyi ve h namlu ekseni ile aracın ağırlık merkezi arasındaki mesafeyi ifade etmektedir. Araçta oluşan atış şok momenti Şekil 6 da gösterilmiştir. Bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlarının atış şokundan sonra yunuslama ve düşey yönde gösterdiği tepkiler Şekil 7-9 da verilmiştir. Şekil 7-9 dan görüleceği gibi, atış sonrası araç gövdesine etkiyen şok kuvveti araçta salınmaya neden olmaktadır. Bu salınma değeri, bağlı süspansiyonlarda bağımsız süspansiyonlara göre oldukça azdır. Ayrıca, bağlı HP süspansiyonda piston kolu alanı azaldıkça, süspansiyonlar arası etkileşimde artmakta ve HP süspansiyon atış şokuna karşı daha iyi bir performans göstermektedir. Bu performans yunuslama yönünde bağlanan HP süspansiyonların atış yeteneği bulunan askeri araçlarda uygulanmasının avantajını göstermektedir. TABLO : Araç ve süspansiyon parametreleri Sembol-Birim Değer M [kg] 3 I [kgm ] 5 M t [kg] 15 a [m] 1. b [m] 1.3 k t [N/m] 7.165x1 5 F pf [N] F fpf [N] A p [m ].7 M fp [kg] 1 V 3F [m 3 ].19 V 3R [m 3 ].19 L [m] 3.5 D [m].5 6

7 Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 1-17 Haziran 15 Moment [knm] Süspansiyon Salınımı [m] Bağlı, Ar=.6Ap Bağlı, Ar=.8Ap Şekil 6. Atış şok momenti Şekil 8. Bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlu araçta atış sonrası oluşan arka süspansiyon salınması Süspansiyon Salınımı [m] Bağlı, Ar=.6Ap Bağlı, Ar=.8Ap Yunuslama Açısı [derece] Bağlı, Ar=.6Ap Bağlı, Ar=.8Ap Şekil 7. Bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlu araçta atış sonrası oluşan ön süspansiyon salınması B. Yoldan gelen bozucu girdilerle yapılan benzetimler Bu kısımda bağlı HP süspansiyonların yoldan gelen ve araç lastiğine etki eden bozucu yol girdilerine karşı tepkisi yapılan benzetimler ile incelenmiştir. Benzetimlerde, araç 5 km/sa hızla giderken Şekil 1'da gösterilen 5 cm yüksekliğinde bir kasisten geçtiği varsayılmıştır. Bağlı ve bağımsız süspansiyonlarda oluşan tepkilerin grafikleri Şekil te verilmiştir Şekil 9. Bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlu araçta atış sonrası oluşan yunuslama açısı Şekil 13 te görüldüğü gibi yunuslama açısı, bağlı süspansiyonlu araçta bağımsız süspansiyonlu araca göre daha büyüktür. Bu durum bağlı süspansiyonların yüksek yunuslama direngenliklerine sahip olmasından kaynaklanmaktadır. Benzer şekilde bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlar, direngenlik ve sönümleme karakteristikleri düşey yönde birbirlerine çok yakın alınarak tasarlandığı için, bağlı ve bağımsız HP süspansiyonla donatılmış araç için düşey ivme tepkileri Şekil 1 ten de görüleceği gibi birbirlerine çok yakındır. Daha önceki bölümlerde belirlendiği gibi, bağlı HP süspansiyonların yunuslama yönünde direngenlik ve sönümleme karakteristikleri bağımsız HP süspansiyonlara göre yüksektir. Bu nedenle Şekil 15 te görüleceği gibi bağlı HP süspansiyon ile donatılmış aracın yunuslama ivmeleri, bağımsız HP süspansiyonlu araca göre biraz daha yüksektir. Bu durum aracın sürüş konforunda belirli bir kayba neden olabilir. 7

8 Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 1-17 Haziran Bağlı, Ar=.6Ap Bağlı, Ar=.8Ap Tümsek Yol Girdisi [m] Yunuslama Açısı [derece] Süspansiyon Salınımı [m] Süspansiyon Salınımı [m] Şekil 1. Tümsek yol girdisi Bağlı, Ar=.6Ap Bağlı, Ar=.8Ap Şekil 11. Bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlu araçta yol tümseğinden dolayı oluşan ön süspansiyon salınması Bağlı, Ar=.6Ap Bağlı, Ar=.8Ap Şekil 1. Bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlu araçta yol tümseğinden dolayı oluşan arka süspansiyon salınması Düşey İvme [m/s ] Yunuslama İvmesi [rad/s ] Şekil 13. Bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlu araçta yol tümseğinden dolayı oluşan yunuslama açısı Bağlı, Ar=.6Ap Bağlı, Ar=.8Ap Şekil 1. Bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlu araçta yol tümseğinden dolayı oluşan düşey ivme Bağlı, Ar=.6Ap Bağlı, Ar=.8Ap Şekil 15. Bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlu araçta yol tümseğinden dolayı oluşan yunuslama ivmesi 8

9 Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 1-17 Haziran 15 IV. Sonuçlar Bu çalışmada birbirlerine yunuslama yönünde bağlanmış HP süspansiyon sistemin, atış yeteneğine sahip lastik tekerlekli bir askeri aracın performansına etkileri incelenmiştir. Ön ve arka HP süspansiyon sistemlerinin birbirlerine bağlanması ile, farklı bir süspansiyon karakteristiği ortaya çıkmaktadır. Düşey direngenlik ve sönümleme karakteristikleri benzer tutulduğunda, bağlı süspansiyonların kullanılması ile bağımsız süspansiyonlara göre daha yüksek yunuslama direngenlikleri ve sönümlemeleri elde etmek mümkündür. Bu özellik bağlı HP süspansiyon ile donatılmış araçlarda araç gövdesine gelen bozucu girdilere karşı performans iyileştirmesi sağlar. Askeri araçlarda oluşan atış şoku araçta ciddi salınmalara neden olduğu için, aracın hareket kabiliyetini kısıtlamakta ve atış performansını düşürmektedir. Yapılan benzetimlerden elde edilen sonuçlara göre, bağlı HP süspansiyonlu bir araçta atış şokunun yarattığı salınım, aynı düşey direngenliğe sahip bağımsız HP süspansiyonlu aracın salınmasına göre oldukça azdır. Bu gözlem, atış şokuna karşı aracın hareket performansını artırmak için daha karmaşık ve yüksek maliyetli aktif süspansiyonlar yerine, göreceli olarak daha basit bağlı HP süspansiyon sistemlerinin kullanılabileceğini göstermektedir. Diğer taraftan, bağlı HP süspansiyonlu araçta yoldan gelen bozucu girdilerin araçta yarattığı yunuslama ivmesi bağımsız HP süspansiyonlu araca göre biraz daha yüksektir. Bu durum araçta sürüş konforunun belirli oranda azalmasına neden olabilir. [9] Deprez, K., Maertens, K., Ramon, H. Comfort improvement by passive and semi-active Hydropneumatic suspension using global optimization technique, Proceeding of the American Control Conference, Anchorage, May. [1] Gao B., Darling J., Tilley D.G., Williams R. A., Bean A., Donahue J. Control of a Hydropneumatic active suspension based on a nonlinear quarter-car model, Proc. IMechE, v., pp , Part I: J. Systems and Control Engineering, 5. [11] Shi J-W., Li X-W., Zhang J-W. Feedback linearization and sliding mode control for active Hydropneumatic suspension of a specialpurpose vehicle, Proc. IMechE, v., pp. 1-53, Part D: J. Automobile Engineering, 9. [1] Saglam F. and Unlusoy Y. S. State Dependent Riccati Equation Control of an Active Hydro-Pneumatic Suspension System, Journal of Automation and Control Research, Volume 1, Pages 1-1, 1. [13] Bauer, W. Hydropneumatic Suspension System, Springer, Heidelberg, 11. [1] Dixon J. C. The Shock Absorber Handbook, Second Edition, John Wiley & Sons, 7. Kaynakça [1] Cao D. Theoretical Analyses of Roll-And Pitch-Coupled Hydropneumatic Strut Suspensions, PhD. Thesis, 8. [] Smith W. A., Zhang N., & Jeyakumaran J. Hydraulically interconnected vehicle suspension: theoretical and experimental ride analysis, Vehicle System Dynamics: International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, 8:1, 1-6. [3] Smith W. A., Zhang N., & Hu W. Hydraulically interconnected vehicle suspension: handling performance, Vehicle System Dynamics: International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, 9:1-, 87-16, 11. [] Ding F., Han X., Luo Z., & Zhang N., Modelling and characteristic analysis of tri-axle trucks with hydraulically interconnected suspensions, Vehicle System Dynamics: International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, 5:1, , DOI, 1. [5] Hudha H., Jamaluddin H., and Samin P. M. Disturbance rejection control of a light armoured vehicle using stability augmentation based active suspension system, Int. J. Heavy Vehicle Systems, Vol.15 Nos. /3/, 8. [6] Choi E-H., Ryoo J-B., Cho J-R., and Lim O-K. Optimum suspension unit design for enhancing the mobility of wheeled armored vehicles, Journal of Mechanical Science and Technology, 33-33, 1. [7] Joo F. R. Dynamic Analysis of a Hydropneumatic Suspension System, Concordia University, Unpublished M.Sc. thesis, Mechanical Engineering Department, [8] Gao, B., Darling, J., Tilley, D.G., Williams, R. A., Bean, A., Donahue, J. Non-linear modeling of a gas strut used in ground vehicle suspensions, Transactions of the Institute of Measurement and Control, 9; 159, 7. 9