OTEKON 2012 6. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 04 05 Haziran 2012, BURSA BİNEK VE HAFİF TİCARİ ARAÇ DİREKSİYON ve DİREKSİYON TEST SİSTEMLERİNE GENEL BAKIŞ Şeref Server ERSOLMAZ *, Mustafa KARAMUK *, Feyyaz Furkan ŞENTÜRK *, Muhammet GEÇGİL*, Orhan ATABAY** * OTAM A.Ş. İTÜ Ayazağa Yerleşkesi, Motorlar Taşıtlar Laboratuvarı, 34396, Maslak, İSTANBUL ** İstanbul Teknik Üniversitesi, Makina Fakültesi, 34437 Gümüşsuyu İSTANBUL ÖZET sistemi otomotivde en önemli alt sistemlerden biri olarak karşımıza çıkmaktadır. Bunun ana nedenleri olarak direkt olarak müşterinin etkileşimde olduğu bir sistem olması, araç üzerindeki işlevi nedeni ile aktif ve pasif güvenlik unsurlarının önemli bir bileşeni olması ve yapı itibari ile değişik tasarım ve geliştirme alternatiflerine açık bir sistem olması sayılabilir. Günümüzde otomotiv sektörünün regülasyonlar, müşteri beklentileri ve artan rekabet ortamında hızla kat etmekte olduğu gelişim ve değişimlerden direksiyon sistemleri de etkilenmektedir. Bu çalışmada temel olarak direksiyon sistemlerinin yapısı temel unsurları ile özetlenmiş ve sürücüye sağladıkları destek momentinin tipine göre sınıflandırılmış ve açıklanmışlardır. Binek araçlardan başlayarak yaygınlaşan ve diğer alternatiflerine göre birçok yönden öne çıkan elektrik destekli direksiyon sistemleri alt detayları ve örnek modellerle açıklanmış ve bu sistemlerin geliştirilmesi sırasında uygulanan testlere ve test sistemlerine değinilmiştir. Anahtar kelimeler: Sistemi, Elektrikli Sistemi, Testleri, Test Sistemleri AN OVERVIEW OF STEERING AND STEERING TEST SYSTEMS OF PASSENGER AND LIGHT COMMERCIAL VEHICLES ABSTRACT Steering systems are one of the most important sub-systems of today s vehicles. Importance of a steering system can be given in several ways: First of all, it directly interacts with the customers. It is an important component of active and passive safety features due to its function in a vehicle, and the system is open to new design and developments. Steering systems are being affected by changes in regulations, customer expectations and rapidly increasing competitive environment in automotive industry. In this study, the basic structures of the steering systems are summarized and they are categorized and represented with the type of steering moment support. Electric power assisted steering systems, which have been spreading from passengers cars to the other vehicles segments, are investigated with its subcomponent and model details with respect to an example model. Steering system development tests and steering test systems are also investigated and mentioned in this study. Keywords: Steering System, Electric Power Assisted Steering Systems, Steering Tests, Steering Test Systems 1. GİRİŞ sistemleri araçlarda kullanılan en önemli alt sistemlerden biridir ve artan rekabet ortamı ve gelişen teknolojiler ile yapısı, işlevi ve çalışma prensibi gelişerek değişim göstermektedir. Bu değişimi yakalayabilmek için sistem ana yapısına hakim olmak, tasarım ve çalışma alternatiflerini, seçim kriterlerini değerlendirebilmek gereklidir. Günümüzde binek segment araçlardan başlayarak yayılmaya başlayan Elektrik Destekli Sistemi özelliklerinin, çalışma prensiplerinin bilinmesinin ve bir sonraki aşamada bu sistemlerin geliştirilmesinde kullanılan testlerin ve test sistemlerinin anlaşılmasının önemi büyüktür.
2. BİNEK VE HAFİF TİCARİ TAŞIT DİREKSİYON SİSTEMLERİ Mevcut araç uygulamaları dikkate alındığında, sürücüye direksiyon simidinin döndürülmesinde sağlanan destek momentinin tipine göre, direksiyon sistemleri üç gruba ayrılabilir: 1. Hidrolik Destekli Sistemler (HDS: Hidrolik Destekli Sistemi) 2. Elektro-hidrolik Destekli Sistemler (EHDS: Elektro- Hidrolik Destekli Sistemi) 3. Elektrik Destekli Sistemleri (EDS: Elektrik Destekli Sistemi) Bunların yanında, sürücü ile tekerlekler arası direksiyon mili bağlantısının elektriksel olarak yapıldığı Steer-by-Wire (SbW) tipi teknolojiler kanun koyucuların onayını henüz almamıştır. Homologasyon kuralları gereği, direksiyon simidi ile saptırılabilen tekerlekler arasında mekanik bağlantı gerekmektedir. Hidrolik direksiyon sisteminde (HDS) hidrolik pompa içten yanmalı motora kayış kasnak sistemi ile bağlıdır. Şekil 1 de örnek bir HDS verilmiştir. Şekil 2. Hidrolik direksiyon sisteminde direksiyon döndürme momentinin sürüş koşullarına göre değişimi [2] Şekil 3 de bir HDS deki kayıpların dağılımı gösterilmiştir [3] Şekil 3. Bir hidrolik direksiyon sisteminde kayıpların dağılımı [3] HDS ne alternatif çözüm olarak elektrik motoru ile tahrik edilen hidrolik pompalı elektro-hidrolik direksiyon sistemleri ve sadece elektrik motoru ile tahrik edilen elektrik destekli direksiyon sistemleri (EDS) geliştirilmiştir. Şekil 1. Bir Hidrolik Sistemi [1] u çevirmek için sürücüye gereken destek momenti sürüş koşullarına göre değişmektedir. Yüksek hızlarda giderken direksiyonu çevirmek için gereken destek momenti düşüktür. Hatta bazı uygulamalarda destek momenti sıfır alınır. Ancak park durumunda gereken destek momenti oldukça yüksektir. Şekil 2 de örnek bir hidrolik direksiyon sisteminde (HDS), hidrolik sistem basıncı ile sürücünün uygulaması gereken moment arasındaki fonksiyon verilmiştir [2]. hareketlerinin düşük mertebelerde kaldığı düz yol seyirlerinde veya yüksek hızlarda sürüş durumlarında, HDS nin harcadığı enerji işe dönüşmediği için kayıplar artar. Bir binek araçta HDS nin harcadığı enerji aracın kullandığı enerjinin ortalama %3 üne karşılık gelebilir [3]. Şekil 4. Bir Elektro-Hidrolik Sistemi [4] tipleri araç segmentine göre değişmektedir. tipinin (hidrolik veya elektrikli) belirlenmesinde direksiyon döndürme momentinin ve dolayısıyla kremayer/pinyon dişli oranının dikkate alınması gerekmektedir. u döndürmek için gerekli moment, kremayer kuvvetinin ve kremayer-pinion oranının bir fonksiyonudur. Bu orana C-faktörü denecek olursa, tanım olarak bu faktör; direksiyon simidi 360 derece döndüğünde kremayer
mekanizmasının mm olarak ötelenme miktarından ibarettir. Aşağıda verilen bağıntılar, direksiyon döndürme momenti, C faktörü ve araç sınıfına göre (binek, hafif ticari ve ağır vasıta) direksiyon tiplerinin (hidrolik veya elektrikli) seçimi açısından önemlidir [5]. döndürme momenti: T s Frack C 2000 rp Kremayer (rack) doğrusal hızı V rp s C 2000 (Nm) (m/s) direksiyon açısal hızı (rad/s),, kremayer mekanizmasının verimi olarak tanımlıdır. Yüksek C-faktörü gereken durumlarda tekerlekleri döndürmek için gerekli kuvvet, daha fazla güç ve enerji tüketimi gerektirir. Aracın ön aks yükü arttıkça istenen C- faktörü için gerekli güç ve enerji de artacaktır. EDS seçilmesi durumunda, elektrik motorunun yüksek moment üretmesi için elektrik sisteminden (alternatörakü) çekeceği akım da artacaktır. Bu nedenle elektrikli direksiyon sistemleri, mevcut taşıt elektriksel sistemlerindeki gerilim değerleri düşünülecek olursa ağır taşıtlar için uygun bir çözüm değildir. Hidrolik direksiyon sistemleri, bu sebeple binek ve hafif ticari araçların yanında yüksek direksiyon simidi momenti gerektiren durumlarda da (kamyon ve çekici gibi) kullanılmaktadır. 3. DİREKSİYON SİSTEMLERİNDE HİDROLİK, ELEKTROHİDROLİK VE ELEKTRİKLİ DESTEK SİSTEMLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI İlk hidrolik direksiyon sistemlerinde araç hızı ile direksiyon tepkisi arasında herhangi bir ilişki yok iken yeni nesil elektro-hidrolik takviyeli sistemler genellikle araç hızına duyarlıdırlar ve sürücüye sağladıkları direksiyon kuvvet takviyesi açısından hidrolik takviyeli direksiyonlara göre daha uygun bir karakteristikle çalışırlar. Elektrik takviyeli direksiyon sistemlerinde, araç hızını tespit etmek için elektro-hidrolik destek sistemlerinde olduğu gibi hız sensörü (çoğunlukla ABS ye ait tekerlek hız sensörleri) kullanılır. Genellikle araç hız bilgisi aracın CAN haberleşmesi içinde de mevcuttur. Böylelikle sistem sahip olduğu hıza bağlı destek eğrileri sayesinde, farklı hızlar için farklı direksiyon simidi destekleri uygulayabilir. Bu üç ana direksiyon yardımcı sistemi arasındaki başlıca farklılıklar aşağıdaki gibidir [1][6]: 1) Hidrolik temelli direksiyon sistemleri elektrik destekli (elektro-mekanik) direksiyon sistemleri ile karşılaştırıldığında daha fazla bileşenden oluştuğundan (yağ pompası, hortumlar, yağ tankı, filtreler vb.) araç içerisinde daha fazla hacim kaplarlar. 2) Hidrolik sistemlerinin çalışması için hidrolik sıvılar kullanır. Tam elektrikli direksiyon sistemleri için hidrolik sıvı gereksinimi yoktur. Gereken enerji araç elektrik sisteminden (alternatörakü) üzerinden sağlanır. sıvısı ihtiyacının olmaması, normalde sıvının belirli aralıklarla değişmesi gerektiğinden, çevrecidir. Üretilen her 100000 otomobil için yaklaşık 190000 litre hidrolik sıvı tasarrufu sağlanır [7]. 3) Hidrolik sıvı kullanan direksiyon sistemlerinde yağ sızıntısı zaman zaman olabilir ve bu durum aracın gittiği ve park ettiği yerlerdeki çevreyi kirletir. Elektrik destekli direksiyon sistemlerinde ise enerji aküden sağlandığından böyle bir sorun söz konusu değildir. 4) Hidrolik direksiyon sistemi gücünü motordan alır ve motorun yakıt tüketimini arttırır. Elektrik Takviyeli direksiyon sistemleri ise ancak moment desteği gerektiğinde, aracın elektrik sisteminden enerji çektiğinden enerji tasarrufu sağlarlar. Elektrik destekli direksiyon sistemleri CO 2 emisyonunu azaltır [8]. 5) Hidrolik destek sistemleri araç motoru üzerinden tahrik edildiğinden araç hızlandığında daha fazla güç üretir. Araç yavaşladığında üretilen hidrolik güç daha azdır. Her iki durum da direksiyon sistemleri için istenmeyen durumlardır. Sürücünün en fazla güç yardımına ihtiyaç duyduğu durumlar seyir hızının düşük ya da sıfır olduğu durumlardır. İdeal bir direksiyonun araç hızlandıkça ağırlaşması gerekir. Hidrolik destek sistemlerinin bu olumsuz davranışı hidrolik pompa motorunun araç motorundan ayırılarak bir elektrik motoru üzerinden sürülmesi ile giderilmiştir. 6) Hidrolik destekli direksiyonlar ağırlığı daha fazla olan araçlar arasında daha yaygındır. Elektrik destekli sistemler ise hafif araçlar arasında daha yaygın olarak kullanılan bir güç destek sistemi tipidir. 7) Elektrik destekli direksiyon sistemlerinin hidrolik destekli direksiyonlara göre daha az gürültü üretmesi nedeni ile (Gürültüye neden olabilecek kayış/kasnak, pompa sistemlerini ortadan kaldırır.) araç kabini içi ve dışında oluşan gürültü azalır. [1] 8) Elektrik destekli direksiyon sistemleri, çok sayıda ilave fonksiyon ile zenginleştirilerek emniyet ve konfora yönelik pek çok ek özellik oluşturulabilir. Şeritte düz gidiş, yan eğimli yollarda destek momenti, yan rüzgâr kompenzasyonu, otomatik park yardımı, şeritten ayrılma uyarıcısı, şerit takip asistanı, kör nokta uyarı asistanı, engelden kaçma ya da çarpışmalardan kaçınma asistanları bu ilave fonksiyonlardan sadece birkaçıdır. Diğer sistemlerle karşılaştırıldığında daha yenilikçi bir çözüm olarak ortaya çıkan elektrik destekli direksiyon sistemlerinin başlıca dezavantajları ise şu şekilde sıralanabilir;
Elektronik parçalardan kaynaklanan arızalar oluşabilir [9]. Elektrikli direksiyon sistemlerinin uygulayabileceği ilave destek kuvveti araçta mevcut olan azami akım ile sınırlıdır. 12V sistemler 80 amper azami akım uygulayabilirler. Bu da azami gücü 1 KW ile sınırladığından EDS direksiyonlar küçük ya da orta sınıf direksiyonlarda tercih edilir. 42V elektrik sistemlerine geçilirse EDS daha büyük araçlara da uygulanabilecektir [10]. sistemlerinin enerji tüketimi açısından dikkate değer bazı veriler Tablo 1 de sunulmuştur. Tablo 1. sistemlerinin enerji Tüketimi Karşılaştırılması [1] Karşılaştırma Hidrolik Elektro mekanik Ağırlık 16 kg 11 kg Güç tüketim Şehir içi Şehir dışı 400 w 800-1000w 25w 10w Mekanik direksiyon dişlileriyle karşılaştırıldığında ek yakıt tüketimi 0,1 lt 0,01 lt 4. ELEKTRİK DESTEKLİ DİREKSİYON SİSTEMLERİ sistemlerinde tam elektrikli (elektromekanik) destek kavramı sürücünün direksiyon hareketlerini yardımcı bir elektrik motoru ile desteklemek amacı ile geliştirilmiştir. Bu şekilde ortaya çıkan elektrik destekli direksiyon sistemlerinde) bulunan ve yardımcı tork kuvvetini sağlayan elektrik motorunun yerleşim yerleri Şekil 5 te gösterilmiştir [11]. Tek Pinyon Tipi Çift Pinyon Tipi Kolon Tipi Rack Tipi Şekil 5. Elektrik motorunun yerleşim yerleri [11] Hangi tip EDS kullanılacağı, ihtiyaç duyulan kremayer kuvvetinin ve gücünün büyüklüğüne (Steering Rack Power) göre değişmektedir. Tablo 2 de konu ile ilgili kullanım alanları detaylandırılmıştır. Gösterilen detaylar kural şeklinde olmayıp, genel meyli sergilemektedir. Tablo 2. EDS Tipi Araç Tipi İlişkisi [11] EDS Tipi Kremayer Kullanıldığı araçlar Kuvveti [N] Kolon Tipi 6500-10000 Küçük ve orta büyüklükte araçlar Tek Pinyon Tipi 7500-10500 Orta büyüklükteki araçlar Çift Pinyon Tipi 7500-12000 Orta boydan daha büyük araçlar Rack Tipi 9000-15000 Büyük araçlar 4.1 Sistem elemanları ve Sistemin Çalışma Prensibi Şekil 6. Elektrik Destekli [1] Şekil 6 ile gösterilmiş olan kolon (direksiyon mili) tipi elektrik destekli direksiyon sistemi kompakt bir üniteye sahiptir. Bu ünite direksiyon dişlilerini, kontrol ünitesini, elektrik motorunu ve sensörleri kapsar. Elektro-mekanik direksiyon siteminde yönlendirme, üniversal bağlantı milinden önce yer alan parçalar tarafından gerçekleştirilir. Bu sistemde moment bir elektrik motoru tarafından desteklenir. Şekil 7 de gösterilen sistemde bulunan önemli parçalar aşağıda sıralanmıştır [1]: - mili - Yükseklik ayarlı direksiyon kolonu borusu - Ara mil - Burulma çubuğu - moment sensörü ve direksiyon konum sensörünün bulunduğu sensör muhafazası - Elektrik motoru - Sonsuz tahrik dişlisi - Dişli kutusu muhafazası - kolonu elektronik kontrol ünitesi ve üniversal bağlantı mili Elektrik destekli direksiyon sisteminin merkezi parçası Şekil 7 te gösterilen burulma çubuğudur. Çubuk boylamasına ekseni etrafında dönebilir. Burulma çubuğu mekanik olarak ara mil ve sonsuz dişliyi birbirine bağlar. Bu bağlantı yardımıyla ara mil ve sonsuz tahrik dişlisi küçük bir açıyla döner. Bu küçük açı değişimi direksiyonun çevrilme işlemine başlandığı anlamına gelir. Tablo 3 te sisteme ait parçalar ve özellikleri gösterilmiştir [1].
çubuğuyla birlikte dönen direksiyon moment sensörü, direksiyon üzerine etkiyen torkun yönünü ve şiddetini içeren sinyali kontrol ünitesine gönderir. Kontrol ünitesi gerekli olan döndürme desteğini hesaplar. Elektrik motorunu çalıştırır. dişlisine aktarılan tork, sürücü ve motor tarafından aktarılan toplam torktur [1]. Şekil 7. Örnek Elektrik Destekli Sistemi Parçaları [1] Tablo 3: Sisteme ait parçalar ve parçaların özellikleri [1] Sistem Özellikleri ve Bulunduğu yer Parçası Sonsuz Sonsuz dişli elektrik motorunun da yer dişli aldığı bir alüminyum dişli kutusuna Sensör Muhafazası Konum Sensörü Moment Sensörü Kontrol Ünitesi Elektro- Mekanik Motoru Kontrol Lambası yerleştirilmiştir. konum sensörü ve direksiyon moment sensörü muhafazaya monte edilmiştir. Sensör muhafazası sonsuz dişlinin üzerinde yer alır. Sonsuz dişli miline bağlıdır. konum sensörü direksiyonun o anki konumunu izler. Burulma çubuğuna bağlıdır. Ara mil ile birlikte burulma çubuğunun dönme açısını izler. Kontrol ünitesi bu sinyale dayalı olarak moment hesaplamasını yapar. Kontrol ünitesi sonsuz dişli muhafazasına vidalanmış bir kasa içindedir. Kontrol ünitesi araç hızını da dikkate alarak sensörlerden gelen sinyalleri değerlendirerek gerekli direksiyon çevirme desteğini hesaplar. Bünyesinde ilave algoritmaları da barındırır. Sonsuz dişli muhafazasına vidalanmıştır. Titreşimlerin aktarılmaması için bir kauçuk tampon ile bağlanmıştır. Bu uyarı lambası gösterge tablasında yer almaktadır. Kontrol ünitesi direksiyon sisteminde bir arıza tespit ederse gösterge tablosundaki uyarı lambası yanar. çalışma prensibi genel hatları ile şu şekilde özetlenebilir; Sürücü direksiyonu çevirmeye başlar. Burulma çubuğu da aynı anda döner. Burulma Şekil 8. Toplam Tork Çizelgesi [1] Şekil 8 de toplam tork temsili olarak gösterilmektedir. Sürücü direksiyona uyguladığı torku artırırsa, elektrik motoru tork desteğini artırır. Bu da direksiyon dişlisinin daha kolay bir şekilde dönmesine yardımcı olur [1]. Sürücü dönüş esnasında direksiyonu bırakırsa burulma çubuğu üzerindeki burulma ortadan kalkar. Bu anda elektrik motoru devreden çıkar. Sonuç olarak tork desteği ortadan kalkar. Araç hala düz doğrultuda hareket etmiyorsa bu durum direksiyon konum sensörü tarafından algılanır. Elektrik motoru devreye girer ve direksiyon düz doğrultuya gelecek şekilde döndürülebilir. Bu tip kararlar direksiyon ECU sü içindeki yazılımı geliştiren mühendislerce verilir [1]. 4.2 Sistem Detayları Şekil 9 da örnek bir elektrikli direksiyon modeli gösterilmiştir. Şekil 9. Elektrikli direksiyon modeli [12] Elektrikli Sisteminde yer alan elektrik motorunun kontrolü, tekerleklere uygulanan yanal kuvvetlerin değişkenliği ve bozucu etkilerinden dolayı, direksiyon mekanizmasındaki parametrelerin sürekli izlenmesini gerektirir. karakteristik eğrisinden hesaplanan motor referans akımları EDS kontrolörüne referans olarak uygulanır. Bu sistemlerde konfor ve sürüş hissiyatı gibi performans kriterleri kişiye özel (subjektif) ve yol koşullarından dolayı değişebilir kriterlerdir. Bu performans kriterlerini sistematik hale getirmek için
karakteristik eğriler geliştirilmiştir. Bu eğriler ile istenen direksiyon hissiyatını sağlamak için gereken destek torku belirlenir. Yol kuvvetlerindeki düzensiz değişim ve sistem parametrelerindeki belirsizlik, kesin bir matematik model kurulmasını zorlaştırır. Şekil 10 da verilen örnek karakteristik eğrilerde görüldüğü gibi düşey eksende EDS motor akımı için referans değerler verilmiştir. Verilen yol koşullarında istenen direksiyon hissiyatını oluşturmak için EDS motoru PID kontrolör ile bu referansa göre kontrol edilecek ve motor torku bu akıma göre hesaplanmaktadır. Şekil 12. Tork/Açı Sensörü Görünüşü [15] Şekil 10. Örnek direksiyon karakteristik eğrileri [13] Elektrik destekli direksiyon sisteminin örnek blok diyagramı Şekil 11 de gösterilmiştir. Tork sensörü tarafından algılanan sinyal ve araç hızı sinyali olmak üzere iki giriş bulunmaktadır. Sistemde geri besleme olarak motor akımı bulunmakta ve sistem PID ile kontrol edilmektedir. Şekil 11. EDS Kontrol Blok Diyagramı Burulma çubuğunun iki ucundaki açı farkı hesaplanarak bir çıkış üretilir. Δθ, çubuktaki burulmayı göstermektedir ve aşağıdaki formül ile hesaplanmaktadır [14]. = Uygulanan Tork L = Burulma çubuğu uzunluğu D = Burulma çubuğu çapı G = Elastiklik Modülü Örnek bir Tork/Açı sensörünün görünüşü, sensör sistemi ve özellikleri sırasıyla Şekil 12, Şekil 13 ve Tablo 4 te gösterilmiştir. Şekil 13. Tork/Açı Sensor Sistemi [15] Tablo 4. Tork/Açı Sensör Özellikleri [15] Parça Özellik Çalışma Sıcaklık aralığı -40 arası Şaft Uzunluğu 25mm veya daha az Tork Algılama aralığı ±8N.m veya daha fazla Algılama Çözünürlük 0.02N.m veya daha az Kısmı Doğrusallık ±2%Tam Ölçek Sıcaklık Kayması ±0.3N.m veya daha fazla ( 40 + 125 ⁰C arası) (Sıcaklık karakteristikleri ECU için de gereklidir) Açı Algılama Algılama aralığı Mutlak döndürme açısı: 360 derece Kısmı Çözünürlük 0.5 derece veya daha az Tork değeri, burulma çubuğuna bağlı olan 1. Hedef ( ) ve 2. Hedef ( ) arasındaki faz kayması ve burulma çubuğu yay sabiti ile aşağıdaki formüle göre hesaplanır: L burulma çubuğu uzunluğunu, G elastik modülünü, kutup atalet düzenlemesini (pole inertia regulation), D burulma çubuğu çapını göstermektedir [15]. Şekil 14 de moment hesaplaması açıklanmıştır.
5. DİREKSİYON SİSTEMİ TESTLERİ VE DİREKSİYON TEST SİSTEMLERİ Şekil 14. Moment Hesaplaması [15] Mutlak döndürme açısı, N sayıda dişi bulunan 2. hedef ve N-1 sayıda dişi bulunan 3. Hedef arasında diş sayısı farkından dolayı oluşan faz farkı ile hesaplanır. Döndürme momentinin M olduğunu varsayarsak, 2. hedefin dönme açısı, 3. hedefin dönme açısı olduğunu düşünürsek, ün diş sayısının az olmasından dolayı mutlak faz farkı aşağıdaki gibidir [15]: Şekil 15 de mutlak açı hesaplaması açıklanmıştır. Şekil 15. Mutlak açı hesaplaması [15] Elektrik güç tüketimi aşağıdaki formül ile hesaplanmaktadır [16]: elektrik güç tüketimi, akü akımı, akü gerilimi EDS sürücüsüne göre 14[V] veya 42[V] olabilir. Toplam elektrik güç tüketimi [16]: Tablo 5 de örnek bir araç sağa doğru durmadan dönerken Elektrikli direksiyon sisteminin harcadığı enerji için değerler verilmiştir. Tablo 5. Araç sağa doğru durmadan dönerken EDS sisteminin tükettiği toplam elektrik gücü [16] Sürücü Tipi Tork Toplam Elektrik Güç Tüketimi 14[V] sürücü EDS 7.0[Nm] 111.3[W]/100[%] 42[V] sürücü EDS 9.0[Nm] 31.05[W]/27.9[%] 5.1 Sistemi Testleri sistemi testleri subjektif ve objektif performans testleri olarak iki ana gruba ayrılır. Bu testlerde de kendi içinde statik ve dinamik testler olarak sınıflandırılabilir. Test yöntemlerinde, direksiyon hassasiyeti (steering sensitivity), kararlılık, verilen referansa doğru cevap verme ve konfor gibi temel konularda testler yapılır. Testlerde sınır durumlarda direksiyon sisteminin performansı ve aracın kararlılığı da incelenmelidir. konfor değerlendirmesi yapılırken direksiyon eforu, direksiyon düzeltme kolaylığı, direksiyondaki titreşimler gibi performans kriterleri ölçülür. Tablo I de direksiyon hassasiyeti ölçümlerinde incelenen bazı önemli parametreler verilmiştir [17]. Taşıtla ilgili seyir dinamiği testleri bir taraftan direksiyon sisteminin davranışının incelenmesine yönelik olarak da kullanılmaktadır. Bu testlerde yol koşullarında aracın kararlılığı, direksiyon sisteminin kalibrasyonu ve direksiyon sistemindeki parametrelerin tanımlanması için yapılması gereken asgari testlerden bazı örnekler aşağıda sıralanmıştır [18]. 1. Kalıcı durum dönme hareketi yarıçap testi: ISO 4138 e göre yapılan kalıcı durum (steady-state) testinde aracın bilinen bir yarıçaptaki yörüngede testi yapılır. Araç mümkün olan en düşük hızda sürülmeye başlanır. Bu adımdan sonra, araç hızı yavaş yavaş arttırılır. Aracın viraj dönme davranışı bu testle belirlenmeye çalışılır. simidi açısı ve momenti, yan ivme gibi temel durum değişkenlerine bakılır. 2. Dinamik direksiyon döndürme testi: ISO 7401 e göre araç 100 km/h de düz bir yörüngede sürülür. Hız kararlı duruma eriştiğinde direksiyona dinamik bir hareket uygulanarak (200 /s üzerinde) direksiyon açısının nominal değerine kadar direksiyon döndürülür. Nominal açıya ulaşıldığında 3 s bu durumda beklenir ve ardından direksiyon serbest bırakılır. Testlerde direksiyon simidi açısı, yaw açısı, direksiyon simidi momenti, yalpa açısı), yüzme açısı gibi parametreler ölçülerek direksiyon sisteminin ve aracın genel performansı değerlendirilir. 3. Çift şerit değiştirme testi: ISO/DIS 3888-1 e göre yapılan bu testte, 90 km/h hızda çift şeritli yolda sürülen araca yoldaki bir engelden kaçınma manevraları yapılır. Testte, subjektif ve objektif performans değerlendirmesi yapılır. Objektif parametreler olarak, direksiyon simidi açısı-yanal ivmelenme, sapma hızı (yaw rate)-direksiyon simidi açısı, yanal ivmelenme- sapma hızı (yaw rate) gibi sinyal çiftleri arasındaki zaman gecikmeleri ve kazanç faktörleri ölçülerek aracın dinamik davranışı analiz edilmeye çalışılır.
testlerinde özellikle direksiyon eforu için ortalama moment, maksimum moment testleri elektrik destekli direksiyon sistemlerinin parametrelerini belirlemek açısından önemli testlerdir. Bunun yanında hem Ana Sanayi değerlendirme kriterleri, subjektif ve objektif testler, hem yan sanayi üretim, kontrol testleri göze alındığında bir elektrikli direksiyon sisteminin araç üzerinde müşteriye sunulmasından önce çok ince detaylarda yüzlerce teste tabi tutulması gerekliliği ortadadır. Bazı performans kriterleri için örnek testler Tablo 6 de örneklendirilmiştir. TABLO 6. EDS Hassasiyeti Test Parametreleri [17] Nötr noktasına On-center Şerit geri-döndürebilme (returnability) performansı değiştirme performansı Burada aracın düşey eksen etrafında dönme hareketi (yaw) detaylıca incelenerek, belirli metriklere göre kararlar verilir. -Moment rijidliği -Max. direksiyon döndürme momenti - döndürme momentinin sıfır yanal ivmelenmede ki gradyanı -Yaw hızı gecikme zamanı -Max. yaw hızı -Max. yanal ivmelenme -Yaw hızı gecikme zamanı 5.2 Test Sistemleri Otomotiv test sistemleri üreten firmalar çalıştıkları alanlara göre çeşitli konularda uzmanlaşmışlardır. test sistemleri de pazarda son yıllarda görülmeye başlanmış, özellikle elektrik destekli direksiyonların yaygınlaşmasıyla giderek önem kazanan sistemlerdir. test sistemlerinde (DTS) yoldan gelen tekerlek yan kuvvetlerini (genellikle rotil kuvvetlerine indirgenerek) ve direksiyon hareketlerini oluşturan aktüatörler hidrolik veya elektrikli olabilirler. Bir direksiyon test sisteminde aşağıdaki testler gerçekleştirilebilir. Uygunluk Testleri: Sürtünme Testleri, Kremayer, Kolon, Küresel eklem sürtünmesi Sürüş Hissi (Genel manevralar ve on-center) Sönüm karakteristikleri Esneklikler Park Eforu Standart Araç Test Manevraları (Sabit yarıçap, Şerit değişimi...) Prototip Devreye Alma Güvenlikle ilgili fonksiyonların test ve onayı Performans testleri Genel Karakterizasyon testleri Bode eğrisi ile transfer fonksiyonu görüntüleme Test otomasyonu yazılımı ile üretici beklentilerinin otomatik testi ve dokümantasyonu Dayanım testleri Bir direksiyon test sistemi rotil yatay ve düşey hareketlerini temsil edecek şekilde 4 ve ilave olarak da direksiyon simidi dönmesi ile eklenen bir eksen ile 5 eksenli olarak tasarlanabilir. Böyle bir sistemde rotil düşey hareketleri düşünülmezse, sistem 3 eksenli olarak da hareket ettirilebilir. Piyasada her iki prensibe göre de çalışan sistemler mevcuttur. Özel tasarım gerektiren bu sistemler yüksek maliyetlerle kurulabilen, karmaşık kontrol, yazılım parametreleri içeren sistemlerdir. Bu sistemlerde seçilen aktüatör (eyleyici-uygulayıcı) büyüklüğüne bağlı olarak, binek araçlardan en büyük sınıf hafif ticari taşıtlara kadar uzanan geniş bir aralıkta testler yapılabilir. 6. SONUÇLAR ve GELECEK ÇALIŞMALAR Karayolu taşıtlarında kullanılan direksiyon sistemleri, sürücü ile taşıt arasındaki en önemli arayüz olmalarının yanında, taşıt Ar-Ge süreci açısından da üzerinde çok çalışılan ve gelişme potansiyeli itibariyle önü açık altsistemlerdir. Bu çalışmada öncelikle temel özellikleri ile hidrolik, elektro-hidrolik ve elektrikli direksiyon sistemleri kısaca tanıtılmıştır. Bu sistemlerin arasında, özellikle binek ve hafif ticari taşıt sınıfları için gelecek vaat eden sistem olarak tam-elektrik destekli direksiyon sistemleri çalışma prensipleri ve sistem elemanları açısından daha detaylı olarak açıklanmaya çalışılmıştır. Elektrikli direksiyon sistemleri sayesinde direksiyon simidindeki his oldukça hassas şekilde ayarlanabilmekte, taşıt dinamik davranışı belirli sınırlar içinde değiştirilebilmekte ve ilave sürücü yardım fonksiyonları ile taşıta pek çok özellik kazandırılabilmektedir. Bu ayar yapma ve özellik zenginleştirme çalışmaları maliyetli, uzun zaman alıcı ve zaman zaman da tehlikeli yol testleri ile değil, mümkün olduğu kadar laboratuvarda ve özel olarak tasarlanmış uygun deney standları ile yapılmalıdır. Gerçek yol testlerinden mümkün olduğunca kaçınmak ve testleri laboratuvar deney standlarına taşıyabilmek için, direksiyon sistemleri ile ilgili test çeşitleri bir arada kısaca listelenmiş ve bu testlerin yapılabileceği test sistemlerine özet bir vurgu yapılmıştır. Bu çalışmanın gerçekleşmesindeki ve yazarların bu yöndeki gelecek çalışmalarının desteklenmesindeki katkılarından dolayı, İstanbul Teknik Üniversitesi Teknokent şirketlerinden OTAM A.Ş. nezdinde Sn. Volkan Bayraktar a teşekkür edilmektedir.
KAYNAKLAR 1. TC Milli Eğitim Bakanlığı 2005. Sistemleri, Mesleki Eğitim ve Öğretim Sisteminin Güçlendirilmesi Projesi, Ankara 2. Erdelyi T., Talaba D., Girbacia F., 2009. Virtual Prototyping of an Automotive Steering System using Haptic Feedback, Proceedings of the 2nd International Conference on Sensors, Signals, Visualization, Imaging, Simulation and Material Science 3. Miyazaki, H., Rösth, 2008. Technical Trends in Steering Systems, Proceedings of the 7th JFPS International Symposium on Fluid Power, TOYAMA 4. Hur J., 2008. Characteristic Analysis of Interior Permanent Magnet Synchronous Motors in Electrohydraulic Power Steering, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.55, No.6 5. Sebastian T., S. Islam, Mir S., 2005. Automotive Steering Systems, Handbook of Automotive Power Electronic, Edited by Emadi A., CRC Press 6. Balcı S., 2010. Otomobil Elektrikli Sistemlerinin Modellenmesi ve Duyarlılık Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. 7. Rohidas Bendale A. / Maharashtra V., Electric Power Assisted Steering EPAS Report 8. Continental Engineering Service Notes, Electric Power Steering EPS, 9. Sultan Fateh Ali K./ ULLAH SHAH A., 2012, How Power Steering Works 10. Freescale Semiconductor, 2005. Electric Power Steering 11. Infineon Application Notes, 2008. Electric Power Steering (EPS) with GMR-Based Angular and Linear Hall Sensor 12. Yan Z., Hong V, Rui W., 2006. Development of Dynamic Parameter Design and Tuning System for EPS, Int. Conference on Mechantronics and Automation 13. Zhang H. et al., 2009 Modeling and Characteristic Curves of Electric Power Steering System, PEDS 2009 14. Rahman M. F., Electric Power Assisted Steering System For Automobiles, Electrical Engineering-Vol.III 15. Yan Z., Hong W., 2009. Non-contact Steering Sensor for Electric Power Steering, International Conference on Information and Automation 16. Hirozumi Eki, Tatsuo Teratani, Takashi Iwasaki, 2007 Power Consumption and Conversion of EPS Systems 17. Zhang X., Xin Z., Guobiao S., Yi L., 2008. Steering Feel Study on the Performance of EPS, IEEE Vehicle Power and Propulsion 18. Data S., Pesce M, Reccia L., 2004. Identification of Steering System Parameters by Experimental Measurements Processing, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D, Journal of Automobile Engineering