Binek Araç Salıncağında Oluşan Gerilmelerin Çok Kütleli Yarım Araç Modeli Kullanılarak Belirlenmesi M. A. Güvenç * E. G. Gürel F. M. Botsalı AYD Ar-Ge Merkezi AYD Ar-Ge Merkezi Selçuk Üniversitesi Konya Konya Konya Özet Otomotiv bileşenlerinin tasarımında bilgisayar destekli mühendislik (BDM) araçlarının kullanımı ile önemli zaman ve kaynak tasarrufu sağlanmaktadır. Bu çalışmada; BDM araçlarını kullanarak bir binek araca ait salıncağın çalışma ömrünün tahmin edilmesinde kullanılacak gerilmelerin araca ait çok kütleli dinamik model kullanılarak hesaplanması hedeflenmiştir. Salıncağın ömür tahmini sürecinde kullanılmak üzere salıncağa etki eden gerilmeler çok kütleli yarım araç modeli kullanılarak elde edilmiştir. Çok kütleli yarım araç modeli ALTAIR/MotionSolve ortamında oluşturulmuştur. Salıncak ömrünü belirlemek üzere yapılacak simülasyonlarda kullanmak üzere seçilen bir güzergâhta gerçek yol verileri toplanmıştır. Gerçek yol verileri, salıncak üzerine yerleştirilen üç eksendeki ivme bileşenleri ve salıncak üzerine yapıştırılan gerinim ölçer verileri şeklinde toplanmıştır. Çok kütleli yarım araç modeli ve gerçek yol şartlarında toplanan veriler kullanılarak aracın salıncağı üzerindeki kritik noktada oluşan gerilmeler karşılaştırılmıştır. ALTAIR/ MotionSolve ortamında yapılan simülasyonlarda elde edilen gerilmeler, yol verisi toplanırken salıncak üzerinde yapıştırılan gerinim ölçerler ile ölçülen gerilmelerle mukayese edilerek geliştirilen çok kütleli yarım araç modelinin doğrulaması yapılmıştır. Anahtar kelimeler: çok kütleli yarım araç modeli, yol verisi, salıncak, yorulma ömrü Abstract Significant savings in time and resources can be achieved by using Computer Aided Engineering (CAE) tools in automotive components design. This study targets determination of stresses to be used in fatigue life estimation of a passenger car wishbone by using CAE tools. Stresses to be used in fatigue life estimation of the wishbone are calculated by using multi body half car model. Multi body half car model was created at the ALTAIR/MotionSolve software. Real road data to be used in fatigue life estimations are collected during test drives on a selected course by using a data acquisition system. Collected real road data consists acceleration components in three axes and data measured from strain gages fixed on the critical point on the wishbone. Stresses * guvenc.mehmetali@aydtr.com gurel.emin@aydtr.com fbotsali@selcuk.edu.tr 1 induced on the wishbone were calculated by using the real road data and the multi body half car model in ALTAIR/MotionSolve software. Calculated stresses on the wishbone are compared with stresses measured by strain gages fixed on the wishbone during test drives in order to validate the half car dynamic model created in ALTAIR/MotionSolve software. Keywords: multibody half-car model, road load data, wishbone, fatigue life I. Giriş Karayolu taşıtları süspansiyon sistemleri bileşenlerinden biri olan salıncak kolu, tekerin kaster ve kamber açısını sağlaması için taşıyıcı ile araç şasisi arasında bağlantı oluşturur. Dövme, döküm veya saç şekillendirme ile üretilen salıncak kolları ayrıca araçta frenleme, ivmelenme ve radyal yüklerinin absorbe edilmesi görevini de yerine getirerek, araçta sürüş konforu ve güvenliğini sağlamaktadır.[1-2] Araç için önemli bir güvenlik parçası olan salıncak kolları, garanti edilen süre içerisinde dayanım ve güvenilirlik konusunda ön görülen hedefi sağlamalıdır. Bu dayanım süreleri ise üretici firmalar tarafından tasarım sürecinde belirlenmelidir. Tasarımı yapılarak üretilen sistemlerin dayanımlarının tespit edilmesi için uygulanmakta olan dört yöntem bulunmaktadır:[3] 1. Trafiğe açık yollarda yapılan dayanım testleri, 2. Hızlandırılmış test pistlerinde yapılan dayanım testleri, 3. Laboratuvar test ekipmanları ile yapılan dayanım testleri, 4. Sonlu elemanlar analizleri ile yapılan dayanım testleri. Trafiğe açık yollarda yapılan dayanım testleri uzun sürelerde tamamlanması (binek araçlar için 300.000km, ticari araçlar için 1.000.000km) ve yüksek maliyetler oluşturması nedeniyle artık neredeyse hiç kullanılmamaktadır. Hızlandırılmış test pistlerinde yapılan dayanım testleri, farklı zorlama şartlarını içeren özel test pistlerinde istenilen ömrü tanımlayacak şekilde tekrar edilen yöntemlerdir. Trafiğe açık yollarda yapılan dayanım testlerine göre kısa sürelerde tamamlansa da, diğer yöntemlere göre uzun sürmesi ve bu tip pistlerin gizlilik açısından sorun teşkil etmesi nedeniyle az tercih edilmektedir. Laboratuvar test ekipmanları ile yapılan testler en çok tercih edilen yöntem olmasına karşın yüksek maliyetli laboratuvar ekipmanları bu yöntem için
bir dezavantaj oluşturmaktadır.[4] Sonlu elemanlar analizleri ile yapılan dayanım testleri ise son zamanlardahızlı bir şekilde gelişme kaydetmiştir. Özellikle sonlu elemanlar yazılımlarının doğruluk oranlarının artmasıyla birlikte gerçek prototip ve analizin yerini analitik prototip ve analiz almaya başlamıştır. Tüm aracın ve her bir bileşeninin dayanım testleri doğrulanmış sonlu elemanlar modelleri ile hem daha kısa sürelerde hem de daha düşük maliyetler ile sağlanmaya başlanılmıştır. Geçmişte yapılan birçok çalışmada da sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak tasarım doğrulama çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Orgül B. ve ark. [5] yaptıkları çalışmalarında, sonlu elemanlar araçlarıyla oluşturdukları dinamik taşıt modelinin doğrulamasını yaparak kullanılabilir hale getirmişlerdir. Doğrulanan dinamik model ile gövde ve şasinin statik ve dinamik mukavemet analizlerini gerçekleştirmişlerdir. Yuan L. ve ark. [6] yaptıkları çalışmalarında, gerçek yol verilerini ve çok kütleli dinamik analizi kullanarak bir kamyonun yorulma ömrünü incelemişlerdir. İlk olarak dinamik model için gerekli olan girdilerin elde edilmesi için yol verilerini toplamışlardır. Şasiye gelen ivmelenmeleri ölçmek için; ön, orta ve arka akslara simetrik olarak bağlamışlardır. Ayrıca dikey yöndeki ivmelenmeyi ölçmek için yine ivmeölçerler bağlamışlardır. Bunun yanında yorulma analizi ve dinamik modelin doğrulanması için sağ ve sol amortisöre gerinim ölçerler yerleştirmişdir. Elde edilen verileri dinamik modele aktararak yorulma analizlerini gerçekleştirmişlerdir. Antona F. [7] yaptığı çalışmasında, bir binek araca ait çok kütleli dinamik modeli oluşturmuş ve bu modeli gerçek yol şartlarında araca yoldan gelen cevaplar ile kontrol etmiştir. Dinamik çok eksenli test cihazı ile bu modelin doğrulamasını sağlamıştır. Kağnıcı F. ve Ulaş B. [8] yaptıkları çalışmalarında, çok kütleli dinamik modelini oluşturdukları aracın dinamik analizlerini gerçekleştirerek yorulma ve NVH analizlerini yapmışlardır. Elde ettikleri sonuçlara göre aracın alt sistemi ve bileşenlerinde optimizasyon gerçekleştirmişlerdir. Yılmaz A. ve Kılıç N. [9] yapmış oldukları çalışmalarında, tekerlekten topladıkları ivme datasını 4 poster deplasmanına iterasyonunu gerçekleştirerek Adams/car modelini doğrulayarak, alt sistemi bileşenlerinin yorulma analizinin yapılabileceği bir model oluşturmuşlardır. Lİ L. ve Li Q. [10] yaptıkları çalışmalarında ticari bir aracın çok kütleli dinamik modelini oluşturarak, bu modelde sistemin ve alt bileşenlerinin frekans içeriklerini incelemiştir. Bu çalışmada bir aracın yarım araç modeli Altair/Motionsolve kullanılarak oluşturulmuş, oluşturulan bu model gerçek yol verileri toplanarak tahrik edilmiştir. 2 Model üzerinden ve veri toplama çalışmalarından elde edilen salıncak gerilme değerleri karşılaştırılarak çok kütleli yarım araç modelinin geçerliliği sağlanmıştır. II. Metodoloji Bu çalışmada; tasarımı yapılan sistem ve bileşenlerin dayanımının tespit edilebilmesi için kullanılan çok kütleli araç modelinin geçerli kılınması yapılmıştır. Çok kütleli yarım araç modeli Altair/MotionView arayüzünde oluşturulmuş, modelin dinamik analizi ise Altair/MotionSolve aracılığıyla yapılmıştır[11]. Toplanan yol verileri üzerinde yapılan hesaplama ve düzenleme işlemleri ise LMS/Tecware yardımıyla gerçekleştirilmiştir[12]. Yapılan çalışmada izlenen yöntem ise Şekil 1 de belirtilmiştir. Şekil 1. Çok kütleli dinamik model doğrulama süreci III. Yol Verisi Toplanması Oluşturulacak olan çok kütleli yarım araç modelini tahrik etmek amacıyla belirli bir sürede belirli bir yolda, dinamik simülasyonlarda kullanılabilecek türde (ivme, gerilme) veriler toplanmıştır. Veri toplama çalışmaları binek bir araçta gerçekleştirilmiştir. Dinamik modelin tahrik edilmesi için seçilen araç üzerindeki parçalar incelenmiş ve en uygun parça olarak salıncak belirlenmiştir. Salıncak parçası üzerine 3 eksenli MEMS tipi ivmeölçer ve rozet gerinim ölçer; şasi üzerine de yine MEMS tipi tek eksenli ivmeölçer yerleştirilmiş ve çok kütleli dinamik model için tahrik verileri elde edilmiştir. Gerinim ölçer ise, salıncak parçasına yapılan statik analiz sonrasında parça üzerinde belirlenen kritik gerilme bölgelerine yapıştırılmıştır. Yapılan çalışmalarda salıncak üzerinde kullanılmak üzere PCB marka ±30g ivmeölçer, şasi üzerinde kullanılma üzere Memsic marka ±25g ivmeölçer, Kyowa marka 0⁰/45⁰/90⁰ rozet tipi gerinim ölçer ve LMS marka veri toplama cihazı kullanılmıştır.
Şekil 2. Gerinim ölçer in salıncak üzerine yapıştırılması Şekil 4. İvmeölçer in şasi üzerindeki yerleşimi Toplanan gerinim verilerde LMS Tecware kullanılarak düzenlemeler yapılmış ve gerinim ölçer hesaplamaları yapılarak Von-Mises gerilme değerleri çıkartılmıştır. Elde edilen gerilme değerlerinden 10s lik bir veri aralığı belirlenmiştir (Şekil 5). Toplanan ivme verileri ise yine LMS Tecware kullanılarak filtreleme ve düzenleme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Gerilme değerlerinde seçilen aralıktaki ivme değerleri de seçilerek aynı şekilde ayrılmıştır. Elde edilen 10s lik ivme verisi (Şekil 6) dinamik modelin tahrik edilmesi için MS Excel dosyasına çevrilerek alınmıştır. Seçilen aralıktaki ivme verileri LMS Test Express kullanılarak çift integrasyon ve yeniden örnekleme işlemleri kullanılarak deplasman Şekil 3. İvmeölçer in salıncak üzerindeki yerleşimi MPa Time in S Şekil 5. Seçilen 10s lik yol verisinin gerilme değerleri 3
verilerine dönüştürülmüştür (Şekil 7). Bu uygulamada; dışardan bir deplasman ölçer ve ivmeölçer kullanılarak doğrulaması yapılmıştır. Elde edilen deplasman verileri ivme verisinde olduğu gibi dinamik modelde kullanılmak üzere MS Excel dosyasına çevrilmiştir. Şasi üzerinden ölçülen tek eksendeki ivme değerine de çift integrasyon ve yeniden örnekleme işlemleri gerçekleştirilerek deplasman verisine dönüştürülmüştür. g g g Time in S Şekil 6. Seçilen 10sn lik verinin 3 eksendeki ivme değerleri mm mm mm Time in S Şekil 7. Seçilen 10sn lik verinin 3 eksendeki deplasman değerleri 4
IV. Çok Kütleli Dinamik Analiz Çok kütleli yarım araç modeli, Altair/MotionSolve sihirbazı kullanılarak elde edilmiştir. Test aracına ait süspansiyon sistemi bileşenlerinin 3D katı modelleri bulunamadığı için Altair/MotionSolve sihirbazıyla MacPherson süspansiyon kriterlerine uygun olacak şekilde test aracındaki bileşenlere en yakın olan geometrik seçimler yapılmıştır. MotionSolve çok kütleli dinamik modelde kullanılan salıncak burçlarının mekanik özellikleri ise laboratuvar ortamında yapılan testler ile belirlenmiş ve sisteme girilmiştir. DD11 sac malzemeden imal edilen salıncağın üzerindeki gerilmelerin hesaplanabilmesi amacıyla; salıncak (Şekil 8.) Altair/Hypermesh ortamında modellenerek dinamik model üzerine esnek(flexbody) olarak yerleştirilmiştir. Oluşturulan yarım araç modeli ve modele yerleştirilen esnek salıncak Şekil 9 da verilmiştir. Şekil 9. Çok kütleli yarım araç modeli ve salıncak Veri toplama çalışmalarıyla elde edilen 3 eksendeki deplasman ve ivme verileri rotil üzerine yerleştirilen kayar mafsallar üzerine ayrı ayrı tanımlanmıştır.böylece salıncak rotilinin o eksenlerde tanımlanan ivme ve deplasman hareketlerini gerçekleştirmesi sağlanmıştır. Şasi üzerinden elde edilen deplasman değeri ise dinamik modelde şasinin hareketi olarak tanımlanarak salıncak üzerinde gerçek dışı yükseklikte gerilmelerin oluşmasının önüne geçilmiştir. Bu deplasman hareketi de şasiye kayar bir mafsal tanımlanmasıyla sağlanmıştır. Oluşturulan model Altair/Motionsolve ile çözümlenerek 10 s boyunca salıncağa etki eden gerilme değerleri elde edilmiştir (Şekil 10). Şekil 8. Salıncak Katı Modeli MotionView Gerilme (Mpa) Zaman (s) Şekil 10. MotionSolve analizi ile elde edilen salıncak gerilme değerleri 5
V. Sonuçlar Bu çalışmada, taşıtların süspansiyon sistemi parçalarının yorulma ömrü tayininde kullanılacak gerilmeleri belirlemek üzere çok kütleli yarım araç dinamik modeli geliştirilmiştir. Geliştirilen dinamik araç modeli kullanılarak elde edilen araç salıncağına ait gerilme değerleri gerçek yol şartlarında toplanılan salıncak gerilme verileri ile karşılaştırılarak elde edilen modelin yorulma ömrü tahminlerinde kullanılabilirliği irdelenmiştir. Şekil 11 de gerçek yol şartlarında salıncak üzerinden ölçülen ve yarım araç modeli kullanılarak MotionSolve analizi ile elde edilen gerilme değerleri karşılaştırmalı olarak verilmiştir. İki veri grubunun mertebe ve trend yönünden uyumlu olduğu gözlenmiştir. LMS Tecware yazılımı kullanılarak çok kütleli yarım araç modeli ile elde edilen salıncak gerilmelerinin hasar potansiyeli gerçek yol şartlarında ölçülen salıncak gerilmelerinin hasar potansiyeli ile karşılaştırıldığında; gerçek yol şartlarında oluşan gerilmelerin hasar potansiyelinin, yarım araç dinamik modeli kullanılarak elde edilen gerilmelerin hasar potansiyelinin %87 sine eşit olduğu (Şekil 12) belirlenmiştir. Elde edilen gerilmelerin hasar potansiyelleri, LMS/Tecware arayüzünde Rainflow Counting yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Bu yöntem, yorulma hasar tespitinde en kullnaılan en uygun yöntemlerden bir tanesi olup, gerinim-gerilme ye ait zaman grafiği üzerinde yarım çevrim veya tam çevrimlerin sayılması ile gerçekleştirilir. Çevrimlerin sayılması ise malzemenin gerilme-gerinim davranışını temel alarak gerçekleştirilir. Hesaplanan ve ölçülen gerilmeler arasındaki farkın nedeninin aşağıdakiler olabileceği düşünülmüştür: I. Yarım araç dinamik modelinde kullanılan ideal bileşenlerin gerek geometri gerekse davranış yönünden gerçek taşıttaki parçalarla %100 uyumlu olmaması, II. Salıncak üzerinde veri toplanan noktayı, dinamik model üzerinde birebir karşılayacak noktadan tahrik verilememesinden, III. İvme sinyallerinin integrasyonu ile elde edilen deplasman değerlerinin; gerçek deplasman değerlerinden belli oranda farklılık göstermesi. Yukarda belirtilen olumsuzluklara rağmen, ölçülen ve hesaplanan gerilme değerleri arasındaki farkın kabul edilebilir olduğu, belirtilen olumsuzlukların giderilmesi durumunda aradaki farkın daha da azaltılabileceği sonucuna varılmıştır. MotionView Yol Verisi Gerilme (Mpa) Zaman (s) Şekil 11. MotionView ve Yol verisi ile elde edilen gerilme değerlerinin karşılaştırılması 6
MotionView Yol Verisi Şekil 12. Hasar potansiyellerinin karşılaştırılması Teşekkür Bu çalışmayı San-Tez Programı kapsamında destekleyen Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığına ve Proje ortağı olan Aydınlar Yedek Parça San. Ve Tic. A.Ş. ye teşekkür ederiz. Ayrıca bu çalışmanın gerçekleştirilmesinde her türlü çalışmada yardımlarını esirgemeyen Aydınlar Yedek Parça San. Ve Tic. A.Ş. yöneticileri Seracettin AKDI ve Ahmet ÇAKAL a teşekkürü bir borç biliriz. Kaynakça [1] Reimpel, J., Stoll, H., Betzler, J. W., The Automotive Chassis, Butterworth-Heinemann, 2001. [2] Heissing B., Ersoy M. Chassis Handbook, 1st Edition, Germany, 2011. [3] Toprak M., Ereke M., Ticari Taşıt Akslarının Dayanım Testlerinde Kullanılacak Yüklerin Müşteri Çevrimindeki Taşıt Ölçümlerinden Elde Edilmesi Mühendis ve Makina, cilt 55, sayı 651, s. 26-42, 2014. [4] Yay K., Ereke M., Hızlandırılmış Taşıt Ömür Testlerinde Yol Verisi Kullanımına Yeni Bir Yaklaşım, İTÜ /d Mühendislik Dergisi cilt 2, sayı 5, s 61-73, Ekim 2003. [5] Orgül, B. O., Koyuncu, M. L., Dileroğlu, S., Gökçe, H., Ticari Araç Geliştirme Projesi Kapsamında Dinamik Modelin Testler İle Doğrulanması. 5. Otomotiv Teknolojileri Kongresi, Bursa, Haziran, 07-08, 2010. [6] Yuan L., Tian S., Wei S., Chao J., Zheng J., Fatigue Analysis Of Heavy-Truck Based On Actual Road Tests And Rigid-Flexible Coupling Multi-Body Model, ICTE, 2013. [7] Antona F., Development of a Full Vehicle Dynamic Model of a Passenger Car Using Adams/Car, Oxford Brookes Universtiy,. [8] Kağnıcı F., Ulaş B., Araç Yorulma Analizi Sonucuna Göre Hasar Görülen Parçanın Dayanım ve NVH Açısından İyileştirilmesi, 6. Otomotiv Teknolojileri Kongresi, Bursa, Haziran 2012. [9] Yılmaz A., Kılıç N., Yorulma Analizlerinde Araç Dinamiği Modellerinin Kullanımı, 5. Otomotiv Teknolojileri Kongresi, Bursa, Haziran, 07-08, 2010. [10] Li L., Li Q., Vibration Analysis Based on Full Multi-Body Model for the Commercial Vehicle Suspension System, International Conference on Signal Processing, Greece, February 16-19, 2007. [11] Altair/HyperWorks CAE Yazılımı. [12] LMS/Tecware Veri İşleme ve Hesaplama Yazılımı. 7