PALETLİ ARAÇLARDA SÜSPANSİYON SİSTEMİ ELEMANLARININ ARAÇ KONFORUNA ETKİSİ Mehmet Nuri ÖZDEMİR (a), Y. Samim ÜNLÜSOY (b) (a) FNSS Savunma Sistemleri A.Ş., 06830, Ankara, mehmetnuri.ozdemir@fnss.com.tr (b) Makina Müh. Böl., ODTÜ 06531, Ankara, unlusoy@metu.edu.tr ÖZET Paletli araçlarda süspansiyon tasarımının ilk adımlarından biri araç karın yüksekliğinin ayarlanması sırasında süspansiyon parametrelerinin seçimidir. Bu çalışmada, paletli araçlarda araç karın yüksekliğinin ayarlanması sırasında yapılan parametre seçiminin araç sürüş konforunu nasıl etkilediği incelenmiştir. Ayrıca palet gerginliğinin sürüş konforunu nasıl etkilediği de değerlendirilmiştir. Konfor değerlendirme kriteri olarak soğurulan güç tekniği kullanılmıştır. [1] Araç sürülürken sürücü koltuğundan toplanan ivme verisi kullanılarak toplam soğurulan güç hesaplanmıştır. İki grup simülasyon yapılmıştır. İlk grup simülasyonlarda aynı araç karın altı yüksekliğini sağlayacak şekilde farklı süspansiyon kolu serbest açılarında ve farklı burulma çubuğu burulma sertliğinde süspansiyonlara sahip araçlar sürülmüştür. Konfor hesabı süspansiyon kolu serbest açısı artışının konforu arttırdığını göstermiştir. İkinci grup simülasyonlarda ise farklı palet gerginliğine sahip araçlar sürülmüştür. Sonuçlar palet gerginliği artışının araç konforunu arttırdığını göstermektedir. Anahtar Kelimeler: Sürüş Konforu, Paletli Araç ABSTRACT One of the first steps in design stage of suspension system elements in tracked vehicles is the derivation of the suspension system parameters during the adjustment of road clearance. In this study, the effects on the ride comfort of the selection of suspension parameters during the adjustment of road clearance are studied. Furthermore the effect of track tension on ride comfort is shown. Absorbed power technique is used as an evaluation of comfort criteria. [1] The acceleration data of the driver seat which is recorded during the ride is converted into total absorbed power. Two simulations are made. First, the vehicles with different torsion bar free angle and torsion bar stiffness sets, which satisfy the same underbelly height, are driven. The results reveal that the ride comfort increases with the increasing torsion bar free angle. Then
vehicles having different track tensions are driven andd the results show that the ride comfort increases with thee increasing track tension. Keywords: Ride Comfort, Tracked Vehicle, 1. GİRİŞ Yol araçlarında sürüş konforu, sürücünün maruz kaldığı titreşim seviyesinin değerlendirilmesiyle hesaplanan bir tasarım kriteridir. Yapılan Y çalışmalar farklı genlik ve frekans içeriğine sahip uyarıların yolcuları farklı şekillerdee etkilediğini göstermiştir. Belirli birr genlik vee frekans içeriğine sahip bir uyarı, yolcuları rahatsız edebileceği gibi, belli değerlerde geçici veya kalıcı zararlı etkiler de oluşturabilirr [1]. Burulma çubuğu tipi süspansiyona sahip paletli araçların süspansiyon sistemi Şekil 1 ve Şekil 2 de gösterilen alt parçalardan oluşur. Bu parçalar, paletler, yol tekerlekleri, süspansiyon kolları, burulma çubukları, sönümleyiciler, destek tekerlekleri, cer dişlileri ve avare tekerleklerdir. Şekil 1. Burulma çubuğu tipi süspansiyona sahip paletli araç [2] Şekil 2. Yük uygulanmamış ve uygulanmış durumdaki burulma b çubuğu tipi süspansiyonn Paletli bir aracın tasarımında araç ağırlığı, araç geometrisi, palet ve süspansiyon elemanlarının araç gövdesine bağlantı noktaları ilk aşamalardaa belirlenir. Aracın süspansiyon sisteminin tasarım sürecine geçildiğinde, araç karın altı yüksekliğinin seçilmesi ilk adımlardan biridir. Araçç karın altı yüksekliğinin ayarlanmasında iki farklı parametre ayarlanmaktadır. Birinci parametre burulma çubuğu sertliği, ikincisi ise süspansiyon kolu serbest açısıdır. Doğal olarak, aynı karınn altı yüksekliği farklı burulma b çubuğu sertliği veya süspansiyon kolu serbest açısı değerlerinde sağlanabilir. Ancak, geneldee
dikkatten kaçan bir nokta, seçilen süspansiyon parametre değerlerinin aynı zamanda aracın sürüş konforunu da etkileyeceğidir. Aracın karın altı yüksekliği ayarlanırken, parametre seçimi aracın sürüş konforunu olumlu yönde etkileyecek şekilde yapılmalıdır. Bu nedenle göz önüne alınacak iki parametrenin aracın sürüş konforunu hangi yönde etkileyeceği belirlenmelidir. Bu çalışmada öncelikli olarak burulma çubuğu sertliğinin ve süspansiyon kolu serbest açısının sürüş konforu üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla Matlab/Simulink te yazılan çok serbestlik dereceli dinamik paletli araç yazılımı Tracksim kullanılmıştır [3]. Bu yazılım paletli aracın yanı sıra aracın üzerinde sürüleceği yolun da modellenmesine imkân tanımaktadır. İncelenebilen parametreler arasında palet gergisi de yer almaktadır. Yapılan simülasyonlarda paletli ağır araçların testlerinde yaygın olarak kullanılan tümseklerden oluşan bir test parkuru kullanılmıştır. Modellenen askeri paletli bir araç, bu parkur üzerinde sabit hızla sürülmüş ve soğurulan güç yöntemi kullanılarak sürüş konforu düzeyleri belirlenmiştir. Çalışmada, ayrıca palet gergisinin sürüş konforuna etkisi de aynı model ve test yolu kullanılarak yapılan simülasyonlarla incelenmiştir. 2. BURULMA ÇUBUĞU TİPİ SÜSPANSİYONA SAHİP PALETLİ ARAÇLAR Burulma çubukları palet ile birlikte araç süspansiyon sisteminin efektif sertliğini oluştururlar. Burulma çubuklarının burulma sertliği ve süspansiyon kolunun burulma çubuğuna bağlandığı serbest açı, efektif sertliği önemli ölçüde etkiler. Şekil 2'de gösterildiği gibi, süspansiyon kolu serbest açısı (ϴ f ), burulma çubuğunun üzerinde yük olmadığı durumda süspansiyon koluyla burulma çubuğu yatay ekseni arasında kalan açıyı temsil etmektedir. Yol tekerleği araç gövdesine yaklaştığı zaman burulma çubuğu burulmakta ve süspansiyon kolu açısı azalmaktadır. Burulma çubuğu sertliğinin de, süspansiyon kolu serbest açısının da arttırılması süspansiyonun efektif sertliğini arttırmaktadır. Aynı şekilde burulma çubuğu sertliğinin ve süspansiyon kolu serbest açısının azaltılması da süspansiyon efektif sertliğini azaltmaktadır. Bu nedenle her iki parametrenin de sürüş konforuna etkisi vardır ve tasarım sürecinde araca özgü doğru kombinasyonun seçimi önemlidir. 3. SOĞURULAN GÜÇ TEKNİĞİ İLE SÜRÜŞ KONFORU DEĞERLENDİRMESİ Askeri araçlar için yaygın olarak kullanılan sürüş konforu hesaplama yöntemi soğurulan güç yöntemidir. [1] Soğurulan güç, titreşime maruz kalan insanın enerjiyi soğurma hızıdır. Soğurulan güç hesabı üç öteleme ekseni için de yapılabilmektedir; ancak standart testlerde genellikle bu hesap sadece düşey eksen için yapılır. Soğurulan gücün 6 [W] değerini geçtiği araç hızı, kritik araç hızı olarak kabul edilmektedir ve bu hızlardan yüksek hızlarda gitmek yolcuların sağlığı için sakıncalı olarak değerlendirilmektedir.
Soğurulan güç değeri ivme spektral yoğunluk spektrumunun (PSD) uygun transfer fonksiyonuyla çarpılıp integralinin alınmasıyla hesaplanır: (1) Yukarıdaki denklemde, P toplam soğurulan güç değerini, A i i. frekans bandı için rms ivme değerini ve C i i. frekans bandına karşılık gelen g ağırlıkk katsayısını ifade etmektedir. 4. DURUM ÇALIŞMALARI Bu çalışmalarda farklıı süspansiyon elemanlarının ve parametrelerinin sürüş konforuna etkisini ortaya koymak için simülasyonlar yapılmıştır. y 6 tekerlekli paletli askeri bir araç, Matlab/Simulink te yazılan çok ç serbestlik dereceli dinamik paletli araç modeli Tracksim de modellenmiştir. Bu modelle yapılan simülasyonlar için paletli aracın yanı sıra aracın üzerinde sürüleceği yol da modellenmiştir. Simülasyonlarda araç sert APG tümseklerden oluşan bir test yolunda sabit hızda sürülmüştür. Test yolundaki APG tümseklerinin düzeni ve geometrisi [4], Şekil 3 ve Şekil 4 tee verilmiştir. Şekil 3. Sert APG tümsekli test yolu Şekil 4. Tümsek geometrisi 4.1. BURULMA ÇUBUĞU SERTLİĞİ VE SÜSPANSİYON KOLU SERBEST AÇISININ SÜRÜŞ KONFORUNAA ETKİSİNİNN İNCELENMESİ Bu bölümde aynı karın altı yüksekliğini sağlayan Tablo 1 'de verilen 5 farklı burulma çubuğu sertliği ve süspansiyon sistemi serbest açısı kombinasyonu kullanılarak, araç Şekill 3 te verilenn APG yolunda belirli sabit s bir hızda sürülmüş ve soğurulan güç değerleri karşılaştırılmıştır. Konfigürasyon 1 Konfigürasyon 2 Konfigürasyon 3 Konfigürasyon 4 Konfigürasyon 5 Süspansiyonn kolu serbest açıları [derece] 41 44 47 50 53 Burulma Çubuğu Burulma Sertlikleri [N.m/derece] 1250 775 550 430 350 Tablo 1. Aynı araç karın altı yüksekliğini sağlayan süspansiyon kolu serbest açıları ve burulma çubuğu burulma sertliği kombinasyonları
Aracın test yolundan geçişi sırasında, araç gövdesine sabit sürücü koltuğundann araç koordinat sisteminde düşey yönde ölçülen ivme değerleri Şekil 5 de gösterilmiştir. Soğurulan güç değerini hesaplamak için ilk olarak ivme zaman verisinin PSD verileri hesaplanmıştır (Şekil 6). Hesaplanan PSD, frekans ağırlık katsayılarıyla birlikte denklem 1 deki hesap yöntemiyle toplam soğurulan gücü bulmak için kullanılmıştır. Şekil 7 her bir frekans bandının toplam soğurulan güce katkısını göstermektedir. Bütün frekanslardaki soğurulan güç değerleri toplandığında, soğurulan toplam güç elde edilmektedir (Tablo 2). Şekil 5. İvme ve zaman Şekil 6. PSD P verisi vee frekans Konfigürasyon 1 Konfigürasyon 2 Konfigürasyon 3 Konfigürasyon 4 Konfigürasyon 5 Şekil 7. Soğurulan güç ve frekans bantları Soğurulan Toplam T Güç [W] 12.01 6.2 4.0 3.6 3.5 Tablo 2. Soğurulan toplam güçler
4.2. DURUM ÇALIŞMASI II PALET ÖN GERGİSİNİN SÜRÜŞ KONFORUNA ETKİSİ Paletli araçlarda paletin kullanılmasının temel nedeni, paletin yumuşak ve/veya bozuk zeminli arazilerde daha üstün performans göstermesidir. Palet aynı zamanda bir süspansiyon sistemi elemanıdır ve araç dinamiğini etkilemektedir. Palet ön gergisinin miktarı, süspansiyonun yunuslama, yuvarlanma ve düşey yönlerdeki efektif sertliğini değiştirir. Bir aracın paleti için gerekli olan ön gergi miktarı aracın ağırlığına ve geometrisine göre değişir ve buradaki alt sınır paletin ön gergi miktarının en az araç operasyon yaparken araçtan ayrılmayacak kadar gerdirilmesidir. Aracın üretim aşamasında paletler belirli ön gergilerle araca monte edilmelidir. Ancak palet montajı sırasında, palet gerginliğini ölçmek için bir yöntem genelde kullanılmadığından paletler fazla gerdirilebilir. Benzer şekilde, palet monte işlemi sırasında istenilen ön gergi verilse bile belirli bir süre sonra paletlerin gerginlikleri azalmaktadır. Dolayısıyla paletli araçlar ömürleri boyunca zaman zaman olması gereken gerginliklerden daha gergin veya daha gevşek paletlerle operasyon yaparlar. Bu nedenlerle palet gerginliğinin sürüş konforuna etkisinin incelenmesi de önem kazanmaktadır. Tablo 3, farklı palet gerginliklerindeki beş araç konfigürasyonunu göstermektedir. Konfigürasyon 3 teki T, palete normalde verilmesi gereken ön gergi miktarını göstermektedir. Diğer konfigürasyonlar palet gerginliğinin sürüş konforuna etkisini görmek için oluşturulmuştur. İlk durum çalışmasındaki gibi araç belirli sabit bir hız ile test yolunda sürülmüştür ve sürücü koltuğundan dikey yöndeki ivme verileri toplanmıştır (Şekil 8). Toplanan ivme verileriyle PSD verileri (Şekil 9, 10), soğurulan güç grafiği (Şekil 11) ve toplam soğurulan güç değerleri hesaplanmıştır (Şekil 12). Konfigürasyon 1 Konfigürasyon 2 Konfigürasyon 3 Konfigürasyon 4 Konfigürasyon 5 Uygulanan Palet Ön Gergisi 0.5 T 0.75 T T 2 T 5 T Tablo 3. Farklı palet ön gergilerine sahip araç konfigürasyonları Şekil 10, düşük ama insan sağlığı üzerinde etkisi yüksek olan frekans bölgesini göstermektedir. Palet gerginliği artışı 1.5 [Hz] civarında PSD değerlerini arttırmakta 2.5-3.5 [Hz] arasında PSD değerini azaltmaktadır. PSD değerleri 1.5 [Hz] civarında daha yüksek olmasına rağmen Şekil 11 de 1.5 [Hz] civarında soğurulan gücün, 2.5-3.5 [Hz] arasında soğurulan güç miktarından daha düşük olduğu gözlemlenmektedir. Bunun sebebi, 1.5 [Hz] frekansındaki uyaranların insan sağlığına etkisinin 2.5-3.5 [Hz] arasındaki uyaranlara göre daha çok olduğu için bu bölgedeki ağırlık katsayısının 2.5-3.5 [Hz] bölgesine göre daha küçük olmasıdır.
Şekil 8. İvme ve zaman Şekil 9. PSD verisi ve frekans Şekil 10. PSD verisi ve frekans Şekil 11. Soğurulan güç ve frekans bantları Şekil 12. Soğurulan toplam güçler 3. SONUÇ Bu çalışmada, farklı burulma çubuğu sertliği ve süspansiyon kolu serbest açısı konfigürasyonlarının ve farklı palet ön gergilerinin araçç konforunaa olan etkisi simülasyonlarla incelenmiştir. Simülasyonlar tümseklerden oluşan sert APG
test yolunda yapılmıştır. 6 tekerlekli paletli askeri bir araç sabit bir hızla test yolunda sürülmüş ve araç gövdesine sabitlenmiş sürücü koltuğundan araç koordinat sisteminde dikey yönde ivme verisi toplanmıştır. Toplanan ivme verisi soğurulan güç yöntemi kullanılarak araç konforu değerlendirilmiştir. Birinci durum çalışmasında aynı araç karın altı yüksekliğini sağlayan fakat farklı burulma çubuğu burulma sertliği ve süspansiyon kolu serbest açısına sahip araç konfigürasyonlarının konfor karşılaştırması yapılmıştır. Sonuçlar süspansiyon kolu serbest açısı azaldıkça ve burulma çubuğu burulma sertliği arttıkça soğurulan güç değerinin arttığını ve araç konforunun bozulduğunu göstermiştir. Bir diğer sonuç araç konforunun 41 0-44 0 aralığındaki düşük süspansiyon kolu serbest açılarında önemli ölçüde değiştiğini gösterirken, 50 0, -53 0 aralığındaki daha yüksek süspansiyon kolu serbest açılarında konforun daha az etkilendiğini göstermektedir. Bunun nedeni düşük süspansiyon kolu serbest açılarında, araç karın altını yüksekliğini diğer konfigürasyonlarla aynı tutabilmek için burulma çubuğu burulma sertliğinin çok fazla arttırılmasının gerekmesi ve süspansiyon sistemi toplam efektif sertliğinin de orantılı olarak artmasıdır. İkinci durum çalışması, farklı palet ön gergilerindeki aynı süspansiyon sistemlerine sahip araç konfigürasyonlarının konfor farkını ortaya çıkarmak için yapılmıştır. Konfor hesabı sonuçları, palet gerginliği arttıkça soğurulan gücün azaldığını ve konforun arttığını göstermiştir. Palet gerginliği artınca araç gövdesi yere yaklaşmakta, süspansiyon kolu açısı azalmakta ve araç operasyon sırasındayken süspansiyon kolu daha düşük bir süspansiyon açısı etrafında çalışmaktadır. Bu durum daha yumuşak bir süspansiyon oluşmasıyla sonuçlanmakta ve araç konforu artmaktadır. Elde edilen sonuçlar, simülasyonların yapıldığı yol ve simülasyonların gerçekleştirildiği araç hızı için geçerlidir. Başka bir yolda başka bir araç hızında sonuçlar farklılık gösterebilecektir. KAYNAKÇA [1] Test Operations Procedure 01-1-014A Ride Dynamics and Evaluation of Human Exposure to Whole Body Vibration (2011) Maryland: US Army Abeerdeen Test Center, p.34. [2] Ryu, H. S., Bae, D. S., Choi, J. H., Shabana, A. A. (2000) A Compliant Track Link Model For High-Speed, High-Mobility Tracked Vehicle, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 48:1481-1502. [3] Çalışkan, K. (2009), Mathematical Modeling and Simulation of Tracked Vehicles PhD Thesis in Mechanical Engineering, Middle East Technical University. [4] Test Operations Procedure 3-2-836 (2.2.3) Combat Vehicle Fire Control Systems - Coincidence (2009) Maryland: US Army Abeerdeen Test Center, p.16.