Ağır taşıtlarda devrilme dinamiğinin en iyilenmesi ve kontrol sistemi tasarımı

Abstract

Yapılan araştırmalar hem Avrupa hem de Türkiye'de kazaların çoğunlukla devrilme kaynaklı olduğunu ve çoğu kazanında ölümle sonuçlandığını göstermiştir. Bu nedenle aracın devrilme eşiği sınırının iyileştirilmesi gerekmektedir ve bu nedenle devrilme önleyici sistemler incelenmesi gereken en önemli aktif araç güvenliği sistemlerinden biridir. Yapılan çalışmada, 7 m'lik otobüs ağır taşıtlar için örnek alınarak Adams/Car programında sanal modeli oluşturulmuştur. Sanal modelin doğrulanması amacıyla fiziksel araçta SAE standardı olan J2180 statik devrilme masası testi yapılmıştır. Devrilme masası testinin araç devrilme anına kadar devam ettirilememesinden dolayı Adams/Car programı kullanılarak doğrulanmış araç modeli ile devrilme masası testi yapılmıştır. Üç farklı ön viraj demiri ve 2 farklı ön yaprak yay kullanılarak devrilme dinamiği hassasiyet analizi çalışmaları yapılmıştır. Sonuç olarak, bu analiz yardımıyla devrilme açısı eşik değerini azaltan en iyi ön yaprak yay ve ön viraj demiri analiz sonucuna göre seçilmiştir. Doğrulanan Adams/Car modeli ile süspansiyon dönme merkezi yüksekliği ile süspansiyonun dönme sertliği değerinin artırılması için arka süspansiyonda bulunan 5 farklı geometrik ölçü eniyileme parametreleri olarak seçilmiştir. Aracın tümsekten geçirildiği durumu benzetim yapmak için silindir üzerine yerleştirilen arka süspansiyondaki sağ tekerlek 30 mm kaldırılmıştır ve ölçülen devrilme açısı sistem çıktısı olarak da seçilmiştir. Eniyileme yöntemi olarak da istatistik Taguchi metodu kullanılmıştır. Süspansiyonun eniyilemesi sonucunda bulunan geometrik ölçüler tezin içeriğinde paylaşılmıştır. Aracın dinamik devrilme modelinin elde edilebilmesi için dört izli taşıt modeli ve Pacejka lastik matematik modelleri oluşturulmuştur. Ek olarak devrilme ve yalpa dinamiği matematik modelleri oluşturularak Matlab/Simulink programında alt sistemlerin birleştirilmesi ile tam araç modeli oluşturulmuştur. Yalpa ve devrilme açısı ile devrilme değişim oranı ölçümleri Simulink modelinde çıktı olarak verilmektedir. Simulink modelinde direksiyon açısı sistem girişi olduğundan sistemin fiziksel sınırlarını incelemek amacıyla aracın devrilmesine neden olacak şekilde direksiyon açısı ve araç hızı belirlenmiştir ve SAE J 2181 standardın da tanımlandığı gibi J-Turn manevrası yaptırılmıştır. Sonrasında devrilme eşiği sınırının azaltılması amacıyla kontrol sistemi tasarımı yapılmış ve sistem durum-uzay matrisi formatına dönüştürülmüştür. Dinamik Yük Transfer Oranı (DYTO) sistem çıktısı olarak seçilmiş ve aracın devrilme sınırını kontrol altına almak amacıyla doğrusal kuadratik regülatör tasarımı yapılmıştır. J-Turn manevrası sonucunda aracın dinamik yük transfer oranının eşik değer olan birden daha büyük olduğu gözlemlenmiştir. Ancak kontrol sistemi tasarımı ve uygulanması ile bu değerin "0.85" seviyelerine çekildiği ve devrilme sınırının kontrol altına alındığı sonucuna varılmıştır.

Studies have shown that road accidents are caused mostly by rollover increasing the number of total deaths due to traffic accidents both in Europe and in Turkey. Therefore, rollover occurrences must be decreased via improved vehicle dynamics. This is one of the most significant active safety systems that should be designed carefully to improve vehicle dynamics. In this study, by taking a mid-size bus as a case study on heavy vehicles, a virtual model was created using the Adams/Car software program. In order to verify the virtual model, a standard tilt table test was applied to the physical vehicle. As the physical tilt table test can not be continued until vehicle rollover actually occurs, the tilt table test was performed with a verified vehicle model using Adams/Car software. To perform sensitivity analysis studies on the roll-over dynamics of the vehicle, three different front anti-roll bars, and two different front-leaf springs were used during the tests. In conclusion, according to the results of the analysis, the best front leaf spring and front anti-roll bar are selected increasing the safety margin from the roll angle threshold. Five different geometrical design dimensions have been selected as optimization parameters in order to increase suspension roll center height and suspension roll stiffness using Adams/Car software. In the simulation, the roll angle that is measured when the vehicle passes over the bump has been selected as the system output. Statistical Taguchi method was used as the main optimization method. As the result of optimization of the suspension, geometric dimensions found to be optimal are presented in the thesis. In order to obtain a dynamical model for roll-over behavior during maneuvers, a four-wheel vehicle model for lateral dynamics and Pacejka mathematical model for road-wheel friction have been applied. Furthermore, mathematical models for yaw and roll dynamics have been formed and the full vehicle model is completed by combining sub-systems in Matlab/Simulink program. The signals of the yaw, roll angle, and roll rate have been selected as outputs of the simulation in the Simulink model. Because the steering wheel angle is the system input of the Simulink model, the steering wheel angle and vehicle speed have been set to such a sequence of values so as to cause the vehicle rollover on purpose. Such an established maneuver having dangerous dynamics excited is known as the J-Turn maneuver and it was selected for simulation on the vehicle model. After that, the controller design has been performed in order to reduce the rollover threshold and the system was transformed into the state-space matrix format. Dynamic load transfer ratio was selected as the system output and linear quadratic regulator and pole placement controller design is applied in order to take control of the vehicle. In these simulations, the rollover threshold and the dynamic load transfer ratio have been selected as the system outputs. In the simulations without the controllers, a dynamic load transfer ratio of larger than one is observed during the J-turn maneuver. However, it is found that this value can be decreased as low as "0.85" if the designed controllers are included in the loop.