Ağır Ticari Bir Taşıtta Düz Yolda Giderkenki Kontrol Edilebilirliğin İyileştirmesi İçin Kinematik Ve Esneklik Analizleri Kullanılarak Direksiyon Sistemi Optimizasyonu Yapılması

Abstract

Bu tez çalışmasının ana amacı ağır ticari bir taşıtın düz yol kontrol edilebilirliğini direksiyon sistemi optimizasyonu sırasında kinematik ve esneklik analizleri kullanarak iyileştirmektir. Tez çalışmasına başlanılabilmesi için seçilen ağır ticari taşıtın düz yol kontrol edilebilirliğindeki problemin tanımının objektif ve subjektif değerlendirmeler sonucunda yapılması gerekmektedir. Yapılan problem tanımına istinaden optimizasyon çalışması sırasında kullanılacak olan çoklu parça dinamikli model ADAMS/Car yazılımı kullanılarak oluşturulmalıdır. Optimizasyon öncesinde oluşturulan çoklu parça dinamikli modelin gerçek hayat ile kıyaslandığında ne kadar doğru sonuçlar verdiğinin kontrol edilmesi ve gerekli noktalarda model üzerinde belirli modifikasyonlar yapılması gerekmektedir. Gerçek hayat ile uyumlu sonuçlar veren çoklu parça dinamikli model direksiyon ve süspansiyon sistemi optimizasyonunda kullanılabilmektedir. Optimizasyon sonrasında geliştirilmesi planlanmış süspansiyon ve direksiyon sistemi özellikleri kontrol edilip sistem seviyesi gelişim gösterilmelidir. Son olarakta sistem seviyesinde yapılan bu iyileştirmelerin araç seviyesinde nasıl sonuçlar verdiğinin subjektif ve objektif olarak doğrulanması ve kontrol edilmesi gerekmektedir. Tez çalışmasının ilk adımı olarak problem tanımının tam ve doğru bir biçimde yapılabilmesi için çalışılmıştır. Problem tanımının yapılabilmesi için seçilen araç ve farklı 3 araç ile subjektif değerlendirmeler ve objektif ölçümler yapılmıştır. Subjektif değerlendimeler ağır ticari taşıt kullanılması ve notlandırılması konularında uzman bir ekip tarafından yapılmıştır. Hem subjektif hem de objektif sonuçlar seçilen aracın düz yolda kontrol edilebilirlik performansının müşteri beklentilerini karşılamayacak düzeyde olduğunu göstermiştir. Yapılan geliştirmeleri sistematik bir biçimde takip edebilmek adına düz yolda kontrol edilebilirliği tanımlamak için objektif bir metrik oluşturulmuştur. Bu metrik düz yolda aracı kontrol edebilmek için gereken direksiyon düzeltmelerinin mutlak toplamının test süresine bölünmesi ile bulunur ki, yaklaşık bir saniyede yapılan direksiyon düzeltmesi ihtiyacını anlatır. Metrik ne kadar büyükse aracın düz yolda kontrol edilebilirlik performansının o kadar düşük olduğu anlaşılmaktadır. Bütün araçlarda objektif ölçümler direksiyon açı/tork sensörü ve araç hızını ölçen GPS bazlı bir ekipman kullanılarak yapılmıştır. Yapılan çalışma sonrasında da objektif metrik ve subjektif değerlendirmelerin test edilen araçların sıralamaya konulması bakımından birbiri ile uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. İkinci adım olarak, tez çalışmasında kullanılacak olan ADAMS/Car modeli oluşturulmuştur. Model 6 ana bölüm olarak modellenip daha sonrasında doğru bağlayıcı elemanlar kullanılarak birleştirilmiştir. Bu bölümler, ön süspansiyon, direksiyon sistemi, arka süspansiyon, şasi, lastikler-jantlar ve kabinden oluşmaktadır. Tez çalışmasının amacı direksiyon ve ön süspansiyon sistemlerinin optimizasyonu olduğu için aracın ön süspansiyonunun ve direksiyon sisteminin modellenmesi üzerinde daha çok vakit harcanmıştır.Aracın ön süspansiyon sistemi, makaslı ve viraj denge çubuklu katı akstan oluşmaktadır. Ön süspansiyon sistemindeki makas ve viraj denge çubukları çubuk elemanlar olarak modellenmiş olup bahsi geçen sistemlerdeki bütün burçlar fiziksel olarak ölçtürülüp modele test sonucu olarak aktarılmıştır. Direksiyon sistemi, direksiyon simidi, direksiyon kolonu, değişken oranlı direksiyon kutusu, pitman kolu, kısa rot, deve boynu, çolak kolları ve uzun rottan oluşmaktadır. Direksiyon sistemindeki bütün kollar ve rotlar katı cisim olarak modellenmiş olup, esneklikleri ihmal edilmiştir. Aracın arka süspansiyonu 4 hava körüğü, 2 boylamsal rod, 1 V şeklinde rod ve denge çubuğundan oluşmaktadır. Arka süspansiyondaki denge çubuğu ön süspansiyonda olduğu gibi çubuk elemanlar yardımıyla modellenmiştir. Hava körüklerinin modelleri farklı basınçlarda yapılan fiziksel ölçüm sonuçlarına göre oluşturulmuştur. Bahsi geçen rodların uç kısımlarındaki kauçuk bağlantı elemanlarının hepsi fiziksel olarak ölçtürülüp modele test sonucu olarak aktarılmıştır. Aracın şasisinin esnekliği bu optimizasyon çalışması için ihmal edilmiş olup katı cisim olarak modellenmiştir. Bahsi geçen diğer bütün bölümler ve parçalar aracın şasisine belli bağlantı elemanlarının yardımıyla tutturulmuştur. Aracın lastiklerinin doğru bir şekilde modellenebilmesi için lastikler fiziksel olarak ölçtürülüp, ölçüm sonuçları modele belli formüller yardımıyla aktarılmıştır. Lastik-jant komplesinin ağırlığı da gerçek hayatta etkidiği bölgeye nokta kütle olarak tanımlanmıştır. Aracın kabini 4 noktadan bağımsız kabin süspansiyonu ve salıncak kolları yardımıyla aracın şasisine bağlanmış durumdadır. Kabin süspansiyonunda bulunan yay, amortisör ve burçların tamamı fiziksel olarak ölçtürülüp modele test sonucu olarak aktarılmıştır. Bunların dışında bulunan kollar ve bağlantı elemanları katı cisim olarak modellenmiştir. Optimizasyon sırasında dinamik analizler kullanılmadığı için kabinin ağırlık merkezi yüksekliği ve eylemsizlik momentleri ortalama değerler olarak hesaplanıp modele aktarılmıştır. En son olarak bütün bu açıklanan bölümler doğru bağlantı elemanları vasıtasıyla birbirlerine bağlanıp tam araç modeli oluşturulmuştur. Hazırlanmış olan modelin optimizasyon çalışmasında kullanılabilmesi ve doğru sonuçlar verebilmesi açısından modelin gerçek hayat ile uyumunun kontrol edilmesi ve gerekli noktalarda değişiklikler yapılması gerekmektedir. Modelin gerçek hayat ile uyumu 3 aşamada kontrol edilmektedir. İlk aşama statik korelasyon, ikinci aşama kinematik korelasyon ve son aşama dinamik korelasyondur. Statik korelasyon sırasında, aks yüklerinin, yaylanmaz kütlelerin ve ağrılık merkezi yüksekliklerinin gerçek araç ile uyumu kontrol edilmiştir. İkinci aşamda yapılan kinematik korelasyonda, hazırlanmış çoklu parça dinamikli model gerçek araç üzerinden toplanmış kinematik ve esneklik datalarına ve parça seviyesi test sonuçlarına göre gerçek hayat ile uyumlu hale getirilmiştir. Kinematik ve esneklik analizlerine göre gerçek hayat ile doğrulanan araç özellikleri, lastiklerin düşey yönlü hareketlerindeki tekerlek merkezi hareketleri, tekerlek merkezlerinin düzlemsel ve yatay yükler altındaki hareketleri ve tekerlek merkezlerinin toplayıcı moment yönündeki torklardaki hareketleri olarak özetlenebilir. Bu aşamada model sadece statik ve kinematik olarak gerçek hayat ile uyumlu hale getirilmiş olup dinamik olarak gerçek hayat ile uyumluluğu kontrol edilmemiştir ancak optimizasyon çalışması kinematik simülasyonlardan oluştuğu için bu durum bir problem teşkil etmemektedir. Gerçek hayat ile uyumlu hale getirilmiş olan model optimizasyon çalışmasında kullanılmaya uygun hale gelmiştir. Bundan sonraki adım optimizasyon çalışmasının yapılmasıdır. Optimizasyon çalışması aracın süspansiyon hareketleri sırasındaki dümenlemesini, dingilin yalpası sırasındaki dümenlemesini ve maksimum teker dönüş açılarının ayarlanmasını ele almıştır. Bu 3 parametreyi en çok etkileyebilecek parçalar ve koordinatları çıkartılıp listelenmiştir. İlk aşamada belirlenen 6 adet koordinat takımı şu noktalardan oluşmaktadır; direksiyon kutusunun şasiye bağlandığı nokta (1-x,y,z), makas ön gözünün şasiye bağlandığı nokta (2-x,y,z), pitman kolunun kısa rota bağlandığı nokta (3-x,y,z), kısa rotun deve boynuna bağlandığı nokta (4-x,y,z), çolak kollarının uzun rota bağlandığı nokta (5-x,y,z) ve makas arka gözünün şasiye bağlandığı nokta (6-x,y,z). Hem optimizasyon çalışmasının verimi hem de diğer sistemleri ve araç özelliklerini etkileyen koordinatlar belli başlı kurallar çerçevesinde olması gereken noktalara getirilmiştir. Bu çalışma sonrasında elde kalan koordinat takımı sayısı 3’e indirilmiştir; pitman kolunun kısa rota bağlantı noktasının z koordinatı (3-z), kısa rotun deveboynuna bağlantı noktası (4-x,y,z) ve çolak kollarının uzun rota bağlandığı nokta (5-x,y,z). ile optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Maksimum dönüş açısı parametresinin optimizasyonu sırasında istatistiksel bir çalışma yapılmış olmasına karşın diğer iki parametre de istatistiksel bir çalışma yapılamamıştır. Bunun nedeni ise diğer iki parametrenin tek bir metrik ile tanımlanmasının mümkün olmayışıdır. Tamamlanan optimizasyon çalışması sonrasında 3 parametrenin de gerekliliklerini yerine getiren bir parça ve koordinat takımı elde edilmiştir. En son adım olarak da yapılan optimizasyon çalışmasının gerçek hayatta da beklenen iyileştirmeyi sağlayıp sağlamadığı araştırılmıştır. Bu araştırma çalışması için oluşturulan parça ve koordinat takımına uygun prototip parçalar ile yeni bir araç toplanıp eski tasarıma sahip olan bir araç ile subjektif ve objektif olarak kıyaslanmıştır. Yapılan subjektif değerlendirmelerin hepsi problem tanımı sırasında aracı değerlendirmiş, ağır ticari taşıt kullanılması ve notlandırma konularında uzmanlaşmış bir ekip tarafından tamamlanmıştır. Subjektif değerlendirmelerin sonuçları optimizasyon sonrasında iyileştirme planlanan bütün noktalarda farkedilebilir oranlarda iyileştirmeler elde edildiğini göstermektedir. Subjektif olarak tespit edilen bu iyileşmenin objektif olarak da gösterilebilemesi için problem tanımı sırasında yapılan objektif ölçümler ile aynı koşullarda optimize edilmiş parçaların bulunduğu araç ile objektif ölçümler yapılmıştır. Objektif ölçümler sonucunda problemin net olarak takip edilebilmesi için oluşturulmuş olan düz yol kontrol edilebilirliği metriğinde ciddi miktarlarda azalma tespit edilmiştir, bu da subjektif olarak hissedilen iyileşmenin objektif olarakta bir karşılanması anlamına gelmektedir. Subjektif değerlendirmelerin objektif sonuçlar ile uyumlu olması da oluşturulan metriğin düz yol kontrol edilebilirliğini iyi bir biçmde temsil ettiğini göstermektedir. Sonuç olarak, düz yol kontrol edilebilirlik performansı beklentileri karşılamayan, problemli olarak seçilen aracın optimizasyon sonrasında yapılan subjektif ve objektif değerlendirmelerde optimizasyon öncesinde problem olarak gösterilen özelliklerinin farkedilebilir derecelerde iyileştirildiği gösterilmiştir.

objective of this thesis work is to improve the straight ahead controllability performance of a heavy commercial vehicle by optimizing the suspension kinematics characteristics of the vehicle. ADAMS/Car full vehicle model simulations are used during the optimization process and the results are verified using subjective evaluations and objective measurements. The first step of the thesis work is making the problem definition clearly in order to pay critical attention to specific points. Subjective evaluations and objective measurements are performed with the selected vehicle and 3 different heavy commercial vehicles. The results show that the straight ahead controllability performance of the selected vehicle needs improvements in order to fulfill the heavy commercial vehicle drivers expectations. An objective metric is defined for steering wheel angle corrections required during straight line driving. It is important to quantify the subjective feelings with objective measurements and metrics, so that the applied improvements could be tracked in a more systematic way. As a second step, the ADAMS/Car model of the selected heavy commercial vehicle is built. Since the optimization study is performed on front suspension and steering system, high-level of attention is paid during the modelling of those systems. All bushings (leafspring bushing, antiroll bar bushing, etc.) are physically measured and entered to the model. The next step for the thesis work is the correlation of the ADAMS/Car model with the real life. In order to perform this correlation work, component and system level test are performed such as leafspring force-deflection measurements and kinematics&compliance analysis for the suspension and steering characteristics of the vehicle. The correlation work is divided into three major sections; static, kinematic and dynamic. However, the hardpoint optimization study is just based on kinematic simulations, therefore the first two sections of the correlation is performed using the component level tests and real-life vehicle measurements. The fourth step of the thesis work is to use the correlated ADAMS/Car model for the steering and suspension hardpoint optimization study. A candidate hardpoint list is formed in which the related hardpoints are defined. The rule of thumb improvements regarding the bumpsteer and rollsteer characteristics of the vehicle are performed seperately before starting the hardpoint optimization study. The application of these rule of thumb improvements have decreased the number of hardpoints which can be used for the optimization study. The optimization study is performed for each design constraint (bumpsteer, rollsteer and maximum wheel angle) and an optimized point is found which satisfies all design contraints. As a final step, the physical verification tests (both subjective and objective) are performed for the optimized hardpoints using prototype parts. The subjective evaluation results and objective measurements show that the hardpoint optimization study result in significant improvement on straight ahead controllability performance of the vehicle.