Theoretical and experimental vibration analysis of steering wheel of a heavy commecial vehicle

Abstract

Steering wheel vibration is one of the biggest noise, vibration and harshness (NVH) problems in automotive engineering since it affects driver's comfort directly. It has been a serious problem especially for long distance drivers such as heavy commercial vehicle drivers due to long exposure periods. The purpose of this thesis is to investigate the root cause of the steering wheel vibration of a particular heavy commercial vehicle model, program code named HXXX, and validation of the CAE model of the steering wheel and trimmed body by the help of the results of experimental modal analysis performed on the steering wheel and column. Once correlation between finite element analysis and test results established, several design change iterations and their effects on the changing dynamic behaviour of the steering system can be observed without performing tests. This thesis first introduces a survey of the literature on sources of steering wheel vibration, experimental and analysis methods applied to investigate the sources of the vibration and optimization and improvement of steering wheel vibration in passenger cars or trucks. On the basis of the literature survey, improvement recommendations can be made which might be implemented with the new coming program in order to reduce the steering wheel vibration of mentioned particular truck in the further stages of the program. The second chapter presents the components of this particular heavy commercial truck which have an effect on steering wheel vibration and examines most common sources of steering wheel vibration and consantrates on major contributing factors of the vibration. In the third chapter, determination process of root cause of the HXXX steering wheel vibration will be discussed in detail. In the fourth chapter modal analysis and hammer impact test set-up and results will be illustrated. Test methodology will be presented in depth. Suggestions which takes place in literature will be implemented in the test process to get more accurate results. In the fifth chapter finite element modelling and analysis results will be presented and discussed. Finite element model consists of the whole cab of the truck including body-in-prime, exterior and interior trim components. Cabin suspension, chassis frame, and chassis related parts are not incorporated in the model. In the sixth chapter, comparison of the test results with finite element analysis results will be presented and design improvement recomendations for reduction of the steering wheel vibration which can be applicable with the new-coming vehicle program will be discussed.

Bir araçta gözlemlenen tireşimlerin sebebi motor, aktarma organları, lastiğin yola temas yüzeyi, yol yüzeyi, fren ve rüzgar gibi birçok sayıda etken olabilmektedir. Direksiyon titreşimi, sürücünün direksiyon simidi ile doğrudan ilişkisi göz önünde bulundurulduğunda ve araç kullanım süresi boyunca aralıksız temas edilmesi sebebiyle otomotiv mühendisliğinin üzerinde çalıştığı en büyük titreşim problemlerden biri olmuştur. Özellikle ağır ticari vasıtalarda, uzun süreli araç kullanımından dolayı direksiyon titreşimi sürücü konforunu doğrudan etkileyen bir titreşim sorunu olmaktadır. Bu çalışmada taşıtlarda direksiyon titreşimine neden olan kaynak ve transfer yollarının anlaşılmasının yanı sıra HXXX kodlu bir ağır ticari vasıtada geliştirme aşamasında tespit edilen direksiyon titreşiminin nedenlerinin araştırılması için yapılan testler ile sonlu eleman analizi modellemesinin korelasyonuna ait çalışmalara yer verilecektir. Tezin inceleme konusu direksiyon titreşim kaynaklarının incelenmesi, HXXX direksiyon titreşimi temel neden analizi, dizayn modifikasyonları sonrası HXXX direksiyon simit ve kolon modlarının tespiti, direksiyon model iyileştirmesi ve korelasyonu ve test ve analiz sonuçlarıdır. Çalışmada sonlu eleman analizi ve deneysel model analiz metodları kullanılmıştır. Çalışmanın amacı HXXX direksiyon titreşiminin azaltılması (direksiyon kolon birinci modunun mümkün olduğunca 35 Hz ve üzeri mertebelere çıkarılması) ve direksiyon modelinin doğrulamasıdır. Birinci bölümünde direksiyon titreşimi kök neden araştırması, direksiyon titreşiminin deneysel ve teorik yöntemlerle incelenmesi ve direksiyon titreşiminin azaltılması için yapılan literatür çalışmaları kısaca sunulmuştur. Literatürde direksiyon titreşimi konusunda birçok sayıda makale yayınlanmış olup, direksiyon simit ve kolon dinamik davranışlarının tespiti amacıyla pek çok deneysel ve teorik çalışma yapılmıştır. Direksiyon titreşimine sebep olan titreşim kaynakları ve direksiyon titreşimini azaltmaya yönelik optimizasyon çalışmalarına da literatür araştırmasında yer verilmiştir. Ağır ticari vasıtalarda süspansiyon sistemi, lastik ve jant sistemi, motor ve aktarma organları, fren sistemi ve yol (dış kaynak) titreşimin kaynakları arasındadır. Fren kaynaklı titreşimler, fren diski yüzeyindeki süreksizlikler (disk kalınlık varyasyonu, disk yüzeyinde aşınma, termoelastik dengesizlik), kampanalı fren deformasyonu ya da hatalı montaj nedeniyle ortaya çıkabilen direksiyonda dikey doğrultuda ya da ileri geri titreşimler ile farkedilebilen titreşimlerdir. Yol kaynaklı titeşimler (yol yüzeyi düzensizlikleri) ile lastik ve jant kaynaklı titreşimler (dengesiz lastik / jant, lastik düzgünsüzlüğü) orta hızlarda meydana gelen rotasyonal titreşimlerdir. Güç aktarma organları kaynaklı titreşimler (motor rölanti titreşimleri, dengesiz güç aktarma organları, tork dalgalanması) daha çok 10-30 Hz aralığında ortaya çıkan dikey ya da titreşimler meydana getirir. İkinci bölümde ağır ticari taşıt direksiyon sistemi komponentleri tanıtılmış, araçlarda görülen direksiyon titreşim tiplerine göre titreşimde rolü olabilecek kaynaklar ve transfer yolları hakkında bilgi verilmiştir. Direksiyonda gözlemlenen titreşimin doğrultusuna ve frekans aralığına göre titreşimin kaynağı hakkında fikir sahibi olabilmek ve kök neden araştırmasını bu doğrultuda yapabilmek amaçlanmıştır. Yol pürüzlülüğü, lastik ve jant düzgünsüzlükleri ve dengesizlikleri, disk fren sistemindeki disk kalınlık varyasyonu, disk yüzeyinin aşınması, motor rölanti frekansının direksiyon kolon frekansı ile çakışması gibi bir araçta direksiyon titreşimine neden olabilecek kaynaklar incelenmiştir. Üçüncü bölümde HXXX araç programı geliştirme aşamasında tespit edilen direksiyon titreşiminin nedenleri ve ortadan kaldırmaya yönelik dizayn değişiklik önerileri sunulmuştur. Direksiyon titreşiminin kök neden analizi, en kötü (A) ve en iyi (B) olarak belirlenen iki prototip araç üzerinde testler gerçekleştirilerek tespit edilmiştir. Kök neden analizinde izlenen adımlar, titreşimin kaynağı olarak motor titreşim seviyesinin ölçülmesi, mod izolasyonunun tespiti için güç aktarma organları rijit yuvarlanma modunun ölçülmesi, transfer yolu olarak motor takoz etkisinin araştırılması, transfer yolu olarak direksiyon ayar mekanizması ve kolon – ön konsol bağlantısının etkisinin araştırılması olarak sıralanabilir. En yüksek ve en düşük seviyede direksiyon titreşimine sahip iki prototip araçta motor takozlarının ve direksiyon sisteminin titreşim seviyeleri ölçülmüştür. Testler motor rölantideyken yapılmıştır. 2 adet 3D ivmeölçer arka motor takozlarına ve 1 adet 3D ivmeölçer direksiyona bağlanarak ölçümler alınmıştır. Yapılan testler sonucunda titreşimin kaynağı motor takozlarının yüksek rijitlikte olması ve motor yuvarlanma modu ile direksiyon kolonunun doğal frekanslarının çakışması olarak belirlenmiştir. Direksiyon kilit mekanizmasının titreşimin transferinde oynadığı rol tespit edilmiştir. Yapılan kök neden araştırması sonucunda motor rölanti devrinin değiştirilmesi, motor takozlarının rijitliğinin azaltılması ve direksion kolon modunun artırılması için çeşitli dizayn değişiklikleri önerilmiştir. Programın ileriki aşamalarında uygulamaya koyulan dizayn değişiklikleri gösterilmiştir. Dördüncü bölümde ise, HXXX programının ileriki aşamalarında uygulamaya koyulan direksiyon kolon dizayn değişiklikleri bir prototip araç üzerinde uygulandıktan sonra, yeni direksiyon ve kolon modlarının belirlenmesi için gerçekleştirilen deneysel modal analize yer verilmiştir. İyileştirilmiş direksiyon kolon bağlantı braketi ile, daha sabit ve rijit bir bağlantı sağlanması ve aynı zamanda kolon kuvvet etkisi altındayken, kolonun destekleyici yapıdan (gövde) tam olarak ve verimli bir şekilde serbest kalmasına izin veren bir bağlantı amaçlanmıştır. Biri direksiyon araç üzerinde montajlıyken, ikincisi direksiyon demonte edilerek serbest serbest sınır koşullarında olmak üzere iki modal test gerçekleştirilmiştir. Birinci test ile, yapılan dizayn değişiklikleri sonrası direksiyon kolon modundaki değişimin tespiti amaçlanmıştır. İkinci test ile direksiyon simidinin modlarının belirlenmiştir. İkinci testten elde edilen sonuçlar, sonlu eleman modellemesi korelasyonu için kullanılmıştır. Modal testlerde, kuvvet direksiyon simidi üzerindeki bir noktadan uygulanmış olup, ölçümler direksiyon simit ve kolonu üzerinde çeşitli noktalardan üç eksenli ivmeölçerler ile x, y ve z yönleri için alınmıştır. Test sonuçları bir modal test data işleme yazılım programı aracılığıyla her ölçüm noktasına ait frekans cevap fonksiyon grafikleri ve stabilizasyon grafiği yardımıyla elde edilmiştir. Beşinci bölümde, araç kabin sonlu eleman modeli kullanılarak yapılmış olan sonlu eleman analizi sonuçlarına yer verilmiştir. Test sonuçları yardımıyla modelde modifikasyonlar yapılmış olup, direksiyon ve kolona ait model değişiklikleri verilmiştir. Direksiyon simit modelinde iyileştirmeler yapılarak, sonlu eleman analizi sonuçları ile test sonuçları korele edilmiştir. Altıncı bölümde ise sonuçlar ve gelecekte yapılması planlanan çalışmalar hakkında bilgi verilmiştir. Direksiyon kolonunda yapılan dizayn değişiklikleriyle (braket değişikliği ile cıvata eklenmesi – 2,4 Hz), kolon 1. modunda 4,4 Hz artış sağlanmıştır. Direksiyon modeli iyileştirmesi sonrası direksiyon ve kolon 1. modlarında korelasyon sağlanmıştır.