Otomotiv Debriyaj Sisteminin Ve Güç İletiminin Dinamik Davranışının Çok Amaç fonksiyonlu Optimizasyonu

Abstract

Bu tez çalışması kapsamında, dinamik sistemlerin optimizasyonu incelenmiş, optimizasyon işlemi için en doğru yöntem seçilmiş ve bu yöntem dinamik bir problemi çözmek maksadıyla kuru sürtünmeli bir debriyaj sistemi üzerinde çalışılmış, gerekli modeller kurulup, sonuçlar fiziksel ölçümlerle karşılaştırılmıştır. Yukarıda bahsedildiği gibi dinamik sistem olarak kuru sürtünmeli, bir otomobil debriyaj sistemi üzerinde çalışılmış ve çift kütleli volan sistemi de çalışmaya dahil edilmiştir. Debriyaj ve çift kütleli volan sistemleri özellikle yuvarlanma titreşimlerini sönümlemek için dizayn edildiği halde, şimdiye kadar fazla incelenme şansı bulmamış eksenel tireşimleri üzerinde durulmuştur. Çalışmanın ilk böülümünde yapısal optimizasyon terimi üzerinde durulmuş, optimizasyon (en iyileme) kelimesinin tanımı yapılmış ve bir örnekle anlatılmıştır. Yine bu bölümde amaç denklemleri, dizayn değişkenleri ve durum değişkenleri gibi optimizasyon ile ilgili terimlerden bahsedilmiş ve optimizasyon problem üzerindeki yerleri ve önemleri açıklanmıştır. Takip eden bölümde kısıtlı ve kısıtsız optimizasyon problemlerinden bahsedilmiş ve aralarındaki farklar matematiksel olarak anlatılmıştır. Daha sonra dinamik sistemlerin optimizasyonunun tanımı yapılmış ve dinamik ve optimizasyon arasındaki ilişki anlatılmıştır. Bu bölüm içerisinde optimizasyon probleminin dinamik cevabı, simülasyon modelinin önemi ve olası çözüm yöntemleri matematiksel denklemleri ile açıklanmıştır. Takip eden bölümde, çok amaçlı optimizasyonun tanımı yapılmış ve matematiksel denklemleri kurulmuştur. Müteakiben, bu tür problemleri çözmek için kullanılabilecek metodlara değinilmiş ve bunlar arasından pareto optimum setin oluşturulmasının önemi anlatılmıştır. Pareto optimum setin kurulmasında en başarılı yöntemler global optimizasyon tekniklerider. Bu nedenle, bu bölümden sonra global optimizasyon teknikleri üzerinde durulmuş ve bu teknikler belirli bir aile ağacının üzerinde gösterilmiştir. Bu ağaç üzerinde bu tekniklerin en önemlilerinden bahsedilmiş ve takip eden iki bölümde tavlama simülasyonu (simulated annealing) ve genetik optimizasyon teknikleri matematiksel denklemleri ile ayrıntılı olarak açıklanmıştır. En önemli ve sürekli gelişmekte olan genetik algoritmalar üzerinde özellikle durulmuş, bu yöntemlerin tiplerinden bahsedilmiş, temelleri anlatılmış, algoritmaların daha iyi anlaşılması için çeşitli tanımlamalar yapılmıştır. Ayrıca genetik algoritmalar içerisinde genlerin (genomes) önemi anlatılmış ve tanımları yapılmıştır. Takip eden bölümde literatür taraması yapılmış, bunun için çeşitli optimizasyon yöntemlerinin kullanıldığı, özellikle dinamik sistemlerin optimizasyonunun araştırıldığı ve tezin konusu olan debriyaj sistemlerinin ve bu sistemlerin genel araç ses ve titreşimine etkisinin araştırıldığı bilimsel makaleler incelenmiştir. Literatür araştırmasından sonra, tezin ana konusu olan debriyaj sisteminin öncelikle tarihsel gelişimi incelenmiş ve bu tarihsel gelişim içerisinde kullanılmış değişik debriyaj tiplerinden bahsedilmiştir. Bununla beraber debriyaj sistemleri, kullanım şekilleri, titreşim sönümleme özellikleri hakkında yeni bir literatür araştırılması yapılıp paylaşılmıştır. Bu girişten sonra debriyaj sisteminin araç üzerindeki fonksiyonu anlatılmış ve debriyaj sistemindeki alt, üst merkez, debriyaj baskı ve balatası, volan vb. sistemi oluşturan parçalar incelenmiş ve görevleri açıklanmıştır. Sistemin açıklanmasına müteakip, projenin amacı, kapsamı ve metodolojisi açıklanmış ve arkasından çalışma planı ve problem tanımı yapılmıştır. Bu bölümden sonra ise tezin amacı doğrultusunda kullaılmış test rig’leri, test ekipmanları ve ölçümler için kullanılmış olan sensörler ve özellikleri açıklanmıştır. Tez kapsamında, problemin kök sebebini anlayabilmek için öncelikle araç üstünde çeşitli enstümantasyonlar yapılmış ve ses problemine neden olan kök sebebin araştırılması amaçlanmıştır.Bu ölçümlerden çıkan sonuçlara göre bulunan titreşim frekansının incelenmesi amacı ile debriyaj ve volan montajı bir titreşim test ekipmanına monte edilmiş ve sistemin modal frekansları tespit edilmeye çalışılmıştır. Buradan çıkan sonuçlar göstermiştir ki debriyaj sisteminin eksenel yönde sahip olduğu modal frekanslar araç üstünden alınan ölçümlerde tespit edilen titreşim frekansı ile örtüşmektedir. Bu da sorunun kaynağının motor titreşimleri olsa da bu titreşimlerin özellikle debriyaj sisteminin doğal frekansları ile çakıştığı bölgelerde probleme yol açtığı ispatlamıştır. Bununla berbaer, eksenel titreşimlerin ortadan kaybolması halinde sorunun giderilip giderilemeyeceği yönünde de araştırma yapılmış ve bu amaçla debriyaj baskı plakasının üzerine 3 adet sürtünme klibi eklenmiştir. Her ne kadar bu klipler seri imalat koşullarında çalışamasa da (sürtünme nedeniyle ömürleri çok düşük olmaktadır) ilk denemeler esnasında görevlerini yerine getirmiş ve debriyaj üzerindeki titreşimleri yok etmeyi başarmışlardır. Eksenel titreşimlerin yok olması ile beraber ses proble mi de ortadan kalkmıştır. Bu da probleme temelde debriyaj sistemindeki eksenel titreşimlerin yol açtığını ispatlayan diğer bir deneme olarak okuyucu ile paylaşılmıştır. Bu kısma kadar problemi oluşturan sistem ve problemi çözmek için kullanılabilecek metodlar, test ekipman ve enstrümantasyonları açıklanmıştır. Bu bölümden sonra ise problemin tanımına geçilmiştir. İlk paragraflarda belirtildiği gibi, debriyaj sistemleri dönme (yuvarlanma) titreşimlerini sönümlemek için dizayn edilir, fakat motordan gelen eksenel titreşimlere de maruz kalırlar. Fakat bu titrşimleri sönümlemek için herhangi bir sönümleme elemaı ile donatılmazlar. Bunun belli başlı iki sebebi vardır. Öncelikle debriyaj sistemlerinin paket alanı çok dardır ve eksenel bir titrşimi sönümlemek için kullanılabilecek yay ve damper sistemlerini bu alana sığdırmak için gerekli olan dizayn çözümleri mevcut değildir. İkinci olarak ise motor üzerinden gelen eksenel titreşimler, dönme titreşimleri ile kıyaslandığında oldukça düşük mertebede kalırlar ve çoğu zaman dizayn sırasında göz önünde bulundurulmaları gerekmez. Herşeye rağmen, bu durum, araç güç iletim sistemleri üzerinde çeşitli ses ve titreşim problemleri gibi beklenmeyen problemlere sebep olabilir. Bu çalışmada da böyle bir durum söz konusu olmuş ve problemin çözümü için global optimizasyon tekniklerinden yararlanılmıştır. Bahsi geçen optimizasyon yöntemlerini kullanabilmek için öncelikle titreşime yol açan fiziksel sistemin matematiksel modeli oluşturulmuş, bu modele ait titreşim denklemleri kurulmuş ve bu denklemleri çözebilecek simülasyon kodları MATLAB ve Simulink yazılımları vasıtası ile gerçekleştirilmiştir. Bu modeller oluşturulurken simülasyona dizayn parametreleri değişken olarak giren parçaların etkilediği başka bir önemli debriyaj parametresi olan debriyaj eforlarının etkilendiği gözlemlenmiş ve optimizasyon çalışması, bu parametreyi de içine alacak şekilde çok amaçlı optimizasyon olarak genişletilmiştir. Bahsi geçen pedal efor ölçümleri hem araç üstünde hem de tez içerisinde anlatılan test rig’inde gerçekleitirilmiş olup, bu parametre için yazılmış olan simülasyon ile de sağlaması yapılmış ve optimizasyon algoritması içerisinde kullanılabileceği ispatlanmıştır. Pedal eforu ile beraber simülasyon programı hazırlanan titreşim denklemlerinin de doğru kurulup kurulmadığı, araç üzerinden alınan ölçüm sonuçları ile karşılaştırılmış ve doğruluğu ispatlanmıştır. Simülasyonların oluşturulması ve çalıştıklarının ispatından sonra “Çok Amaçlı Genetik Optimizasyon” yöntemi kullanılarak sistem optimize edilmiş ve yeni dizayn parametreleri elde edilmiştir. Bu parametreler seri imalat koşulları ile üretilebilecek büyüklükler le modifiye edilerek, önce simülasyonlar üzerinde greçekten sorunun iyileşip iyileşmediği kontrol edilmiş, iyileştiği görülünce de parça fiziksel olarak üretilip bir araç üzerinde denenmiş ve problemin büyük ölçüde iyileştiği ispatlanmıştır.

Optimum design of a clutch and dual mass flywheel system is investigated. The clutch systems are generally studied by considering rotational vibrations of engines and by assuming that they are usually exposed to axial vibrations. They generally do not have any specialized equipment to damp axial and rotational vibrations due to the following two reasons: first, the package area of the system is very limited in clutch systems and there is no available space to put some springs and dampers to reduce such vibrations. Second, these axial vibrations are normally very insignificant to be considered in the analyses and most of such vibrations are damped by the diaphragm spring and cushion springs. Nonetheless, this may sometimes lead to some unexpected results in the powertrain system such as the rattle noise on clutch itself or transmission to solve which global optimization techniques are employed in this study. Genetic algorithm methods have been choosen as the global optimization algorithm. The components in the clutch system are modeled analytically. Then, by considering the pedal characteristics and vibrations of pressure plate as objective functions, a multiobjective (Pareto) optimization problem is solved. It is shown that analytical models agree well with the experimental measurements and vibrations in the clutch system can be reduced significantly by optimization. In the study, subjective and objective measurements have been completed and transfer path has been found firstly. Mechanics of the vibration has been understood and optimization parameters have been identified. Once the parameters have been decided, other systems, which are affected by these parameters, have identified. It is understood that the clutch pedal efforts are affected significantly which has the major importance of the drive environment and driver comfort. Once these initial studies were completed, mathematical models for clutch pedal efforts and the vibration phenomenon have been built and simulation tools have been developed. Measurement and simulation results have been compared and it has been observed that they are very close to each other. During this period, another test has been performed to identify axial resonance frequencies of the clutch and flywheel system, and it was observed that the frequency of the rattle noise coming from transmission and resonance frequency of the clutch and flywheel system are very close to each other. This also proves that first assupmtions which is the clutch system amplifies the engine vibrations on the 0,5th engine order especially on the resonance frequency area (2500 to 3000 RPM) on the pressure plate. The excessive axial vibrations on the clutch pressure plate causes torque truncation on the transmission which causes this rattle noise phenomenon during the clutch engagement. Once root cause of the rattle noise have been identified and the simulation models have been built, performed and comparable results handled, optimization algorithm has been built and system optimized considering genetic algorithm rules by using Matlab Simulink Gnetic algorithm toolbox. After the optimization process has been completed, a prototype has been built with the optimized parameters (considering the tolerances and producability) and noise measurements repeated with the new parts. It has been observed that the system with optimized clutch system showed much better results (very close to simulation results) in objective and subjective measurements.