OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
8x8 TEKERLEKLİ ZIRHLI ARAÇ PERFORMANS MODELİ
GELİŞTİRİLMESİ VE DOĞRULAMASI
İlkay Meşeli*, Varlık Kılıç*
*
FNSS Savunma Sistemleri A.Ş. Ankara
ÖZET
Bu bildiride, 1986 yılında kurulmuş olan FNSS Savunma Sistemleri A.Ş. çatısı altında üretilmekte olan 8x8
tekerlekli zırhlı araçlarının güç sistemlerinin ve aktarma organlarının araç performansındaki etkilerinin izlenmesi amacı
ile yapılmış olan performans modeli sunulmuştur. Bu çalışma kapsamında 8x8 aracın güç aktarım diyagramı çıkartılmış
ve diyagram üzerindeki araç bileşenleri Matlab-Simulink ortamında modellenerek, farklı araç konfigürasyonları için,
hızlanma veyavaşlama benzetim sonuçları incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, yapılan testler ile karşılaştırılmıştır.
Yapılan modelin doğrulanması ile birlikte farklı araç konfigürasyonları için araç performansı incelenebilmekte ve yeni
araç tasarımı aşamasında eleman seçimlerini performansa olan etkileri gözlenebilmektedir.
Anahtar kelimeler: 8x8, zırhlı araç, performans modeli
8x8 WHEELED ARMOURED VEHICLE PERFORMANCE MODEL DEVELOPMENT AND
VALIDATION
ABSTRACT
This paper presents development and validation studies on performance and fuel economy model for FNSS Defense
System’s 8x8 wheeled armored vehicle. Mathematical model of driveline and all its components are developed and
simulated in Matlab-Simulink platform. Simulated acceleration and deceleration performance results of the vehicle are
compared with test results and the model is validated. New model has been included in design process to improve
component selection and sizing at concept phase and to investigate vehicle parameters on performance and fuel
economy.
.
Keywords: 8x8, armoured vehicle, performance model
•
•
•
1.
GİRİŞ
Araç performans benzetimleri, araçların güç ve
aktarım organları paketlerinin tasarımı sırasında
tasarımcıların öngörüm yapması için yardımcı
olmaktadır. Yapılan benzetimler sayesinde, araç üzerinde
yapılacak değişikliklerin etkileri karşılaştırmalı bir
şekilde görülebilmekte ve tasarımcının tasarımda
izleyeceği yolu şekillendirmektedir. Tabi bu tip bir
benzetimi yapılabilmesi, prototip ve test sayısını
azaltarak, araç geliştirme maliyetlerini düşürmektedir.
Modellemesi yapılacak olan araç güç ve güç aktarma
sistemleri değerlendirildiğinde şu bileşenlere sahiptir.
•
•
•
Ön aks ayırma kavraması - 8x8 ve 8x4
6+R Otomatik Şanzıman
410 KW Dizel Motor
Modelleme ve doğrulama çalışmaları bu özelliklere
sahip araç üzerinden yapılmıştır.
Oluşturulan model FNSS Savunma Sistemleri A.Ş’nin
tekerlekli araç ailesine kolaylıkla adapte edilebilmesi için,
model kütüphane tabanlı geliştirilmiştir. Bu kütüphane
kullanılarak, istenilen araç konfigürasyonunda yeni
model oluşturulup, araç benzetimleri istenilen şekilde
yapılabilmektedir.
Aks kilitleri
Diferansiyel kilitleri
Transfer kutusu - yüksek ve düşük dişli oranı
1
miktarının araç hızına göre ayarlanması sağlanmıştır,
Şekil 3.
+
-
Hız
Kontrolcüsü
Fren,
Gaz Açıklığı
Araç
Modeli
Şekil 3.Araç hız kontrolü
Kontrolcü aracı hızlandırmak için gaz açıklığı
kullanmaktadır, yavaşlatmak içinse belirli bir hata
değerine kadar araç üzerindeki kayıpları, hata belirli bir
eşik değerini aştığında ise freni kullanarak hız referans
değerini izlemeye çalışmaktadır. [4]
Araç hızını referans seviyesinde tutabilmek için PID
kontrol uygulanmıştır. Uygulanan PID kontrol sonucu
4’de aracın önceden belirlenmiş olan hız profilini takibini
gösterilmiştir. Error! Reference source not found.5’te
ise hız takibi sırasında araca kontrolcü tarafından
beslenen yakıt ve fren yüzdeleri zamana bağlı olarak
verilmiştir.
Şekil 1.8x8 Tekerlekli zıhlı araç
2.
ARACIN TOPOLOJİK MODELLEMESİ
Araç
modellemesinde
izlenecek
yolun
belirlenebilmesi için modelleme öncesinde araç
konfigürasyonu çıkartılarak modellenecek alt sistemler
belirlenmiştir. Şekil 2’de 8x8 araca ait araç sunulmuştur.
Modellemeyi daha hızlı bir şekilde gerçekleştirmek
için mümkün olduğu yerlerde hazır kütüphanelerin
kullanılmasının daha doğru olacağı düşünülmüştür. Bu
nedenle Matlab Simulink programının Simscape ve
Stateflow kütüphanelerini kullanılarak, modelleme
yapılmıştır. Hazır kütüphanelerin yetmediği durum ve
bileşenler,
Matlab
Simmechanics
kullanılarak
oluşturulmuştur.
Şekil 4. 8x8 Aracın referans hız profili takip etmesi
Şekil 2. 8x8 Araç topolojisi
2.1. Araç Alt Eleman Modellemeleri
2.1.1.
Motor
Motor, gaz açıklığı ve devire bağlı olarak tork, güç ve
yakıt tüketim haritaları, yine motor devrine bağlı motor
sürtünme eğrisi ile karakterize edilmiştir.
Motor üzerinde bulunan ekipmanlar da motor
modellemesine dâhil edilmiştir. Test edilecek araç
üzerinde bulunan 2 alternatör ve 2 kompresör motor
devrine bağlı negatif torklar ile modellenmiştir.
Farklı yol, eğim ve hız şartlarında yakıt tüketim
hesaplamalarının yapılabilmesi beklenmektedir. Bu
amaçla,, referans hız takibi, model içerisinde eklenmiştir.
Bu tip bir analizin yapılabilmesi için gaz açıklığı ve fren
öncesine bir hız kontrolcüsü konarak gaz ve fren
Şekil 5.Araç hız kontrolü için gaz açıklığı ve fren
Hızlanma anlarında araç performansının yetersiz
olduğu bölgelerde hata miktarı artmaktadır. Fakat
yavaşlamalarda(hızlanmaya
göre
daha
yüksek
ivmelenmeler olsa bile) fren ve kayıplar kullanıldığı için
minimum hata ile araç referans hızı izlemiştir.
Ayrıca aracın özellikle yavaşlama durumlarında
motor devrinin, rölanti devri altına düşememesi için,
rölanti devir kontrolcüsü eklenmiştir. Motor devri, rölanti
2
devrinin altına düştüğünde motor hız kontrolcüsünden
gelen yakıt besleme isteğini bırakıp, rölanti
kontrolcüsünden
gelen
gaz
açıklığı
isteğini
kullanmaktadır.Şekil 3. Toplam yakıt tüketimi‘da aracın
istenilen bir hız profilinde ilerlemesi sırasında tükettiği
yakıt miktarını sunulmuştur.(Gizlilik nedeni ile sayısal
değerler paylaşılmamıştır.) Araç motorunun
yakıt
haritası
kullanılarak
tüketilen
yakıt
miktarı
hesaplanmaktadır.
Şekil 4. Dişli kutusu simulink modeli
2.1.2.3 Şanzıman Kontrolcüsü
Şanzıman kontrolcüsü, motor devri, gaz açıklığı ve
dişli kutusu çıkış şaft hızını kullanarak, aracın hangi
viteste olması gerektiğine karar verir ve ilgili vitesi
seçmek üzere dişli kutusu içerindeki kavrama
konfigürasyonun ve vites değişimlerinde motora beslenen
yakıtın kontrolünü sağlar. Vites geçişlerinin hangi
devirlerde olacağı, araç şanzıman kalibrasyon testlerinden
elde edilmiştir.[1].
2.1.2.4 PTO( Power-take off ) çıkışı
Şekil 3. Toplam yakıt tüketimi
2.1.2.
Şanzıman üzerinde bulunan PTO(Power-take off)
çıkışı aracın soğutma fanı ve hidrolik ekipmanlarının
sürmektedir. Fan ve pompalar üreticiden alınan veriler ile
bu bölüm içerisinde modellenmiştir. Soğutma fanı devri
sürüş şartlarına değişken olduğundan, test sırasında
ölçülen ortalama fan devri benzetimlerde sabit olarak
uygulanmıştır. Hidrolik ekipmanlar için de, yine testlerde
ölçülen ortalama hidrolik güc sabit olarak benzetimlerde
kullanılmıştır.
Şanzıman
Şanzıman modellemesinde,
alınmıştır. Bunlar;
•
•
•
•
4
alt
bileşen
ele
Tork Konvertör
Dişli kutusu
Şanzıman Kontrolcüsü
PTO(Power-Take Off)
2.1.3.
Aktarma Organları
Aktarma organları olarak anılan kısım şanzıman çıkışı
ile lastiğe kadar olan bölüm olarak tanımlanabilir. Bu
bölüm içerinde her bir elemanın ataletleri ve varsa devir
düşürücü yada artırıcı oranları sisteme eklenmiştir.
Aktarma organlarının modellendiği Simulink
ortamına ait görseli
Şekil 5’de görebilirsiniz. Transfer kutusunda yüksek
ve düşük dişli oranları seçilebilmekte ayrıca transfer
kutusu çıkışını ön akslara bağlayan kavrama kontrolü ile
8x8 ve 8x4 modlarında çalıştırılabilmektedir.
Transfer kutusuna ait ön ve arka çıkış ikinci ve
üçüncü aksa birer şaft vasıtası ile iletilmektedir. Bu iki
diferansiyelde gelen haraketi hem birinci ve dördüncü
diferansiyellere iletmekte aynı zaman da da kendi
akslarına
ait
teker
göbeklerine
iletmektedir.
Diferansiyeller içerinde aks ve diferansiyel kilitleme
yapılabilmektedir. [2]
Teker göbeklerinde hız azaltan bir dişli sistemi de
mevcuttur.
Özet olarak aktarma organları modeli ile araç
üzerinde
seçilebilecek
tüm
konfigürasyonlar
benzetimlerde kullanılabilmektedir.
2.1.2.1 Tork Konvertör
Tork konvertörü gerçek modelde olduğu gibi dişli
kutusu ile motor arasına yerleştirilmiştir. Özellikle
hızlanma ve yavaşlama anlarında performans açısından
büyük öneme sahip olan bu elemana üretici firmanın
sağlamış olduğu parametreler ile Simdriveline
kütüphanesinde bulunan “Torque Converter” bloğu ile
modellenmiştir. Ayrıca tork konvertörün türbin devrini
göz önünde bulunduracak şekilde kilitleme işlemi
yapılmaktadır. Bu şekilde impeller ve türbinin kilitli
halde çalışması sağlanmaktadır. Tork konvertörün hangi
devirlerde kilitli olarak çalışacağı, gerçek araç şanzımanı
üzerine
yapılan
kalibrasyon
testlerinden
elde
edilmiştir.[3]
2.1.2.2 Dişli Kutusu
Dişli kutusu, içerindeki planet dişililer ve kavramalar
ile modellenmiştir. Her bir planet dişlinin dişli oranları ve
ataletleri üretici firmadan sağlanmıştır. Şanzıman
kontrolcüsünden gelen bilgiye göre ilgili kavramalar
üzerindeki basınçlar arttırılarak vites konfigürasyonu
seçilmektedir.[1]
3
Araç süspansiyon karakteristikleri lineer olduğu kabul
edilmiştir. Yaya ait katılık katsayısı ise, aracın statik
konumu etrafında lineerize edilerek kullanılmıştır.
Şekil 5. Aktarma organları simulink modeli
2.1.4.
Fren
Aracın frenleme performansını benzetimler ile
kestirebilmek için fren modeli de araç modeline dâhil
edilmiştir. Akslara göre değişkenlik gösteren fren sistemi
tasarımı, her aks için ortak model ancak farklı veriler ile
modellenmiştir. Fren modeli fren pedalın da oluşan
basıncı kullanarak, her teker kaliperinde oluşan negatif
torku belirlemektedir.
Denklem 1 ile kaliperler üzerindeki sürtünme kuvveti
hesaplanmıştır. Bu kuvvetin sıcaklık ile değişmediği
kabul edilmiştir.
, kaliperde oluşan basınç,
kaliper alanı,
piston sayısı,
hidrolik verimi temsil etmektedir.
fren karakeristiği,
Kullanılan
veriler
fren
hesaplamalarda kullanılmıştır.[6]
üreticiden
2.1.5.
Şekil 6. Araç dinamiği modeli
XZ düzleminde eğiminin değişmesi ile oluşan etkiler
modeli etkilemektedir. Buda modelin farklı eğim
koşullarında araç performans benzetiminin yapılmasını
sağlamaktadır.
2.2. Test Çalışmaları
Araç modelinde şanzıman sonrası kayıpların
modellenmesi amacı ile kendi kendine durma testi
yapılmıştır. Bu testte araç, belirli bir ilk hıza çıkarılması
ardından vites boşa alınarak kendi kendine durması
amaçlanmaktadır. Test sırasında havanın durgun olduğu
kabulü yapılmıştır. Kendi kendine yavaşlama testi sonucu
elde edilen veri Simmechanics modeline hıza göre
değişken negatif ivme olarak uygulanmıştır. Bu verinin
kullanılması ile araç üzerinde modellenmeyen, sürtünme,
yuvarlanma ve havadan kaynaklanan
kayıpların
modellenmesi amaçlanmıştır.
Modellemesi yapılan aracın benzetim sonuçlarının
doğrulanması amacı ile hızlanma ve yavaşlama testleri
yapılmıştır. Hızlanma testinde araç belli bir hıza kadar
tam gaz olacak şekilde hızlandırılarak aracın hızlanma
performansı gözlenmiştir. Yavaşlama testlerinde ise
belirli bir ilk hızda araç ilerlerken aracın tam fren
yapması sonucu frenleme performansı ölçülmüştür. Bu
testler birden fazla ve karşılıklı yapılarak testlerin
tekrarlanabilirliği ve zemin eğiminin etkisi araştırılmıştır
(1)
alınarak
Lastik Modeli
Aracın yer ile tüm etkileşimi olan lastiğin
modellenmesi için Simsdriveline kütüphanesinden Magic
formula tabanlı tekerlek modeli kullanılmıştır. Bu model
için gerekli veriler lastik üreticisinden sağlanmıştır.
Lastik modelinde tekerlek çapının dinamik olarak
değişmediği kabulü yapılmıştır. Modellemede kullanılan
değer, statik yükleme sonucu eldedilen yarıçaptır.
Tekerlekte oluşan yuvarlama direnci, tekerlek modeli
içerisine dâhil edilmemiştir. Araç üzerine yapılan
yavaşlama testleri ile yuvarlanma direnci modellenmeye
çalışılmıştır Test çalışmaları bölümünde bu testler ile
bilgi sunulmuştur.
2.1.6.
Araç Dinamiği Modeli
3.
Araç gövdesi ve süspansyon sistemi yarım araç olarak
dört akslı modellenmiştir. Bu araç modeli Matlab
Simmechanics içerisinde oluşturulmuştur. Bu model X ve
Z eksenlerinde ötelemeye, Y ekseni etrafında ise
dönmeye serbesttir, Şekil 9. Bu modeldeki amaç, yol ve
lastik arasında oluşan normal kuvveti hesaplayarak lastik
kayma modelinde kullanmaktır.
Modelde her bir aks birbirinden bağımsızdır. Aynı aks
üzerindeki lastiklerde ise benzer reaksiyon yükleri
oluştuğu kabulü yapılmıştır.
SONUÇLAR
Testlerde kullanılan araç konfigürasyonu için
hızlanma ve frenleme benzetimleri koşturulmuş ve model
doğrulama amacı ile benzetim ve testler sonuçları
karşılaştırılmıştır.
4
Araç Modu
Şanzıman Modu
Transfer Kutusu
Diferansiyel Kilidi
Aks Kilidi
Hızlanma ve Yavaşlama
8x8
D
Düşük
Kapalı
Kapalı
Tablo 1. Test ve simülasyon araç konfigürasyonu
Tablo 1’de gösterilen konfigürasyon ile hızlanma ve
yavaşlama testleri ve simülasyonları yapılmıştır.
Sonuçların verildiği şekiller ve tablolarda gerçek
değerler gizlilik nedeni ile paylaşılmamıştır. Tablolar
üzerinde verilen değerler , ilk test sonucunun 100 birim
olacak şekilde ölçeklendirilerek sunulmuştur.
Şekil 7’da Tablo 1 konfigürasyonu ile yapılan 3
hızlanma testini ve benzetim sonucu paylaşılmıştır. Bu
karşılaştırma testte ulaşılan en yüksek hıza kadar
yapılmıştır, benzetim ve test sonuçlarının uyumlu olduğu
gözlemlenmiştir. Daha yüksek hızlar için, benzetim ve
test sonuçlarına bakıldığında benzer eğimlere sahip
olduklarından yüksek hızlar içinde yakın sonuçlar ortaya
çıkacağı tahmin edilmektedir.
Tablo 2’de ise hızlanma testleri ve benzetim
sonuçlarında 8x8 aracın belirli bir hıza çıkma
karşılaştırmaları incelenebilmektedir. Benzetimlerde
hızlanma performansını ~%5 daha iyi olarak elde
edilmiştir.
Şekil 8.8x8 Aracın yavaşlama test ve simülasyon
karşılaştırması
Tablo 3.8x8 aracın ilk hız değerinden 0 km/s hıza
düşüş zamanı
Test 1
100
KAYNAKLAR
1. Patric,J., 1999, “Automatic Trasmission
Modeling and Controller Development” , Master of
Science Thesis, California University.
2. Pettersson,M., 1997, “Driveline Modeling and
Control”, Master of Science Thesis, Linköping
University.
3. Enocksson,S, 2011,”Modelling in MathWorks
Simscape by building a model of an automatic
gearbox”,Master od Science Thesis, Uppsala University.
4. Sandberg,T, 2001, ”Heavy Truck Modelling
for Fuel Consumption Simulation and Measurements”
,Master od Science Thesis, Linköping University.
5. Mathworks,2012,” Simscape™ User’s Guide”
,User’s Guide, The MatkWorks, Inc.
6.
Knot Brake,2012,” Knot Brake Technical
Guide” , Knot Brake Technology.
Şekil 7. 8x8 Aracın hızlanma test ve simulasyon
karşılaştırması
Tablo 2. 8x8 Aracın belirlenmiş bir hız değerine
ulaşma yüzdeleri(%)
Test 2
Test 3
Simülasyon
100
100.07
100.07
95.96
Simülasyon
104.48
Sonuçlardaki uyumluluk seviyesi yeterli görülmüş,
geliştirilen ve testler ile karşılaştırılan modelin 6x6
tekerlekli ve paletli araçlar için uyarlanmasına
başlanmıştır. Modelleme çalışmalarının tamamlanmasının
ardından , tüm modeller bir arayüz altında
birleştirilecektir. Bu arayüz ile kütüphane tabanlı
oluşturulan modeller, farklı araç elemanları seçilerek
hızlıca modellenip sonuçları incelenebilecektir.
4.
Test 1
Test 2
99.96
Şekil 8’da aracın frenleme performansı incelenmiştir.
Test çalışmalarında araca önceden belirlenmiş bir ilk hız
verilmiştir. Simülasyon ve test sonuçlarında benzer
sonuçlar olduğu görülmektedir.
5
Download

8x8 Tekerlekli Zırhlı Araç Performans Modeli Geliştirilmesi