OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
BİR HAFİF TİCARİ ARAÇDA DIŞ DİKİZ AYNASI TİTREŞİMLERİNİN
İNCELENMESİ
Selma Yıldırım, Sevda Telli Çetin*, Hüseyin Karabulut**
*
Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl., Bursa
**
Ficosa Otomotiv A.Ş., Bursa
ÖZET
Hafif ticari araçlarda kullanılan dikiz aynalar, dinamik ve aerodinamik yüklere maruz kalmaktadır. Bu yüklerin var
olmasından ötürü aynada görüş performansını olumsuz yönde etkileyen belirli titreşim hareketi mevcuttur. Aynada
oluşan titreşimler sürücünün görüşünü bozabilmekte ve sürüş güvenliğini tehlikeye atabilmektedir. Bu nedenle,
titreşimlerin minimize edilmesi istenmektedir. Yapılan çalışmada aynanın mekanik titreşimleri incelenerek titreşim
özelliklerinin iyileştirilmesi için öneriler araştırılmıştır. Bu maksatla, öncelikle aynanın modal analizi yapılmış ve doğal
frekans değerleri tespit edilmiştir. Ayrıca, modal çekiç ve sarsıcı testleri ile aynanın doğal frekansları deneysel olarak
da ölçülmüş ve analiz sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Yapılan çalışmalarla, aynanın malzeme özelliklerinin ve tasarım
değişikliklerinin doğal frekanslara etkisi araştırılmış ve vibrasyon karakteristiğini iyileştiren malzeme ve geometri
değerleri tespit edilmiştir.
Anahtar kelimeler: Dikiz Aynası, doğal frekanslar, modal analiz, titreşim testleri, sonlu elemanlar yöntemi.
ABSTRACT
The external mirrors which are used in light commercial vehicles are subject to dynamic and aerodynamic loads. Due to
occurrences of these dynamic loads there will be certain vibrations which affect the mirrors’ visual performance in an
adverse manner. The vibrations of mirrors can disrupt the driver’s vision and put at risk on driving safety. The desirable
situations; minimize the vibration. In this study the mechanical vibrations on the mirror were investigated and
mechanical vibration characteristics of the mirror were improved. Modal analyses were made with finite element
method, using hypermesh package and natural frequencies were determined. The natural frequencies were measured by
modal hammer test and shaker tests and the tests results were compared with the ones obtained by hypermesh finite
element software. In hypermesh software, iterations has been done to see the effect of material specifications and
geometrical changes. So the appropriate structure and material specifications which are improved vibration
characteristics were determined.
Keywords: Rearview mirror, natural frequencies, modal analysis, vibration tests, finite element method.
atabilmektedir. Bu nedenle, titreşim konusu, hem
otomobil üreticilerini, hem de otomotive parça tedarik
eden ayna üreticilerini yakından ilgilendirmekte ve bu
alanda bilimsel çalışmalar da yapılmaktadır.
1. GİRİŞ
Dış dikiz aynaları sürüş güvenliğinin sağlanmasında en
önemli unsurlardan birisidir. Binek araçlarda aynaların
tamamı aynı seviyede öneme sahipken ticari araçlarda iç
dikiz aynasının görüş açısı çoğu zaman kısıtlı olduğundan
dış dikiz aynaları daha fazla öneme sahiptirler. Bu
aynalarda oluşan titreşimler zaman zaman sürücünün
görüşünü bozabilmekte ve sürüş güvenliğini tehlikeye
O'Grady ve McCarthy [1], yaptıkları çalışmada otomobil
iç dikiz aynasındaki titreşim cevabının kestirimi için bir
sonlu eleman modeli oluşturmuşlar ve hem tek tek ayna
bağlantılarının hem de komple aynanın titreşim modlarını
1
çalışmada öncelikle, incelenen ayna için mevcut
standartta yer alan değerleri sağlamak üzere çalışmalar
yapılmıştır. Aynayı kullanacak üretici firma aynanın
birinci doğal frekansının 60Hz den büyük olmasını
istemektedir. Önce sonlu elemanlar programında aynanın
sonlu elemanlar modeli hazırlanıp modal analizi yapılmış
ve mevcut aynanın bu frekans değerini sağlayıp
sağlamadığı kontrol edilmiştir. Aynanın doğal frekansları
sarsıcı testi ve modal çekiç testi ile de ölçülüp değerler
belirlenmiştir. Yapılan analiz ve testler sonucunda
aynanın istenen doğal frekansı değerini sağlamadığı
görülmüş ve doğal frekansları yükseltmek üzere analiz
yazılımı vasıtasıyla iyileştirme çalışmaları yapılmıştır.
belirlemişlerdir. Modelden elde edilen sonuçlar titreşim
testlerinden bulunan sonuçlarla karşılaştırılmıştır.
Aynanın ön cama bağlantı kısmındaki klip üzerinde ise
hayli detaylı bir inceleme yapmışlardır. Hwang, Lee ve
Park [2] ise yaptıkları çalışmada otomobil dış dikiz
aynasındaki titreşimleri azaltmak amacıyla bir sonlu
eleman modeli tasarlamış ve analizini yapmışlardır.
Doğal frekansların hesabı için modal analiz yapmışlar,
dinamik yükler altındaki cam yüzeyinde oluşan
deplasmanları
ise
harmonik
analiz
yardımıyla
hesaplamışlardır. Song ve Ayorinde [3], oluşturdukları
sonlu eleman modeli üzerinde dikiz aynalarında
kullanılabilecek farklı malzemelerin ayna titreşimleri
üzerine etkisini incelemişlerdir. Literatürde dikiz
aynalarındaki mekanik temelli titreşimlerin yanı sıra
aerodinamik etkilerin oluşturduğu titreşimleri konu alan
çalışmalar da mevcuttur. Örneğin Jaitlee, Alam ve
Watkins [4,5] otomobil yan dikiz aynasının yüzeyine
gelen aerodinamik basıncın ayna titreşimi üzerindeki
etkisini farklı hızlarda incelemişler ve yüzeye gelen ana
ve değişken basınçları ölçerek analiz etmişlerdir.
Otomobil dış dikiz aynasındaki akış alanını inceleyen ve
bu maksatla rüzgar tüneli üzerinde çalışmalar yapan
araştırmacılar da mevcuttur. Yapılan çalışmalarda ayna
camının eğilme ve dönme titreşimleri rüzgar tüneli ve
yolda yapılan ölçümlerle belirlenmiş, 20 Hz üzerindeki
frekanslarda oldukça yakın sonuçların elde edildiği
belirtilmiştir [6,7,8,9]. Larchez ve Naghdy [10] ise
yaptıkları çalışmada farklı sürüş şartları için aynada
oluşan titreşimleri bertaraf edecek bir adaptif kestirimci
sistem tasarımı yapmışlar ve aynanın kendi
bileşenlerinden kaynaklanan titreşimler için başarılı
sonuçlar elde etmişlerdir. Literatürde dikiz aynalarında
oluşan titreşimi kaynakları ile birlikte ele alarak
azaltmaya yönelik çözümlerin üretildiği yukardaki
çalışmalardan farklı olarak, oluşan titreşimin sürücü
üzerindeki
etkilerini
inceleyen
çalışmalara
da
rastlanmıştır. Hahnel ve Hecht [11], yaptıkları çalışmada
ayna mesafesi (aynanın merkezi ile sürücü gözü
arasındaki mesafe) ve cam yüzeyi eğriliğinin yol
güvenliğinde sürücünün ani karar verme yetisine etkisini
incelemişler ve bu mesafe ve eğrilik değerleri
değiştirildiğinde bunun sürücü üzerinde olumsuz sonuçlar
doğurabileceğini belirtmişlerdir. Yazarlar,
son
zamanlarda kullanımları yaygınlaşan konveks aynaların
düz aynalara göre daha geniş bir görüş alanı sağlamaları
ve daha az kör nokta bırakmaları gibi avantajlarının
yanısıra düzlem aynalara göre cisimleri daha küçük ve
daha uzakta göstermeleri nedeniyle sürücüyü görüş
mesafesi konusunda yanıltabileceklerine ve dolayısıyla da
ani kararlarında sürücüyü hatalı yönlendirebileceklerine
dikkat çekmişlerdir. Q.Li, Z.Yang, Y.Wan, ve Y.He
[12], otomobilin yan dikiz aynasının aerodinamik gürültü
karakteristikleri
deneysel
ve
nümerik
olarak
incelenmiştir.
2. AYNA MODAL ANALİZİ
Dış dikiz aynası birden çok montaj parçasından oluştuğu
için analitik yöntem ile modal analizi yapılması ve doğru
sonuçlar elde edilmesi oldukça zordur. Bu nedenle
titreşim analizi için yaygın olarak kullanılan sonlu eleman
yöntemi tercih edilmiştir. Bu bölümde bir dış dikiz
aynasının sonlu elemanlar yöntemiyle titreşim analizi
yapılmış ve doğal frekansları elde edilmiştir. Sonlu
Elemanlar modeli Simxpert programında hazırlanmış ve
Hypermesh programında modal analizi yapılmıştır.
Model kurulurken kullanılan sınır şartları ve eleman
tipleri aşağıda açıklanmıştır.
2.1. Sınır Şartları, Eleman Tipi
Sonlu elemanlar modeli kurulurken modelin gerçeğe en
yakın hali tasarlanması amaçlanmıştır. Model kurulurken
ayna braketinin araca bağlanmasını sağlayan 3 adet
montaj deliğinin, 6 serbestlik derecesi kısıtlanarak ayna,
sabit bir yere bağlıymış gibi modellenmiştir. Ayna
içerisinde birbirine vida ile bağlanmış parçaların montajı
vida yerine sabit kiriş elemanlar kullanılarak
oluşturulmuştur (RBE2). Gerçekte yay baskısı ve kuvvet
bağı ile birbiri ile montaj edilmiş parçalar FEA modelde
temas yüzeyler oluşturularak sağlanmıştır (contact).
Analize girmeyen fakat ayna üzerinde bir ağırlık
oluşturan elemanlar noktasal kütle(point mass) olarak
modellenmiştir. Aşağıdaki şekilde aynanın sonlu
elemanlar modeli gösterilmektedir.
Ayna titreşim karakteristikleri için otomotiv üreticisi
firmalarının belirlediği standartlar mevcuttur. Bu
Şekil 1.Ayna sonlu elemanlar modeli
2
Sonlu elemanlar modeline girecek malzemeler
tanımlanırken doğrusal izotropik malzeme modeli
kullanılmıştır. Model parçalarının elastisite modülü,
Poisson oranı ve özgül ağırlık özellikleri aşağıdaki
tabloda verilmiştir.
Tablo 2. Aynanın Doğal Frekansları
1.Doğal frekans
51.50 Hz
2.Doğal frekans
81.79 Hz
3.Doğal frekans
105 Hz
3. TESTLER
Bu kısımda testler yapılarak sonlu elemanlar modeli
doğrulanmaya çalışılmıştır. Doğal frekansların 2 farklı
test ile belirlenmesi amaçlanmıştır:
1.Modal çekiç testi
2.Shaker testi
Tablo 1. Malzemelere ait özellikler
Ayna
gövdesi
Üçgen ayak
kapağı
Üçgen ayak
Mekanizma
Ayna şasesi
d (g/cm3)
E (mpa)
Poisson
oranı
1.06
2300
0.35
1.06
2300
0.35
2.65
6.6
1.36
72000
96000
8000
0.35
0.27
0.35
3.1.
Modal Çekiç
Testi
Çalışmanın bu bölümünde, daha önce sonlu eleman
analizi yöntemiyle doğal frekansları bulunan aynanın
deneysel modal analiz yöntemiyle doğal frekansları tespit
edilmiştir. Kullanılan test düzeneği aşağıda açıklanmıştır.
Bu şartlarda yapılan analiz sonuçlarında elde edilen mod
şekilleri ve ilk 3 doğal frekans değeri aşağıda verilmiştir.
3.1.1.Modal Çekiç Test Düzeneği
Test düzeneği, aynanın bağlanması için kullanılan araç
kapı sacı, incelenecek ayna, modal çekiç, ivmeölçer ve
analizörden oluşmaktadır. Dikiz aynanın modal analizinin
gerçekleştirilmesinde kullanılan test düzeneği aşağıdaki
şekilde gösterilmiştir. Kullanılan ekipmanlar ayrıntılı
olarak açıklanmıştır.
Şekil 2. 1.Mod şekli
Şekil 5.Modal çekiç testi
Araç Kapı Sacı: Bilindiği üzere dikiz ayna araç
üzerinde, araç kapı bölgesinde kapı sacı olarak
adlandırılan yere bağlıdır. Deneysel olarak incelenecek
olan ayna da araç kapısı temin edilerek onun üzerine araç
konumu değişmeden bağlanmıştır.
Şekil 3.2.Mod şekli
İncelenecek Ayna: Kontrolleri yapılmış ve
kullanılmamış bir ayna seçilerek montaj yapılmıştır.
hiç
Darbe Çekici: Otomobil yan aynasının titreşim
seviyelerini ölçmek için Dytra firması tarafından üretilen
3 eksenli darbe çekici kullanılmıştır.50 mV/LbF
hassasiyetindedir. Çekiç üzerinde veri aktarım kablosu
bulunmaktadır ve bu kablo BNC çıkışlıdır bu şekilde FFT
analizörüne kolayca bağlanabilmektedir.
Üç Eksenli İvmeölçer: Deney yapılarının cevabının
ölçülebilmesi için ICP firması tarafından üretilen 100
mV/g hassasiyetinde üç eksenli ivmeölçer kullanılmıştır.
Şekil 4..3.Mod şekli
3
Sarsıcı test sonuç ekranından alınan sonuç sayfası
aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
FFT Analizörü: Data Physics firmasının ürettiği Signal
ACE sistemi tercih edilmiştir. Verilerin aktarılmasından
sonra yazılım içerisindeki modal analiz fonksiyonları
kullanılarak, frekans cevabı fonksiyonları üzerinden
aynanın doğal frekans, sönüm oranı ve mod şekillerinin
tespiti gerçekleştirilmektedir.
Modal çekiç testi, test sonuç ekranından alınan transfer
fonksiyon grafiği aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Şekil 8. Sarsıcı testi sonuç ekranı
5) İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI
Çalışmanın bu bölümünde Hypermesh yazılımı
kullanılarak doğal frekanslara etki eden parametreler
üzerinde değişiklikler yapılmış ve aynanın birinci doğal
frekansının hedeflenen değer olan 60 Hz’e ulaşılması
sağlanmıştır. Bunun için analiz sonuçlarında görülen mod
şekillerinden yararlanılmıştır.
Şekil 6. Modal testinden alınan transfer fonksiyon ekranı
Sonlu elemanlar analizinde elde edilen mod şekilleri
inceledikten sonra iyileştirme çalışmalarının iki aşamalı
olarak yapılmasının uygun olduğu görülmüştür.
3.2. Sarsıcı Testi
Çalışmanın bu bölümünde, aynanın doğal frekansları
sarsıcı (shaker) testi ile de tespit edilmiştir. Testte; sarsıcı,
incelenecek ayna, sarsıcı bağlantı aparatı ve ivmeölçer
kullanılmıştır.
Dikiz
aynanın
sarsıcı
testinin
gerçekleştirilmesinde
kullanılan deney
düzeneği
aşağıdaki şekilde gösterilmiş ve test düzeneği
açıklanmıştır.
İlk aşamada birinci doğal frekans değeri yükseltilmeye
çalışılmıştır. Üçgen ayak kapağı ismi verilen parçada 2
adet geometri değişikliği uygulaması yapılmıştır.
Uygulanan bu değişiklik kapak üzerine feder (destek
parça) ilavesidir ve bu uygulama aynanın ilk doğal
frekansını 62 Hz’e kadar yükseltmiştir. Uygulama şekli
ve uygulamadan alınan sonuçlar aşağıda gösterilmiştir.
Şekil 7.Sarsıcı testi deney düzeneği
Şekil 9. Geometri değişikliği uygulaması
Sarsıcı:
Deney
yapılarının
belli
frekanslarda
titreştirilmesi maksadıyla LDS firması tarafından üretilen
V650 kodlu sarsıcı kullanılmıştır.
Tablo 3. Geometri değişikliği için sonuçlar
Mevcut Durum 1.Geometri
2.Geometri
Mod 1: 51.5 Hz Mod 1:58,56
Mod 1:61,02
Sarsıcı Bağlantı Aparatı: Aynanın sarsıcı üzerine araç
konumunda bağlanabilmesi için bir bağlantı aparatı
gerekmektedir. Bunun için alt tarafından cihaza
bağlantıları olan ve yan tarafından da aynanın montaj
edilmesini sağlayan aparat yaptırılmıştır.
İncelenecek Ayna: Kontrolleri yapılmış ve
kullanılmamış bir ayna seçilerek montaj yapılmıştır.
İkinci aşama ise aynanın ikinci doğal frekansını
yükseltmek üzere yapılmıştır. Burada ayna gövdesi ismi
verilen parçanın malzemesi yerine farklı malzemeler
denenmiştir. Bu çalışmalarda 2.mod değeri 92 Hz’lere
kadar yükselme göstermiştir. Aşağıda tabloda yapılan
çalışmalar ve sonuçlar gösterilmiştir.
hiç
İvmeölçerler: Modal testlerde kullanılan aynı marka
ivmeölçerler burada da kullanılmıştır.
4
Tablo 4. 2.mod için analiz sonuçları
3. Song, F., Ayorinde, E.O., 2005, “Influence of
material property on vibration characteristics of
the automotive rearview mirror”, Journal of
Thermoplastic Composite Materials, 18, 291-305.
4. Jaitlee, R., Alam, F. and Watkins, S., 2004,
“Pressure measurements on an automobile side
rear view mirror”, Proceedings of the 15th
Australasian
Fluid
Mechanics
Conference,
University of Sydney, Sydney, Australia.
5. Jaitlee, R., Alam, F. and Watkins, S., 2005,
“Vibration of automobile side view mirror due to
aerodynamic inputs”, Proceedings of the Sixth Int.
Conference on Mechanical Engineering.
6. Watkins,S.,and Oswald,G.,1999, “The flow field of
automobile add-ons — with particular reference
to the vibration of external mirrors”, Journal of
Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 83,
541-554.
7. Kim, J.-H. , Han, Y.O, and Lim, B.-D., 2009,
“Experimental study of statistical and spectral
characteristics of wake flow around the rear view
side mirror of a passenger car”, Proceedings of
5th EACWE, Florence, Italy.
8. Kim, J.-H., and Han, Y.O., 2011, “Experimental
investigation of wake structure around an
external rear view mirror of a passenger car”,
Journal of Wind Engineering and Industrial
Aerodynamics, 99, 1197-1206.
9. Tomac, M., Yugulis, K.L., et al., 2011,
"Investigation of side view mirror flow induced
vibration phenomena", ASME Journal of Fluids
Engineering, 133,121102.
10. Larchez, A., and Naghdy, F., 2005, "Adaptive
modeling of vehicle mirror vibrations by
predictive compensation", Proceedings of the
2005 International Conference on Computational
Intelligence for Modelling, Control and Automation,
and International Conference on Intelligent Agents,
1, 821-827.
11. Hahnel, U.J., Hecht, H., 2012, “The impact of
rear-view mirror distance and curvature on
judgements relevant to road safety”, Ergonomics,
55(1), 23-36.September 20-22.
12. Q.Li,
Z.Yang,
Y.Wan,
and
Y.He,2011
“Experimental and Numerical Studies on
Aerodynamic Noise of Automotive Rear View
Mirror”, Noise Control Eng. J. 59 (6).
Modlar(Hz)
Analiz No
1
2
3
4
Mevcut Durum
51.50
81.79
105
134
1
52.65
92.31
125.25
137.5
2
52.49
92.26
117.49
134
3
52.65
93.98
134
138
4
52.65
93.61
136
138.91
5
52.65
92.80
123
137.5
6
52.66
97.21
137
146
7
52.66
96.54
135.84
138.68
8
52.66
97.66
137.19
145.93
9
52.66
99.08
137.24
148.23
10
52.26
95.37
137.09
143.55
6)SONUÇ
Aynanın sonlu elemanlar programında yapılan modal
analiz ile deneysel çalışmalar sonuçları aşağıdaki gibidir.
Tablo 5. Test ve analiz sonuçları tablosu
Shaker
Modal
Modal
Testi
Çekiç testi
Analiz
1.Doğal
49,13 Hz
48,13 Hz
51,50 Hz
Frekans
Test ve analiz sonuçları kıyaslanarak kurulan modelin
tutarlılığı belirlenmiştir. İyileştirme amaçlı yapılan
uygulamalar modları
yükseltmektedir. Ayna parça
malzemelerinin elastisite modülü yükseltilmesiyle doğal
frekanslar yükselmiştir. İyileştirme sonuçlarından
görüldüğü gibi uygun titreşim frekanslarını elde etmek
için tasarım değişiklikleri yapılarak aynanın doğal
frekanslarını iyileştirmek mümkündür. Bu çalışmayla
hafif ticari araçlarda kullanılan bir dış dikiz aynasının
araç üreticisinin vermiş olduğu titreşim karakteristikleri
hedef alındığında istenilen frekans aralığını kapsayacak
değerlere ulaşılabilmektedir.
6. TEŞEKKÜR
Bu çalışma Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı
tarafından 01412.STZ.2012-1 numaralı San-Tez projesi
kapsamında desteklenmiştir.
KAYNAKLAR
1. O'Grady,M., McCarthy,B., et al., 1996, "Vibration in
an automobile internal rear-view mirror" , Key
Engineering Materials, 118-119, 35-42.
2. Hwang,K.H, Lee, K. W., and Park, G. J., 2001,
“Robust optimization of an automobile rearview
mirror for vibration reduction”. Struct. Multidiscip.
Optim., 21, 300–308.
5
6
Download

Bir Hafif Ticari Araçta Dış Dikiz Aynası Titreşimlerinin