OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
AĞIR TİCARİ ARAÇ SÜSPANSİYON SİSTEMİNDE
KONFOR VE DAYANIM OPTİMİZASYONU
Mahmut Duruş, Berktuğ Aydın, Ergün Tutuk, Can Özkardeşler,
Melih Saçlı Ahmet Paşaoğlu, Kadir Koç, Kadir Oray Aksoy,
Ezgi Güneş, Eren Aydemir
Ford Otomotiv Sanayi A.Ş., Gebze / Kocaeli
ÖZET
Bu çalışmada 8x4 Đnşaat Serisi Damperli araçların farklı tip kabin ve şasi süspansiyon alternatifleri altında
davranışları karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalar konfor ve dayanım özellikleri çerçevesinde beş araç; iki farklı kabin
süspansiyonu ve beş farklı şasi süspansiyon tipinin kombinasyonları üzerinden karşılaştırılmıştır. Çalışmayla aracın
belirlenen lokasyonlarından toplanan ivmeler kullanılarak ön-arka şasi süspansiyonun ve kabin süspansiyonunun
transfer fonksiyonları hesaplanıp titreşim karakterleri ortaya çıkarılmıştır. Şasiye asılı taşıyıcı braketlerin üzerine gelen
ivmelerin yarattığı hasar oranları da karşılaştırılıp dayanım anlamında ortaya çıkan avantajlar incelenmiştir. Kullanılan
makas tipine göre kapasiteleri farklılık göstermektedir. Seçilecek makas tipinin kullanım alanına göre uygulanabilirliği
ve teknik fizibilitesi de seçim konusunda önemli hususlardan biridir. Bu çalışmayla konfor, dayanım ve kapasite
ekseninde araç optimizasyonu sağlanmış ve doğru süspansiyon tipi seçilebilmiştir.
Anahtar kelimeler: Süspansiyon, Sürüş Konfor, Yorulma, Đzgesel Yoğunluk Đşlevi, Titreşim Tabanlı Yorulma Analizi
STUDY ON RIDE COMFORT AND DURABILITY OPTIMIZATION
BASED ON HCV SUSPENSION SYSTEM PERFORMANCE
ABSTRACT
This study analyses 8x4 construction series tipper vehicles performance with different frame and cab suspension
alternatives. The main idea behind the investigation is to optimize comfort and endurance performance. Five vehicles
with two different cab suspensions and five different frame suspensions are used for the test. In this paper, the first aim
is to provide vibration characteristics by using collected acceleration data, the data is collected from predefined
locations on vehicles and transfer functions that are derived with mathematical models to compare ride characteristics.
Durability performance is the other target of this study. During the durability analysis, acceleration data are used as an
input and inertia relief method provides to compare damage of the brackets that joined to chassis frame. Capacity of the
leaf spring is based on the type and this is another contributor for optimization. This study provides us to determine the
main design parameter of suspension systems to optimize the vehicle durability, capacity and ride comfort.
Keywords: Suspension, Ride Comfort, Fatigue, Power Spectral Density, Vibration Fatigue Analysis
konforlu olma yönündedir.
Kamyonlarda konforu sağlayan iki temel yapı vardır;
kabin ve şasi süspansiyon sistemleri. Şasi süspansiyon
sistemleri aksdan gelen ilk etkileri sönümlemekte ve şasi
üzerine gelen ivmeleri azaltmaktadır. Kabin süspansiyonu
ise şasiden gelen etkileri sönümlemek ve yaylanmayan
kütlenin titreşim frekansını sürücüye aktarmayarak
sürücünün daha konforlu bir seyahat gerçekleştirmesine
1. GĐRĐŞ
Müşteri beklentileri her sektörde olduğu gibi otomotiv
sektöründe de her geçen gün artmakta ve yeni boyutlar
kazanmaktadır. Đnşaat serisinde geçmiş beklentiler
yüksek taşıma kapasitesi ve dayanım üzerine
kurulmuşken şimdilerde bu araçlardaki beklenti; mevcut
özelliklerini koruyurup hem daha hafif hem de daha
1
olanak sağlamaktadır. Şasi ve kabin süspansiyon
sistemlerinin seri bağlı çalışması ve şasi süspansiyon
sisteminin sönümleme kapasitesinin çok daha belirgin
olması sonucu aralarındaki ilişkinin doğru ayarlanması
önemlidir.
Tablo 2. Süspansiyon tiplerinin detayları
Şasi süspansiyonu üzerinde yapılacak iyileştirmeler
şasiye bağlanan parçalar üzerindeki gerilmeleri azaltacağı
için ömür anlamında artı sağlamaktadır. Özellikle temel
görevi asılı kütleleri şasiye bağlamak olan braket
tasarımlarında şasi üzerine gelen ivmeler önem
kazanmaktadır.
Đvmelerin
azalmasıyla
taşıma
braketlerinde ağırlık optimizasyonu yapılarak müşteri
beklentileri karşılanabilmektedir. Şasi süspansiyonunda
yapılacak iyileştirmeler kabin süspansiyonuna düşen
sönümleme görevini de azaltmakta ve toplam çıktıyı
arttırmaktadır.
Tip
Yay
Amortisör
CAB_A
Mekanik-1 Nolu Yay
Ayar No1 Kabin
CAB_B
Mekanik-2 Nolu Yay
Ayar No2 Kabin
RR_A
RR_B
RR_C
RR_D
RR_E
Bu çalışmada, 8x4 inşaat serisi damper kamyonunda
farklı şasi süspansiyonları ön ve arka süspansiyon ayrımı
gözetilerek araç konfor ve dayanım bakımından
incelenmiştir. Seçilen test parkurunda farklı tip
süspansiyonlar ile aynı yükleme koşullarında koşturulan
araçlar
subjektif
ve
objektif
ölçümler
ile
değerlendirilmiştir. Objektif data aks, şase ve kabinde
seçilen noktalardan alınan ivmelerle toplanmıştır. Đvmeler
hem süspansiyon sistemleri için transfer fonksiyonu
çıkarmada hem de seçilen asılı kütlelerin dayanım CAE
analizlerinde kullanılmıştır. Subjektif data ise sürüş
değerlendirmeleri ile objektif dataların karşılaştırılmasına
olanak sağlamıştır.
Parabolik Makas + Dövme
Aşınma Ped ve Rulmanlı
Yığma Makas + Dövme Aşınma
Ped ve Rulmanlı
Yığma Makas + Dövme Aşınma
Ped ve Rulmanlı
Yığma Makas + Makas Göbek ve
Ucu Kauçuk Bağlantılı
Yığma Makas + Makas Göbek ve
Ucu Kauçuk Bağlantılı
Ayar No1 Şase
Ayar No1 Şase
Amortisör Yok
Ayar No2 Şase
Amortisör Yok
FR_A
Parabolik Makas
Ayar No3 Şase
FR_B
Parabolik Makas
Ayar No4 Şase
Çalışmada aks-şase ve şase-kabin arasındaki transfer
fonksiyonlarını çıkarabilmek adına sekiz adet 3 eksenli
ivme ölçer kullanılmıştır. Bir adet 3 eksenli ivme ölçer
ise şaseye asılı akü sehpasını tutan brakete gelen
ivmelerin tespiti ve bu ivmelerin bilgisayar destekli
analizde yorulma hesabında kullanımı için gerekmektedir
(Şekil 1).
2. SEÇĐLEN SÜSPANSĐYON TĐPLERĐ VE DATA
TOPLAMA ÇALIŞMASI
Bu çalışmada beş ayrı tip şase süspansiyon ve iki ayrı
tip kabin süspansiyon sistemi seçilerek beş farklı araç
kombinasyonu (Tablo 1) oluşturulup, araca uygulanmış
ve araç üzerinden ivme datası toplanmıştır. Đnşaat
alanlarında kabin konfor ve asılı kütle dayanımını en çok
zorlayan durumlardan biri orta genlikli ve yüksek
frekanslı etkileşim gösteren kullanım koşuludur. Data
toplama çalışması bunu doğru yansıtan bir parkurda
gerçekleşmiştir.
Şekil 1. Araç Üzerinden Đvme Datası Toplanan
Lokasyonlar
Tablo 1. Data toplanan süspansiyon tiplerinin araç
kodlarına göre dağılımı
Araç #
Tip_A
Tip_B
Tip_C
Tip_D
Tip_E
Süspansiyon Tipleri
Ön Susp. Tip
FR_A
FR_A
FR_A
FR_B
FR_B
Kabin Süsp. Tip
CAB_A
CAB_A
CAB_A
CAB_B
CAB_B
GPS ve CAN’den alınan hız ve koordinat dataları
sayesinde test gidişatı kontrol altına alınmıştır. Parkur
kullanıma açık bir yol olduğu için toplanan datalar
arasından hız-konum anlamında farklılık yaratan datalar
ayıklanmıştır. Seçilen güzergah aşağıda gösterilmiştir
(Şekil 2).
Arka Süsp. Tip
RR_A
RR_B
RR_C
RR_D
RR_E
2
Farklı süspansiyon tiplerine ait çıktılar hem çalıştığı band
aralığı hem de genlik bazında incelendiğinde arka
süspansiyon tipinde yapılan değişikliklerin kabine
etkisinin aracın hiçbir yükleme tipinde hissedilecek
düzeyde olmadığı tespit edilmiştir. Yükleme arttıkça
kapasitesi düşük olan süspansiyon tipinin kabin
konforuna etkisinin kötüleşmeye yöneldiği ancak
subjektif çıktıya bakıldığında hissedilir düzeyde olmadığı
görülmüştür.
3.2 Arka Süspansiyonda Amortisör Kullanımının
Kabin Konforuna Etkisi
Bu noktada, aracın arka süspansiyonunda amortisör
kullanımının kabinde hissedilen etkileri farklı yük
koşullarında (Boş, Dizayn Yükü, Aşırı Yükleme) ve iki
araç süspansiyon tipi için incelenmiştir.
Şekil 2. Data Toplanan Bölge
3. SÜSPANSĐYON SĐSTEMLERĐNĐN TRANSFER
FONKSĐYONLARININ
ÇIKARILMASI
VE
DEĞERLENDĐRĐLMESĐ
Çalışma kapsamında aks, şasi ve kabinden toplanan ivme
dataları N-Code programı kullanılarak öncelikle
gürültülerden ayıklandı ve toplanan çevrimlerden hızkonum değerlerine göre uygun olanlar seçildi. Seçilen
ivme dataları Spektral Güç Yoğunlukları (PSD)
çıkarılarak düzensiz olarak toplanmış datalardan anlamlı
datalara çevrilmiş[1] ve yorumlama bu grafiklerden
yapılmıştır. Birçok farklı süspansiyon tipinden PSD
sonuçları karşılaştırılmış ve doğru süspansiyon tipinin
seçilmesi sağlanmıştır.
Şekil 4. PSD Grafiği Aks-Şase-Kabin (Tip B vs Tip C)
3.1 Arka Tandem Süspansiyon Makaslarının Kabin
Konforuna Etkisi
Bu noktada, aracın arka süspansiyonunda kullanılan iki
ayrı tip makasın kabinde hissedilen etkileri farklı yük
koşullarında (Boş, Dizayn Yükü, Aşırı Yükleme)
incelenmiştir. Araç sürüşü esnasında sürücü tarafından
subjektif konfor değerlendirilmesi yapılıp, toplanan ivme
ölçümleri PSD çıktılarına dönüştürülerek objektif data ile
de doğrulanmıştır.
Şekil 5. PSD Grafiği Aks-Şase-Kabin (Tip D vs Tip E)
Araçlar arka süspansiyonları amortisörlü ve amortisörsüz
olarak parkurda koşturularak elde edilen datalar PSD
fonksiyonu ile analiz edilerek incelendiğinde arka
süspansiyonda kullanılan amortisörün kabine etkisinin
hissedilir derecede olmadığı objektif ve subjektif olarak
gözlemlendi.
Kabine gelen titreşimlerin yoğunlaştığı frekans aralığı
arka süspansiyonda kullanılan amortisöre bağlı olarak
değişiklik göstermemektedir. Kabin konforu için asıl
Şekil 3. PSD Grafiği Aks-Şase-Kabin (Tip A vs Tip B)
3
etkenin kabinde kullanılan amortisör ve yaylara bağlı
olduğu bir sonraki başlıkta incelenecektir.
daha
hafif
braketlerle
sağlanabilmektedir.
istenen
dayanım
3.3 Kabin Süspansiyon Karakteristiklerinin Kabin
Konforuna Etkisi
Bu noktada, aracın kabin süspansiyonunda kullanılan iki
ayrı süspansiyon karakteristiğinin kabinde hissedilen
etkileri farklı yük koşullarında (Boş, Dizayn Yükü, Aşırı
Yükleme) incelenmiştir.
Şekil 7. Akü Sehpası Bilgisayar Destekli Analiz Modeli
Bilgisayar destekli analizde toplanan ivme dataları
yardımıyla titreşim tabanlı yorulma analizi yapılarak
parça üzerindeki hasar değerleri belirlenmiştir. Model
olarak yarım şase modellenmiş ve şase üzerine
bağlanmıştır (Şekil 7). Model uzayda sınır koşullarına
sahip olmayıp, sistemin kütlesinin ivme değerleri ile
çarpılıp tepki kuvvetlerinin bulunmasına dayalı bir analiz
gerçekleştirilmiştir. Akü sehpasına karşılık gelen kütle
büyük tutularak eylemsizlikten gelen tepkiler azaltılıp
analizin doğruluğu arttırılmıştır.
Şekil 6. PSD Grafiği Aks-Şase-Kabin (Tip C vs Tip D)
Sürüş esnasında subjektif yapılan değerlendirmede D tipi
aracın kabininin daha konforlu olduğu tespit edilmiştir.
PSD fonksiyonu ile analiz edilen datalar incelendiğinde
de D tipi aracın kabin süspansiyonunun dominant olarak
çalıştığı frekans aralığı 1-2hz arasındayken, C tipi aracın
frekans aralığının 1-2hz’e ek olarak 10-18hz aralığında da
dominant olduğu görülmüştür. Buna paralel olarak araç
yükü arttığında C tipi aracın kabin süspansiyonu çalışma
aralığının 10-18hz aralığına yayıldığı görülmektedir.
Kabinde hissedilen frekansın insan vücudunun en hassas
olduğu 4-8hz arasında olmaması gerekmektedir[2]. Elde
edilen datalar bu bandın dışında olsada kabinde yüksek
frekanslı dataların sürüş konforuna negatif etkisi subjektif
testlerde de görülmüştür. Bu nedenle D tipi kabin
süspansiyonunun sönümleme karakterinin konfor
açısından daha uygun olduğu ve yaylanmayan kütlenin
doğal frekans bandından daha az etkilenecek şekilde
tasarlandığı tespit edilmiştir.
Şekil 8. Akü Sehpası Bilgisayar Destekli Analiz
Sonuçları
Araç yükünün azalması asılı kütlenin üzerine gelen
titreşim genliklerini arttırmakta ve asılı kütleleri tutan
parçalardaki hasar değerlerinin artmasına neden
olmaktadır. Yükleme koşulları ve farklı araç tiplerinde
hesaplanan hasar değerleri Tablo 3’de verilmiştir.
4.BĐLGĐSAYAR DESTEKLĐ DAYANIM ANALĐZ
SONUÇLARININ ĐRDELENMESĐ
Tablo 3. Maksimum Hasar Değerleri
Araç Tipi
Maksimum Hasar
2.60
Tip_A
2.90
Tip_B
3.40
Tip_C
Bu çalışmada, beş farklı araçtan üç farklı yükleme
koşulunda toplanan ivme dataları bilgisayar destekli
analiz programları kullanılarak şaseye ankastre asılı olan
akü sehpasına gelen saç metal hasar değerleri tespit
edilmiştir. Burada amaç şase süspansiyonlarında
konforun yanında şaseye ankastre asılı parçalarda ortaya
çıkan hasarların
boyutlarını incelemektir. Şase
süspansiyonlarında yapılacak iyileştirmeler ankastre asılı
parçalar üzerindeki hasar oranını azaltmakta ve bu sayede
4
Tip_D
1.01
Tip_E
1.08
Sonuç olarak araç şasesinin ön ve arka süspansiyon
etkilerinden ortak paydada etkilenen pozisyona
konumlanan
bir
braketin
hasarlanması
parkur
600,000km’lik bir çevrime çıkarılarak Nastran’da
hesaplanmıştır. Buna göre arka süspansiyondaki
amortisörün dayanıma katkıda bulunduğu B-C ve D-E
süspansiyonlar arasındaki fark ile tespit edilmiştir. A ile
B arasındaki fark ise tüm parametreler aynı tutulup arka
makasların yığma makas tipinden (B) parabolik makas
tipine (A) geçilmesinin şaseye asılı braketlerin
dayanımını iyileştirdiği görülmüştür.
KAYNAKLAR
5. SONUÇ
Bu çalışmada 8x4 Đnşaat Serisi bir aracın tüm şase
süspansiyonları ve kabin süspansiyonları farklı çeşitleri
ile denenerek karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda
elde edilen çıkarımların özeti aşağıdaki gibidir.
- Toplanan ivme datalarının Đzgisel Yoğunluk Yöntemi
ile işlenmiş ve aks-şase-kabin süspansiyon ilişkisinin
çıktılarının subjektif değerlendirme ile paralel sonuçlar
verdiği görülmüştür.
- Arka tandem süspansiyon makas tipinin yığma makas
veya parabolik makas olması aracın kabin konforunda
etkisi hissedilir düzeyde farklar yaratmamıştır.
- Arka süspansiyon amortisör kullanımı şase
braketlerinde oluşan hasarlanmayı azaltmakta fakat kabin
konforuna hissedilir derecede etki sağlamamaktadır.
Kabin süspansiyon karakteristikleri kabinin hangi
doğal frekans aralığında çalışacağını göstermektedir.
Burada kullanılan parametreler sonucunda Cab_B tipi
kabin süspansiyonun Cab_A’ya göre yaylanmayan kütle
etkileşim frekanslarını(10-18hz) %70’e kadar daha az
yansıttığı görülmüştür. Kabinin amortisör ve yay
katsayılarındaki fark bu sonucu yaratmıştır.
Şase üzerine asılı kütlelerin braketlerinin dayanımı
yaylanmayan kütleden şaseye akan yükler oranında
paraleldir ve denenen süspansiyon tiplerinde 3.4 kat ömür
farkına neden oluşmuştur. Süspansiyon optimizasyonu ile
asılı kütlelerde ağırlık azaltma çalışmaları yapma şansı
doğmuştur.
6. TEŞEKKÜR
Bu çalışmasının yapılmasını teşvik eden ve olanak
sağlayan, kullanılan dataların yayınlanmasına izin veren
Ford Otosan Ürün Geliştirme Bölümü Yöneticilerine,
desteğini esirgemeyen Ürün Geliştirme Ekibine
teşekkürlerimizi sunarız.
5
1.
Mukamala T. S., 2009, “Container Integrity
Monitoring Using RF/RFID Vibration Sensors”
2.
ISO Standard 2631 – 1, 1997, “Mechanical
Vibration and Shock – Evaluation of Human
Exposure to Whole Body Vibration. Part 1:
General Requirements”
3.
MSC.Nastran 105 Exercise Workbook, “Inertia
Relief, Workshop 17”
Download

ağır ticari araç süspansiyon sisteminde konfor ve dayanım