OTEKON 2014 7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 26-27 Mayıs 2014, BURSA ARAÇ KONFOR ÖZELLİKLERİNİN TESTLER VE SAYISAL MODEL İLE ANALİZİ Ferdi Pir*, Emre İsa Albak*, İdris Karen***, Necmettin Kaya**, Ferruh Öztürk*, İbrahim Korkmaz**** * Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Otomotiv Mühendisliği Bölümü, Bursa Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Bursa ***Orhangazi Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Bursa ****TOFAŞ Türk Otomobil Fabrikası A.Ş., Yalova Yolu, Bursa ** ÖZET Araç dinamiği ile ilgili sayısal ve deneysel çeşitli çalışmalar yapılmış olmakla birlikte problemin çözümü ile ilgili yapılan çalışmalar henüz istenen seviyede değildir. Araç sürüş konforu ve yol tutuş dinamiği arasında var olan zıt ilişki nedeniyle bir özellik iyileştiğinde diğeri kötüleşmektedir. Bu nedenle belirsizliğin araç üretim aşamasına geçmeden önce giderilmesi ve çelişkinin ortaya çıkardığı problemin çözümlenmesi önem arz etmektedir. Taşıt tasarım sürecinin ilk aşamalarında fiziksel prototip gereksinimlerini azaltacak, taşıt konfor özelliklerinin belirlenmesi için yapılacak çalışmalarda kullanılacak bir model tabanlı yaklaşım gerekmektedir. Bu bildiride taşıt konfor sürüş özelliklerinin değerlendirilmesi ve geliştirilmesi için taşıt tasarım sürecinde kullanılabilecek sayısal model tanımı ve analizi için yapılan çalışmalar verilmiştir. Anahtar kelimeler: Araç sürüş konforu, fiziksel testler, model tabanlı yaklaşım ANALYSIS OF RIDE COMFORT CHARACTERISTICS USING PHYSICAL TESTS AND VIRTUAL MODELS ABSTRACT Rcently, the research work for the improvement of the ride comfort quality and dynamic characteristics for vehicle hendling performance is taking increasing attention. Although much work has been done on numerical and experimental studies to improve the ride quality, many applications face with limitations in the optimization issues of the ride quality characteristics. Therefore, there is a strong need to employ new approaches to handle the existing uncertainties and conflicts to evaluate ride comfort and usıng integrated vehicle simulation models in the early stages of design process in order to eliminate the drawbakcs of physical testing. In this study, a model based approach is presented to predict the ride comfort without the need of physical prototypes. The algorithm will be used to assist the designer as a reference tool in the vehicle development process. Keywords: Vehicle ride comfort, physical tests, model based approach 1 1. GİRİŞ Araç dinamiği ile ilgili sayısal ve deneysel çeşitli Takip eden bölümlerde önce araç dinamiği çalışmalar yapılmış olmakla birlikte problemin çözümü çalışmalarında kullanılan ilk modeller anlatılmış, daha ile ilgili yapılan çalışmalar sonra tam araç konfor modeli çalışması verilmiştir. henüz istenen seviyede değildir. Araç sürüş konforu ve yol tutuş dinamiği arasında var olan zıt ilişki nedeniyle bir özellik iyileştiğinde diğeri kötüleşmektedir. Bu 2. ARAÇ KONFOR ANALİZ MODELLERİ nedenle Yeni araç tasarımlarının veya mevcut araçların konfor belirsizliğin araç üretim aşamasına geçmeden önce performanslarını giderilmesi ve çelişkinin ortaya çıkardığı problemin matematiksel modellerinin kurulması ve performans çözümlenmesi değerlendirme indekslerinin hesaplanması gerekmektedir. için taşıt tasarım sürecinin ilk inceleyebilmek için araçların aşamalarında fiziksel prototip gereksinimlerini azaltacak, Araçların taşıt konfor özelliklerinin belirlenmesi için yapılacak değerlendirme için kullanılan modellerin karmaşık yapıda çalışmalarda kullanılacak bir model tabanlı yaklaşım olması nedeniyle teorik hesapsal çözümlerde zorluklar gerekmektedir. Araç konfor özellikleri, araçların kullanım yaşanmaktadır. Araç dinamiği hareket denklemlerinin tercihinde açısından ve konfor gibi özelliklerini doğrusal olmayan yapısı ve serbestlik derecelerinin kriterlerden birisidir. Son yıllarda yapılan çalışmalar yüksek olması nedeni ile konfor ve yol tutuş gibi araç incelendiğinde özellikle araçların sürüş konforunun dinamiği geliştirilmesi konusunda yapılan çalışmaların giderek varsayımların yer aldığı modeller ile çalışılması ve elde arttığı görülmektedir [1-3]. edilen sonuçlara göre diğer modellere bildiride memnuniyeti tutuş önemli Bu müşteri yol taşıt konfor sürüş özelliklerinin çalışmalarında indirgenmiş, doğrusal geçilmesi yaklaşımı da tercih edilmektedir. tasarım Araç dinamiği ile ilgili bir araç modeli kurma sürecinde kullanılabilecek sayısal model tanımı ve analizi işleminde, tasarlanması hedeflenen sistemin içerdiği için komponentler değerlendirilmesi ve geliştirilmesi için taşıt yapılan çalışmalar verilmiştir. Analizler için ve sistemin serbestlik derecesinin kullanılacak tam araç modeli oluşturma sürecinde aşamalı belirlenmesi en önemli adımdır. Şayet araç modeli ile bir süreç uygulanmış ve çok gövdeli yaklaşım, çeyrek, sadece zemin eksenine dik yöndeki eksende konfor yarım araç modelleri, bisiklet modeli ile test çalışmaları çalışmalarında kullanılacak titreşimler incelenecek ise yapılmıştır. indirgenmiş ve serbestlik derecesi azaltılmış bir model seçimi de ön bilgi edinme açısından tercih edilebilir. Konfor çalışması ile ilgili TOFAŞ’ ın tedarik ettiği araç ile testler yapılmış ve araç modeli MATLAB’ in Model tasarım çalışmalarında başlangıç olarak ele Simulink ve SimMechanics yazılımı ile tasarlanmıştır. alınan araç analiz modeli çeyrek taşıt modelidir. Şekilde Araç konfor matematiksel modelinde araç sürüş konfor 1’ de görülen iki serbestlik dereceli çeyrek araç parametrelerinin tanımları, fiziksel testler ve ölçümlerin modelinde ms olarak gösterilen kütle yaylanan kütleyi, mu belirlenmesi, simülasyon sonuçlarının fiziksel testler ile olarak gösterilen kütle ise yaylanmayan kütleyi temsil karşılaştırılması, matematiksel modelin doğruluğunun eder. ms ve mu arasındaki yay-damper çifti aracı yay- incelenmesi, araç konfor değerlendirmesi, araç konfor damperini temsil eder, yol ve mu arasındaki yay-damper matematiksel modeli eniyilemesi çalışmaları yapılmıştır. modeli ise lastiği basitleştirmek için kullanılan yay- Geliştirilen simülasyon modelleri fiziksel test sonuçları damper modelidir. ile karşılaştırılarak korelasyon belirlenerek yöntem doğrulaması yapılmıştır. 1 Şekil 2’ de aracın temasını sağlamak için tasarlanan alt sistemde (subsystem) verilmiştir. Çeyrek araç modelinin ADAMS modeli de Şekil 3‘ da görüldüğü gibi tasarlanmıştır. Şekil 1. Çeyrek taşıt modeli şematik gösterimi Çeyrek araç modeli hareket denklemleri aşağıda verilmiştir [22]: ms xs = −ks ( xs − xu ) − cs ( xs − xu ) mu xu = ks ( xs − xu ) + cs ( xs − xu ) − ku ( xu − y ) − cu ( xu − y ) Şekil 3. Adams/View ile oluşturulan çeyrek taşıt modeli İki serbestlik derecesi ile simmechanics ortamında çok gövdeli model yaklaşımı ile tasarlanan çeyrek araç Simmechanics ile tasarlanan araç modelinin doğrulaması modeli Şekil 2‘ de verilmiştir. için Simulink ortamında teorik çeyrek araç modeli tasarlanmış ve karşılaştırılmıştır. Şekil 4’ te Simulink ortamında tasarlanmış çeyrek araç modeli verilmiştir. Şekil 4. Simulink ile tasarlanmış çeyrek araç modeli Şekil 2. SimMechanics ile tasarlanmış çeyrek araç modeli 2 Simmechanics ve Simulink ortamında çeyrek araç Simmechanics veya ADAMS gibi yazılımlardan modelleri adım (step) giriş datası verilerek analiz yararlanılarak model tanımları yapılabilmektedir [4,8]. Bu çalışmada oluşturulan tam araç konfor modeli edilmiştir. Elde edilen sonuçlar ms ve mu kütleleri için Şekil 5‘ de verilmiştir. tasarımı Şekil 6’ da verilmiştir. Gerçekleştirilecek simülasyonlar için hızlanma, yavaşlama, viraj alma, şerit değiştirme vb. sürüş durumlarında taşıtın davranışını SimMechanics Model vs. Si mulink Model 0.75 Simulink Model SimMechanics Model konfor ve yol tutuş olarak araç dinamiği açısından tam Sprung Mass Displacements (meter) 0.7 olarak temsil edebilecek sanal modellere gereksinim 0.65 0.6 duyulmaktadır [5-7]. 0.55 0.5 0.45 0 5 10 15 20 25 Ti me (seconds) 30 35 40 45 50 SimMechanics Model vs. Si mulink Model 0.5 Simulink Model SimMechanics model Unsprung Mass Displacements (meter) 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0 5 10 15 20 25 Ti me (seconds) 30 35 40 45 50 Şekil 5. Kütlelerin adım giriş datasına cevapları Şekil 5’ de elde edilen sonuçlar ile çeyrek araç modeli tasarımında kullanılan yaklaşımın doğrulanması sonucu aynı yaklaşım ile konfor analizleri için kullanılacak tam araç modeli tasarım çalışmaları yapılmıştır. Bilgisayar ortamında herhangi bir taşıt modellenirken genellikle denklem tabanlı ve çok gövdeli kütle tabanlı olmak üzere iki yaklaşımdan yararlanılır. MATLAB Şekil 6. Tam araç konfor simmechanics modeli Simulink ve Simmechanics araç model yaklaşımları tasarımı sürecinde için kullanılabilen ortamlardır. bilgisayar Şekil 6’ da verilen tam araç konfor modeli yol tutuş ve programları şablon- tabanlı taşıt modellemede otomotiv konfor performanslarının birlikte değerlendirileceği bir üreticilerince kullanılmaktadır. Ayrıca bu programlar bütünleşik tam araç modeli tasarımı için geliştirilecek tam kullanılarak modellenen taşıtlara yine bu programların araç modeli tasarımında kullanılacaktır. Bu model yol hazır tutuş için Pacejka tekerlek modelini de içerecek şekilde ADAMS, olarak CARSIM sundukları gibi gelişmiş standart yol testleri düzenlenecektir [23]. uygulanabilmekte ve sonuçlar analiz edilebilmektedir. Takip eden bölümde daha önce konfor performansı Çeyrek araç modelinin doğrulaması yapıldıktan sonra değerlendirmesi ile ilgili yapılan çalışma verilmiştir [19]. yarım araç ve tüm araç modellerine geçiş yapılarak 3 için bölgesel sürüş indekslerinin (rss) hesaplanmasında 3. ARAÇ KONFOR MODELİ VE TESTLER Araçlar üzerinde yolculuk eden sürücü ve yolcuları kullanılır ve sürüş indeksi hesaplanır [19]. hesaplama Bu çalışmada biri sürüş konforunu hesaplayabilmek yöntemleri standartlaştırılmıştır [9-20]. Bu ölçüm ve için gerekli verileri sağlamak amacıyla diğeri tam-taşıt hesaplamalar için ivme değerlerini kullanır. İvme ölçerler modeli için gerekli parametre değerlerini toplamak ile belirlenen araç bölgelerinden ölçülen ivme değerleri amacıyla iki fiziksel test gerçekleştirilmiştir. Birinci kullanılarak sürüş konfor indeksleri hesaplanır. Sürüş fiziksel testte birbirinden farklı yollar üzerinde tüm konforu ile ilgili standartlar; taşıtlar için sürüş konfor değerleri benzetim modeli ile ilgilendiren sürüş konforu ölçüm ve hesap edilmiştir (Şekil 7). ISO 2631`e göre sürüş indeks 1. ISO standard 2631 – 1 (1997) “Mechanical değerlerinin sürüş konforu açısından sınıflandırılması vibration and shock – Evaluation of Human Tablo 1`de verilmiştir. Exposure to Whole – Body Vibration. Part 1: General Requirements”. 2. British Standard 6841 (1987) “Measurement and evaluation of human exposure to whole body vibration” . 3. SAE J1490 : Measurement and presentation of truck ride vibrations, recommended practice. 4. Şekil 7. Test yolları görseli SAE J1013 : Measurement of whole body vibration of the seated operator of off-highway Tablo 1. ISO 2631`e göre sürüş konfor değerlendirmesi ] work machines. 5. Sürüş İndeks Değeri Araç üretici firma standartları Durum (m/s ) (m/s2) Tüm standartlar farklı eksenlerdeki ivme değerlerinden RI < 0.315 Konforlu RMS (Root Mean Square)- Ortalama Karekök Değerinin 0.315 < RI < 0.63 Biraz konforsuz 0.5 < RI < 1 Hemen hemen konforsuz farklı 0.8 < RI < 1.6 Konforsuz bölgelerden elde edilen RMS değerlerinden sürüş için 1.25 < RI < 2.5 Çok konforsuz 2 < RI Aşırı konforsuz hesaplanması ile ilgilidir. 2 Ayrıca frekansa bağlı ağırlıklandırma ve eksen katsayısı değerleride standartlar içinde tanımlanmıştır. Araçlar üzerindeki Sürüş İndeksleri hesaplanarak konfor değerleri ile karşılaştırılır. ISO 2631 standardına göre sürücünün oturma pozisyonunda her bir temas noktası için tüm ivmelenme değerleri belirli zaman periyotlarında Bu çalışmada kullanılan simmechanics tam araç konfor ivmeölçerler ile toplanır. Her bir bölge için ivme modeli için simmechanicste süspansiyon sistemi, koltuk değerlerinin her bir kartezyen bileşeni hızlı Fourier ve motor modelleri dönüşümü ile frekans alanında elde edilir ve frekans de eklenerek aracın konfor performansı değerlendirmesi için kullanılmıştır. Bu ağırlıklandırma yapılır. Her bir eksen için RMS çalışma ile ilgili detaylar kaynaklarda verilmiştir [19]. hesaplanır ve bu değerler koltuk, oturma ve sırt bölgesi Konfor 4 analizleri için ADAMS programı da kullanılabilmektedir. Konfor indeksi (ride index) program dinamiği performanslarının analizi çalışmalarının daha içinde tanımlanmıştır. Simmechanics modeli ile elde kısa sürede ve maliyette yapılabilmesi için araç analiz edilen sonuçlar, ADAMS programı sonuçları ile de modellerinin değerlendirilebilir. dinamiği Bu çalışmada konfor indeksinin değerlendirilerek araç parametrelere bağlı olarak modelin serbestlik derecesi optimum konfor parametrelerinin hesaplanması için değişmektedir, çeşitli yaklaşımlar ile analizlerin fiziksel optimizasyon algoritma test destekli olarak yapılarak simulink, simmechanics, kullanılmıştır. Kullanıcının kolaylıkla aracın konfor ADAMS programları, analitik çözümler ve literatürde yer indeksini hesaplayabilmesi ve tasarlanan model ile ilgili alan sonuçlar ile karşılaştırılması korelasyon ve elde optimizasyon sonuçlarını alabilmesi için bir arayüz de edilen tasarlanmıştır (Şekil 8). açısından gerekmektedir. tekniği olarak genetik kullanılabileceği çalışmalarında sonuçların araç görülmektedir. modeli doğrulanması Araç analizlerinde değerlendirmeleri TEŞEKKÜR Projeyi destekleyen TÜBİTAK (TÜBİTAK1001 Proje No. 11M593) ve TOFAŞ’ a teşekkür ederiz. KAYNAKLAR 1. Nishiyama, S., Uesugi, N., Takeshima, T., Kano, Y., Togii, H., 2000, “Research on Vibration Characteristics Between Human Body and Seat, Steering Wheel, and Pedals (Effects of Seat Position on Ride Comfort)”, Journal of Sound and Vibration, 236(1): 1–21. Şekil 8. Konfor hesaplamaları ve optimizasyon için 2. Demic, M., Lukic, J., 2002, “Some Aspects of the Investigation of Random Vibration Influence on Ride tasarlanan arayüz Comfort”, Journal of Sound and Vibration, 253(1): 109–129. 4. SONUÇLAR 3. Eriksson, P., Arora, J.S., 2002, “A Comparison of Bu bildiride iki araç konfor modeli çalışması verilmiştir. Birinci model performanslarının (2.Bölüm) birlikte yol tutuş ve değerlendirileceği Global Optimization Algorithms Applied to a Ride konfor Comfort bir Optimization Problem”, Structural Multidisciplinary Optimization, 24: 157–167. bütünleşik tam araç modeli tasarımı için tasarlanan tam araç konfor çalışmasıdır. Bu model yol tutuş için Pacejka 4. MATLAB. 2009. Simulink-SimMechanics 2009b. tekerlek modelini de içerecek şekilde düzenlenecektir. The Mathworks, Inc., 3 Apple Hill Drive Natick, MA İkinci kısımda (3.Bölüm) tam araç konfor modeli tasarımı 01760-2098 USA. çalışmasında kullanılan araç konfor modeli, konfor 5. J.D. Setiawan, M. Safarudin, A. indeksi hesaplamaları ve optimizasyon konularında Singh,2009,’’Modeling, Simulation and Validation of yapılan çalışmalar verilmiştir. Araç tasarımından üretime 14 DOF full vehicle Model,’’ ICICI- BME. 6. P.M. kadar olan sürecin kısaltılması, yeni ürün tasarım maliyetinin azaltılması ve ayrıca mevcut modellerin araç Samin, R.A.Rahman, 5 S.A.A. K. Bakar, Hudha, H. Jamaluddin, 2002, ’’Modeling, Simulation and Validation of Vehicle Ride and Handling Model,’’ Advances in 17. S. Nishiyama And N. Uesugi, 2000, Research on Mechanical Vibration Characteristics Between Human Body And Engineering 2006- Part2. Seat, Steering Wheel and Pedals (Effects Of Seat Position on Ride Comfort), Journal of Sound and 7. W. Nan, L. Wei, P. Enshun, 2010, ‘’An Analyse on the Virtual Simulation of Vehicle Stablity’’, Vibration, 236(1), 1-21. International Conference on Measuring Technology 18. Jochen Rauh, 2003. Virtual Development of Ride and and Mechatronics Automation Handling Characteristics for Advanced Passenger 8. www.mscsoftware.com Cars, Vehicle System Dynamics,40:1,135-155. 9. Pennati, M., Gobbi, M. and Mastinu, G. 2009. A 19. İdris Karen, Necmettin Kaya, Ferruh Öztürk, İbrahim dummy for the objective ride comfort evaluation of Korkmaz, Murat Yıldızhan, Ayça Yurttaş, A design ground tool vehicles, Vehicle System Dynamics, to evaluate characteristics: 47:3,343-362. analysis, 10. Anil Shirahatt, P.S.S. Prasad, Pravin Panzade, M.M. the vehicle modeling, International ride physical Journal comfort testing of and Advanced Manufacturing Technologies, 60, 755-763, 2012. Kulkarni, 2008. Optimal Design of Passenger Car 20. International Suspension for Ride and Road Holding, J. Braz. Soc. Standard, ISO 2631-1 (1997) Mechanical vibration and shock evaluation of human Mech. Sci. & Eng. vol.30 no.1, pp. 66-76. exposure to whole-body vibration Second Edition. 11. G. Verros, S. Natsiavas and C. Papadimitriou, 2005. Design Optimization of Quarter-car Models with 1997-05-01 Passive and Semi-active Suspensions under Random 21. MATLAB, Road Excitation, Journal of Vibration and Control Simulink-SimMechanics 2009b. The Theory and Mathworks, Inc. 2005; 11; 581. 22. R. 12. M. Demics and J. Lukicd, 2002. Some Aspects of The N. Jazar, Vehicle Dynamics Application. Springer, 2008. Investigation of Random Vibration Influence on Ride 23. http://www-cdr.stanford.edu/dynamic/bywire/tires.pdf Comfort, Journal of Sound and vibration, 253(1), 109129. 13. J. M. Randall, R. T. Matthews And M. A. Stiles, 1997. Resonant frequencies of standing humans, Ergonomics, Vol. 40, No. 9, 879-886. 14. P. Eriksson and O. Friberg, 2000. Ride comfort optimization of a city bus, Struct Multidisc Optim 20, 67–75. 15. Joao O P. C. Goncalves and Jorge A. C. Ambriosio, 2005. Road Vehicle Modeling Requirements for Optimization of Ride and Handling, Multibody System Dynamics (2005) 13: 3–23. 16. Massimo Caudano, Lucia Celiberti, 2007. Customer orientation in vehicle ride comfort quality design, Vehicle Dynamics Expo. 6
© Copyright 2024 Paperzz
