close

Enter

Log in using OpenID

Araç Yol Yüklerinin Dış Dikiz Aynaya Etkileri ve Dış Dikiz

embedDownload
OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
ARAÇ YOL YÜKLERİNİN DIŞ DİKİZ AYNAYA ETKİLERİ VE DIŞ DİKİZ
AYNA TİTREŞİM PARAMETRELERİNİN İNCELENMESİ
Basri Çalışkan*, İrfan Kamaş*, Taner Karslıoğlu*
FEKA Otomotiv Mamülleri San. ve Tic. A.Ş., Bursa
*
ÖZET
Araç üstü güvenlik parçası olan dış dikiz aynanın titreşim girdilerini elde etmek için, öncelikle 4 serbestlik
dereceli araç modellemesi yapılmış ve farklı yol girdileri için titreşim cevapları elde edilmiştir. Benzer şartları,
laboratuar ortamında gerçekleştirmek için oluşturulan test düzeneği anlatılmıştır. Farklı test şartlarını tanımlayarak
gerçekleştirdiğimiz sonlu elemanlar analizlerinde dış dikiz aynaya ait çeşitli parametre değişimlerinin dış dikiz ayna
cevabına etkileri incelenmiştir.
Anahtar kelimeler: Yarım Taşıt Modeli, Titreşim Cevabı, Dış Dikiz Ayna, Sonlu Elemanlar Analizi
EFFECTS OF ROAD LOADS ONTO AN OUTER SIDE MIRROR AND EXAMINATION OF VIBRATION
PARAMETERS OF OUTER SIDE MIRROR
ABSTRACT
A system that has 4 DOF (Degree of Freedom) is created and solved in order to provide vibration inputs in
conditions of different road loads, for the outer mirror which is one of the safety part of a vehicle. Test conditions to
simulate road loads have been examined. Vibration response which depends on an outer side mirror system parameters
was examined.
Keywords: Half Vehicle Model, Vibration Response, Outer Side Mirror, Finite Element Analysis
1. GİRİŞ
fonksiyonunun, farklı yol girdileri için titreşim cevapları
elde edilmiştir. Bu cevaplar da ayna titreşim girdisi olarak
kullanılmıştır. Otomotiv ana sanayi firmaları, aynaya
etkiyen bu yol girdileri neticesinde titreşim ölçmek için
çeşitli testler ve şartnameler oluşturmuşlardır. Testlerin
uygulanışı ve beklentilerinde bazı farklılıklar olmasına
karşın temel beklenti titreşim neticesindeki görüntü
sapmalarını ölçebilmektir. Test şartlarını tanımlayarak
gerçekleştirdiğimiz simülasyonlarda dış dikiz aynaya ait
çeşitli parametreler değiştirilerek sonuca etkileri
gözlenmiş, ayna üzerindeki metal parça ile beklentiperformans kıyaslaması yapılmıştır.
Günümüzde her sektör için geçerli olan karbon
emisyonunu azaltma hedefi, kara taşımacılığında da
büyük bir önem arz etmektedir. Bu sebeple; motorun
verimliliğini arttırarak karbon salımını azaltma
çabalarının yanı sıra araç hafifletme çalışmaları da hız
kazanmıştır. Daha hafif ve daha az malzeme kullanımına
yönelik eğilimler artmıştır. Ancak doğru tasarım
olmaksızın yapılan bu ağırlık azaltmaları, araç üzerindeki
parçalarda mukavemet düşümü, titreşim artışı sonuçlarını
doğurur, güvenlik ve konfor gibi en temel beklentileri
olumsuz etkiler.
Bir dış dikiz aynanın titreşim cevabını elde
etmek için öncelikle uygun bir araç matematik
modellemesi yapılmıştır. Oluşturulan transfer
2. TAŞIT MODELLEMESİ VE SİSTEMİN DIŞ
DİKİZ AYNA BÖLGESİNDEKİ CEVABI
1
Matematiksel model kurmanın amacı, hareket
denklemlerini oluşturmak ve sisteme ait tüm önemli
karakteristik özellikleri görmektir[1]. Matematik model
oluşturulduktan sonra dinamik prensipleri, hareket
denklemini oluşturmak için kullanılır. Bu amaçla, tüm
dış zorlamaları, reaksiyon kuvvetlerini ve atalet
kuvvetlerini içerecek şekilde kütlelere ait Serbest Cisim
Diyagramları oluşturulur[1]. D’Alembert prensibi,
Newton’un 2. yasası, Lagrange veya Hamilton prensibi
gibi yöntemler hareket denklemlerini oluşturmak amacı
ile kullanılır. Sistem cevabını analitik veya nümerik
olarak elde etmek için hareket denklemleri değişik
yöntemler kullanılarak çözülür ve sonuç olarak sisteme
ait yer değiştirme , hız veya ivme cevapları elde
edilir[1].
Titreşim yapan sistemlerin analizi için ilk
olarak sistem yapısını yeterli derecede ifade edecek
içerikte bir matematik model oluşturulur. Oluşturulan
model sistemin temel titreşim hareketlerini yeterli
yaklaşıklıkla ifade edilecek nitelikte basitleştirmeler
içerebilir[2].
2.1. 2 Serbestlik Dereceli Taşıt Modeli
Matematiksel modelleme, sisteme
önemli karakteristik özellikleri sunmaktır.
ait
Şekil 3 Yarım araç modeli
m 1 =Ön Lastik Ağırlığı
m 2 =Arka Lastik Ağırlığı
m 3 =Araç Ağırlığı
J G =Araç Ataleti
c f =Ön Süspansiyon Sönüm Katsayısı
c r =Arka Süspansiyon Sönüm Katsayısı
k f =Ön Süspansiyon Yay Katsayısı
k r =Arka Süspansiyon Yay Katsayısı
c 1 =Ön Lastik Sönüm Katsayısı
c 2 =Arka Lastik Sönüm Katsayısı
k 1 =Ön Lastik Yay Katsayısı
k 2 =Arka Lastik Yay Katsayısı
tüm
b=ağırlık merkezinin ön aksa uzaklığı
a=ağırlık merkezinin arka aksa uzaklığı
d=Dış dikiz aynanın ağırlık merkezine uzaklığı
Yukarıda gösterilen yarım araç modelinin
hareket denklemleri aşağıda gösterilmiştir[4].
Tablo 1. Araç nümerik değerleri
Şekil 1. Çeyrek araç modeli
Ön lastik
hareket
denklemi;
..
.
.
m1 z1 + c1 ( z1 − u 1 ) + k1 ( z1 − u 1 )
Şekil 1'de görülen lastik-süspansiyon grubunu
temsil eden 2 serbestlik derecesine sahip model(şekil 2)
araç üstündeki pek çok parça için iyi bir çözüm yaklaşımı
olmaktadır[3]. Ancak bir dış dikiz ayna bölgesinde
beklenen cevap için yetersiz kalmaktadır.
.
.
.
− c f ( z 3 − bθ − z1 ) − k f ( z 3 − bθ − z1 ) = 0
Arka ..lastik hareket
denklemi;
.
.
m2 z 2 + c 2 ( z 2 − u 2 ) + k 2 ( z 2 − u 2 )
2.2 4 Serbestlik Dereceli Taşıt Modeli
c
b
.
.
.
− cr ( z 3 − c θ − z 2 ) − k r ( z 3 − c θ − z 2 ) = 0
d
Araç kütlesi hareket denklemi;
A
..
.
.
.
m3 z 3 + c f ( z 3 + b θ − z 1 ) + k f ( z 3 + b θ − z 1 )
Ɵ
.
.
.
+ c r ( z 3 − c θ − z 2 ) + k r ( z 3 − c θ − z 2 ) = Fz
G
Araç moment denklemi;
Şekil 2. Araç yan görünüşü
Şekil 2'ye göre oluşturulacak modelde, yol girdilerinin A
noktasındaki etkileri daha doğru bir şekilde temsil
edilmiş olur.
..
.
.
.
J G θ + bc f ( z 3 + b θ − z 1 ) + bk f ( z 3 + b θ − z 1 )
.
.
.
− cc r ( z 3 − c θ − z 2 ) − ck r ( z 3 − c θ − z 2 ) = M t
2
Bir aracın karşılaşabileceği muhtemel bozucu
girdilerin (basamak girdi, sinüs girdi, rampa girdi)) 0-0.1
m. arasında olduğu kabul edilebilir. Yarım araç
modelinden elde ettiğimiz ve Şekil 5-Şekil 6’da görülen
sonuçlardan yola çıkarak 0-0.1 m arasındaki yol
girdilerinde 0-15 m/s2 dikey yönde ivmelenmeler
oluşacaktır. Bu ivmelenme de dış dikiz aynasında
zorlanmalar oluşturacaktır. Diğer anlamı ile; yol yükleri
sonucunda araçta oluşan dikey yöndeki ivmelenmeler dış
dikiz aynasında bozucu girdi meydana getirecektir.
Şekil 4. Bozucu girdiler
Oluşturulan hareket denklemlerini, u 1 ve u 2 yol
bozucu girdiler olmak üzere Laplace transfer
fonksiyonları yardımıyla çözülür.[2]
3. DIŞ DİKİZ AYNA OPTİK ANAMOLİ TESTİ
Lazer Cihazı
Yansıyan Lazer
Işını
Dış Dikiz
Ayna
ø (Sapma Açısı)
ø
Gönderilen
Lazer Işını
Vibrasyon Cihazı
Şekil 7. Ayna Test Düzeneği
Dış dikiz ayna, titreşim altında -bulanık bir
görüntü oluşmasını engellemek için- rijit bir yapıya sahip
olmalıdır. Rijitlik kavramını standart hale getirmek için
yapılan test yukarıda görülmektedir.
Dış dikiz ayna tasarım doğrulama sürecinde, yol
yüklerine karşı ürünün performansının görülmesi için
bazı test düzenekleri oluşturulur. Bu düzeneklerdeki
girdiler ana sanayi tarafın belirlenmektedir.Dış dikiz ayna
genel olarak 0-200 Hz arasında 0-15 m/s2 değerleri
arasında değişen ivmelenmelere tabi tutulur.
Ayna, fikstürü ile birlikte vibrasyon cihazına
montajlanır. Vibrasyon cihazı, tanımlanabilir bir ivme
ve/veya genlik uygulanmasında kullanılır. Ana sanayi
beklentilerine göre girdiler farklılaşabilmektedir.
Lazer cihazı, ışın demeti gönderilmesini sağlar.
Ayna üzerine gönderilen ışın demeti aynanın titreşimine
bağlı olarak sapmalı bir şekilde yansımaktadır. Test
sonucunda bu sapma açısı ölçümü yapılarak beklenen
değerlerle kıyaslanmaktadır.
Şekil 5. 0.05 m. Adım girdi sonucunda araçta dikey
yönde oluşan ivmelenme
Şekil 6. 0.1 m. Adım girdi sonucunda araçta dikey yönde
oluşan ivmelenme
3
k=
4. DIŞ DİKİZ AYNA SİMÜLASYONUNA ETKİYEN
DİNAMİK PARAMETRELER
ωn =
fn =
3EI
L3
şeklinde ifade edilebilir.
3EI
33m 

L3  M +

140 

1
2π
Problemde sürtünmeler ihmal
edilirse doğal frekans;
3EI
haline gelir.[1]
33m 

L3  M +

140 

m: Kiriş kütlesi
M:Gövde kütlesi:
E:Malzeme elastisite modülü
L:Kiriş boyu
I:Kiriş kesiti alan atalet momenti
Şekil 8. Dış dikiz ayna
5. SONUÇ
Catia V5 paket programında tasarlanan dış dikiz
aynaların, ANSYS programında titreşim simülasyonu
gerçekleştirilmiştir[6].
Mühendislik problemlerinin çözümünü elde
edebilmek için bazı kabuller yapılarak problemi
sadeleştirmek gerekmektedir[5]. Bir dış dikiz aynada
oluşan titreşimleri inceleyebilmek için de sistem
parametrelerini doğru bir şekilde temsil edecek
sadeleştirmeler yapmak mümkündür.
Ayna 1, araç bağlantı braket malzemesi metaldir
(ZAMAK5).
Ayna 2, araç bağlantı braket malzemesi plastiktir.
Matematik modelde elde ettiğimiz araç titreşim cevabı,
sonlu elemanlar analizinde dış dikiz aynaya zorlayıcı
girdi olarak tanımlanmıştır. İlgili ivmeler dış dikiz
aynanın doğal frekansında uygulanmıştır[6].
Maksimum titreşim zorlanması, titreşim
frekansının ayna doğal frekanslarıyla çakışması halinde
meydana gelecektir. Bu sebeple, öncelikli olarak ayna
doğal frekansları tespit edilmiştir. 200 Hz üzerindeki
frekanslar değerlendirilmemiştir. Ana sanayi test
beklentileri de 200 hz ile sınırlandırılmıştır.
Araç bağlantı braketleri ve braket malzemeleri
farklı olan 2 adet aynanın titreşim performanslarını
simülasyon sonuçlarına göre değerlendirecek olursak;
Şekil 9. Ankastre kiriş titreşim modeli
Dış dikiz ayna, araç üzerinde non-uniform
yapıya sahip bir ankastre çubuk olarak kabul edilebilir.
Ankastre çubuğu da bir kütle yay yapısı olarak kabul
edersek, sistemin hareket denklemi;
..
.
..
.
.
OPTİK
YAPI
M y + c ( y − f ( y )) + k ( y − f ( y )) = 0
.
M y + c( y ) + k ( y ) = c f ( y )+ k f ( y )
Sistemin dinamik davranışını doğrudan etkileyen
parametreler; yay sabiti (k), sönüm sabiti (c) ve sistemin
kütlesi (M) olur.[1]
M=Dış dikiz ayna kütlesidir.
c: Dış dikiz aynada sönüm oluşturacak faktör
sürtünmelerdir.
k=Dış dikiz aynanın yaylanma sabiti olarak kabul
edilebilir. Ankastre kiriş olarak kabul ettiğimiz dış dikiz
aynada k(yaylanma sabiti);
BAĞLANTI
BRAKETİ
Şekil 10. Ayna 1
4
Ayna 1 araç bağlantı bölgesinde ZAMAK 5
malzeme kullanılmıştır.
M:850 gr. L=82.43 mm X=28.7 mmIx E=86 GPa
M=580gr. Ix=17470 mm4 Iy=89566 mm4
Aynaya ait veriler yukarıdaki görülmektedir.
Ansys paket programıyla yapılan modal analiz
ve random vibration analizleri sonucu elde edilen
değerler;
Mod
Mod1
Mod2
Mod3
Mod
Mod
Alternatif Tasarım:
PBT GF 20
AYNA 1
Frekans(Hz)
Deplasman
X
Y
Z
80.65
0.364
0.106
0.813
96.2
0.424
0.095
0.247
175.47
0.317
0.141
0.616
Tablo 2. Ayna 1 simülasyon sonuçları
BAĞLANTI
BRAKETİ
OPTİK
YAPI
Şekil 11 Ayna 2 (Bağlantı Braketi Zamak)
Beklentiler
Frekans(Hz)
Deplasman
(Min)
X(max Y(max) Z(max)
Min. 70
0.6
0.2
1.25
Alternatif tasarımda ayna optik kısmındaki altparçalar
ortak kullanılarak, araca bağlantı bölgesindeki yapı
değiştirilmiştir. Bu yapıda ZAMAK yerine plastik
malzeme(PBT-GF20) kullanımı simüle edilmiştir.
Tablo 3. Simülasyon genel beklentileri
M:850 gr. L=79.66 mm X=22.91 mmIx E=6.5 GPa
M=310gr. Ix=142300 mm4 Iy=248500 mm4
Ana sanayilerin ayna titreşimleri ile ilgili farklı test
koşulları olmasına rağmen genel beklentiler yukarıdaki
gibidir.
ZAMAK 5 bağlantı braketine sahip ayna,
beklentileri karşılamaktadır.
Şekil 9. Ayna 2-Mod 1
Şekil 12. Ayna 2-Mod 2
5
PBT GF50 Malzeme değişikliği:
İlgili değişiklikle elastisite modülünü arttırmaktayız.
M:850 gr. L=79.66 mm X=22.91 mmIx E=16.5 GPa
M=335gr. Ix=142300 mm4 Iy=248500 mm4
AYNA 2
Frekans(Hz)
Deplasman
X
Y
Z
Mod1
67.1
0.552
0.167
1.48
Mod2
82.4
0.702
0.121
0.347
Mod3
124.5
0.432
0.216
0.716
Tablo 5. Ayna 2 PBT GF50 Braket Malzeme Sonuçları
Mod
Yukarıdaki tabloda görüldüğü üzere, hala 70 hz. altında
modlar
mevcuttur.Ayrıca
genlikler
beklentilerin
üzerindedir.
Parçanın
rijitliğinin
arttırılması
gerekmektedir.Parçaya rijitlik katmak için parça üzerinde
feder oluşturulursa;
PBT GF50+FEDER :
Şekil 13. Ayna 2-Mod 3
AYNA 2
Frekans(Hz)
Deplasman
X
Y
Z
Mod1
46.78
0.915
0.298
3.69
Mod2
61.8
1.14
0.23
0.672
Mod3
103.61
0.711
0.541
0.967
Tablo 4. Ayna 2 PBT GF20 Malzeme Braket Sonuçları
Mod
Yukarıdaki
sonuçlar
Tablo3’deki
değerleri
karşılamamaktadır. Bu sebeple malzeme PBT GF50
olarak değiştirilmiştir.
Ankastre kirişlerde titreşim davranışlarına etkiyen
parametrelerin
m: Kiriş kütlesi
M:Gövde kütlesi:
E:Malzeme elastisite modülü
L:Kiriş boyu
I:Kiriş kesiti alan atalet momenti olduğu belirtilmişti.
Ayna 1 ve ayna 2 değerlendirildiğinde:
M kütlemiz eşittir. Aynı optik yapı kullanılmaktadır.
L: Her iki ayna boyu da birbirine yakın değerlerdedir.
Performansı
iyileştirmek
adına
parametre değişiklikleri:
- Elastiste modülü(E)
- Kiriş atalet kesiti (I).
Şekil 14. Ayna 2 (PBT GF50)
Brakette oluşturulan federler
yapabileceğimiz
Şekil 15. Ayna 2 (PBT GF50+FEDER)
M:850 gr. L=79.66 mm X=22.91 mmIx E=16.5 GPa
M=345gr. Ix=148700 mm4 Iy=268300 mm4
AYNA 2
Frekans(Hz)
Deplasman
X
Y
Z
Mod1
73.1
0.352
0.127
0.868
Mod2
92.4
0.56
0.115
0.224
Mod3
135.5
0.367
0.188
0.667
Tablo 6. Ayna 2 PBT GF50 Malzeme +Federli Braket
Sonuçları
Mod
6
Yukarıda tespit
edilen
parametrelerde
yapılan
değişiklikler sonucu; PBT GF50 malzeme ve oluşturulan
federli yapı ile beklenen değerlere ulaşılmıştır.
Farklı bir geometri tasarım ile 520 gr.lık ZAMAK parça
yerine 345 gr. PBT GF50 plastik malzeme kullanılarak
beklenen mekanik değerler karşılanmıştır.
Doğru geometrik tasarım parametreleri ve günümüz
mühendislik plastiklerinin artan performanslarından da
faydalanılarak araç üstü parçalarda metal yerine plastik
kullanımı arttırılarak araç ağırlığını düşürmek
mümkündür.
KAYNAKLAR
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Kıral. Z, 2010, “Mekanik Titreşimler Ders
Notları”, Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik
Fakültesi , İzmir
Karagülle H. 2010, “Sistem Modelleme ve Analizi
Ders Notları”, Dokuz Eylül Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi , İzmir
R.G. Longoria, 2010 " Vehicle System Dynamics
and Control Lecturer Notes" , Department of
Mechanical Engineering The University of Texas at
Austin
Barbosa R.S 2012., Bologna, P., Knani K. B., 2000,
“Vehicle Vibration Response Subjected to
Longwave Measured Pavement Irregularity”,
Journal of Mechanical Engineering and Automation,
p-ISSN: 2163-2405 e-ISSN: 2163-2413
Ercan Yücel 2010 "Mühendislik Sistemlerinin
Modellenmesi ve Analizi"
CAE Sonlu Elemanlar Eğitimi, 2012 " Ansys Sonlu
Elemanlar Modal Analiz, Response Specturm,
Random
Vibration
Eğitim
Notları",
http://www.cae.com.tr/
7
8
Author
Document
Category
Uncategorized
Views
0
File Size
983 KB
Tags
1/--pages
Report inappropriate content