OTEKON’14 7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 26 – 27 Mayıs 2014, BURSA VİTES HARİTALARININ YOLUN EĞİMİNE BAĞLI UYARLANMASININ İNCELENMESİ Orhan Buğur*, Görkem Şafak*, Ceylan Türkücüoğlu* AVL Araştırma ve Mühendislik, Türkiye * ÖZET Günümüzde, otomotiv projelerinde yakıt tasarrufu ve egzoz gazı salım değerlerinin düşürülmesi en önemli hedeflerdendir. Otomatik vites sistemleri de sürücüye konfor sağlamanın yanı sıra böyle bir amaca da hizmet etmektedir. Vites değiştirme yazılımlarında, araç eğimli yollarda seyir halindeyken sürüş konforunu artırıcı, yakıt tüketimini ve egzoz gazı salım değerlerini eski yöntemlere oranla azaltan bir yöntem geliştirilmiştir. Bu makalede eski yöntemlerdeki eksikliklerden bahsedilmiş ve geliştirilen yöntemde bu eksikliklerin nasıl giderilebileceği anlatılmıştır. Anahtar kelimeler: otomatik vites, vites/şanzıman haritası IMPLEMENTATION OF SHIFT MAPS ACCORDING TO ROAD GRADIENT ABSTRACT Nowadays, the most important goals of automotive projects are decreasing fuel consumption and emission levels. Automatic transmission systems need to provide comfort to the driver while achieving these goals. A new method for transmission software is proposed which not only gives more comfort to the driver but also decreases fuel consumption and reduces emissions especially on inclined roads. In this paper, the downsides of the conventional methods are pointed out. Furthermore, a new method for compensating these handicaps is explained. Keywords: Automatic Transmission, Shift Map değiştireceği, vites haritaları kullanılarak hesaplanır. Bu haritalar gaz pedal pozisyonuna ve şanzımanın çıktı hızına bağlı vites değişim eğrilerinin bir araya gelmesiyle oluşturulur.(Şekil 1) [1] 1. GİRİŞ Teknolojinin gelişmesi ile birlikte, sürüş konforunu ciddi şekilde artıran otomatik şanzımanların hem fiyatları düşmüş hem de verimlilikleri artmıştır. Sonuç olarak da günümüz kullanıcıları tarafından daha çok tercih edilir hale gelmişlerdir. Otomatik şanzıman sistemlerinde vites, sürücünün hiçbir müdahalesi gerekmeden aracın hızına, yolun eğimine ve hava şartlarına göre otomatik olarak değişmektedir. Bu çalışmada, sürücüye sürüş konforu sağlayan ve aynı zamanda yakıt tüketimini de azaltan vites değiştirme yöntemlerindeki iyileştirmelerden bahsedilmiştir. Otomatik şanzıman sistemleri, yakıt tüketimi ve sürüş rahatlığı açısından gün geçtikçe gelişme kat etmektedir. Bu ilerleme mekanik tasarıma bağlı olduğu kadar da kontrol yazılımına bağlıdır. Otomatik şanzıman sistemleri için yazılımlar geliştirilirken, aracın ne zaman ve ne durumda vites Şekil 1:Vites (Şanzıman) haritası 1 Bu haritalar, hava koşullarına, yolun eğimine göre değişiklik göstermektedir. Kış şartlarında, motorun ısınması sırasında, sportif kullanımda, normal durumda, eğimin az ve eğimin çok olması gibi farklı durumlarda farklı haritalar seçilir ve vites hesaplanması o haritalara göre yapılır. Günümüzdeki araçlarda kullanılan şanzıman yazılımlarındaki önemli sorunlardan biri, haritaların birbirinden bağımsız olmasıdır. Örneğin, kış durumu vites haritası aktif iken yolun eğimi vites değiştirilirken hesaba katılmamaktadır; çünkü kış haritasında yol eğimini hesaba katacak girdiler bulunmamaktadır. Az eğimli yollar ve çok eğimli yollar için yokuş aşağı ve yokuş yukarı olmak üzere toplamda 4 adet yol eğimine bağlı harita bulunmaktadır. Anlık yol eğimine bağlı olarak bu haritalardan birisi seçilir ve vites hesaplaması bu haritaya göre yapılır. Buradaki sorun, vites değişiminin ya az eğimli yol ya da çok eğimli yol için yapılmasıdır. Arada kalan yol eğimleri için optimizasyon yapmak mümkün değildir.[2] Örneğin az diye tabir edilen %8’lik eğim ve çok olarak nitelenen %20’lik eğim için iki vites haritası var ise, aralardaki eğim değerlerinde de bu haritalardan birine göre vites değişim işlemi gerçekleştirilir. (Şekil 2: Düz ve yokuş aşağı inerken vites haritası) Bu çalışmada yol eğimindeki değişimlerin her durumda hesaba katılmasını sağlayacak vites değiştirme yönteminden bahsedilmiştir. Bu yöntem aynı zamanda yol eğimine daha hassas bir şekilde tepki verebilmektedir. alınır, diğer girdi olan şanzımanın çıkış hızı ise algılayıcı ile okunur. Yol eğimine ve araç ağırlığına bağlı vites değişim tepkilerini birleştirmek amacıyla 2 farklı ivme hesaplanır. (Arabanın motor ve dişli kısımlarını gösteren temsili resim Şekil 3 te görülebilir. [3]) Şekil 3: Arabanın motor ve dişli kısımlarını gösteren temsili resim Bunlardan biri beklenen ivmedir ( ̃). Bu ivme motor ve kontrol ünitesinden alınan moment bilgisine ve şanzıman kontrol ünitesinden gelen sıcaklık ve hız bilgilerine göre aşağıdaki gibi hesaplanır. Ayrıca aracın gerçek ivmesi (a) aracın hız bilgisi kullanılarak hesaplanır. Bu ivmelerin arasındaki farka bakarak aracın yokuş yukarı mı çıktığı yoksa yokuş aşağı mı indiği belirlenir. Bunların aralarındaki fark arttıkça eğimin ne kadar çok olduğu anlaşılır. İvme hesaplamaları için gerekli formüller aşağıda verilmiştir.[4] [5] 2. VİTES DEĞİŞİMİ Araç vites değişim yazılımının girdilerinden biri olan gaz pedal pozisyonu 0-100 arasında hassas bir ölçümle Şekil 2: Düz ve yokuş aşağı inerken vites haritası 2 zorlaştıran etkenlerden biridir. ̇ ( ̇ ) ̇ ( ) ̇ ̇  Çıktı/Girdi hız oranı vites dişli oranına bağlı fonksiyon Şekil 4: Binek otomobil için farklı vites ve eğimlerde taşıt hızına bağlı tahrik direnç kuvvetleri grafiği ̇ Bu çalışmada yukarıda belirtilen durumlarda araç performansını ve yakıt ekonomisini daha iyi hale getirmek için eğimli yollar için farklı vites haritaları kullanılmak yerine vites haritalarındaki eğrilere eğim ve yük durumuna göre düzeltmeler eklenir. Vites haritalarındaki düzeltmeler iki faktörün birleştirilmesi ile oluşturulur. Bunlardan birisi sürücünün tork isteğine bağlı iken diğeri yolun eğimine bağlıdır. Bu faktörler birbirleriyle çarpılır ve düzeltme fonksiyonu oluşturulur. Vites haritaları bu fonksiyonla birleştirilerek düzeltilmiş vites haritası elde edilir. Bu yöntem sayesinde kış, soğuk ve spor gibi diğer vites haritalarında da yol eğimi vites seçiminde hesaba katılır. Ayrıca, vites hesaplanmasında eğime bağlı değişim eski yöntemlerde ayrık iken bu yöntemle hassas hale getirilmiştir. Normal durumda, hava şartlarının iyi olduğu, arabanın çalışmasında hiçbir sorun olmadığı, aşırı ısınma ya da soğumanın olmadığı gibi, sürücü düz bir yolda seyrederken beklenen ivme ile gerçek ivme sıfır olduğundan eğim sıfır olarak belirlenir ve düzeltme fonksiyonu 0 değerini alır. Bu durumda düzeltme fonksiyonu etkisiz kalır ve normal vites haritasına göre vites değişimi gerçekleştirilir. Eğimli bir yolda ise durum iki ana başlık altında incelenmiştir. Bu iki durum yokuş yukarı çıkarken ve yokuş aşağı inerken oluşan durumlardır. ̇ ( ) ̇ ̃ ̇ Beklenen ivme a = dV/dt  Gerçek ivme  Ara dişli için Çıktı/Girdi hız oranı değeri  Sondaki dişli için Çıktı/Girdi hız oranı değeri  Aerodinamik kayıpları, teker sürtünme kayıplarını ve eğim kaynaklı pozitif ya da negatif torku kapsar. Otomatik şanzıman vites hesaplamasında kullanılan diğer bir veri ise tork istek eğrisidir. Tahrik direnç kuvvetleri farklı yol eğimi ve viteslerde farklılık gösterir. Şekil4’te aracın hızına bağlı tahrik direnç kuvvetlerindeki değişim gösterilmiştir. Bu grafik göz önüne alınarak, performansın ya da yakıt ekonomisinin en yüksek düzeyde olması için vites değişimi gerçekleştirilir. Ancak, frene basılma durumunda tahrik direnç kuvvetleri hesaplanamaz. Çünkü günümüzdeki birçok araçta fren pedalından gelen veri, gaz pedalından gelen veri kadar hassas değildir. Fren pedalından alınan veri sadece frene basılıp basılmadığı bilgisiyle sınırlıdır, ne kadar basıldığı bilinmez ve dolayısıyla fren torku hesaplanamaz ya da gözlemlenemez. Bu durum doğru vitesin hesaplanmasını ̃) >0) 2.1 YOKUŞ AŞAĞI İNERKEN ( Araçtaki gerçek ivme, beklenen ivmeden büyük ise aracın yokuş aşağı indiği anlaşılır. Bu fark ne kadar artarsa eğim o kadar çoktur. Buna göre oluşturulan grafiklerden düzeltme fonksiyonu elde edilir. Bu düzeltme fonksiyonu vites değişim haritalarına eklenir ve gereken harita oluşturulmuş olur. Yokuş aşağı inerken performansın en üst seviyede 3 olması ve motor frenini kullanmak adına vitesi küçük tutmak gerekmektedir. Bu, Şekil 4’teki grafikten de görülebilir. Bunun için normal vites haritasındaki eğriler düzeltme fonksiyonuyla sağa kaydırılır ve vitesin bir üst vitese geçme işlemi zorlaştırılır. Bu kaydırma vites büyütme eğrileri ve küçültme eğrileri için farklılık gösterir. Bu durum için oluşturulan düzeltme faktörlerinin grafikleri Şekil 5 ve Şekil 6 da görüldüğü gibidir. Normalde Limphome, sıcak ve soğuk gibi vites haritalarında eğim faktörü eklenemediği için sürüş konforu düşerken, teklif edilen yöntem sayesinde bu durumlarda da sürüş konforu bir seviyeye kadar korunabilmektedir. Tabi ki bu tip durumlarda düzeltme faktörü ayrıca limitlenmelidir. Şekil 5: Yokuş aşağı inerken vites yükseltme eğrileri için kullanılacak olan düzeltme faktörleri KAYNAKLAR 1. Yamaguchi, H., Narita, Y., Takahashi, H., Katou, Y., 1993, “Automatic Transmission Shift Schedule Control Using Fuzzy Logic”, ‘SAE International Congress and Exposition’, Detroit, Michigan, USA March 1-5. 2. Casalova, A., Prodi, G., Rocca, G. , 2010, “Efficient Gear Shifting Strategies for Green Driving Policies”, ‘2010 American Control Conference’, Marriott Waterfront, Baltimore, MD, USA June 30July 02. 3. Haj-Fraj, A., Pfeiffer, F., 2001, “Optimal Control of Gear Shift Operations in Automatic Transmission”, Journal of the Franklin Institute, Vol. 338, pp. 371-390. 4. Nounheimer, H., Bernd, B., Ryborz, J., Novak, W., 2011, “Automative Transmission”, Springer: New York. 5. Walter, P. D., Zhang, N., Tamba,R., 2011, “Control Of Gear Shifts In Dual Clutch Transmission Powertrains”, Mechanical Systems and Signal Proccessing, Vol. 25, pp. 1923-1936. Düzeltme Faktörü Düzeltme Faktörü Yol eğimi Tork isteği Şekil 7: Yokuş yukarı çıkarken vites büyütme eğrileri için kullanılacak olan düzeltme faktörleri Tork isteği Yol eğimi Düzeltme Faktörü Düzeltme Faktörü Düzeltme Faktörü Düzeltme Faktörü Yol eğimi Tork isteği Şekil 6: Yokuş aşağı inerken vites düşürme eğrileri için kullanılacak olan düzeltme faktörleri ̃)<0) 2.2 YOKUŞ YUKARI ÇIKARKEN ( Aracın gerçek ivmesi, beklenen ivmeden küçük ise aracın yokuş yukarı çıktığı anlaşılır. Yokuş yukarı çıkarken performansı arttırmak adına motor devri arttırılmalıdır. Bunun için şanzıman küçük viteslerde tutulmalıdır. Burada yine vitesin bir üst vitese geçmesini zorlaştırmak için düzeltme fonksiyonuyla vites haritası sağa kaydırılır. Bu düzeltme fonksiyonu vites büyütme ve küçültme eğrileri için farklılık gösterir. Vites büyütme eğrileri için düzeltme fonksiyonu Şekil 7’de gösterilmiştir. Ancak küçültme eğrileri için oluşturulacak düzeltme fonksiyonu iki faktörün çarpımıyla gösterilemez. Bu durum için özel olarak eksenleri yol eğimi ve sürücü tork isteği olan 2 eksenli düzeltme fonksiyonu gereklidir. 5. SONUÇ Bu bildiride belirtilen yöntemle birlikte, eğimli yollarda seyir ederken en ideal vites değişimi gerçekleştirilebilir. Bu durum sürücüye konfor sağlamanın yanında yakıt tüketim ve egzoz salım değerlerini düşürebilir. Düşük eğimlerde düzeltme faktörünün az olması yakıt ekonomisini, yüksek eğimlerde ise düzeltme faktörünün lineer olarak artması sürüş konforunu arttırmıştır. 4