araç konfor özelliklerinin testler ve sayısal model ile analizi

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

Download Report