OTEKON’14 7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 24 – 27 Mayıs 2014, BURSA ALÇAK TABANLI OTOBÜSLERDE KULLANILAN PORTAL AKSTA PARAMETRE OPTİMİZASYONU Emre Sert, Sertaç Dileroğlu, Mehmet Bilir Anadolu Isuzu Otomotiv A.Ş ÖZET Alçak Tabanlı Otobüsün kasis geçişi sırasında arka portal aksın, sol tekerlek bölgesinde karkasa çarptığı gözlemlenmiştir.Ölçülen deplasman değerini azaltmak için; hava körüğü ve amortisörün karkas bağlantı noktalarındaki “x” ve “y” koordinatlarının 40 mm arasında değişimlerinin etkisi incelenmiştir.En az deplasman değerini verecek şekilde bağlantı koordinatlarında optimizasyon yapılmıştır.Optimizasyon sonucuna göre, hava körüğünün bağlantı noktalarındaki “y” koordinatını değiştirmek en etkin uygulama olacatır. Anahtar kelimeler: Portal Aks,Parameter Optimizasyonu,Süspansiyon Analizi,Adams/Car,Alçak Tabanlı Otobüs PARAMETER OPTIMIZATION OF THE PORTAL AXLE USED IN THE LOW FLOOR BUSES ABSTRACT When Low Floor Bus pass over the bump, It was was observed that the rear left wheel in the portal axle hit the body. The effect of ±40 mm changes at the "x" and "y" coordinates that Air bellows and shock absorber connection on the body have been investigated in order the to reduce the measured displacement. To give a minimum value of the displacement, has been optimized at the coordinates of the connection.According to the optimization results, changing “y" coordinates at the air bellows connection must be most effective application. Keywords: Portal Axle,Parameter Optimization,Suspansion Analysis,Adams/Car,Low Floor Bus 1. GİRİŞ • Özellikle şehir içi yolcu taşımacılığında kullanılan otobüslerde genellikle arka aks olarak portal aks kullanılmaktadır. Aks ekseninin tekerlek ekseninin aşağısında olmasından dolayı; diferansiyel ve diğer aktarma organlarının zemine yaklaştırılması ile alçak taban elde edilmekte ve yolcuların otobüs içerisine merdiven olmadan girebilmeleri sağlanmaktadır. Ayrıca porya dişlileri yüksek şaft hızında aynı güçte daha düşük tork elde edilmesini sağlar. Böylelikle tahrik aksına uygulanan yükün azalmasıyla hem konfor hem de yol tutuşu artırılmış olmaktadır. Poırtal aks kullanılmasının avantajları aşağıdaki gibi listelenebilir. • Konik dişli sisteminin daha sessiz çalışması ile otobüs içi gürültü seviyesinin azalması • • Poyra ve fren diski bakım maliyeti ve sürelerinin azalması Kabin içi yüksekliğin artması Disk fren ve kampanalı fren kullanılmasına olanak sağlanması Şekil 1 de gösterilen portal aks; aşağıda listelenen ana parçalardan oluşmaktadır. • • • • 1 Hava Körüğü ( 4 adet) Amartisör ( 4 adet) V rod (2 adet) L rod ( 2 adet) deplasman datası incelenerek hangi tekerlek bölgesinde fazla deplasman oluştuğu belirlenmiştir. Şekil 2 ve 3 te görüleceği üzere sol arka tekerlek bölgesinde açılma anında 36 mm deplasman oluşurken sağ tekerlek bölgesinde ise 23 mm deplasman oluşmaktadır. Sol arka tekerlek bölgesinde oluşan deplasman değeri daha fazla olduğundan çalışmada bu deplasman değeri ele alınmış ve azaltılmıştır. Şekil 1. Portal Aks L rod, Özellikle frenleme anında oluşacak boyuna kuvvetleri (x-ekseni boyunca) karşılarken,V rod ise özellikle viraj anında oluşacak yanal kuvvetleri (y ekseni boyunca) karşılar. Böylelikle daha iyi yol tutuşu elde edilir. Hava körüğü ve amartisör sayısının 4’er adet olmasından dolayı konfor açısından iyileştirme sağlanacaktır. Alçak tabanlı araç geliştirme projesi kapsamında gerçekleştirilen araç dinamiği testleri sırasında aracın azami yüklü ağırlıkta (gross vehicle weight) iken kasis geçişlerinde portal aksın karkasa çarptığı tesbit edilmiştir. Hava körüğü stroğundan kaynaklı problemin giderilmesi için aracın standart ölçülerdeki kasisten geçişi sırasında aksın yaptığı deplasman ölçülmüştür. İkinci aşamada ise portal aks, Adams/Car programı ile modellenerek araç ağırlığı, iz genişliği, tekerlek özellikleri ve aks açıklığı değerleri modele girilmiş ve aks bağlantı noktaları birebir aktarılarak aks modeli oluşturulmuştur. Kasis geçişi sırasında oluşan hava körüğü ve amortisöre ait sıkışma (bump) ve açılma (rebound) değerleri kullanılarak suspansiyon analizi yapılmıştır. Sonuç olarak; hava körüğü ve amortisörün aynı sıkışma ve açılma anındaki deplasman değerlerini verecek şekilde; hava körüğü ve amortisörün karkasa bağlantı koordinatlarında (x ve y) optimizasyon yapılmıştır. Hava Körüğü ve amortisörün boylarında oynama yapmamak için karkas bağlantı noktalarındaki “z” koordinatlarında değişime gidilmemiştir. 2. Şekil 2. Sağ Arka Aks Deplasman Datası Şekil 3. Sol Arka Aks Deplasman Datası 3.DAMS/CAR MODELİ 3.1 Model Oluşturulması ve Doğrulanması Her bir parçaya ait ağırlık ve atalet bilgileri tedarik edilerek modele aktarılmıştır. Ayrıca hava körüğü ve amortisörün sertlik ve sönümleme eğrileri ile v rod ve L rod burç özellikleri modele aktarılmıştır. Şekil 4 te portal aksın Adams/Car modeli gözükmektedir. ARAÇ TESTİ İvme ve deplasman ölçüm sensörleri tekerlek merkezine yakın olacak şekilde konumlandırılmıştır. Test enstrümantasyonunda kullanılan cihazların listesi aşağıda paylaşılmaktadır. • • • • İvme Ölçer Deplasman Ölçüm Sensörü Kamera Veri toplama cihazı (GPS özellikli) Şekil 4. Portal Aks-Adams/Car Modeli Kasis geçişi sırasında arka aks üzerinden toplanan 2 Fiziksel test sırasında aracın kasisten geçirildiği gibi Adams/Car modelinde de araç aynı ölçülerdeki kasis üzerinden geçirilmiştir. 3.2 Adams/Car Analiz Sonuçları Doğrulanmış Adams/Car modeli ile arka aks incelenmiştir ve lastiğin etkisini ortadan kaldırmak için; kasis geçişi simulasyonu sonrasında arka sağ/sol tekerlek merkezlerinin maksimum ve minumum deplasman değerleri alınarak Adams/Car’da süspansiyon analizi yapılmıştır. Arka akstaki sağ ve sol tekerlek merkezlerinde oluşan deplasman değerleri şekil 8 ve 9 de paylaşılmaktadır. Şekil 5. Adams/Car Modeli Kasis Geçişi Arka akstaki sağ ve sol tekerlerde oluşan “z” yönündeki ivmeler Adams/Car modeli ve test sonuçları için karşılaştırmalı olarak şekil 6 ve 7 de paylaşılmaktadır. Maksimum ve minumum ivme değerleri ile sistem sönümleme zamanının yakın olduğu görülmektedir. Şekil 8. Sol_Tekerlek_Merkezi_Deplasman Şekil 9. Sağ_Tekerlek_Merkezi_Deplasman Adams/Car da kasis geçişi sırasında tekerlek merkezinde oluşan sıkışma anındaki deplasman değeri ve açılma anındaki deplasman değeri kullanılarak şekil 10 de gösterilen süspansiyon analizi yapılmıştır. Şekil 6. Sol Arka Aks “z” İvme Datası (g) Şekil 10. Adams/Car Suspansiyon Analizi şekil 11 de gösterildiği gibi aksın sıkışma ve açılma değerleri Adams/Car kasis geçişi sırasında ölçülen aks merkzeindeki sonuçlar ile aynıdır. Şekil 7. Sağ Arka Aks “z” İvme Datası (g) 3 f_34 : Sol Arka Damper (hpl_shock_to_frame) f_44 : Sol Ön Damper (hpl_shock_to_frame_2) f_35 : Sağ Arka Damper (hpr_shock_to_frame) f_45 : Sağ Ön Damper (hpr_shock_to_frame_2) Şekil 11. Tekerlek Merkezi sıkışma ve açılma değerleri Test sırasında araç üzerinden ölçülen deplasman sensörünün koordinatları aynı şekilde Adams/Car modeline aktarılmış ve analiz sonrasında aynı koordinattan deplasman datası alınmıştır. Adams/Car analizinde ölçülen deplasman değerleri şekil 12 ve 13’te gösterilmiştir. Şekil 14. Amortisör “x” koordinat optimizasyonu Amortisörün bağlantı noktasındaki “x” koordinatlarının minumum ve maksimum değerleri ile sol arka deplasman değerinin minumum ve maksimum değerleri Tablo-1 deki gibidir. Şekil 12. Sol Arka Aks Deplasman Datası (mm) Sol arka aks ta analiz sonucunda oluşan deplasman değeri 36,92 mm dir. Tablo 1. Damper Minumum ve Maksimum “x” Bağlantı Koordinatları Deplasmanı minumuma inderecek olan ve damperin “x” bağlantı noktaları için yapılan optimizasyon, 256 adımda gerçekleşirken Tablo-2’de deplasman değerinin minumumdan maksimuma sıralanmış ilk 16 optimizasyon adımı paylaşılmaktadır. Minumum deplasman değerini sağlayacak damper bağlantı koordinatları: Şekil 13. Sağ Arka Aks Deplasman Datası (mm) Sol arka aks ta analiz sonucunda oluşan deplasman değeri 23.21 mm dir. 4.OPTİMİZASYON Sol Arka Damper (f_34.x) : 6622.5 (mm) Sol Ön Damper (f_44.x) : 5157.5 (mm) Sağ Arka Damper (f_35.x) : 6595.8 (mm) Sağ Ön Damper (f_45.x) : 5130.8 (mm) Sorunun giderilmesi için bilinen en geçerli yöntem hava körüğü sertliğini veya amortisör sönüm oranını artırmaktır. Ancak bu yöntemler araç konforu üzerinde olumsuz etkiye neden olmaktadır. Bilinen yöntemlerin dışında portal akstaki hava körüğü ve amortisörün karkasa bağlantı noktalarındaki “x” ve “y” koordinatlarındaki değişimin deplasmandaki etkisini görmek için hava körüğü ve amortisör bağlantı noktaları koordinatları ayrı ayrı “-40 mm” ile “+40 mm” arasında değiştirtilerek optimizasyon yapılmıştır. Böylece minumum deplasman elde etmek için hava körüğü ve amortisörün bağlantı koordinatları saptanmıştır. Optimizasyon için Adams/Insight programı kullanılmıştır ve her bir analiz 256 adımda çözülmüştür. Tablo 2. Damper “x” Bağlantı Noktası Optimizasyonu 4.1 Amortisör “x” Koordinat Değişimi Şekil 15 de ise her bir damper x koordinatının deplasman değerini azaltmadaki ağırlığı gösterilmektedir. Sağ ön ve arka damperin etkisi sıfıra yakınken sol ön ve arka damperin etkisi ise az da olsa bulunmaktadır. Optimizasyon tablosunda verilen sütunların açıklaması aşağıdaki gibidir. 4 damperin “y” koordinatındaki değişim deplasman değerini artırırken deplasman değerini azaltan en etkin yani ağırlık faktörü en fazla olan parametre sol arka damperdir. Şekil 15. Parametre Ağırlık Faktörü Gösterimi 4.2 Amortisör “y” Koordinat Değişimi Şekil 17. Parametre Ağırlık Faktörü Gösterimi 4.3 Hava Körüğü “y” Koordinat Değişimi Şekil 16. Amortisör “y” koordinat optimizasyonu Optimizasyon tablosunda verilen sütunların açıklaması aşağıdaki gibidir: Amortisörün bağlantı noktasındaki “y” koordinatlarının minumum ve maksimum değerleri ile sol arka deplasman değerinin minumum ve maksimum değerleri Tablo-3’teki gibidir. f_32 :Sol Arka Hava Körüğü (hpl_upper_spring_mount) f_24 :Sol Ön Hava Körüğü (hpl_upper_spring_mount_2) f_33 :Sağ Arka Hava Körüğü (hpr_upper_spring_mount) f_25 :Sağ Ön Hava Körüğü (hpr_upper_spring_mount_2) Şekil 18. Hava Körüğü “y” koordinat optimizasyonu Tablo 3. Damper Minumum ve Maksimum “y” Bağlantı Koordinatları Hava Körüğünün bağlantı noktasındaki “y” koordinatlarının minumum ve maksimum değerleri ile sol arka deplasman değerinin minumum ve maksimum değerleri tablo 5’teki gibidir. Tablo-4’te deplasman değerinin minumumdan maksimuma sıralanmış ilk 16 optimizasyon adımı paylaşılmaktadır. Minumum deplasman değerini sağlayacak damper bağlantı koordinatları: Sol Arka Damper (f_34.y) : -942 (mm) Sol Ön Damper (f_44.y) : -1022(mm) Sağ Arka Damper (f_35.y) : 1022 (mm) Sağ Ön Damper (f_45.y) : 1022 (mm) Tablo 5. Hava Körüğü Minumum ve Maksimum “y” Bağlantı Koordinatları Tablo 6’da deplasman değerinin minumumdan maksimuma sıralanmış ilk 16 optimizasyon adımı paylaşılmaktadır.. Minumum deplasman değerini sağlayacak hava körüğü bağlantı koordinatları: Sol Arka Hava Körüğü (f_32.y) : -733 Sol Ön Hava Körüğü (f_24.y) : -759.66 Sağ Arka Hava Körüğü (f_33.y) : 733 Sağ Ön Hava Körüğü (f_25.y) : 733 Tablo 4. Damper “y” Bağlantı Noktası Optimizasyonu Şekil 17’de her bir damper y koordinatının deplasman değerini azaltmadaki ağırlığı gösterilmektedir. Sol ön 5 (mm) (mm) (mm) (mm) Sol Ön Hava Körüğü (f_24.x) : 5091.67(mm) Sağ Arka Hava Körüğü (f_33.x) : 6581.67 (mm) Sağ Ön Hava Körüğü (f_25.x) : 5091.67 (mm) Tablo 6. Hava Körüğü “y” Bağlantı Noktası Optimizasyonu Şekil 19’da her bir hava körüğü y koordinatının deplasman değerini azaltmadaki ağırlığı gösterilmektedir. Sol ön hava körüğünün “y” koordinatındaki değişim deplasman değerini artırırken deplasman değerini azaltan en etkin yani ağırlık faktörü en fazla olan parametre sol arka hava körüğüdür. Tablo 8. Hava Körüğü “x” Bağlantı Noktası Optimizasyonu Şekil 21’de her bir hava körüğü x koordinatının deplasman değerini azaltmadaki ağırlığı gösterilmektedir. Sağ ön ve arka hava körüğünün “x” koordinatındaki değişiminin etkisi sol ön ve arka hava körüğünün “x” koordinatındaki değişiminin etkisinden daha azdır. Şekil 19. Parametre Ağırlık Faktörü Gösterimi 4.4 Hava Körüğü “x” Koordinat Değişimi Şekil 21. Parametre Ağırlık Faktörü Gösterimi 5. SONUÇ Hava körüğü ve amortisörün karkasa bağlantı noktalarındaki “x” ve “y” koordinatlarındaki değişimler ile optimizasyon yapılmıştır ve koordinat değişimlerinin sonucu olarak oluşan deplasman değerleri ile ölçülen deplasmandaki yüzdelik azalma oranları ve her bir parametrenin ağırlık faktörleri çalışmada gösterilmiştir. Tablo 9’da optimizasyon sonucu özet tablo olarak ve sol arka tekerlek bölgesindeki deplasman değerinin azalma yüzdesini gösterecek şekilde paylaşılmıştır. Şekil 20. Hava Körüğü “x” koordinat optimizasyonu Hava Körüğünün bağlantı noktasındaki “x” koordinatlarının minumum ve maksimum değerleri ile sol arka deplasman değerinin minumum ve maksimum değerleri Tablo-7’deki gibidir. Tablo 9. Optimizasyon Sonucu Tablo 7. Hava Körüğü Minumum ve Maksimum “x” Bağlantı Koordinatları Tablo-9’da gösterildiği gibi kasis geçişi sırasında oluşan deplasmanı azaltmak isteniyor ise, hava körüğünün karkas bağlantı noktalarındaki “y” koordinatını değiştirmek en etkin uygulama olacaktır. Amortisör karkas bağlantı noktalarının “x” ve “y” koordinatlarını değiştirmenin ise deplasman değerini fazla azaltmayacağını diğer bir deyişle etkisiz kalacağını belirtebiliriz. Tablo-8’de deplasman değerinin minumumdan maksimuma sıralanmış ilk 16 optimizasyon adımı tablosu paylaşılmaktadır. Minumum deplasman değerini sağlayacak hava körüğü bağlantı koordinatlar: Sol Arka Hava Körüğü (f_32.x) : 6635 (mm) 6 KAYNAKLAR 1. Ooi Jong Boon, “Analysis and Optimization of Portal Axle Unit Using Finite Element Modelling and Simulation". 2013 2. Xiaobin Ning, Cuiling Zhao, Jisheng Shen "Dynamic Analysis of Car Suspension Using ADAMS/Car for Development of a Software Interface for Optimization" 3. Plackett, R.L., Burman, J.P.”The Design of Optimum Multifactorial Experiments.” In: Biometrika 33 (1946) 4. Sohoni, V.N., Haug, E.J.”A State Space Technique for Optimal Design of Mechanisms”. In: ASME Journal of Mechanical Design 104 (1982) 5. ADAMS/Insight Training Guide, Release 2003 6. www.zf.com 7 8