Birbirine Bağlı Hidro-Pnömatik Süspansiyon Sistemlerinin Araç

Transkript

Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Birbirine Bağlı Hidro-Pnömatik Süspansiyon Sistemlerinin Araç Performansına
Etkisi
F. Sağlam*
ASELSAN A.Ş.
Ankara
Y. S. Ünlüsoy†
ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü
Ankara
on the firing performance and ride comfort performance
characteristics of the armored military vehicle are
examined by simulations. According to the simulation
results, the vehicle with the interconnected HP
suspension system shows better performance against
disturbance force resulting from firing shocks. In case of
road disturbances, however, interconnected HP
suspension system has a slightly reduced ride comfort.
Özet—Bu çalışmada birbirine bağlı Hidro-Pnömatik
(HP) süspansiyon sistemlerinin araç performansına
etkileri incelenmiştir. Öncelikle lastik tekerlekli bir
aracın, birbirine bağlı HP süspansiyon sistemi ve
bağımsız HP süspansiyon sistemi ile donatılmış
matematiksel modelleri türetilmiştir. Daha sonra aracın
düşey öteleme ve yunuslama hareketleri için direngenlik
ve sönümleme ifadeleri, her iki süspansiyon sistemi ayrı
ayrı ele alınarak elde edilmiş; direngenlik ve sönüm
özellikleri birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma
sonunda düşey yönde direngenlik ve sönümleme
özelliklerinin her iki durumda belirgin bir farklılık
göstermediği gözlemlenmiştir. Yunuslama durumunda
ise, birbirine bağlanmış HP süspansiyon sisteminin,
bağımsız HP süspansiyon sistemine göre daha yüksek
direngenlik ve sönümlemeye neden olduğu görülmüştür.
Bir sonraki aşamada, birbirine bağlanmış ve bağımsız
HP süspansiyonlarla donatılan lastik tekerlekli bir askeri
aracın atış performansı ve sürüş konforu yapılan
benzetimlerle incelenmiştir. Benzetimler birbirine bağlı
HP süspansiyon ile donatılmış aracın atış şokundan
gelen bozucu kuvvetlere karşı daha iyi performans
sergilediğini göstermiştir. Buna karşın yoldan gelen
bozucu kuvvetlere karşı, bağlı HP süspansiyon ile
donatılmış aracın, bağımsız HP süspansiyon ile
donatılmış araca göre az da olsa performans kaybına
uğradığı görülmüştür.
Keywords: interconnected
comfort, mobility, firing shock
Hydro-Pneumatic
suspension,
ride
I. Giriş
Günümüzde HP süspansiyonlar arazi araçlarında,
askeri araçlarda ve iş makinalarında yaygın olarak
kullanılmaktadır. HP süspansiyon sistemlerinin, mekanik
süspansiyon sistemlerine göre belirli üstünlükleri vardır.
Bu üstünlüklerden biri HP süspansiyonların tekerleğin
gövdeye göre hareketi arttıkça artan direngenliklere sahip
olmalarıdır. Ayrıca, araç üzerindeki herhangi bir HP
süspansiyon biriminin bir diğer HP süspansiyon birimi ile
değişik şekillerde bağlanabilmesi mümkündür. Yapılan
bağlantılar farklı süspansiyon direngenlik ve sönümleme
karakteristikleri oluşturmaktadır. Diğer taraftan, mekanik
süspansiyonlara sahip araçlar üzerindeki süspansiyon
birimlerini birbirleriyle mekanik olarak bağlamak, denge
çubuğunda olduğu gibi, son derecede sınırlıdır.
Birbirleri ile bağlı HP süspansiyon sistemleri ile ilgili
olarak literatürde yer alan çalışmaların sayısı sınırlıdır.
Cao [1], ağır araçlar için birbirlerine değişik yönlerde
bağlanmış HP süspansiyon sistemlerini incelemiştir.
İncelenen bağlı HP süspansiyon sistemlerinin değişik
yönlerdeki direngenlik ve sönümleme karakteristikleri
türetilmiştir. Ayrıca, bağlı süspansiyonlarla donatılan
araçların yoldan ve araç gövdesinden gelen bozucu
etkilere karşı performansı da yapılan benzetimlerle
incelenmiştir. Sonuç olarakta yunuslama ve yalpa
yönünde, bağlı HP süspansiyonların bağımsız HP
süspansiyonlara göre araç gövdesinden gelen bozucu
kuvvetlere karşı daha iyi performans sağladığı
gözlemlenmiştir. Zhang ve diğerleri [2] hidrolik olarak
bağlanmış HP süspansiyon sistemi ile donatılmış yalpa
araç modelinin frekans bağımlı matematiksel modelini
türetmişlerdir. Bu model için test düzeneği kurulmuş ve
Anahtar kelimeler: Bağlı Hidro-Pnömatik süspansiyon, sürüş
konforu, hareket kabiliyeti, atış şoku
Abstract—In this study, the effects of the
interconnected Hydro-Pneumatic(HP) suspension system
on the performance of wheeled vehicles have been
examined. Firstly the mathematical models of a half car
model of a (wheeled armored military) vehicle with
interconnected and unconnected HP suspension systems
are developed. Then the suspension stiffness and
damping for the bounce and pitch motions for both
suspension systems are obtained and compared to each
other. As a result of the comparison, it is observed that
stiffness and damping characteristics of the
interconnected and the unconnected suspensions are
similar to each other in bounce. However, in pitch the
stiffness and the damping of the interconnected HP
suspension system are higher than those of the
unconnected HP suspension system. The effects of the
interconnected and unconnected HP suspension systems
*
[email protected]
†
[email protected]
1
aktif süspansiyon sistemleri
olabileceği sonucuna varılmıştır.
araç sürüş konforu için testler yapılmıştır. Elde edilen test
verileri, modelden alınan test verileriyle karşılaştırılmış
ve model doğrulanmıştır. Zhang ve diğerleri [3], hidrolik
olarak bağlanmış bir tam araç matematiksel modelini
türetmişler ve türetilen bu modelle araç yol tutuşu için
benzetimler
yapmışlardır.
Yapılan
benzetimler
sonucunda, bağlı HP süspansiyon sistemlerinin araç yol
tutuş performansını artırdığını fakat araç sürüş konforunu
belirli oranda azalttığını göstermiştir. Ding ve diğerleri
[4], üç akslı bir ağır araç için, yunuslama yönünde
hidrolik olarak bağlanmış bir süspansiyon sistemini
çalışmışlardır.
Atış yeteneğine sahip olan askeri araçlarda, hareket
kabiliyeti ve tekrar eden atışlar için atış sonrası oluşan
şoklardan aracın en az şekilde etkilenmesi gerekir. Aracın
atış şokuna karşı performansını artırmanın bir yolu aktif
süspansiyon ile sağlanır. Hudha [5], atış yeteneğine sahip
bir askeri zırhlı araç için aktif süspansiyon tasarlamıştır.
Tasarlanan aktif süspansiyonun atış şokundan ve yoldan
gelen bozucu kuvvetlere karşı performansı yapılan
benzetimlerle incelenmiştir. Choi ve diğerleri [6] yaptığı
çalışmada zırhlı bir askeri araç için en iyi hareket
kabiliyetini
sağlayacak
optimum
süspansiyon
tasarlamışlardır. Atış sonrası oluşan şoktan kaynaklanan
araç hareketinde stabilizasyon zamanını ve sürücü
koltuğunun düşey ivmesini en aza indirmek için optimum
süspansiyon parametreleri bulunmuştur.
Literatürde HP süspansiyonların modellenmesi, aktif
ve yarı-aktif kontrolüyle ilgili belirli düzeyde çalışmalar
yapılmıştır [7-12]. Buna ek olarak, bağlı HP
süspansiyonların araç sürüş konforu ve yol tutuşuna olan
etkiside ağır araçlar ve otomobiller için az sayıda
çalışmada incelenmiştir [1-4]. Ancak, bağlı HP
süspansiyonların atış yeteneği olan askeri araç
performansına etkisi literatürde incelenmemiştir. Askeri
araçlarda atış sonrası oluşan şok kuvveti aracın hareket
ve atış kabiliyetini azaltmaktadır. Bu nedenle bu etkilerin
en aza indirilmesi araç performansı açısından önemlidir.
Bu çalışmada birbirleri ile bağlanmış Hidro-Pnömatik
süspansiyon sistemlerinin atış kabiliyeti olan bir zırhlı
askeri aracın performansına etkisi incelenmiştir. Bu
amaçla, bağlı HP süspansiyon sistemi ile donatılmış bir
aracın matematiksel modeli türetilmiş, belirli araç
isterleri için süspansiyon parametreleri bulunmuştur.
Bağlı HP süspansiyon ve bağımsız HP süspansiyon
sistemi ile donatılan araçların direngenlik ve sönümleme
karakteristikleri
bulunmuş
ve
birbirleri
ile
karşılaştırılmıştır. Bağlı HP süspansiyon ve bağımsız HP
süspansiyon ile donatılmış aracın, atış şokundan ve
yoldan gelen bozucu etkilere karşı performansı yapılan
benzetimlerle incelenmiştir. Benzetim sonuçları, bağlı
HP süspansiyonların, atış şokuna karşı, bağımsız HP
süspansiyonlara göre aracın hareket kabiliyetini önemli
ölçüde artırdığını göstermiştir. Bağlı HP süspansiyon
sistemlerinin bu özelliği nedeniyle, daha karmaşık olan
yerine
bir
seçenek
II. Bağlı HP Süspansiyona Sahip Bir Askeri Aracın
Modellenmesi
Birbirlerine yunuslama yönünde bağlanmış HP
süspansiyon sistemine sahip yarım araç modeli Şekil 1’de
gösterilmiştir. En temel haliyle bir HP süspansiyon
birimi, bir gaz hacmine, bir valfe, ve bu valfin ayırdığı iki
yağ hacmi ile hidrolik piston ve silindire sahiptir. Gazın
sıkıştırılabilir olması, süspansiyona direngenlik etkisi
kazandırmaktadır. Benzer şekilde yağın valften geçerken
yarattığı basınç kaybı sisteme sönümleme özelliği
kazandırmaktadır. Birbirleri ile yunuslama yönünde
bağlanmış bir HP süspansiyon sistemine sahip araç
modeli için hareket denklemleri türetilirken, “F” ve “R”
alt simgeleri sırasıyla ön ve arka süspansiyona ait olan
parametreleri
ve
değişkenleri
belirtmek
için
kullanılmıştır. Araç ve süspansiyon modeli türetilirken
kullanılan parametrelerin tanımları ve sembolleri Tablo
1’de verilmiştir.
TABLO 1. Parametre tanımları ve sembolleri
Tanım
Sembol-Birim
Araç Kütlesi
M [kg]
Yunuslama Ataleti
I [kgm2]
Lastik Kütlesi
Mt [kg]
Aracın Ağırlık Merkezi ile
a [m]
Ön Aks Arasındaki Mesafe
Aracın Ağırlık Merkezi ile
b [m]
Arka Aks Arasındaki Mesafe
Lastik Direngenliği
kt [N/m]
Piston ile Silindir Arasındaki
Fpf [N]
Sürtünme Kuvveti
Hareketli Piston ile Silindir
Ffpf [N]
Arasındaki Sürtünme Kuvveti
Piston Alanı
Ap [m2]
Hareketli Piston Kütlesi
Mfp [kg]
Ön Süspansiyon İlk Gaz
V30F [m3]
Hacmi
Arka Süspansiyon İlk Gaz
V30R [m3]
Hacmi
Hortum Uzunluğu
L [m]
Hortum Çapı
D [m]
A. Bağlı HP süspansiyon ile donatılmış aracın
modellenmesi
Ön ve arka süspansiyon ana pistonu için kuvvet
denklemleri,
FF  P1F A p  P4 F A pr  FpfF
(1)
FR  P1R A p  P4 R A pr  FpfR
(2)
olarak yazılabilir. Bu denklemlerde FF ön süspansiyon
kuvvetini, FR arka süspansiyon kuvvetini, P1 birinci
bölmedeki yağ basıncını, Ap piston alanını, P4 dördüncü
bölmedeki yağ basıncını, Apr piston alanı ile piston kolu
kesit alanı (Ar) arasındaki farkı, Fpf ise ana piston ile
silindir duvarı arasındaki sürtünme kuvvetini ifade
2
etmektedir. Ön ve arka süspansiyonlar için politropik gaz
denklemi kullanılarak mutlak gaz basınçları
P3F 
P3R 

P30F V30F
 V30F  Ap  zfpF  z tF 



P30R V30R
(3)

 V30R  Ap  z fpR  z tR 


olarak yazılabilir. Bu denklemlerde PAtm Atmosferik
basıncı, P2 ikinci bölmedeki yağ basıncını, Ffpf hareketli
piston ile silindir duvarı arasındaki Coloumb sürtünme
kuvvetini, Mfp hareketli pistonun kütlesini ve g yerçekimi
ivmesini ifade etmektedir. İkinci hacimden birinci hacme
geçen yağ debisi orifis denklemleri kullanılarak,
Q 2F1F  CD A v (P)
(4)

(5)
(6)
z
x
θ
zpF
P4F
Q4R1F
Q4F1R
P1F
Q2F1F
zfpF
(7)
2
P2R  P1R sign(P2R  P1R ) (8)

olarak yazılabilir. Bu denklemlerde Q21 ikinci hacimden
birinci hacme geçen yağ debisini, CD valf kayıp
faktörünü, Av(P) üzerindeki basınç farkına göre değişen
valf açıklık alanını ve ρ yağ yoğunluğunu ifade
etmektedir. Normal bir orifiste açıklık alanı sabittir ve
üzerindeki basınç ile değişmemektedir. Fakat sistemin
performansını artırmak için üzerindeki basınç farkına
göre değişen alana sahip valf kullanmak bazı avantajlara
sahiptir.
Q 2R1R  C D A v (P)
olarak yazılabilir. Bu denklemlerde P3 mutlak gaz
basıncını, P30 ilk durumdaki mutlak gaz basıncını, V30 ilk
durumdaki gaz hacmini, κ politropik gaz sabitini, zfp
hareketli piston konumunu ve zt lastik merkezinin
konumunu ifade etmektedir. Ön ve arka süspansiyonlar
için hareketli piston kütlesi hareket denklemi,
 P3F  PAtm  P2F  Ap  FfpfF  M fp g  M fpz fpF
 P3R  PAtm  P2R  Ap  FfpfR  M fp g  M fpz fpR
2
P2F  P1F sign(P2F  P1F )

zpR
P4R
P1R
P2F
P2R
P3F
P3R
ztF
ztR
z0F
z0R
Şekil 1. Yunuslama yönünde bağlanmış HP süspansiyon sistemine sahip yarım araç modeli
3
Q2R1R
zfpR
Bu denklemlerde M araç gövdesinin kütlesini, z araç
gövdesinin konumunu, a ön aks ile ağırlık merkezi
arasındaki mesafeyi, b arka aks ile ağırlık merkezi
arasındaki mesafeyi, MD araç üzerine gelen bozucu
momentleri, I aracın yunuslama yönündeki ataletini, θ ise
aracın yunuslama açısını göstermektedir. Benzer şekilde
araç lastikleri içinde hareket denklemleri yazılabilir. Araç
kütlesi ve süspansiyonlar için küçük genlikli yer
değiştirmeler varsayımıyla, kinematik denklemler
aşağıda verildiği gibi yazılabilir.
Ön ve arka süspansiyonların birinci hacimlerindeki
yağ debileri için devamlılık denklemleri,
Q2F1F  Ap  z pF  z tF   Q4R1F
Q2R1R  Ap  z pR  z tR   Q4F1R
(9)
(10)
olarak yazılır. Benzer şekilde ön ve arka süspansiyonun
dördüncü
bölmesindeki
yağ
hacimlerinin
devamlılığından,
Q4F1R  A pr  z pF  z tF 
Q4R1F  A pr  z pR  z tR 
(11)
(12)
(13)
Q 4R1F  R R  P4R  P1F 
(14)
denklemlerinden bulunur. Bu denklemlerde, R
hortumlarda yağın akışı sırasında oluşan kayıp faktörünü
ifade etmektedir. Laminar bir akışta bu kayıp faktörü [1],
R
D 4
128L
(15)
denklemi ile bulunur. Bu denklemde D hortum iç çapını,
μ yağ viskositesini ve L hortum uzunluğunu ifade
etmektedir. En son olarakta ön ve arka süspansiyonun
ikinci hacimleri için devamlılık denklemlerinden yağ
debileri,
Q2F1F  A p  z fpF  z tF 
Q2R1R  Ap  z fpR  z tR 
F
R
D
z pR  z  b 
(21)
Av(ΔP)
P1
(16)
Av
P2
Av(ΔP)
(17)
Şekil 2. HP süspansiyonda kullanılan sabit ve değişken alanlı valf
modeli
olarak yazılır.
Yukarıda verilen denklemler ile süspansiyon
kuvvetleri bulunabilir. Süspansiyon kuvvetlerinin
bulunmasından sonra ise araç gövdesi için hareket
denklemleri düşey ve yunuslama yönünde sırasıyla
aşağıda verildiği gibi yazılabilir.
FF  FR  Mg  Mz
aF  bF  M  I

(20)
Tüm bu denklemlerden bağlı HP süspansiyon sistemi ile
donatılmış bir araç yunuslama modeli oluşturulabilir.
B. HP süspansiyonda kullanılan valfin modellenmesi
Literatürde bulunan HP süspansiyon çalışmalarında
sönümleme elemanı olarak orifis kullanılmaktadır. Orifis,
üzerinden yağ akışının sağlandığı sabit bir alana sahiptir.
Orifis için sönümleme kuvvet ve hız karakteristiği
türetildiğinde, kuvvetin hızın karesiyle orantılı olduğu
görülmektedir. Referans çalışmalarda [1,13,14] da
belirtildiği gibi, düşük süspansiyon hızlarında kuvvet
düşük düzeydedir. Yüksek hızlarda ise, kuvvetin artması
süspansiyonda sertliğe sebep olmakta ve aracın yoldan
isolasyonunu azaltmaktadır. Bu nedenle eğer aktif veya
yarı-aktif süspansiyon uygulaması yapılmıyorsa, sabit
alanlı orifis yerine alanı değişen orifis kullanılması daha
avantajlı olabilir. Dolayısıyla bu çalışmada, biri sabit
açıklık alanına ve biri değişken açıklık alanına sahip iki
farklı orifis kullanılarak valf modeli oluşturulmuştur.
Oluşturulan valf modeli Şekil 2’de gösterilmiştir.
olarak yazılır. Bu denklemlerde Q41 birinci
süspansiyonun
dördüncü
hacminden
ikinci
süspansiyonun birinci hacmine ya da ikinci
süspansiyonun
dördüncü
hacminden
birinci
süspansiyonun birinci hacmine akan yağ debisini ifade
etmektedir. Ön ve arka hortumları bağlayan hortumlarda
yağın akışının laminer olduğu varsayılırsa, dördüncü
hacimlerdeki yağ basıncı,
Q4F1R  R F  P4F  P1R 
z pF  z  a
Şekil 2’de gösterilen valfin matematiksel modeli,
(18)
(19)
4
 PE A v max E
 Av

A v  PE    Pmax E
A
 v max E  A v
 PC A v max C
 Av

A v  PC    Pmax C
A
 v max C  A v
if
PE  Pmax E
if
PE  Pmax E
eşit olduğu ve yunuslama yönündeki sönümleme
ifadesinin bulunması içinde ön ve arka süspansiyon
hızlarının birbirleriyle aynı büyüklükte ve ters işaretli
olduğu varsayılmıştır. Bağımsız bir HP süspansiyon
sistemi fiziksel parametreleri değiştirilmeden bağlı hale
getirilirse tamamen farklı yeni bir HP süspansiyon
sistemi elde edilmiş olur. Bu şekilde bağlı ve bağımsız
süspansiyon sistemlerinin karşılaştırılması farklı iki
süspansiyon sisteminin karşılaştırmasına eşdeğerdir. İlk
aşamada düşey yönde benzer direngenlik ve sönümleme
özelliklerine sahip bağlı ve bağımsız iki farklı
süspansiyon sisteminin yunuslama yönündeki direngenlik
ve sönümleme değerlerinin karşılaştırılması yapılmıştır.
Bu amaçla, süspansiyonların fiziksel parametreleri
değiştirilerek aynı düşey direngenlik değerlerine sahip
bağlı ve bağımsız süspansiyon sistemleri elde edilmiştir.
Değişik piston kolu alanlarına sahip bağlı HP
süspansiyon ile bağımsız HP süspansiyonun yunuslama
direngenlik değerleri Şekil 4’te verilmiştir. Şekil 4’ten de
görüleceği gibi düşey yönde eşdeğer direngenliklere
sahip olan bağlı ve bağımsız süspansiyonlarda, bağlı
süspansiyonlar bağımsız süspansiyona göre daha yüksek
yunuslama direngenliğine sahiptir. Ayrıca bağlı
süspansiyonlarda, piston kolu kesit alanı azaldıkça,
yunuslama direngenliği artmaktadır. Bu durum
süspansiyon tasarımcısına serbestlik vermekte ve
yunuslama
direngenliği
istenilen
düzeye
ayarlanabilmektedir.
(22)
if PC  Pmax C
if PC  Pmax C
olarak elde edilir. Bu denklemlerde “E” ve “C” alt
simgeleri sırasıyla süspansiyonun uzaması ve sıkışması
esnasındaki parametre ve değişkenleri belirtmek için
kullanılmıştır. Bu denklemlerde, ΔP basınç farkını, ΔPmax
valfte maksimum açıklığa neden olan basınç farkını,
Avmax maksimum valf açıklık alanını ve Av ise sabit orifis
açıklık alanını ifade etmektedir. Valfin açıklık alanının
basınç farkına göre değişimi Şekil 3’te gösterilmiştir.
Av(∆P)
Avmax
ΔPmax
ΔP
Şekil 3. HP süspansiyonda kullanılan değişken alanlı valf modeli
C. Süspansiyon direngenlik ve sönümleme ifadelerinin
türetilmesi
Araç ve süspansiyon modeli türetildikten sonra, bağlı
HP süspansiyonun düşey öteleme ve yunuslama
yönlerindeki direngenlik ve sönümleme ifadeleri
bulunmuştur. Direngenlik karakteristikleri bulunurken ön
ve arka lastik merkezlerinin yere bağlı olduğu
varsayılmıştır. Düşey yöndeki süspansiyon direngenliğini
bulmak için ön ve arka süspansiyonlar ile araç gövdesinin
düşey yöndeki konumlarının birbirlerine eşit olduğu
varsayılmıştır. (zpF=zpR=z). Bu durumda süspansiyonun
düşey yöndeki direngenliği,
k dikey  
d  FF  FR 
dz
d  aFF  bFR 
d
Yunuslama Direngenliği [kNm/rad]
1400
1200
1000
800
600
400
200
-3
-2
-1
0
1
2
3
Yunuslama Açısı [derece]
Şekil 4. Bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlar için yunuslama
direngenlikleri
(22)
Benzer şekilde bağlı ve bağımsız HP süspansiyonların
yunuslama yönündeki sönümleme karakteristiklerini
karşılaştırmak için düşey yöndeki sönümleme
karakteristikleri benzer olmalıdır. Bu durum, bağlı ve
bağımsız HP süspansiyonlarda bulunan orifis ve valf
açıklıklarını ayarlayarak yapılır.
Düşey yönde benzer sönümleme karakteristiklerine
sahip bağlı ve bağımsız HP süspansiyon sistemleri için
yunuslama yönündeki sönümleme kuvveti Şekil 5’te
gösterilmiştir. Şekil 5’ten görüleceği gibi düşey yönde
eşdeğer sönümleme kuvvetine sahip bağlı ve bağımsız
süspansiyonlarda, yunuslama yönünde bağlı süspansiyon
bağımsız süspansiyona göre daha fazla sönümleme
ifadesi ile bulunur. Yunuslama yönündeki direngenlik ise
k  
Bağlı, Ar=0.6Ap
Bağlı, Ar=0.8Ap
Bağımsız
1600
(23)
ifadesinden bulunur. Bu çalışmada yunuslama yönündeki
süspansiyon direngenlik katsayısı Cao [1]’nun
çalışmasında
kullandığı
yöntem
kullanılarak
hesaplanmıştır. Benzer şekilde düşey yöndeki sönümleme
ifadesini bulmak için ön ve arka süspansiyon hızlarının
5
Benzetimde kullanılan araç ve süspansiyon
parametreleri Tablo 2’de verilmiştir.
A. Atış benzetimleri
Aracın üzerine takılan silahtan kaynaklanan atış şok
momenti, momentumum korunumundan bulunabilir.
performansına sahiptir. Ayrıca, bağlı süspansiyonda
piston kolu alanı artıkça süspansiyon sönümleme kuvveti
de artmaktadır.
15
 V 
MS   m
h
 t 
Sönümleme Kuvveti [kN]
10
5
Bu denklemde m merminin kütlesini, V merminin son
hızı ile ilk hızı arasındaki farkı, Δt merminin son hızına
ulaşana dek geçen süreyi ve h namlu ekseni ile aracın
ağırlık merkezi arasındaki mesafeyi ifade etmektedir.
Araçta oluşan atış şok momenti Şekil 6’da gösterilmiştir.
Bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlarının atış şokundan
sonra yunuslama ve düşey yönde gösterdiği tepkiler Şekil
7-9’da verilmiştir. Şekil 7-9’dan görüleceği gibi, atış
sonrası araç gövdesine etkiyen şok kuvveti araçta
salınmaya neden olmaktadır. Bu salınma değeri, bağlı
süspansiyonlarda bağımsız süspansiyonlara göre oldukça
azdır. Ayrıca, bağlı HP süspansiyonda piston kolu alanı
azaldıkça, süspansiyonlar arası etkileşimde artmakta ve
HP süspansiyon atış şokuna karşı daha iyi bir performans
göstermektedir. Bu performans yunuslama yönünde
bağlanan HP süspansiyonların atış yeteneği bulunan
askeri
araçlarda
uygulanmasının
avantajını
göstermektedir.
0
-5
Bağlı, Ar=0.6Ap
Bağlı, Ar=0.8Ap
Bağımsız
-10
-15
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
(24)
1
Süspansiyon Hızı [m/s]
Şekil 5. Bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlar için yunuslama
yönündeki sönümleme kuvveti
Dolayısıyla, bağlı HP süspansiyonları ile düşey yönde
benzer direngenlik ve sönümleme özelliklerine sahip,
yunuslama yönünde ise daha büyük direngenlik ve
sönümleme özelliklerine sahip süspansiyonlar elde
edilebilir. Bu durum sonraki bölümlerde açıklanacağı
gibi, araç gövdesine gelen bozucu kuvvetlere karşı
önemli performans gösterecektir.
III. Benzetimler
TABLO 2: Araç ve süspansiyon parametreleri
Sembol-Birim
Değer
M [kg]
3000
I [kgm2]
5000
Mt [kg]
150
a [m]
1.4
b [m]
1.3
kt [N/m]
7.165x105
Fpf [N]
40
Ffpf [N]
20
Ap [m2]
0.007
Mfp [kg]
1
V30F [m3]
0.0019
V30R [m3]
0.0019
L [m]
3.5
D [m]
0.025
Süspansiyon modeli incelendikten sonra süspansiyon
performansı bilgisayar tabanlı yapılan benzetimler ile
incelenmiştir. Benzetimlerde, tasarlanan süspansiyonun,
atış şokunun araç gövdesinde yarattığı bozucu kuvvetler
ve yoldan araç lastiklerine gelen bozucu girdiler
kullanılmıştır.
Atış yeteneğine sahip bir askeri araçta, aracın hareket
kabiliyeti atış sonrası aracın gösterdiği salınımlara
bağlıdır. Atış sonrasında araç kısa bir süre içinde en az
salınmayla denge konumuna geri dönmelidir. Yunuslama
yönünde aracın atış şoku gibi araç gövdesine etkiyen
bozucu kuvvetlere karşı en iyi performans göstermesinin
yolu, aracın büyük bir yunuslama direngenliğine sahip
olmasıdır. Bağımsız süspansiyonlarda büyük yunuslama
direngenliğini elde etmenin yolu, direngenliği yüksek
süspansiyon yaylarının kullanımıdır. Fakat, bu durum
aracın sürüş konforunu önemli ölçüde azaltmaktadır.
Diğer bir deyişle, düşey yönde yumuşak, yunuslama
yönünde ise sert bir süspansiyon en iyi sonucu verecektir.
Böylece araç hem yüksek sürüş konforuna hem de araç
gövdesine gelen bozucu kuvvetlere karşı daha iyi bir
performansa sahip olacaktır. Bağlı HP süspansiyonların
önemli bir karakteristiği, daha önceki kısımlarda
anlatıldığı gibi düşey yönde yumuşak, yunuslama
yönünde ise sert süspansiyon tasarımına olanak
vermesidir.
6
18
0.06
16
Süspansiyon Salınımı [m]
14
Moment [kNm]
Bağlı, Ar=0.6Ap
Bağlı, Ar=0.8Ap
Bağımsız
0.04
12
10
8
6
0.02
0
-0.02
-0.04
4
-0.06
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
-0.08
8
0
1
2
3
Zaman [s]
4
5
6
7
8
Zaman [s]
Şekil 6. Atış şok momenti
Şekil 8. Bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlu araçta atış sonrası
oluşan arka süspansiyon salınması
0.1
Bağlı, Ar=0.6Ap
Bağlı, Ar=0.8Ap
Bağımsız
2
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
-0.04
Bağlı, Ar=0.6Ap
Bağlı, Ar=0.8Ap
Bağımsız
1
0.08
0
-1
-2
-3
-4
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Zaman [s]
-5
0
oluşan ön süspansiyon salınması
1
2
3
4
5
6
7
8
Zaman [s]
oluşan yunuslama açısı
B. Yoldan gelen bozucu girdilerle yapılan benzetimler
Bu kısımda bağlı HP süspansiyonların yoldan gelen ve
araç lastiğine etki eden bozucu yol girdilerine karşı
tepkisi
yapılan
benzetimler
ile
incelenmiştir.
Benzetimlerde, araç 25 km/sa hızla giderken Şekil 10'da
gösterilen 5 cm yüksekliğinde bir kasisten geçtiği
varsayılmıştır. Bağlı ve bağımsız süspansiyonlarda
oluşan tepkilerin grafikleri Şekil 11-15’te verilmiştir.
Şekil 13’te görüldüğü gibi yunuslama açısı, bağlı
süspansiyonlu araçta bağımsız süspansiyonlu araca göre
daha büyüktür. Bu durum bağlı süspansiyonların yüksek
yunuslama
direngenliklerine
sahip
olmasından
kaynaklanmaktadır. Benzer şekilde bağlı ve bağımsız HP
süspansiyonlar,
direngenlik
ve
sönümleme
karakteristikleri düşey yönde birbirlerine çok yakın
alınarak tasarlandığı için, bağlı ve bağımsız HP
süspansiyonla donatılmış araç için düşey ivme tepkileri
Şekil 14’ten de görüleceği gibi birbirlerine çok yakındır.
Daha önceki bölümlerde belirlendiği gibi, bağlı HP
süspansiyonların yunuslama yönünde direngenlik ve
sönümleme
karakteristikleri
bağımsız
HP
süspansiyonlara göre yüksektir. Bu nedenle Şekil 15’te
görüleceği gibi bağlı HP süspansiyon ile donatılmış
aracın yunuslama ivmeleri, bağımsız HP süspansiyonlu
araca göre biraz daha yüksektir. Bu durum aracın sürüş
konforunda belirli bir kayba neden olabilir.
7
1
0.05
Bağlı, Ar=0.6Ap
Bağlı, Ar=0.8Ap
Bağımsız
0.045
0.5
Tümsek Yol Girdisi [m]
0.04
0.035
0.03
0.025
0.02
0.015
0
-0.5
0.01
-1
0.005
0
0
1
2
3
4
-1.5
1.5
5
2
2.5
Zaman [s]
3
3.5
4
4.5
5
Zaman [s]
Şekil 10. Tümsek yol girdisi
Şekil 13. Bağlı ve bağımsız HP süspansiyonlu araçta yol
tümseğinden dolayı oluşan yunuslama açısı
0.04
Bağlı, Ar=0.6Ap
Bağlı, Ar=0.8Ap
Bağımsız
4
0.02
3
0.01
2
Düşey İvme [m/s2]
0.03
0
-0.01
-0.02
-0.03
Bağlı, Ar=0.6Ap
Bağlı, Ar=0.8Ap
Bağımsız
1
0
-1
-2
-0.04
-0.05
1.5
-3
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Zaman [s]
-4
1.5
tümseğinden dolayı oluşan ön süspansiyon salınması
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Zaman [s]
tümseğinden dolayı oluşan düşey ivme
0.04
Bağlı, Ar=0.6Ap
Bağlı, Ar=0.8Ap
Bağımsız
8
Bağlı, Ar=0.6Ap
Bağlı, Ar=0.8Ap
Bağımsız
0.02
6
0.01
Yunuslama İvmesi [rad/s2]
0.03
0
-0.01
-0.02
-0.03
-0.04
-0.05
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
4
2
0
-2
-4
5
Zaman [s]
-6
1.5
tümseğinden dolayı oluşan arka süspansiyon salınması
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Zaman [s]
tümseğinden dolayı oluşan yunuslama ivmesi
8
[9] Deprez, K., Maertens, K., Ramon, H. Comfort improvement by
passive and semi-active Hydropneumatic suspension using global
optimization technique, Proceeding of the American Control
Conference, Anchorage, May 2002.
[10] Gao B., Darling J., Tilley D.G., Williams R. A., Bean A., Donahue
J. Control of a Hydropneumatic active suspension based on a nonlinear quarter-car model, Proc. IMechE, v.220, pp. 15-31, Part I: J.
Systems and Control Engineering, 2005.
[11] Shi J-W., Li X-W., Zhang J-W. Feedback linearization and sliding
mode control for active Hydropneumatic suspension of a specialpurpose vehicle, Proc. IMechE, v.224, pp. 41-53, Part D: J.
Automobile Engineering, 2009.
[12] Saglam F. and Unlusoy Y. S. State Dependent Riccati Equation
Control of an Active Hydro-Pneumatic Suspension System, Journal
of Automation and Control Research, Volume 1, Pages 1-10, 2014.
[13] Bauer, W. Hydropneumatic Suspension System, Springer,
Heidelberg, 2011.
[14] Dixon J. C. The Shock Absorber Handbook, Second Edition, John
Wiley & Sons, 2007.
IV. Sonuçlar
Bu çalışmada birbirlerine yunuslama yönünde
bağlanmış HP süspansiyon sistemin, atış yeteneğine
sahip lastik tekerlekli bir askeri aracın performansına
etkileri incelenmiştir. Ön ve arka HP süspansiyon
sistemlerinin birbirlerine bağlanması ile, farklı bir
süspansiyon karakteristiği ortaya çıkmaktadır. Düşey
direngenlik ve sönümleme karakteristikleri benzer
tutulduğunda, bağlı süspansiyonların kullanılması ile
bağımsız süspansiyonlara göre daha yüksek yunuslama
direngenlikleri
ve
sönümlemeleri
elde
etmek
mümkündür. Bu özellik bağlı HP süspansiyon ile
donatılmış araçlarda araç gövdesine gelen bozucu
girdilere karşı performans iyileştirmesi sağlar. Askeri
araçlarda oluşan atış şoku araçta ciddi salınmalara neden
olduğu için, aracın hareket kabiliyetini kısıtlamakta ve
atış
performansını
düşürmektedir.
Yapılan
benzetimlerden elde edilen sonuçlara göre, bağlı HP
süspansiyonlu bir araçta atış şokunun yarattığı salınım,
aynı düşey direngenliğe sahip bağımsız HP
süspansiyonlu aracın salınmasına göre oldukça azdır. Bu
gözlem, atış şokuna karşı aracın hareket performansını
artırmak için daha karmaşık ve yüksek maliyetli aktif
süspansiyonlar yerine, göreceli olarak daha basit bağlı
HP süspansiyon sistemlerinin kullanılabileceğini
göstermektedir. Diğer taraftan, bağlı HP süspansiyonlu
araçta yoldan gelen bozucu girdilerin araçta yarattığı
yunuslama ivmesi bağımsız HP süspansiyonlu araca göre
biraz daha yüksektir. Bu durum araçta sürüş konforunun
belirli oranda azalmasına neden olabilir.
Kaynakça
[1] Cao D. Theoretical Analyses of Roll-And Pitch-Coupled
Hydropneumatic Strut Suspensions, PhD. Thesis, 2008.
[2] Smith W. A., Zhang N., & Jeyakumaran J. Hydraulically
interconnected vehicle suspension: theoretical and experimental ride
analysis, Vehicle System Dynamics: International Journal of
Vehicle Mechanics and Mobility, 48:1, 41-64.
[3] Smith W. A., Zhang N., & Hu W. Hydraulically interconnected
vehicle suspension: handling performance, Vehicle System
Dynamics: International Journal of Vehicle Mechanics and
Mobility, 49:1-2, 87-106, 2011.
[4] Ding F., Han X., Luo Z., & Zhang N., Modelling and characteristic
analysis of tri-axle trucks with hydraulically interconnected
suspensions, Vehicle System Dynamics: International Journal of
Vehicle Mechanics and Mobility, 50:12, 1877-1904, DOI, 2012.
[5] Hudha H., Jamaluddin H., and Samin P. M. Disturbance rejection
control of a light armoured vehicle using stability augmentation
based active suspension system, Int. J. Heavy Vehicle Systems,
Vol.15 Nos. 2/3/4, 2008.
[6] Choi E-H., Ryoo J-B., Cho J-R., and Lim O-K. Optimum
suspension unit design for enhancing the mobility of wheeled
armored vehicles, Journal of Mechanical Science and Technology
24, 323-330, 2010.
[7] Joo F. R. Dynamic Analysis of a Hydropneumatic Suspension
System, Concordia University, Unpublished M.Sc. thesis,
Mechanical Engineering Department, 1991.
[8] Gao, B., Darling, J., Tilley, D.G., Williams, R. A., Bean, A.,
Donahue, J. Non-linear modeling of a gas strut used in ground
vehicle suspensions, Transactions of the Institute of Measurement
and Control, 29; 159, 2007.
9

Birbirine Bağlı Hidro-Pnömatik Süspansiyon Sistemlerinin Araç

Transkript

Benzer belgeler

PowerPoint Sunusu

Süspansiyon Sistemlerinin PID ile Kontrolü

BACTİMOX LA Enjeksiyonluk Süspansiyon

HAVA SÜSPANSİYON KÖRÜĞÜ TEST SİSTEMİ

TYLOL-PEDİATRİK-Süspansiyon-ilaç-Prospektüsü