realroad

Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Binek Araç Salıncağında Oluşan Gerilmelerin Çok Kütleli Yarım Araç Modeli
Kullanılarak Belirlenmesi
M. A. Güvenç*
AYD Ar-Ge Merkezi
Konya
E. G. Gürel†
AYD Ar-Ge Merkezi
Konya
Özet—Otomotiv
bileşenlerinin
tasarımında
bilgisayar destekli mühendislik (BDM) araçlarının
kullanımı ile önemli zaman ve kaynak tasarrufu
sağlanmaktadır. Bu çalışmada; BDM araçlarını
kullanarak bir binek araca ait salıncağın çalışma
ömrünün tahmin edilmesinde kullanılacak gerilmelerin
araca ait çok kütleli dinamik model kullanılarak
hesaplanması hedeflenmiştir. Salıncağın ömür tahmini
sürecinde kullanılmak üzere salıncağa etki eden
gerilmeler çok kütleli yarım araç modeli kullanılarak
elde edilmiştir. Çok kütleli yarım araç modeli
ALTAIR/MotionSolve
ortamında
oluşturulmuştur.
Salıncak
ömrünü
belirlemek
üzere
yapılacak
simülasyonlarda kullanmak üzere seçilen bir güzergâhta
gerçek yol verileri toplanmıştır. Gerçek yol verileri,
salıncak üzerine yerleştirilen üç eksendeki ivme
bileşenleri ve salıncak üzerine yapıştırılan gerinim ölçer
verileri şeklinde toplanmıştır. Çok kütleli yarım araç
modeli ve gerçek yol şartlarında toplanan veriler
kullanılarak aracın salıncağı üzerindeki kritik noktada
oluşan
gerilmeler
karşılaştırılmıştır.
ALTAIR/
MotionSolve ortamında yapılan simülasyonlarda elde
edilen gerilmeler, yol verisi toplanırken salıncak
üzerinde yapıştırılan gerinim ölçerler ile ölçülen
gerilmelerle mukayese edilerek geliştirilen çok kütleli
yarım araç modelinin doğrulaması yapılmıştır.
induced on the wishbone were calculated by using the
real road data and the multi body half car model in
ALTAIR/MotionSolve software. Calculated stresses on
the wishbone are compared with stresses measured by
strain gages fixed on the wishbone during test drives in
order to validate the half car dynamic model created in
ALTAIR/MotionSolve software.
Keywords: multibody half-car model, road load data, wishbone,
fatigue life
I. Giriş
Karayolu
taşıtları
süspansiyon
sistemleri
bileşenlerinden biri olan salıncak kolu, tekerin kaster ve
kamber açısını sağlaması için taşıyıcı ile araç şasisi
arasında bağlantı oluşturur. Dövme, döküm veya saç
şekillendirme ile üretilen salıncak kolları ayrıca araçta
frenleme, ivmelenme ve radyal yüklerinin absorbe
edilmesi görevini de yerine getirerek, araçta sürüş
konforu ve güvenliğini sağlamaktadır.[1-2]
Araç için önemli bir güvenlik parçası olan salıncak
kolları, garanti edilen süre içerisinde dayanım ve
güvenilirlik konusunda ön görülen hedefi sağlamalıdır.
Bu dayanım süreleri ise üretici firmalar tarafından
tasarım sürecinde belirlenmelidir. Tasarımı yapılarak
üretilen sistemlerin dayanımlarının tespit edilmesi için
uygulanmakta olan dört yöntem bulunmaktadır:[3]
1. Trafiğe açık yollarda yapılan dayanım testleri,
2. Hızlandırılmış test pistlerinde yapılan dayanım
testleri,
3. Laboratuvar test ekipmanları ile yapılan
dayanım testleri,
4. Sonlu elemanlar analizleri ile yapılan dayanım
testleri.
Trafiğe açık yollarda yapılan dayanım testleri uzun
sürelerde tamamlanması (binek araçlar için 300.000km,
ticari araçlar için 1.000.000km) ve yüksek maliyetler
oluşturması
nedeniyle
artık
neredeyse
hiç
kullanılmamaktadır. Hızlandırılmış test pistlerinde
yapılan dayanım testleri, farklı zorlama şartlarını içeren
özel test pistlerinde istenilen ömrü tanımlayacak şekilde
tekrar edilen yöntemlerdir. Trafiğe açık yollarda yapılan
dayanım testlerine göre kısa sürelerde tamamlansa da,
diğer yöntemlere göre uzun sürmesi ve bu tip pistlerin
gizlilik açısından sorun teşkil etmesi nedeniyle az tercih
edilmektedir. Laboratuvar test ekipmanları ile yapılan
testler en çok tercih edilen yöntem olmasına karşın
yüksek maliyetli laboratuvar ekipmanları bu yöntem için
Anahtar kelimeler: çok kütleli yarım araç modeli, yol verisi,
salıncak, yorulma ömrü
Abstract—Significant savings in time and resources
can be achieved by using Computer Aided Engineering
(CAE) tools in automotive components design. This study
targets determination of stresses to be used in fatigue life
estimation of a passenger car wishbone by using CAE
tools. Stresses to be used in fatigue life estimation of the
wishbone are calculated by using multi body half car
model. Multi body half car model was created at the
ALTAIR/MotionSolve software. Real road data to be used
in fatigue life estimations are collected during test drives
on a selected course by using a data acquisition system.
Collected real road data consists acceleration
components in three axes and data measured from strain
gages fixed on the critical point on the wishbone. Stresses
__________________________
[email protected]
*
†
§
F. M. Botsalı§
Selçuk Üniversitesi
Konya
[email protected]
[email protected]
1
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Model üzerinden ve veri toplama çalışmalarından elde
edilen salıncak gerilme değerleri karşılaştırılarak çok
kütleli yarım araç modelinin geçerliliği sağlanmıştır.
bir dezavantaj oluşturmaktadır.[4] Sonlu elemanlar
analizleri ile yapılan dayanım testleri ise son
zamanlardahızlı bir şekilde gelişme kaydetmiştir.
Özellikle sonlu elemanlar yazılımlarının doğruluk
oranlarının artmasıyla birlikte gerçek prototip ve analizin
yerini analitik prototip ve analiz almaya başlamıştır. Tüm
aracın ve her bir bileşeninin dayanım testleri doğrulanmış
sonlu elemanlar modelleri ile hem daha kısa sürelerde
hem de daha düşük maliyetler ile sağlanmaya
başlanılmıştır. Geçmişte yapılan birçok çalışmada da
sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak tasarım doğrulama
çalışmaları gerçekleştirilmiştir.
Orgül B. ve ark. [5] yaptıkları çalışmalarında, sonlu
elemanlar araçlarıyla oluşturdukları dinamik taşıt
modelinin doğrulamasını yaparak kullanılabilir hale
getirmişlerdir. Doğrulanan dinamik model ile gövde ve
şasinin statik ve dinamik mukavemet analizlerini
gerçekleştirmişlerdir.
Yuan L. ve ark. [6] yaptıkları çalışmalarında, gerçek
yol verilerini ve çok kütleli dinamik analizi kullanarak bir
kamyonun yorulma ömrünü incelemişlerdir. İlk olarak
dinamik model için gerekli olan girdilerin elde edilmesi
için yol verilerini toplamışlardır. Şasiye gelen
ivmelenmeleri ölçmek için; ön, orta ve arka akslara
simetrik olarak bağlamışlardır. Ayrıca dikey yöndeki
ivmelenmeyi
ölçmek
için
yine
ivmeölçerler
bağlamışlardır. Bunun yanında yorulma analizi ve
dinamik modelin doğrulanması için sağ ve sol amortisöre
gerinim ölçerler yerleştirmişdir. Elde edilen verileri
dinamik modele aktararak yorulma analizlerini
gerçekleştirmişlerdir.
Antona F. [7] yaptığı çalışmasında, bir binek araca ait
çok kütleli dinamik modeli oluşturmuş ve bu modeli
gerçek yol şartlarında araca yoldan gelen cevaplar ile
kontrol etmiştir. Dinamik çok eksenli test cihazı ile bu
modelin doğrulamasını sağlamıştır.
Kağnıcı F. ve Ulaş B. [8] yaptıkları çalışmalarında,
çok kütleli dinamik modelini oluşturdukları aracın
dinamik analizlerini gerçekleştirerek yorulma ve NVH
analizlerini yapmışlardır. Elde ettikleri sonuçlara göre
aracın alt sistemi ve bileşenlerinde optimizasyon
gerçekleştirmişlerdir.
Yılmaz A. ve Kılıç N. [9] yapmış oldukları
çalışmalarında, tekerlekten topladıkları ivme datasını 4
poster deplasmanına iterasyonunu gerçekleştirerek
Adams/car modelini doğrulayarak, alt sistemi
bileşenlerinin yorulma analizinin yapılabileceği bir
model oluşturmuşlardır.
Lİ L. ve Li Q. [10] yaptıkları çalışmalarında ticari bir
aracın çok kütleli dinamik modelini oluşturarak, bu
modelde sistemin ve alt bileşenlerinin frekans içeriklerini
incelemiştir.
Bu çalışmada bir aracın yarım araç modeli
Altair/Motionsolve kullanılarak oluşturulmuş, oluşturulan
bu model gerçek yol verileri toplanarak tahrik edilmiştir.
II. Metodoloji
Bu çalışmada; tasarımı yapılan sistem ve bileşenlerin
dayanımının tespit edilebilmesi için kullanılan çok kütleli
araç modelinin geçerli kılınması yapılmıştır. Çok kütleli
yarım araç modeli Altair/MotionView arayüzünde
oluşturulmuş,
modelin
dinamik
analizi
ise
Altair/MotionSolve aracılığıyla yapılmıştır[11]. Toplanan
yol verileri üzerinde yapılan hesaplama ve düzenleme
işlemleri
ise
LMS/Tecware
yardımıyla
gerçekleştirilmiştir[12]. Yapılan çalışmada izlenen
yöntem ise Şekil 1’ de belirtilmiştir.
Şekil 1. Çok kütleli dinamik model doğrulama süreci
III. Yol Verisi Toplanması
Oluşturulacak olan çok kütleli yarım araç modelini
tahrik etmek amacıyla belirli bir sürede belirli bir yolda,
dinamik simülasyonlarda kullanılabilecek türde (ivme,
gerilme) veriler toplanmıştır. Veri toplama çalışmaları
binek bir araçta gerçekleştirilmiştir. Dinamik modelin
tahrik edilmesi için seçilen araç üzerindeki parçalar
incelenmiş ve en uygun parça olarak salıncak
belirlenmiştir.
Salıncak parçası üzerine 3 eksenli MEMS tipi
ivmeölçer ve rozet gerinim ölçer; şasi üzerine de yine
MEMS tipi tek eksenli ivmeölçer yerleştirilmiş ve çok
kütleli dinamik model için tahrik verileri elde edilmiştir.
Gerinim ölçer ise, salıncak parçasına yapılan statik analiz
sonrasında parça üzerinde belirlenen kritik gerilme
bölgelerine yapıştırılmıştır.
Yapılan çalışmalarda salıncak üzerinde kullanılmak
üzere PCB marka ±30g ivmeölçer, şasi üzerinde
kullanılma üzere Memsic marka ±25g ivmeölçer, Kyowa
marka 0⁰/45⁰/90⁰ rozet tipi gerinim ölçer ve LMS marka
veri toplama cihazı kullanılmıştır.
2
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Şekil 2. Gerinim ölçer ’in salıncak üzerine yapıştırılması
Şekil 4. İvmeölçer ‘in şasi üzerindeki yerleşimi
Toplanan gerinim verilerde LMS Tecware
kullanılarak düzenlemeler yapılmış ve gerinim ölçer
hesaplamaları yapılarak Von-Mises gerilme değerleri
çıkartılmıştır. Elde edilen gerilme değerlerinden 10s’ lik
bir veri aralığı belirlenmiştir (Şekil 5).
Toplanan ivme verileri ise yine LMS Tecware
kullanılarak filtreleme ve düzenleme çalışmaları
gerçekleştirilmiştir. Gerilme değerlerinde seçilen
aralıktaki ivme değerleri de seçilerek aynı şekilde
ayrılmıştır. Elde edilen 10s’ lik ivme verisi (Şekil 6)
dinamik modelin tahrik edilmesi için MS Excel
dosyasına çevrilerek alınmıştır. Seçilen aralıktaki ivme
verileri LMS Test Express kullanılarak çift integrasyon
ve yeniden örnekleme işlemleri kullanılarak deplasman
Şekil 3. İvmeölçer ’in salıncak üzerindeki yerleşimi
MPa Time in S Şekil 5. Seçilen 10s’ lik yol verisinin gerilme değerleri
3
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
verilerine dönüştürülmüştür (Şekil 7). Bu uygulamada;
dışardan bir deplasman ölçer ve ivmeölçer kullanılarak
doğrulaması yapılmıştır. Elde edilen deplasman verileri
ivme verisinde olduğu gibi dinamik modelde kullanılmak
üzere MS Excel dosyasına çevrilmiştir. Şasi üzerinden
ölçülen tek eksendeki ivme değerine de çift integrasyon
ve yeniden örnekleme işlemleri gerçekleştirilerek
deplasman verisine dönüştürülmüştür.
g g g Time in S Şekil 6. Seçilen 10sn’lik verinin 3 eksendeki ivme değerleri
mm mm mm Time in S Şekil 7. Seçilen 10sn’lik verinin 3 eksendeki deplasman değerleri
4
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
IV. Çok Kütleli Dinamik Analiz
Çok kütleli yarım araç modeli, Altair/MotionSolve
sihirbazı kullanılarak elde edilmiştir. Test aracına ait
süspansiyon sistemi bileşenlerinin 3D katı modelleri
bulunamadığı için Altair/MotionSolve sihirbazıyla
MacPherson süspansiyon kriterlerine uygun olacak
şekilde test aracındaki bileşenlere en yakın olan
geometrik seçimler yapılmıştır. MotionSolve çok kütleli
dinamik modelde kullanılan salıncak burçlarının mekanik
özellikleri ise laboratuvar ortamında yapılan testler ile
belirlenmiş ve sisteme girilmiştir. DD11 sac malzemeden
imal edilen salıncağın üzerindeki gerilmelerin
hesaplanabilmesi amacıyla; salıncak (Şekil 8.)
Altair/Hypermesh ortamında modellenerek dinamik
model üzerine esnek(flexbody) olarak yerleştirilmiştir.
Oluşturulan yarım araç modeli ve modele yerleştirilen
esnek salıncak Şekil 9’da verilmiştir.
Şekil 8. Salıncak Katı Modeli
Şekil 9. Çok kütleli yarım araç modeli ve salıncak
Veri toplama çalışmalarıyla elde edilen 3 eksendeki
deplasman ve ivme verileri rotil üzerine yerleştirilen
kayar mafsallar üzerine ayrı ayrı tanımlanmıştır.Böylece
salıncak rotilinin o eksenlerde tanımlanan ivme ve
deplasman hareketlerini gerçekleştirmesi sağlanmıştır.
Şasi üzerinden elde edilen deplasman değeri ise dinamik
modelde şasinin hareketi olarak tanımlanarak salıncak
üzerinde gerçek dışı yükseklikte gerilmelerin oluşmasının
önüne geçilmiştir. Bu deplasman hareketi de şasiye kayar
bir mafsal tanımlanmasıyla sağlanmıştır. Oluşturulan
model Altair/Motionsolve ile çözümlenerek 10 s boyunca
salıncağa etki eden gerilme değerleri elde edilmiştir
(Şekil 10).
MotionView Gerilme (Mpa) Zaman (s) Şekil 10. MotionSolve analizi ile elde edilen salıncak gerilme değerleri
5
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
yapılmıştır. Bu yöntem, yorulma hasar tespitinde en
kullnaılan en uygun yöntemlerden bir tanesi olup,
gerinim-gerilme’ ye ait zaman grafiği üzerinde yarım
çevrim veya tam çevrimlerin sayılması ile gerçekleştirilir.
Çevrimlerin sayılması ise malzemenin gerilme-gerinim
davranışını temel alarak gerçekleştirilir. Hesaplanan ve
ölçülen gerilmeler arasındaki farkın nedeninin
aşağıdakiler olabileceği düşünülmüştür:
I.
Yarım araç dinamik modelinde kullanılan ideal
bileşenlerin gerek geometri gerekse davranış
yönünden gerçek taşıttaki parçalarla %100
uyumlu olmaması,
II.
Salıncak üzerinde veri toplanan noktayı,
dinamik model üzerinde birebir karşılayacak
noktadan tahrik verilememesinden,
V. Sonuçlar
Bu çalışmada, taşıtların süspansiyon sistemi
parçalarının yorulma ömrü tayininde kullanılacak
gerilmeleri belirlemek üzere çok kütleli yarım araç
dinamik modeli geliştirilmiştir. Geliştirilen dinamik araç
modeli kullanılarak elde edilen araç salıncağına ait
gerilme değerleri gerçek yol şartlarında toplanılan
salıncak gerilme verileri ile karşılaştırılarak elde edilen
modelin yorulma ömrü tahminlerinde kullanılabilirliği
irdelenmiştir. Şekil 11‘de gerçek yol şartlarında salıncak
üzerinden ölçülen ve yarım araç modeli kullanılarak
MotionSolve analizi ile elde edilen gerilme değerleri
karşılaştırmalı olarak verilmiştir. İki veri grubunun
mertebe ve trend yönünden uyumlu olduğu gözlenmiştir.
LMS Tecware yazılımı kullanılarak çok kütleli yarım
araç modeli ile elde edilen salıncak gerilmelerinin hasar
potansiyeli gerçek yol şartlarında ölçülen salıncak
gerilmelerinin hasar potansiyeli ile karşılaştırıldığında;
gerçek yol şartlarında oluşan gerilmelerin hasar
potansiyelinin, yarım araç dinamik modeli kullanılarak
elde edilen gerilmelerin hasar potansiyelinin %87 sine
eşit olduğu (Şekil 12) belirlenmiştir. Elde edilen
gerilmelerin
hasar
potansiyelleri,
LMS/Tecware
arayüzünde “Rainflow Counting” yöntemi kullanılarak
III.
İvme sinyallerinin integrasyonu ile elde edilen
deplasman değerlerinin; gerçek deplasman
değerlerinden belli oranda farklılık göstermesi.
Yukarda belirtilen olumsuzluklara rağmen, ölçülen ve
hesaplanan gerilme değerleri arasındaki farkın kabul
edilebilir olduğu, belirtilen olumsuzlukların giderilmesi
durumunda aradaki farkın daha da azaltılabileceği
sonucuna varılmıştır.
MotionView Yol Verisi Gerilme (Mpa) Zaman (s) Şekil 11. MotionView ve Yol verisi ile elde edilen gerilme değerlerinin karşılaştırılması
6
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
MotionView Yol Verisi Şekil 12. Hasar potansiyellerinin karşılaştırılması
Doğrulanması”. 5. Otomotiv Teknolojileri Kongresi, Bursa,
Haziran, 07-08, 2010.
[6] Yuan L., Tian S., Wei S., Chao J., Zheng J., “ Fatigue
Analysis Of Heavy-Truck Based On Actual Road Tests And
Rigid-Flexible Coupling Multi-Body Model”, ICTE, 2013.
[7] Antona F., “Development of a Full Vehicle Dynamic Model
of a Passenger Car Using Adams/Car”, Oxford Brookes
Universtiy,.
[8] Kağnıcı F., Ulaş B., “Araç Yorulma Analizi Sonucuna Göre
Hasar Görülen Parçanın Dayanım ve NVH Açısından
İyileştirilmesi, 6. Otomotiv Teknolojileri Kongresi, Bursa,
Haziran 2012.
[9] Yılmaz A., Kılıç N., “Yorulma Analizlerinde Araç Dinamiği
Modellerinin Kullanımı”, 5. Otomotiv Teknolojileri
Kongresi, Bursa, Haziran, 07-08, 2010.
[10] Li L., Li Q., “Vibration Analysis Based on Full Multi-Body
Model for the Commercial Vehicle Suspension System”,
International Conference on Signal Processing, Greece,
February 16-19, 2007.
[11] Altair/HyperWorks CAE Yazılımı.
[12] LMS/Tecware Veri İşleme ve Hesaplama Yazılımı.
Teşekkür
Bu çalışmayı San-Tez Programı kapsamında destekleyen
Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığına ve Proje ortağı
olan Aydınlar Yedek Parça San. Ve Tic. A.Ş.’ye teşekkür
ederiz. Ayrıca bu çalışmanın gerçekleştirilmesinde her
türlü çalışmada yardımlarını esirgemeyen Aydınlar
Yedek Parça San. Ve Tic. A.Ş. yöneticileri Seracettin
AKDI ve Ahmet ÇAKAL’a teşekkürü bir borç biliriz.
Kaynakça
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Reimpel, J., Stoll, H., Betzler, J. W., “The Automotive Chassis”,
Butterworth-Heinemann, 2001.
Heissing B., Ersoy M. “Chassis Handbook”, 1st Edition,
Germany, 2011.
Toprak M., Ereke M., “Ticari Taşıt Akslarının Dayanım
Testlerinde Kullanılacak Yüklerin Müşteri Çevrimindeki Taşıt
Ölçümlerinden Elde Edilmesi” Mühendis ve Makina, cilt 55, sayı
651, s. 26-42, 2014.
Yay K., Ereke M., “Hızlandırılmış Taşıt Ömür Testlerinde Yol
Verisi Kullanımına Yeni Bir Yaklaşım”, İTÜ’/d Mühendislik
Dergisi cilt 2, sayı 5, s 61-73, Ekim 2003.
Orgül, B. O., Koyuncu, M. L., Dileroğlu, S., Gökçe, H., “Ticari
Araç Geliştirme Projesi Kapsamında Dinamik Modelin Testler İle
7