BİNEK VE HAFİF TİCARİ ARAÇ DİREKSİYON ve

BİNEK VE HAFİF TİCARİ ARAÇ DİREKSİYON ve

OTEKON 2012
6. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
04 – 05 Haziran 2012, BURSA
BİNEK VE HAFİF TİCARİ ARAÇ DİREKSİYON ve DİREKSİYON TEST
SİSTEMLERİNE GENEL BAKIŞ
Şeref Server ERSOLMAZ*, Mustafa KARAMUK*, Feyyaz Furkan ŞENTÜRK*,
Muhammet GEÇGİL*, Orhan ATABAY**
*
OTAM A.Ş. İTÜ Ayazağa Yerleşkesi, Motorlar Taşıtlar Laboratuvarı, 34396, Maslak, İSTANBUL
**
İstanbul Teknik Üniversitesi, Makina Fakültesi, 34437 Gümüşsuyu İSTANBUL
ÖZET
Direksiyon sistemi otomotivde en önemli alt sistemlerden biri olarak karşımıza çıkmaktadır. Bunun ana nedenleri
olarak direkt olarak müşterinin etkileşimde olduğu bir sistem olması, araç üzerindeki işlevi nedeni ile aktif ve pasif
güvenlik unsurlarının önemli bir bileşeni olması ve yapı itibari ile değişik tasarım ve geliştirme alternatiflerine açık bir
sistem olması sayılabilir. Günümüzde otomotiv sektörünün regülasyonlar, müşteri beklentileri ve artan rekabet
ortamında hızla kat etmekte olduğu gelişim ve değişimlerden direksiyon sistemleri de etkilenmektedir. Bu çalışmada
temel olarak direksiyon sistemlerinin yapısı temel unsurları ile özetlenmiş ve sürücüye sağladıkları destek momentinin
tipine göre sınıflandırılmış ve açıklanmışlardır. Binek araçlardan başlayarak yaygınlaşan ve diğer alternatiflerine göre
birçok yönden öne çıkan elektrik destekli direksiyon sistemleri alt detayları ve örnek modellerle açıklanmış ve bu
sistemlerin geliştirilmesi sırasında uygulanan testlere ve test sistemlerine değinilmiştir.
Anahtar kelimeler: Direksiyon Sistemi, Elektrikli Direksiyon Sistemi, Direksiyon Testleri, Direksiyon Test Sistemleri
AN OVERVIEW OF STEERING AND STEERING TEST SYSTEMS OF PASSENGER AND LIGHT
COMMERCIAL VEHICLES
ABSTRACT
Steering systems are one of the most important sub-systems of today’s vehicles. Importance of a steering system can
be given in several ways: First of all, it directly interacts with the customers. It is an important component of active and
passive safety features due to its function in a vehicle, and the system is open to new design and developments. Steering
systems are being affected by changes in regulations, customer expectations and rapidly increasing competitive
environment in automotive industry. In this study, the basic structures of the steering systems are summarized and they
are categorized and represented with the type of steering moment support. Electric power assisted steering systems,
which have been spreading from passengers cars to the other vehicles segments, are investigated with its subcomponent and model details with respect to an example model. Steering system development tests and steering test
systems are also investigated and mentioned in this study.
Keywords: Steering System, Electric Power Assisted Steering Systems, Steering Tests, Steering Test Systems
1. GİRİŞ
Direksiyon sistemleri araçlarda kullanılan en önemli
alt sistemlerden biridir ve artan rekabet ortamı ve gelişen
teknolojiler ile yapısı, işlevi ve çalışma prensibi gelişerek
değişim göstermektedir. Bu değişimi yakalayabilmek için
sistem ana yapısına hakim olmak, tasarım ve çalışma
alternatiflerini, seçim kriterlerini değerlendirebilmek
gereklidir. Günümüzde binek segment araçlardan
başlayarak yayılmaya başlayan Elektrik Destekli
Direksiyon Sistemi özelliklerinin, çalışma prensiplerinin
bilinmesinin ve bir sonraki aşamada bu sistemlerin
geliştirilmesinde kullanılan testlerin ve test sistemlerinin
anlaşılmasının önemi büyüktür.
2. BİNEK VE HAFİF TİCARİ TAŞIT DİREKSİYON
SİSTEMLERİ
Mevcut araç uygulamaları dikkate alındığında,
sürücüye direksiyon simidinin döndürülmesinde sağlanan
destek momentinin tipine göre, direksiyon sistemleri üç
gruba ayrılabilir:
1.
2.
3.
Hidrolik Destekli Sistemler (HDS: Hidrolik Destekli
Direksiyon Sistemi)
Elektro-hidrolik Destekli Sistemler (EHDS: ElektroHidrolik Destekli Direksiyon Sistemi)
Elektrik Destekli Direksiyon Sistemleri (EDS:
Elektrik Destekli Direksiyon Sistemi)
Bunların yanında, sürücü ile tekerlekler arası
direksiyon mili bağlantısının elektriksel olarak yapıldığı
Steer-by-Wire (SbW) tipi teknolojiler kanun koyucuların
onayını henüz almamıştır. Homologasyon kuralları
gereği, direksiyon simidi ile saptırılabilen tekerlekler
arasında mekanik bağlantı gerekmektedir.
Hidrolik direksiyon sisteminde (HDS) hidrolik pompa
içten yanmalı motora kayış kasnak sistemi ile bağlıdır.
Şekil 1’de örnek bir HDS verilmiştir.
Şekil 2. Hidrolik direksiyon sisteminde direksiyon
döndürme momentinin sürüş koşullarına göre değişimi
[2]
Şekil 3’de bir
gösterilmiştir [3]
HDS’deki
kayıpların
dağılımı
Şekil 3. Bir hidrolik direksiyon sisteminde kayıpların
dağılımı [3]
HDS’ne alternatif çözüm olarak elektrik motoru ile
tahrik edilen hidrolik pompalı elektro-hidrolik direksiyon
sistemleri ve sadece elektrik motoru ile tahrik edilen
elektrik
destekli
direksiyon
sistemleri
(EDS)
geliştirilmiştir.
Şekil 1. Bir Hidrolik Direksiyon Sistemi [1]
Direksiyonu çevirmek için sürücüye gereken destek
momenti sürüş koşullarına göre değişmektedir. Yüksek
hızlarda giderken direksiyonu çevirmek için gereken
destek momenti düşüktür. Hatta bazı uygulamalarda
destek momenti sıfır alınır. Ancak park durumunda
gereken destek momenti oldukça yüksektir. Şekil 2’de
örnek bir hidrolik direksiyon sisteminde (HDS), hidrolik
sistem basıncı ile sürücünün uygulaması gereken moment
arasındaki fonksiyon verilmiştir [2].
Direksiyon hareketlerinin düşük mertebelerde kaldığı
düz yol seyirlerinde veya yüksek hızlarda sürüş
durumlarında, HDS’nin harcadığı enerji işe dönüşmediği
için kayıplar artar. Bir binek araçta HDS’nin harcadığı
enerji aracın kullandığı enerjinin ortalama %3’üne
karşılık gelebilir [3].
Şekil 4. Bir Elektro-Hidrolik Direksiyon Sistemi [4]
Direksiyon
tipleri
araç
segmentine
göre
değişmektedir. Direksiyon tipinin (hidrolik veya
elektrikli)
belirlenmesinde
direksiyon
döndürme
momentinin ve dolayısıyla kremayer/pinyon dişli
oranının dikkate alınması gerekmektedir. Direksiyonu
döndürmek için gerekli moment, kremayer kuvvetinin ve
kremayer-pinion oranının bir fonksiyonudur. Bu orana
C-faktörü denecek olursa, tanım olarak bu faktör;
direksiyon simidi 360 derece döndüğünde kremayer
mekanizmasının mm olarak ötelenme miktarından
ibarettir. Aşağıda verilen bağıntılar, direksiyon döndürme
momenti, C faktörü ve araç sınıfına göre (binek, hafif
ticari ve ağır vasıta) direksiyon tiplerinin (hidrolik veya
elektrikli) seçimi açısından önemlidir [5].
Direksiyon döndürme momenti:
Ts 
Frack  C
2000    rp
(Nm)
Kremayer (rack) doğrusal hızı
Vrp 
s  C
2000  
(m/s)
direksiyon açısal hızı (rad/s),
, kremayer
mekanizmasının verimi olarak tanımlıdır.
Yüksek C-faktörü gereken durumlarda tekerlekleri
döndürmek için gerekli kuvvet, daha fazla güç ve enerji
tüketimi gerektirir. Aracın ön aks yükü arttıkça istenen Cfaktörü için gerekli güç ve enerji de artacaktır. EDS
seçilmesi durumunda, elektrik motorunun yüksek
moment üretmesi için elektrik sisteminden (alternatörakü) çekeceği akım da artacaktır. Bu nedenle elektrikli
direksiyon
sistemleri,
mevcut
taşıt
elektriksel
sistemlerindeki gerilim değerleri düşünülecek olursa ağır
taşıtlar için uygun bir çözüm değildir. Hidrolik direksiyon
sistemleri, bu sebeple binek ve hafif ticari araçların
yanında yüksek direksiyon simidi momenti gerektiren
durumlarda da (kamyon ve çekici gibi) kullanılmaktadır.
3. DİREKSİYON SİSTEMLERİNDE HİDROLİK,
ELEKTROHİDROLİK VE ELEKTRİKLİ DESTEK
SİSTEMLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI
İlk hidrolik direksiyon sistemlerinde araç hızı ile
direksiyon tepkisi arasında herhangi bir ilişki yok iken
yeni nesil elektro-hidrolik takviyeli sistemler genellikle
araç hızına duyarlıdırlar ve sürücüye sağladıkları
direksiyon kuvvet takviyesi açısından hidrolik takviyeli
direksiyonlara göre daha uygun bir karakteristikle
çalışırlar.
Elektrik takviyeli direksiyon sistemlerinde, araç hızını
tespit etmek için elektro-hidrolik destek sistemlerinde
olduğu gibi hız sensörü (çoğunlukla ABS’ye ait tekerlek
hız sensörleri) kullanılır. Genellikle araç hız bilgisi aracın
CAN haberleşmesi içinde de mevcuttur. Böylelikle sistem
sahip olduğu hıza bağlı destek eğrileri sayesinde, farklı
hızlar için farklı direksiyon simidi destekleri
uygulayabilir.
Bu üç ana direksiyon yardımcı sistemi arasındaki
başlıca farklılıklar aşağıdaki gibidir [1][6]:
1) Hidrolik temelli direksiyon sistemleri elektrik
destekli (elektro-mekanik) direksiyon sistemleri ile
karşılaştırıldığında
daha
fazla
bileşenden
oluştuğundan (yağ pompası, hortumlar, yağ tankı,
filtreler vb.) araç içerisinde daha fazla hacim
kaplarlar.
2) Hidrolik Direksiyon sistemlerinin çalışması için
hidrolik sıvılar kullanır. Tam elektrikli direksiyon
sistemleri için hidrolik sıvı gereksinimi yoktur.
Gereken enerji araç elektrik sisteminden (alternatörakü) üzerinden sağlanır. Direksiyon sıvısı
ihtiyacının olmaması, normalde sıvının belirli
aralıklarla değişmesi gerektiğinden, çevrecidir.
Üretilen her 100000 otomobil için yaklaşık 190000
litre hidrolik sıvı tasarrufu sağlanır [7].
3) Hidrolik sıvı kullanan direksiyon sistemlerinde yağ
sızıntısı zaman zaman olabilir ve bu durum aracın
gittiği ve park ettiği yerlerdeki çevreyi kirletir.
Elektrik destekli direksiyon sistemlerinde ise enerji
aküden sağlandığından böyle bir sorun söz konusu
değildir.
4) Hidrolik direksiyon sistemi gücünü motordan alır ve
motorun yakıt tüketimini arttırır. Elektrik Takviyeli
direksiyon sistemleri ise ancak moment desteği
gerektiğinde, aracın elektrik sisteminden enerji
çektiğinden enerji tasarrufu sağlarlar. Elektrik
destekli direksiyon sistemleri CO2 emisyonunu
azaltır [8].
5) Hidrolik destek sistemleri araç motoru üzerinden
tahrik edildiğinden araç hızlandığında daha fazla
güç üretir. Araç yavaşladığında üretilen hidrolik güç
daha azdır. Her iki durum da direksiyon sistemleri
için istenmeyen durumlardır. Sürücünün en fazla
güç yardımına ihtiyaç duyduğu durumlar seyir
hızının düşük ya da sıfır olduğu durumlardır. İdeal
bir direksiyonun araç hızlandıkça ağırlaşması
gerekir. Hidrolik destek sistemlerinin bu olumsuz
davranışı hidrolik pompa motorunun araç
motorundan ayırılarak bir elektrik motoru üzerinden
sürülmesi ile giderilmiştir.
6) Hidrolik destekli direksiyonlar ağırlığı daha fazla
olan araçlar arasında daha yaygındır. Elektrik
destekli sistemler ise hafif araçlar arasında daha
yaygın olarak kullanılan bir güç destek sistemi
tipidir.
7) Elektrik destekli direksiyon sistemlerinin hidrolik
destekli direksiyonlara göre daha az gürültü
üretmesi nedeni ile (Gürültüye neden olabilecek
kayış/kasnak, pompa sistemlerini ortadan kaldırır.)
araç kabini içi ve dışında oluşan gürültü azalır. [1]
8) Elektrik destekli direksiyon sistemleri, çok sayıda
ilave fonksiyon ile zenginleştirilerek emniyet ve
konfora yönelik pek çok ek özellik oluşturulabilir.
Şeritte düz gidiş, yan eğimli yollarda destek
momenti, yan rüzgâr kompenzasyonu, otomatik
park yardımı, şeritten ayrılma uyarıcısı, şerit takip
asistanı, kör nokta uyarı asistanı, engelden kaçma ya
da çarpışmalardan kaçınma asistanları bu ilave
fonksiyonlardan sadece birkaçıdır.
Diğer sistemlerle karşılaştırıldığında daha yenilikçi
bir çözüm olarak ortaya çıkan elektrik destekli direksiyon
sistemlerinin başlıca dezavantajları ise şu şekilde
sıralanabilir;


Elektronik parçalardan kaynaklanan arızalar
oluşabilir [9].
Elektrikli direksiyon sistemlerinin uygulayabileceği
ilave destek kuvveti araçta mevcut olan azami akım
ile sınırlıdır. 12V sistemler 80 amper azami akım
uygulayabilirler. Bu da azami gücü 1 KW ile
sınırladığından EDS direksiyonlar küçük ya da orta
sınıf direksiyonlarda tercih edilir. 42V elektrik
sistemlerine geçilirse EDS daha büyük araçlara da
uygulanabilecektir [10].
Direksiyon sistemlerinin enerji tüketimi açısından
dikkate değer bazı veriler Tablo 1’de sunulmuştur.
Tablo 1. Direksiyon sistemlerinin enerji Tüketimi
Karşılaştırılması [1]
Elektro
Karşılaştırma
Hidrolik
mekanik
Ağırlık
16 kg
11 kg
Güç tüketim
Şehir içi
400 w
25w
Şehir dışı
800-1000w
10w
Mekanik direksiyon
dişlileriyle
0,1 lt
0,01 lt
karşılaştırıldığında
ek yakıt tüketimi
4. ELEKTRİK DESTEKLİ DİREKSİYON
SİSTEMLERİ
Direksiyon sistemlerinde tam elektrikli (elektromekanik) destek kavramı sürücünün direksiyon
hareketlerini yardımcı bir elektrik motoru ile desteklemek
amacı ile geliştirilmiştir.
Bu şekilde ortaya çıkan elektrik destekli direksiyon
sistemlerinde) bulunan ve yardımcı tork kuvvetini
sağlayan elektrik motorunun yerleşim yerleri Şekil 5’te
gösterilmiştir [11].
Tek
Pinyon Tipi
Çift
Pinyon Tipi
Kolon
Tipi
Rack
Tipi
Şekil 5. Elektrik motorunun yerleşim yerleri [11]
Hangi tip EDS kullanılacağı, ihtiyaç duyulan
kremayer kuvvetinin ve gücünün büyüklüğüne (Steering
Rack Power) göre değişmektedir. Tablo 2’de konu ile
ilgili kullanım alanları detaylandırılmıştır. Gösterilen
detaylar kural şeklinde olmayıp, genel meyli
sergilemektedir.
Tablo 2. EDS Tipi Araç Tipi İlişkisi [11]
EDS Tipi
Kremayer
Kullanıldığı araçlar
Kuvveti [N]
Kolon Tipi
6500-10000
Küçük ve orta
büyüklükte araçlar
Tek Pinyon
7500-10500
Orta büyüklükteki
Tipi
araçlar
Çift Pinyon
7500-12000
Orta boydan daha
Tipi
büyük araçlar
Rack Tipi
9000-15000
Büyük araçlar
4.1 Sistem elemanları ve Sistemin Çalışma Prensibi
Şekil 6. Elektrik Destekli Direksiyon [1]
Şekil 6 ile gösterilmiş olan kolon (direksiyon mili)
tipi elektrik destekli direksiyon sistemi kompakt bir
üniteye sahiptir. Bu ünite direksiyon dişlilerini, kontrol
ünitesini, elektrik motorunu ve sensörleri kapsar.
Elektro-mekanik direksiyon siteminde yönlendirme,
üniversal bağlantı milinden önce yer alan parçalar
tarafından gerçekleştirilir. Bu sistemde moment bir
elektrik motoru tarafından desteklenir.
Şekil 7’de gösterilen sistemde bulunan önemli
parçalar aşağıda sıralanmıştır [1]:
- Direksiyon mili
- Yükseklik ayarlı direksiyon kolonu borusu
- Ara mil
- Burulma çubuğu
- Direksiyon moment sensörü ve direksiyon konum
sensörünün bulunduğu sensör muhafazası
- Elektrik motoru
- Sonsuz tahrik dişlisi
- Dişli kutusu muhafazası
- Direksiyon kolonu elektronik kontrol ünitesi ve
üniversal bağlantı mili
Elektrik destekli direksiyon sisteminin merkezi
parçası Şekil 7’te gösterilen burulma çubuğudur. Çubuk
boylamasına ekseni etrafında dönebilir. Burulma çubuğu
mekanik olarak ara mil ve sonsuz dişliyi birbirine bağlar.
Bu bağlantı yardımıyla ara mil ve sonsuz tahrik dişlisi
küçük bir açıyla döner. Bu küçük açı değişimi
direksiyonun çevrilme işlemine başlandığı anlamına gelir.
Tablo 3’te sisteme ait parçalar ve özellikleri gösterilmiştir
[1].
çubuğuyla birlikte dönen direksiyon moment sensörü,
direksiyon üzerine etkiyen torkun yönünü ve şiddetini
içeren sinyali kontrol ünitesine gönderir. Kontrol ünitesi
gerekli olan döndürme desteğini hesaplar. Elektrik
motorunu çalıştırır. Direksiyon dişlisine aktarılan tork,
sürücü ve motor tarafından aktarılan toplam torktur [1].
Şekil 7. Örnek Elektrik Destekli Direksiyon Sistemi
Parçaları [1]
Tablo 3: Sisteme ait parçalar ve parçaların özellikleri [1]
Sistem
Özellikleri ve Bulunduğu yer
Parçası
Sonsuz
Sonsuz dişli elektrik motorunun da yer
dişli
aldığı bir alüminyum dişli kutusuna
yerleştirilmiştir.
Sensör
Direksiyon konum sensörü ve
Muhafazası direksiyon moment sensörü
muhafazaya monte edilmiştir. Sensör
muhafazası sonsuz dişlinin üzerinde yer
alır.
Direksiyon
Sonsuz dişli miline bağlıdır. Direksiyon
Konum
konum sensörü direksiyonun o anki
Sensörü
konumunu izler.
Direksiyon
Burulma çubuğuna bağlıdır. Ara mil ile
Moment
birlikte burulma çubuğunun dönme
Sensörü
açısını izler. Kontrol ünitesi bu sinyale
dayalı olarak moment hesaplamasını
yapar.
Direksiyon
Kontrol ünitesi sonsuz dişli
Kontrol
muhafazasına vidalanmış bir kasa
Ünitesi
içindedir. Kontrol ünitesi araç hızını da
dikkate alarak sensörlerden gelen
sinyalleri değerlendirerek gerekli
direksiyon çevirme desteğini hesaplar.
Bünyesinde ilave algoritmaları da
barındırır.
ElektroSonsuz dişli muhafazasına
Mekanik
vidalanmıştır. Titreşimlerin
Direksiyon
aktarılmaması için bir kauçuk tampon
Motoru
ile bağlanmıştır.
Direksiyon
Bu uyarı lambası gösterge tablasında
Kontrol
yer almaktadır. Kontrol ünitesi
Lambası
direksiyon sisteminde bir arıza tespit
ederse gösterge tablosundaki uyarı
lambası yanar.
Direksiyon çalışma prensibi genel hatları ile şu
şekilde özetlenebilir; Sürücü direksiyonu çevirmeye
başlar. Burulma çubuğu da aynı anda döner. Burulma
Şekil 8. Toplam Tork Çizelgesi [1]
Şekil 8’de toplam tork temsili olarak gösterilmektedir.
Sürücü direksiyona uyguladığı torku artırırsa, elektrik
motoru tork desteğini artırır. Bu da direksiyon dişlisinin
daha kolay bir şekilde dönmesine yardımcı olur [1].
Sürücü dönüş esnasında direksiyonu bırakırsa
burulma çubuğu üzerindeki burulma ortadan kalkar. Bu
anda elektrik motoru devreden çıkar. Sonuç olarak tork
desteği ortadan kalkar. Araç hala düz doğrultuda hareket
etmiyorsa bu durum direksiyon konum sensörü tarafından
algılanır. Elektrik motoru devreye girer ve direksiyon düz
doğrultuya gelecek şekilde döndürülebilir. Bu tip kararlar
direksiyon ECU’sü içindeki yazılımı geliştiren
mühendislerce verilir [1].
4.2 Sistem Detayları
Şekil 9’da örnek bir elektrikli direksiyon modeli
gösterilmiştir.
Şekil 9. Elektrikli direksiyon modeli [12]
Elektrikli Direksiyon Sisteminde yer alan elektrik
motorunun kontrolü, tekerleklere uygulanan yanal
kuvvetlerin değişkenliği ve bozucu etkilerinden dolayı,
direksiyon mekanizmasındaki parametrelerin sürekli
izlenmesini gerektirir.
Direksiyon karakteristik eğrisinden hesaplanan motor
referans akımları EDS kontrolörüne referans olarak
uygulanır. Bu sistemlerde konfor ve sürüş hissiyatı gibi
performans kriterleri kişiye özel (subjektif) ve yol
koşullarından dolayı değişebilir kriterlerdir. Bu
performans kriterlerini sistematik hale getirmek için
karakteristik eğriler geliştirilmiştir. Bu eğriler ile istenen
direksiyon hissiyatını sağlamak için gereken destek torku
belirlenir.
Yol kuvvetlerindeki düzensiz değişim ve sistem
parametrelerindeki belirsizlik, kesin bir matematik model
kurulmasını zorlaştırır. Şekil 10’da verilen örnek
karakteristik eğrilerde görüldüğü gibi düşey eksende EDS
motor akımı için referans değerler verilmiştir. Verilen yol
koşullarında istenen direksiyon hissiyatını oluşturmak
için EDS motoru PID kontrolör ile bu referansa göre
kontrol edilecek ve motor torku bu akıma göre
hesaplanmaktadır.
Şekil 12. Tork/Açı Sensörü Görünüşü [15]
Şekil 10. Örnek direksiyon karakteristik eğrileri [13]
Şekil 13. Tork/Açı Sensor Sistemi [15]
Elektrik destekli direksiyon sisteminin örnek blok
diyagramı Şekil 11’de gösterilmiştir. Tork sensörü
tarafından algılanan sinyal ve araç hızı sinyali olmak
üzere iki giriş bulunmaktadır. Sistemde geri besleme
olarak motor akımı bulunmakta ve sistem PID ile kontrol
edilmektedir.
Tablo 4. Tork/Açı Sensör Özellikleri [15]
Parça
Özellik
Çalışma Sıcaklık aralığı
-40
arası
Şaft Uzunluğu
25mm veya daha az
Tork
Algılama aralığı
±8N.m veya daha fazla
Algılama Çözünürlük
0.02N.m veya daha az
Kısmı
Doğrusallık
±2%Tam Ölçek
Sıcaklık Kayması ±0.3N.m veya daha
fazla
(−40 + 125 ⁰C arası)
(Sıcaklık
karakteristikleri ECU
için de gereklidir)
Açı
Algılama aralığı
Mutlak döndürme açısı:
Algılama
360 derece
Kısmı
Çözünürlük
0.5 derece veya daha az
Şekil 11. EDS Kontrol Blok Diyagramı
Burulma çubuğunun iki ucundaki açı farkı
hesaplanarak bir çıkış üretilir. Δθ, çubuktaki burulmayı
göstermektedir ve aşağıdaki formül ile hesaplanmaktadır
[14].
Tork değeri, burulma çubuğuna bağlı olan 1. Hedef
( ) ve 2. Hedef ( ) arasındaki faz kayması ve burulma
çubuğu yay sabiti ile aşağıdaki formüle göre hesaplanır:
= Uygulanan Tork
L = Burulma çubuğu uzunluğu
D = Burulma çubuğu çapı
G = Elastiklik Modülü
Örnek bir Tork/Açı sensörünün görünüşü, sensör
sistemi ve özellikleri sırasıyla Şekil 12, Şekil 13 ve Tablo
4’te gösterilmiştir.
L burulma çubuğu uzunluğunu, G elastik modülünü,
kutup atalet düzenlemesini (pole inertia regulation), D
burulma çubuğu çapını göstermektedir [15].
Şekil 14’de moment hesaplaması açıklanmıştır.
5. DİREKSİYON SİSTEMİ TESTLERİ VE
DİREKSİYON TEST SİSTEMLERİ
Şekil 14. Moment Hesaplaması [15]
Mutlak döndürme açısı, “N” sayıda dişi bulunan 2.
hedef ve “N-1” sayıda dişi bulunan 3. Hedef arasında diş
sayısı farkından dolayı oluşan faz farkı ile hesaplanır.
Döndürme momentinin “M” olduğunu varsayarsak, 2.
hedefin dönme açısı
, 3. hedefin dönme açısı
olduğunu düşünürsek, ’ün diş sayısının az olmasından
dolayı mutlak faz farkı aşağıdaki gibidir [15]:
Şekil 15’de mutlak açı hesaplaması açıklanmıştır.
5.1 Direksiyon Sistemi Testleri
Direksiyon sistemi testleri subjektif ve objektif
performans testleri olarak iki ana gruba ayrılır. Bu
testlerde de kendi içinde statik ve dinamik testler olarak
sınıflandırılabilir.
Test yöntemlerinde, direksiyon hassasiyeti (steering
sensitivity), kararlılık, verilen referansa doğru cevap
verme ve konfor gibi temel konularda testler yapılır.
Testlerde sınır
durumlarda direksiyon sisteminin
performansı ve aracın kararlılığı da incelenmelidir.
Direksiyon konfor değerlendirmesi yapılırken direksiyon
eforu, direksiyon düzeltme kolaylığı, direksiyondaki
titreşimler gibi performans kriterleri ölçülür. Tablo I’de
direksiyon hassasiyeti ölçümlerinde incelenen bazı
önemli parametreler verilmiştir [17].
Taşıtla ilgili seyir dinamiği testleri bir taraftan
direksiyon sisteminin davranışının incelenmesine yönelik
olarak da kullanılmaktadır. Bu testlerde yol koşullarında
aracın kararlılığı, direksiyon sisteminin kalibrasyonu ve
direksiyon sistemindeki parametrelerin tanımlanması için
yapılması gereken asgari testlerden bazı örnekler aşağıda
sıralanmıştır [18].
1.
Şekil 15. Mutlak açı hesaplaması [15]
Elektrik güç tüketimi
hesaplanmaktadır [16]:
aşağıdaki
formül
ile
2.
elektrik güç tüketimi, akü akımı,
akü gerilimi
EDS sürücüsüne göre 14[V] veya 42[V] olabilir.
Toplam elektrik güç tüketimi [16]:
Tablo 5’de örnek bir araç sağa doğru durmadan
dönerken Elektrikli direksiyon sisteminin harcadığı enerji
için değerler verilmiştir.
Tablo 5. Araç sağa doğru durmadan dönerken EDS
sisteminin tükettiği toplam elektrik gücü [16]
Sürücü Tipi
Tork
Toplam Elektrik
Güç Tüketimi
14[V] sürücü EDS
7.0[Nm]
111.3[W]/100[%]
42[V] sürücü EDS
9.0[Nm]
31.05[W]/27.9[%]
3.
Kalıcı durum dönme hareketi yarıçap testi: ISO
4138’e göre yapılan kalıcı durum (steady-state)
testinde aracın bilinen bir yarıçaptaki yörüngede
testi yapılır. Araç mümkün olan en düşük hızda
sürülmeye başlanır. Bu adımdan sonra, araç hızı
yavaş yavaş arttırılır. Aracın viraj dönme davranışı
bu testle belirlenmeye çalışılır. Direksiyon simidi
açısı ve momenti, yan ivme gibi temel durum
değişkenlerine bakılır.
Dinamik direksiyon döndürme testi: ISO 7401’e
göre araç 100 km/h’de düz bir yörüngede sürülür.
Hız kararlı duruma eriştiğinde direksiyona dinamik
bir hareket uygulanarak (200°/s üzerinde)
direksiyon açısının nominal değerine kadar
direksiyon döndürülür. Nominal açıya ulaşıldığında
3 s bu durumda beklenir ve ardından direksiyon
serbest bırakılır. Testlerde direksiyon simidi açısı,
yaw açısı, direksiyon simidi momenti, yalpa açısı),
yüzme açısı gibi parametreler ölçülerek direksiyon
sisteminin
ve
aracın
genel
performansı
değerlendirilir.
Çift şerit değiştirme testi: ISO/DIS 3888-1’e göre
yapılan bu testte, 90 km/h hızda çift şeritli yolda
sürülen araca yoldaki bir engelden kaçınma
manevraları yapılır. Testte, subjektif ve objektif
performans değerlendirmesi yapılır. Objektif
parametreler olarak, direksiyon simidi açısı-yanal
ivmelenme, sapma hızı (yaw rate)-direksiyon simidi
açısı, yanal ivmelenme- sapma hızı (yaw rate) gibi
sinyal çiftleri arasındaki zaman gecikmeleri ve
kazanç faktörleri ölçülerek aracın dinamik davranışı
analiz edilmeye çalışılır.
Direksiyon testlerinde özellikle direksiyon eforu için
ortalama moment, maksimum moment testleri elektrik
destekli
direksiyon
sistemlerinin
parametrelerini
belirlemek açısından önemli testlerdir. Bunun yanında
hem Ana Sanayi değerlendirme kriterleri, subjektif ve
objektif testler, hem yan sanayi üretim, kontrol testleri
göze alındığında bir elektrikli direksiyon sisteminin araç
üzerinde müşteriye sunulmasından önce çok ince
detaylarda yüzlerce teste tabi tutulması gerekliliği
ortadadır. Bazı performans kriterleri için örnek testler
Tablo 6’de örneklendirilmiştir.
TABLO 6. EDS
Parametreleri [17]
Nötr
noktasına
geri-döndürebilme
(returnability)
Burada aracın
düşey eksen
etrafında dönme
hareketi (yaw)
detaylıca
incelenerek, belirli
metriklere göre
kararlar verilir.
Direksiyon
On-center
performansı
-Moment
rijidliği
-Max.
direksiyon
döndürme
momenti
-Direksiyon
döndürme
momentinin
sıfır yanal
ivmelenmede
ki gradyanı
-Yaw hızı
gecikme
zamanı
Hassasiyeti
Test
Şerit
değiştirme
performansı
-Max. yaw hızı
-Max. yanal
ivmelenme
-Yaw hızı
gecikme
zamanı
5.2 Direksiyon Test Sistemleri
Otomotiv test sistemleri üreten firmalar çalıştıkları
alanlara göre çeşitli konularda uzmanlaşmışlardır.
Direksiyon test sistemleri de pazarda son yıllarda
görülmeye başlanmış, özellikle elektrik destekli
direksiyonların yaygınlaşmasıyla giderek önem kazanan
sistemlerdir.
Direksiyon test sistemlerinde (DTS) yoldan gelen
tekerlek yan kuvvetlerini (genellikle rotil kuvvetlerine
indirgenerek) ve direksiyon hareketlerini oluşturan
aktüatörler hidrolik veya elektrikli olabilirler. Bir
direksiyon
test
sisteminde
aşağıdaki
testler
gerçekleştirilebilir.
• Uygunluk Testleri: Sürtünme Testleri, Kremayer,
Kolon, Küresel eklem sürtünmesi
• Sürüş Hissi (Genel manevralar ve on-center)
• Sönüm karakteristikleri
• Esneklikler
• Park Eforu
• Standart Araç Test Manevraları (Sabit yarıçap, Şerit
değişimi...)
• Prototip Devreye Alma
• Güvenlikle ilgili fonksiyonların test ve onayı
• Performans testleri
• Genel Karakterizasyon testleri
• Bode eğrisi ile transfer fonksiyonu görüntüleme
• Test otomasyonu yazılımı ile üretici beklentilerinin
otomatik testi ve dokümantasyonu
• Dayanım testleri
Bir direksiyon test sistemi rotil yatay ve düşey
hareketlerini temsil edecek şekilde 4 ve ilave olarak da
direksiyon simidi dönmesi ile eklenen bir eksen ile 5
eksenli olarak tasarlanabilir. Böyle bir sistemde rotil
düşey hareketleri düşünülmezse, sistem 3 eksenli olarak
da hareket ettirilebilir. Piyasada her iki prensibe göre de
çalışan sistemler mevcuttur. Özel tasarım gerektiren bu
sistemler yüksek maliyetlerle kurulabilen, karmaşık
kontrol, yazılım parametreleri içeren sistemlerdir.
Bu sistemlerde seçilen aktüatör (eyleyici-uygulayıcı)
büyüklüğüne bağlı olarak, binek araçlardan en büyük
sınıf hafif ticari taşıtlara kadar uzanan geniş bir aralıkta
testler yapılabilir.
6. SONUÇLAR ve GELECEK ÇALIŞMALAR
Karayolu taşıtlarında kullanılan direksiyon sistemleri,
sürücü ile taşıt arasındaki en önemli arayüz olmalarının
yanında, taşıt Ar-Ge süreci açısından da üzerinde çok
çalışılan ve gelişme potansiyeli itibariyle önü açık altsistemlerdir.
Bu çalışmada öncelikle temel özellikleri ile hidrolik,
elektro-hidrolik ve elektrikli direksiyon sistemleri kısaca
tanıtılmıştır. Bu sistemlerin arasında, özellikle binek ve
hafif ticari taşıt sınıfları için gelecek vaat eden sistem
olarak tam-elektrik destekli direksiyon sistemleri çalışma
prensipleri ve sistem elemanları açısından daha detaylı
olarak açıklanmaya çalışılmıştır.
Elektrikli direksiyon sistemleri sayesinde direksiyon
simidindeki his oldukça hassas şekilde ayarlanabilmekte,
taşıt dinamik davranışı belirli sınırlar içinde
değiştirilebilmekte ve ilave sürücü yardım fonksiyonları
ile taşıta pek çok özellik kazandırılabilmektedir. Bu ayar
yapma ve özellik zenginleştirme çalışmaları maliyetli,
uzun zaman alıcı ve zaman zaman da tehlikeli yol testleri
ile değil, mümkün olduğu kadar laboratuvarda ve özel
olarak tasarlanmış uygun deney standları ile yapılmalıdır.
Gerçek yol testlerinden mümkün olduğunca kaçınmak ve
testleri laboratuvar deney standlarına taşıyabilmek için,
direksiyon sistemleri ile ilgili test çeşitleri bir arada
kısaca listelenmiş ve bu testlerin yapılabileceği test
sistemlerine özet bir vurgu yapılmıştır.
Bu çalışmanın gerçekleşmesindeki ve yazarların bu
yöndeki gelecek çalışmalarının desteklenmesindeki
katkılarından dolayı, İstanbul Teknik Üniversitesi
Teknokent şirketlerinden OTAM A.Ş. nezdinde Sn.
Volkan Bayraktar’a teşekkür edilmektedir.
KAYNAKLAR
16. Hirozumi Eki, Tatsuo Teratani, Takashi Iwasaki,
1. TC Milli Eğitim Bakanlığı 2005. “Direksiyon
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Sistemleri”, Mesleki Eğitim ve Öğretim
Sisteminin Güçlendirilmesi Projesi, Ankara
Erdelyi T., Talaba D., Girbacia F., 2009.
“Virtual Prototyping of an Automotive
Steering System using Haptic Feedback”,
Proceedings of the 2nd International Conference
on Sensors, Signals, Visualization, Imaging,
Simulation and Material Science
Miyazaki, H., Rösth, 2008. “Technical Trends
in Steering Systems”, Proceedings of the 7th
JFPS International Symposium on Fluid Power,
TOYAMA
Hur J., 2008. “Characteristic Analysis of
Interior Permanent Magnet Synchronous
Motors in Electrohydraulic Power Steering”,
IEEE Transactions on Industrial Electronics,
Vol.55, No.6
Sebastian T., S. Islam, Mir S., 2005.
“Automotive Steering Systems”, Handbook of
Automotive Power Electronic, Edited by Emadi
A., CRC Press
Balcı S., 2010. “Otomobil Elektrikli Direksiyon
Sistemlerinin Modellenmesi ve Duyarlılık
Analizi”, Yüksek Lisans Tezi, Marmara
Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
Rohidas Bendale A. / Maharashtra V., “Electric
Power Assisted Steering EPAS Report”
Continental Engineering Service Notes, “Electric
Power Steering EPS”,
Sultan Fateh Ali K./ ULLAH SHAH A., 2012,
“How Power Steering Works”
Freescale Semiconductor, 2005. “Electric Power
Steering”
Infineon Application Notes, 2008. “Electric
Power Steering (EPS) with GMR-Based
Angular and Linear Hall Sensor”
Yan Z., Hong V, Rui W., 2006. “Development of
Dynamic Parameter Design and Tuning
System for EPS”, Int. Conference on
Mechantronics and Automation
Zhang H. et al., 2009 “Modeling and
Characteristic Curves of Electric Power
Steering System”, PEDS 2009
Rahman M. F., “Electric Power Assisted
Steering System For Automobiles”, Electrical
Engineering-Vol.III
Yan Z., Hong W., 2009. “Non-contact Steering
Sensor for Electric Power Steering”,
International Conference on Information and
Automation
17.
18.
2007 “Power Consumption and Conversion of
EPS Systems”
Zhang X., Xin Z., Guobiao S., Yi L.,
2008.“Steering Feel Study on the Performance
of EPS”, IEEE Vehicle Power and Propulsion
Data S., Pesce M, Reccia L., 2004.
“Identification of Steering System Parameters
by Experimental Measurements Processing”,
Proceedings of the Institution of Mechanical
Engineers, Part D, Journal of Automobile
Engineering