Geri Dön

Manual transmission synchronization simulation of a heavy duty commercial vehicle and correlation with objective shift quality measurements

Bir ağır hizmet ticari araç manuel şanzımanının senkronizasyon simülasyonu ve nesnel geçiş kalitesi ölçümleri ile karşılaştırması

PDF İndir

  1. Tez No: 510214
  2. Yazar: İLKER ÖZPINAR
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ÖZGEN AKALIN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Ulaşım, Mechanical Engineering, Engineering Sciences, Transportation
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Otomotiv Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 101

Özet

Vites senkronizasyon performansı, vites değişimi için vites topuzuna sürücünün uyguladığı kuvvet, geçiş süresi ve vites topuzunun aldığı yol ile değerlendirilmektedir. Sürücünün uyguladığı kuvvet, en temel girdi olarak ortaya çıkıp sürüş şartlarında ergonomik olabilmesi açısından belirli limitlerin içerisinde bulunması kritiktir. Dinamik sürüş esnasında iki vites arasında geçen süre zarfında, debriyaj vasıtasıyla tork akışı kesildiği için içten yanmalı motorlarda devir kaybı oluşmaktadır. Bu devir kaybı vites geçiş süresi ile doğru orantılı olup, sürenin istenilenden fazla olması durumunda seçilen vitesin yetersiz kalması ve aracın yığılması durumu oluşmaktadır. Bu kapsamda vites geçiş süresi de oldukça kritik bir parametre olarak yer almaktadır. Vites değişimi için bir diğer kritik parametre ise vites topuzunun katettiği mesafedir. Kısa veya uzun olmasının farklı dezavantajları bulunup optimum konuma göre dizayn yapılması gerekmektedir. Ağır ticari araçlar, yüksek tonaj taşıma kapasitesine sahip olup bu gereksinimleri yerine getirebilmek üzere yüksek tork kapasitesindeki motor ve şanzımanlarla donatılmaktadır. Bu kapsamda binek araçlardan farklı olarak daha yüksek vites çevrim oranlarına ihtiyaç söz konusu olup maksimum araç hızını da makul seviyelerde tutabilmek üzere 1.00 oranına kadar düşen viteslerin bulunması zorunluluğu söz konusudur. Tüm bunları sağlayabilmek üzere ağır ticari şanzımanlar 8 ila 16 vitese sahip olup tüm bu vites değişimleri özellikle manual şanzımanlı araçlar için sürücünün harcayacağı eforu çok daha fazla arttırmaktadır. Bu sebeple, vites senronizasyonu kalitesinin iyileştirilmesi için bilim dünyası ve endüstride birçok çalışma gerçekleştirilmiştir. Literatürde vites geçişleri ve performansını değerlendirmek ve öngörülebilir bir yaklaşım oluşturabilmek üzere, analitik modellerin dinamik analizler farklı yaklaşımlar ile gerçekleştirildiği gözlemlenmiştir. Bunun yanında araç seviyesi ve test düzeneği seviyesi alınan ölçümler ile analiz sonuçlarının desteklenebildiği görülmüştür. Tez çalışması kapsamında vites senkronizasyon performansı değerlendirilmiştir. Bu çalışma dahilinde seçilen sistemde 16 hızlı havalı piston destekli manual şanzıman ile vites halat ile vites mekanizması parçaları bulunmaktadır. Vites senkronizasyon süreci, özel bir yaklaşımla değrlendirilmekte olup her fazı için farklı teması ve ilişki mekanizmaları kurulmuştur. Bir vites değişimi esnasında tam 8 farklı faz mevcut olup bunlar; ilk serbest gezinim, açısal hızların eşitlenmesinin başlangıcı, açısal hızların eşitlenmesi, senkromeç halkasının döndürülmesi, ikincil serbest gezinim, çifte tepenin oluşumu, konik yüzeyli dişlinin döndürülmesi ve son serbest gezinim şeklindedir. Bu sebeple, analiz için oluşturulan modelde her faz başlı başına ele alınmış ve denklem takımları öncelikle tekil model olarak çözülmüştür. Yapılan sayısal analizlerde genel sistem özellikleri ve giriş özellikleri ile birlikte değerlendirilmek üzere açısal, eksenel ve doğrusal kuvvet ve moment dengesi denklemleri çıkartılmıştır. Elde edilen denklem takımları, MATLAB programı içerisinde diferansiyel denklemler olarak tanımlanmıştır. Tanımlanan diferansiyel denklemler, diferansiyel denklem çözücüler vastasıyla, giriş özellikleri ve temel sistem özellikleri ışığında çözülmüştür. Oluşturulan modelin verifikasyonu için temel senkromeç parametresi olan konik senkromeç iç sürtünme yüzeyi açısı belirlenmiş ve bu açının farklı değerleri için model çalıştırılmıştır. Deneme için kullanılan değerler 4,5°,6° ve 7,5° değerleri olup açı azaldıkça vites değişimi için gereken sürenin miktarı artmıştır. Bu ilişki literatürde de bu şekilde olduğu için ilgili deneme ile birlikte modelin verifikasyonu sağlanmıştır. Vites değiştirme kalitesi değerlendirme (GSQA) metod ve test ekipmanları endüstri tarafından sıkça vites geçiş kalitesini ve senkromeç performanlarını nesnel olarak değerlendirebilmek için şanzıman ve araç özelinde kullanılmaktadır.GSQA cihazı içerisinde yer alan lineer potansiyometre, 3 eksenli potansiyometre, eksen sabitleyici, kuvvet ölçerli topuz ve değerlendirme bilgisayarı sayesinde testler dahilinde vites pozisyonu bilgisi, vites değişim mesafesi, vites eforu, vites değişimi süresi, senkronizasyon süresi, vites değişimi enerjisi gibi vites değim kalitesi dünyasında kritiklik derecesinde önemli olan özelliklere erişebilmek mümkündür. Çalışma kapsamında, sahada GSQA ölçümü alınan bir aracın şanzıman ve vites sistemi oluşturulan matematik modele uygun simulasyonu ile araçtan alınan GSQA ölçümleri karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma senkromeç pabuçlarının eksenel pozisyonları yani vites değişiştirme mesafesi / vites sistemi mekanik oranı değeri üzerinden gerçekleştirilmiştir. Araçtan ölçülen toplam vites değişimi mesafesi ve senkronizasyon anında gelinen mesafe değerleri, GSQA testinden elde edilmiş verilerden okunan değerler ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda yaklaşık %3'lük bir hata payı ile simülasyon sonuç vermiş olup matematik modelin doğruluğu ispatlanmıştır. Doğrulanmış olan matematik model kapsamında bir dizi değerlendirme kritik olduğu düşünülen parametreler üzerinde uygulanmış ve sonuçları değerlendirilmiştir. İlk olarak vites değişim eforunun vites değiştirme sürelerine etkisi, efor miktarını farklı değerler olarak simülasyona girerek incelenmiştir. Bu kapsamda 50N, 80N ve 110N olarak kabul edilen maksimum vites değiştirme kuvveti değerleri karşısında ilk 3 faz için değerlendirme yapılmış olup şaftlar arası hızın eşitlenmesi sürelerine bu kuvvet değerlerinin 1'er milisaniyelik bir etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Buradan yola çıkarak senkronizasyon süresine vites eforunun etkisinin çok yüksek olmadığını, belirli bir düzeyde uygulanmasının yeterli olduğunu söylemek mümkündür. İkincil olarak yine ilk 3 faz için senkromeç halkası konik açısının farklı değerleri modele işlenmiş ve sonuçları incelenmiştir. Modele girilen 4,5°,6° ve 7,5° değerleri için vites değişim süreleri açısal hızların eşitlendiği ana göre incelenmiş olup sonuç olarak konik açının azalması ile senkronizasyon süresinin düştüğü gözlemlenmiştir.Ardından yine ilk 3 faz için şanzıman senkronizasyon anında ortaya çıkan ısı kaynaklı ısınan şanzıman yağ sıcaklığının yağ vizkozitesine ve dolaylı olarak hidrodinamik fazdaki sürtünme katsayısına etkisi incelenmiştir. Bu kapsamda 20 C° ve 220 C°'lik şanzıman yağ sıcaklıkları input olarak isteme girilmiş olup etkileri değerlendirilmiştir. Şanzıman yağ sıcaklının 200 C° gibi yüksek bir mertebede artışında dahi 10ms'yi aşmayacak bir senkronizasyon süresi değişimi gözlemlenmiştir. İkinci bir değerlendirme şekli olarak senkromeç pabucunun eksenel hareketinin zamana karşı değerlendirilmesi seçilmiştir. Bu kapsamda bir önceki çalışmada verilen parametreler tekrardan sisteme belirtilen büyüklükleri ile girilmiş olup senkronizasyon ve faz bitiş anları eksenel pozisyonlardan bilindiği üzere senkronizasyon süreleri elde edilen çıktılara göre değerlendirilmiştir. Ancak bu çalışmada 3. faz olan açısal hızların senkronizasyonuna kadar değil, son faz olan 8. fazın sonuna kadar simülasyon koşturulmuştur. Değerlendirme ilk 3 fazda olduğuna benzer bir şekilde tüm 8 faz için yapılan bu çalışmada da benzer sonuçlar alınsa da vites eforunun vites değişim süresine etkisi diğer 5 fazın da etkileri eklendiği için her 30N'luk fark için yaklaşık 50ms mertebelerinde belirlenmiştir. Sistem kayıplarının dönen kütlelerin ataletine indirgenmesi, modellemenin vites nötr pozisyonundan ikinci vitese kadar olarak belirlenmesi, parçaların eksenel ve açısal hatalarının olmadığının kabulü, senkronizasyon anında ortaya çıkan sıcaklık kaynaklı ısıl genleşmenin ihmali, senkromeç kaplamasının zaman içinde uğrayacağı deformasyon kaynaklı oluşan yağ filmi kalınlığının zaman içindeki değişiminin simülasyona etkisinin ihmali, sistemin burulma ve elastik deformasyona karşı rijit olduğu kabulü gibi temel varsayımlar model oluşturulurken temel edinilmiştir. Bu kapsamda çalışmanın devam ettirilmesi söz konusu olursa, ilgili kabullerden bazılarından vazgeçilmesinin yanında çalışmada değerlendirilmeyen tutma-bırakma mekanizmasının daha detaylı çalışılması önerilebilecektir.

Özet (Çeviri)

Gear synchronization performance defines the required force to be applied on gear knob, shifting time and gear knob travel. Heavy commercial vehicles (HCV) can be equipped with manual or automated transmissions. During the operation of both manual and automated transmissions, several shiftings are required as more than 8 up to 16 gears available on geartrain. Since, smooth and easy shifting are the critical asserts for the transmissions, technical investigations and developments on this field frequently performed. The analytical methods performed to analyze the performance of the shifting and synchronizer systems with different approaches. Moreover, objective measurement methods both applied to synchronizer itself and total shifting system including the numerical findings are available. In this study, manual transmission and gear synchronization performance have been investigated. The system selected for the study contains a 16 speed servo supported manual transmission and a gear shift cable mechanism. The synchronization process has a specific charachteristic that the physical contacts and regimes change step by step. During a gear synchronization, there are 8 main steps which are first free fly, start of angular velocity synchronization, angular velocity synchronization, turning the synchronizer ring, second free fly, start of the double bump, gear clutch turning and final free fly. Therefore, a model created to analyze the performance of the synchronization by seperating the equations and approaching all phases as a singular model. The performed numerical analyze contains the general physical properties of the system elements which enables modelling the physical system with axial and angular moment and force equilibrium equations. A MATLAB script has been performed to apply the mathematical equations prepared for all 8 synchronization phases. The ODE's (Ordinary Differential Equations) derived for the model has been solved with MATLAB using ODE solvers then. The input parameters are defined according to system properties and boundary conditions. As a verification for the model, main synchronizer parameters of cone angle, ring coating material and shifting system parameters of total mechanical ratio and cable efficiency have been modified to confirm the model success. The GSQA (Gear Shift Quality Assesment) method and test equipment is widely used in industry to evaluate shifting system and synchronizer performance from the transmission vehicle applications. Therefore GSQA tests have been performed for numerical analyze setup to provide objective data for the study. Afterwards, analytical model has been validated with the support of these objective test results that model enabled to be used as a prediction tool. At the end, different properties of the synchronizers and shifting system evaluated with the model analyzes to understood the effects of the changes of these parameters to the performance. The main parameters of cone angle, applied shift effort and ambient oil temperature have been analyzed with the simulation that the results are as expected. The increase of the ambient temperature decreases the shifting time with a minor effect and the decrease of the cone angle improves the shifting time and finally by increasing the shift effort applied to the gear knob the shift time again decreases according to the simulation based on the mathematical model.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    763972

    The effect of different types of electric drive unit on energy consumption for heavy commercial vehicle

    Ağır ticari araçlar için farklı elektrik tahrik ünitelerinin enerji tüketimine etkisi

    METİN YILDIRIM

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SERPİL KURT HABİBOĞLU

  2. Tez No

    752516

    Ağır vasıtalarda otomatikleştirilmiş manuel şanzımana ait parametrelerin optimizasyonu ve yakıt tüketimine etkileri

    Optimization of automated manual transmission parameters and their effects on fuel consumption in heavy-duty vehicles

    DURAN ARİF GÖÇER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Mekatronik MühendisliğiNecmettin Erbakan Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İBRAHİM YILDIZ

  3. Tez No

    486600

    8+1 manuel senkromeçli transmisyonun otomatize edilmesi için modellenmesi ve kontrol algoritmalarının geliştirilmesi

    Developing control algorithms and modelling of 8+1 manual synchromesh transmission automatisation

    CAN DURMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. VOLKAN SEZER

  4. Tez No

    479890

    Layshaft design & material characterization of a heavy duty vehicle's manual transmission

    Bir ağır vasıta manuel transmisyon milinin tasarımı ve malzeme karakterizasyonu

    GÖKHAN ALKAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Makine MühendisliğiTürk-Alman Üniversitesi

    Makine ve İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FRANK WALTHER

    YRD. DOÇ. DR. MEHMET İPEKOĞLU

  5. Tez No

    650021

    Farklı şanzıman tiplerine göre araçlarda performans ve yakıt tüketiminin karşılaştırılması

    Comparison of performance and fuel consumption in vehicles according to different transmission types

    SEÇİL SANCAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Makine MühendisliğiBursa Uludağ Üniversitesi

    Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ EROL SOLMAZ

Geri Dön