Investigation of the effects of inter-leaf friction on leaf spring damping characteristics via multi-body simulation
Yaprak yaylarda katlar arası sürtünmenin süspansiyon sönüm karakteristikleri üzerine etkilerinin çokcisimli simülasyon yöntemi ile irdelenmesi
- Tez No: 510561
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÖZGEN AKALIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Otomotiv Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Süspansiyon sistemi, kara taşıtları için lastik ve araç gövdesi arasındaki yay ve amortisör mekanizmasıdır. Süspansiyon esas olarak yaylar, amortisörler, lastikler ve bağlantı parçalarından oluşur. Araç süspansiyonları, araç için çelişen parametreler olan yol tutuşu ve sürüş konforunu desteklemek için iyi bir şekilde optimize edilmelidir. Bir süspansiyonun ana işlevi, aracı kontrol altında ve yol ile temas halinde tutmaktır. Günümüzde sürüş konforu, otomotiv şirketleri arasındaki rekabet için de önemli bir parametredir. Konforu sağlamak için alınması gereken önlemler ile mükemmel dinamik özellikler sağlamak için alınacak önlemler birbiriyle tamamen zıttır. İyi optimizasyon gerektiren bu durum, süspansiyon mühendisliğinin temelini oluşturmaktadır. Süspansiyon sistemlerinde çalışan mühendisler, tasarım kriterlerini ve optimizasyon süreçlerini gerçekleştirmek için bilgisayar destekli mühendislik (CAE) yazılımlarını yaygın olarak kullanmaktadırlar. Yer araçlarının süspansiyon sisteminde kullanılan en eski bileşenlerden biri yaprak yaylardır. Günümüzde çoğunlukla kamyon, kamyonet veya ticari araçlar gibi yük taşıyan taşıtlarda bulunan yaprak yayların kullanımı, yüksek yük kapasitesi ve maliyet etkinliği nedeniyle oldukça yaygındır. Genellikle çelikten yapılmış parçaların üst üste bindirilmesi (laminasyonu) ile oluşurlar. Bu üst üste bindirme işlemi ve yayın çalışması esnasında katların birbirlerine göre bağıl hareketi, katlar arasında sürtünmeye ve enerji kaybına neden olmaktadır. Yaprak yaylardaki katlar arası sürtünme, hareket enerjisinin ısıya dönüşmesi ile bağlı olduğu süspansiyon sisteminde ek sönüme yol açar. Ayrıca gürültüye ve yüzeylerde aşınmaya neden olur. Aynı zamanda, statik sürtünme kaynaklı tutma (stick), yay katsayısının dinamik artışına neden olur ve sürüş dinamiklerini değiştirir. Bahsedilen negatif etkileri ortadan kaldırmak ve sürtünmeyi azaltmak için bazı önlemler düşünülebilir. Bununla birlikte, azaltılmış sürtünmenin, süspansiyonun dinamik davranışına olası etkileri irdelenmelidir. Bahsedilen etkileri incelemek için basit doğrusal modellerin yaratılması, sürtünmenin doğrusal olmayan davranışı nedeniyle gerçekçi sonuç vermeyebilir. Bu nedenle, bu çalışmada, bahsedilen doğrusalsızlıkları içeren ve dikey davranışı testlerle doğrulanmış çokcisimli bir yaprak yay simülasyon modelinin kullanılabileceği düşünülmektedir. Söz konusu model üzerinde sürtünme parametrelerini değiştirerek bazı simülasyonlar gerçekleştirilebilir ve etkiler incelenebilir. Bu çalışmada, yaprak yay çokcisimli simülasyon modeli, kiriş elemanlar kullanılarak ve bu elemanlara kalınlık profilinin girilmesiyle oluşturulmuştur. Katlar arasındaki sürtünmeli temas, yazılım paketi SIMPACK kütüphanesindeki kuvvet elemanları kullanılarak modellenmiştir. Kiriş eleman metodu diğer alternatiflere göre hesaplama açısından verimli olduğu ve doğruluğu geçmiş modellerde ispat edildiği için kullanılmıştır. Literatürde incelenen geçmiş modelleri geliştirmek için, temas ve sürtünme modelleme fikirleri tartışılmış, incelenmek istenen sürtünme davranışı için en uygun modelleme teknikleri modele uygulanmıştır. Sürtünme temasları için tutma-bırakma (stick-slip) davranışını modellemek ve bu davranışın gerçeğe yakın davranmasını sağlamak için modelleme alternatifleri değerlendirilmiştir. Ayrıca, benzer simülasyon modellerinde temas ve sürtünme davranışını anlamak için basitleştirilmiş sonlu eleman analizleri yapılmış ve çıktılar MBS modelinin doğrulanmasında ve parametre tanımında kullanılmıştır. MBS model doğrulaması, Olgun Çelik tarafından yapılan test verilerindeki kuvvet-deplasman eğrilerinin simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmasıyla yapılmıştır. MBS modelinin doğrulanmasından sonra, katlar arası sürtünmenin değişmesinin yaprak yay dikey davranışına etkileri incelenmiştir. Çok gövdeli simülasyon modelleri kiriş elemanlar kullanılarak modellenmiştir. Yazılım paketi olarak SIMPACK kullanılmıştır. SIMPACK, kiriş modellemeleri için Euler-Bernoulli ve Timoshenko olmak üzere iki kiriş modelinin tanımlanmasına izin vermektedir. Bu model kurulumunda doğruya yakın davranışı modellemek için iki kiriş modeli karşılaştırılmıştır. SIMPACK yazılımının önerisi ve literatürdeki benzer yapıların modellemeleri göz önüne alınarak Euler-Bernoulli kiriş modelinin kullanılmasına karar verilmiştir. Bu iki teorinin temel farkı; Timoshenko kirişleri kayma doğrultusunda şekil değiştirebilirken, Euler Bernoulli kirişlerinin bu özelliğe sahip olmaması ve matematiksel kabullerin buna göre yapılması şeklinde kısaca özetlenebilir. Literatür araştırması, yaprak yaylarda katlar arasındaki sürtünme kaynaklı tutma-bırakma davranışının, sistemin dinamiği üzerinde etkili olduğunu göstermektedir. Bu davranışın modellenmesi ile hazırlanan modelin doğruluğunun önemli ölçüde sağlanacağı düşünülmüştür. Mekanik sistemlerde sürtünme kaynaklı tutma-bırakma davranışına statik ve dinamik sürtünme davranışları arasındaki fark sebep olmaktadır. Dinamik sürtünme, birbirine göre nispi harekete sahip yüzeylerin oluşturduğu direnci ifade ederken; bu yüzeyler arasındaki hareketi başlatmak için aşılması gereken sürtünme statik sürtünme olarak adlandırılır. Genel olarak, statik sürtünme katsayısı kinetik sürtünme katsayısından daha yüksektir. Statik ve kinetik sürtünme ile bu katsayıların sürekli geçişi, sürtünme kuvvetinin etki ettiği cismin dinamik davranışında salınımlara neden olur. Tutma-bırakma tipi sürtünmelerin simülasyonları için literatürde çeşitli matematiksel modeller önerilmiştir. Karnopp (1985) bu modelleri detaylı bir şekilde irdelemiştir ve önerdiği modeller çalışmada kullanılmıştır. Sürtünmeli temaslar ve bu temasların detaylı incelenmesinde sonlu elemanlar metotları yaygın olarak kullanılmaktadır. Sonlu elemanlar kullanarak oluşturulmuş karmaşık ya da basitleştirilmiş modeller ile statik ya da dinamik koşullarda yapılan analizler; sürtünmeli mekanik sistemler için gerçek davranışa yakın sonuçlar sunmaktadır. Sonlu elemanlar ile çokcisimli simülasyon yöntemleri arasındaki benzeşim sayesinde, sonlu elemanlar modellerinde kullanılan teknikler, çokcisimli simülasyon modellerinin oluşturulmasında kullanılmıştır. Sonlu elemanlardaki modelleme teknikleri literatür araştırması ile değerlendirilmiş ve üst üste duran iki ankastre kiriş modeli ile sürtünmeli temasın dinamik davranışları irdelenmiştir. Böylece sürtünme modellemesinde tutma-bırakma davranışını veren temas çeşitlerinin dinamik etkileri de gözlemlenmiştir. Sonlu elemanlar analizleri ve literatürden elde edilen çıktılar ile yaprak yay çokcisimli simülasyon modelleri oluşturulmuştur. Bu modellerde, yaprak yayın elastik özelliklerinin modellenmesi için Euler-Bernoulli kiriş elemanları kullanılmıştır. Bu kirişlerin kesit parametreleri, yaprak yayın kalınlık ve genişlik değerleri kullanılarak girilmiştir. Katlar arası temasın modellenmesi için sonlu elemanlardaki“penalty”metoduna benzer olarak, kiriş elemanlarının düğüm noktaları arasına sert yaylar tanımlanmıştır. Bu temas tek bir noktadan tanımlandığı için yüzey temasını da kapsaması amacıyla yaya hem normal yönde hem de dönme yönlerinde sertlikler tanımlanmıştır. Bu sayede komşu bölgelerin de penetrasyonu yayılı yüzey temasını yansıtacak şekilde kısıtlanmıştır. Bu yayların sertlikleri yüksek girilmiş ve metal-metal yüzey temaslarındaki iç içe geçmeme durumu gerçeğe yakın olarak modellenmiştir. Çokcisimli simülasyon modellerinde yüzeyler arası sürtünme, tutma-bırakma tipi sürtünme davranışını gösterecek şekilde SIMPACK yazılımı içerisindeki elemanların kullanılmasıyla modellenmiştir. Bu modelde tıpkı sonlu elemanlardaki yüzeylerin düşük miktardaki kaymalarına izin veren“elastic-slip”modeli gibi, kayan yüzeydeki cisimleri tamamen durdurmayan ama sert bir yay bağlayarak normal yöne dik yöndeki hareketi kısıtlayan bir modelleme tekniği kullanılmıştır. Bu teknik, sistemin matematiksel olarak rahatlaması ve gerçekte olan durumu en iyi şekilde yansıtması için kullanılmıştır. Yaprak yayın çokcisimli simülasyon modeli hazırlanırken, yayın yüklü haldeki pozisyonu kullanılmıştır. Ancak bu modelin yüklü haldeki davranışı birebir göstermesi için; modelde kullanılan burçlara, temasların modellenmesinde kullanılan yaylara ve elastik davranış gösteren kiriş montajının“egien-mode”değerlerine, uygun önyüklerin tanımlanması gerekmektedir. Bunun için yazılımın“Preload”modülü kullanılmıştır. Yaprak yaya yüklü halde gelen normal yük tanımlanarak, yaprak yayın o serbestlik derecesindeki kuvvet dağılımı enerji metotları ile bulunur ve bahsedilen elastik elemanlara dağıtılır. Böylece temas alanlarında, gözlerde ve kiriş elemanlarında önyükler tanımlanmış olur. Oluşturulan yaprak yay çokcisimli simülasyon modelleri ile çeşitli simülasyonlar yapılmış ve sonuçları irdelenmiştir. Bu modellerden ilki yalnızca yaprak yayı içeren ve basit serbestlik dereceleriyle oluşturulmuş modeldir. Bu modelde sürtünmenin etkisi ile ilgili parametreler irdelenmiş, kuvvet-deplasman grafiği ve bu grafikteki histerezis değerlendirilmiş ve test sonuçları kullanılarak modelin doğrulaması yapılmıştır. Doğrulamanın yapıldığı model test koşullarını birebir yansıtacak şekilde hazırlanmıştır. Model sonucunda farklı deplasman ve frekans değerleri için histerezis eğrileri ve eğri altında kalan alanlar hesaplanmıştır. Eğri altında kalan alan direkt olarak sönüm katsayısı ile matematiksel olarak ilişkilendirilebilmektedir. Böylece yaprak yayın farklı çalışma koşullarında sisteme ek nasıl bir sönüm yarattığı gözlemlenebilmektedir. Bu katkının doğrusal bir şekilde ifade edilememesi ve hareket denkleminin çıkarılamaması, taşıt üzerindeki etkilerinin irdelenmesi için detaylı bir model kurulması gerekliliğini göstermiştir. Bahsedilen doğrusalsızlıkların etkisi göz önüne alınarak, yaprak yay çokcisimli simülasyon modelinin bağlandığı bir çeyrek araç modeli oluşturulmuştur. Bu model, yaprak yayın çeşitli çalışma koşullarında aracın dinamiği üzerine etkilerinin irdelenmesi amacıyla kullanılmış, bu nedenle çıktılar titreşim izolasyonu ve dinamik teker hareketi oranı olarak incelenmiştir. Bu değerler çeyrek araç modellerinde, araç süspansiyonunun dinamik davranışlarının değerlendirilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Oluşturulan modelin parametreleri, yaylanan ve yaylanmayan kütle doğal frekansları yaklaşık olarak sırasıyla 1 ve 10 Hz olacak şekilde ayarlanmıştır. Bu değerler kara taşıtlarında yaygın olarak karşılaşılan değerlerdir. Oluşturulan çeyrek araç modelleri ISO 8608:2016 standardında tanımlanmış olan yollar kullanılarak tahrik edilmiştir. ISO 8608 standardı, sokaklar, otoyollar ve arazi yolları için yol profili ölçümlerini raporlama yöntemini sunar. Bu yöntem, dikey yer değiştirmenin güç spektral yoğunluğuna (PSD) dayalı dikey yol profili sınıflandırmalarını belirtir. Sınıflandırılmış PSD'lerin çift logaritmik skalada eğrileri doğrusallaştırılmış ve bu doğru, dalgalanma ve eşitsizlik indeksi olarak adlandırılan iki parametre ile ifade edilmiştir. Standartta yollar A-H arası alfabe harfleriyle isimlendirilmiştir. Bu isimlendirmede A en düzgün H ise en kötü yol olacak şekilde sıralama yapılmıştır. Literatürdeki kaynaklar PSD değerlerinin, frekans alanında harmonik fonksiyonların genliklerine dönüşümüne izin vermektedir. Böylece, çeyrek araç modeli, seçilen frekans aralığında, seçilen yol profiline uygun genliklerle tahrik edilebilmiştir. Yol profillerinin seçilmesinin başlıca sebebi, sürtünmenin tutma davranışının düşük genlikli yollarda baskın olacağının ve dinamik davranışı değiştireceğinin düşünülmesidir. Bu nedenle yüksek genliklere sahip kötü yollar ve düşük genliklere sahip otoban benzeri iyi yollar için modelin değerlendirilmesi yapılmıştır. Çeyrek araç modelinin yol profilleri ile değerlendirilmesi sonucu B sınıfı iyi yolda, sürtünmenin fazla olduğu yaprak yay modelinin ağırlıklı olarak tutma sürtünme rejiminde çalıştığı, böylece hem sönümün düşük olduğu hem de yay sertliğinin arttığı gözlemlenmiştir. Sürtünmenin azaltılmış olduğu yaprak yay modelinde ise bu davranıştan uzaklaşıldığı ve sönümün arttığı gözlemlenmiştir. E sınıfı kötü yol profilinde ise, sürtünmenin en yüksek olduğu modelde kayma daimi olduğu için, sürtünme kaynaklı sönümün arttığı ve yaylanan kütle doğal frekansı civarında hem titreşim genliklerinin hem de teker hareket oranı genliklerinin küçüldüğü gözlemlenmiştir. Bu çalışma sonucunda, testler ile doğrulanmış bir yaprak yay çokcisimli simülasyon modeli oluşturulmuştur. Geçmiş çalışmalardaki modeller gerçekçi sürtünme modelleme teknikleri ile geliştirilmiş ve test ile doğrulaması da sağlanmıştır. Kuvvet-deplasman grafiklerinin incelenmesiyle bu yaprak yay modelinin hareket denkleminin doğrusal olarak ifade edilmesinin zor olacağı sonucuna varılmıştır. Bu nedenle çokcisimli simülasyon modellerinin daha gerçekçi sonuçlar için kullanılabileceği düşünülmüştür. Katlar arası sürtünmenin molibden disülfit (MoS2) uygulanarak azaltılabileceği değerlendirilmiş, literatürden statik ve dinamik sürtünme davranışları ile ilgili bilgiler toplanmış ve çokcisimli simülasyon modeline entegre edilmiştir. Kötü yol koşullarında ve daha düşük hızlarda, yaprak yaylarındaki sürtünmeyi azaltmanın sönümü azalttığı gözlemlenmiştir. Enerji yayılımındaki azalma nedeniyle, yaylanan kütlenin doğal frekansında teker hareket oranları ve geçirgenlik oranları artmıştır. Sürtünmeyi azaltmanın yaylanan kütle doğal frekansı etrafında yol tutuşu ve titreşim yalıtımı özellikleri üzerinde olumsuz etkileri olduğu ancak yaylanan ve yaylanmayan kütle doğal frekanslarının arasındaki değerlerde olumlu etkileri olduğu söylenebilir. Daha yüksek araç hızına sahip iyi yol koşullarında ise, yaprak yay tutma durumunda çalışmaktadır. Bu durum, yaylanan kütle doğal frekansı etrafında geçirgenlik oranı ve dinamik lastik sapması için daha yüksek genliklere neden olan süspansiyon sisteminin yay sertliğini doğrudan arttırır. Bununla birlikte, molibden disülfit kullanılarak sürtünmenin azaltılması, yayın daha uzun süre kayma durumunda çalışmasına izin verdiği ve yay sertliğini azalttığından bahsi geçen etkileri azaltır. Bu etkiler süspansiyon dinamiklerini değiştirmek için yeterince yüksek olduğundan, bahsedilen etkilerin değerlendirilmesi gerektiği düşünülmektedir. Molibden disülfit gibi yağlamaların kullanılması, yapraklar arasındaki sürtünmenin olumsuz etkilerini gidermek için avantajlı olabilir. Ancak, titreşim izolasyonu ve yol tutuşunda sürtünmenin azaltılmasının olası olumlu ya da olumsuz etkileri dikkate alınmalıdır. Bu çalışmada sürtünme etkilerini incelemek için dört katlı bir ön aks yaprak yayı kullanılmıştır. Daha fazla normal yüke ve daha geniş bir temasa sahip olan çok yapraklı yaylar için sürtünme enerji kaybının artacağı söylenebilir. Daha sonraki çalışmalar için, bu yaylar, çok yapraklı yaylar olarak çalışmada sunulan yöntemle modellenebilir ve sürtünme etkileri, araç dikey davranışında incelenebilir. Değişen sürtünmenin belirtilen etkilerinin bu tür yaprak yaylar için daha yüksek olduğu düşünülebilir. Gelecekteki çalışmalar için tam veya yarım araç analizinde yaprak yay modeli kullanılabilir ve farklı yol profillerinde davranışları gösterilebilir.
Özet (Çeviri)
Leaf spring is one of the oldest components used in the suspension system of the ground vehicles due to its high load capacity and cost efficiency. Leaf springs still have wide usage in today's vehicles, mostly on the load carrying ones such as trucks, vans or pick-up trucks. Computer aided engineering methods are very common in automotive design engineering. The developing technology enables engineers to simulate accurate models instead of testing and improves the design process. The wide usage of the leaf spring in vehicles, makes this component a focus for computer aided engineering models. In order to create accurate models of the leaf spring, characteristics of the leaf spring in the desired study should be well-known. One of the characteristics of the multi-leaf springs is the friction between the leaves. Frictional contact on leaf springs has several effects on the system. One of the most obvious effect is the energy dissipation due to relative motion of the adjacent leaves. This directly acts as a damping on the vehicle suspension system. Friction also cause dynamic rate changes of the leaf spring. One of the disadvantages of the leaf spring inter-leaf friction is noise and surface wear. In previous studies, some methods are suggested to reduce the friction in leaf springs in order to eliminate the disadvantages. The advanced necessities in automotive industry and the developed technology also shows its effects in leaf spring designs. The newer leaf springs have more complex geometries and less leaves when compared to the older ones in order to optimize the durability and NVH behavior. However the inter-leaf friction in multi-leaf springs is still an issue that has to be considered. Friction in leaf-springs were studied in many aspects until now. This study focuses on to create and accurate multi-body simulation model of the leaf spring and the study of frictional effects on its vertical behavior. In order to obtain vertical behavior of the suspension with leaf spring, multi-body simulations are conducted on quarter-car and leaf only setups.
Benzer Tezler
- Herbisitlere alternatif olan alevleme ve mekanik mücadele yöntemlerinin ayçiçeğinde yabancı otlar üzerindeki etkisinin araştırılması
Investigation of the effects of flaming and mechanical control methods, which are alternative to herbicides, on weed control at sunflower
FURKAN UYAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
ZiraatMalatya Turgut Özal ÜniversitesiBitki Koruma Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİHAT TURSUN
- Bitkilerin tuz stresine toleransında salisilik asit ve prolin'in fizyolojik rolünün araştırılması
The investigation of physiological roles of salicylic acid and proline in the tolerance of plants towards salt stress
AYŞE BARAN
- Turunçgillerde ara anaç uygulamalarının uyuşmazlık ve büyüme gücü üzerine etkilerinin araştırılması
Investigations of the effects of the citrus interstocks application on growth and incompatibility
MÜGE UYSAL KAMİLOĞLU
Doktora
Türkçe
2009
ZiraatÇukurova ÜniversitesiBahçe Bitkileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TURGUT YEŞİLOĞLU
- Investigation of the effects of salty water on growth and leaf chemical compounds of alder and ash trees in Karacabey floodplain forests
Karacabey Subasar ormanlarında tuzluluğun ağaçların büyüme ve yaprak kimyasal bileşimine etkisinin araştırılması
RAGHAD SAMI SAHIB MOHAMMED ALI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Ormancılık ve Orman MühendisliğiBursa Teknik ÜniversitesiOrman Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TEMEL SARIYILDIZ
- Kahramanmaraş koşullarında turp bitkisinin ikinci ürün mısır bitkisi üzerinde allelopatik etkisinin araştırılması
The investigation of allelopathic effect of radish plant on the second crop corn plant in Kahramanmaras conditions
TUĞBA NARLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
ZiraatKahramanmaraş Sütçü İmam ÜniversitesiTarla Bitkileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEYLA İDİKUT