Geri Dön

Development and control of an active torsional vibration damper for vehicle powertrains

Taşıt güç aktarma sistemleri için aktif torsiyonel titreşim damperi geliştirilmesi ve kontrolü

PDF İndir

  1. Tez No: 675740
  2. Yazar: ALİŞAN YÜCEŞAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ATA MUGAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 90

Özet

İçten yanmalı motorların (ICE) ürettiği egzoz gazlarının insan sağlığı ve çevre üzerindeki olumsuz etkileri nedeniyle, ICE emisyonları ile ilgili yeni düzenlemeler hemen tüm ülkelerde yürürlüğe girmiş ve konuyla ilgili oldukça katı hedefler belirlenmiştir. Araç üreticilerinin bu katı emisyon hedeflerine ulaşabilmeleri için hem içten yanmalı motorlarda, hemde mevcut konvansiyonel güç aktarma sistemlerinde bazı teknik sorunları çözmeleri gerekmektedir. Elektrifikasyon bu açıdan hayati bir rol oynamakla birlikte aynı zamanda kendi teknik zorluklarını ve kısıtlamalarını da beraberinde getirmektedir ve bu sorunlar henüz aşılabilmiş değildir. Bu nedenle, ICE'ler literatürdeki çeşitli raporların da belirttiği gibi önümüzdeki on yıllarda pazarda yaygın olarak tercih edilmeye devam edecektir. Günümüzde, araç üreticeleri büyük oranda elektrikli araçlara yönelmiş gibi görünmekle birlikte diğer taraftan içten yanmalı motorların performans arttırımı ve düşük yakıt tüketimi üzerine optimizasyon çalışmaları yapmaya devam etmektedirler. Özellikle 2000'li yıllarda hız kazanan bu çalışmalar, modern içten yanmalı motorlarda downsizing, downspeeding, cylinder deactivation ve turbo supercharging gibi kavramların önemini ortaya çıkarmıştır. Bu çalışmalar neticesinde çok önemli kazanımlar elde edilmektedir ancak bu çalışmalar aynı zamanda motorun torsiyonel titreşimlerinin artmasına da neden olmaktadır. Bilindiği üzere, artan torsiyonel titreşimler güç aktarma organlarında sorunlar yaratmasının yanı sıra kullanıcı konforunu da oldukça olumsuz etkilemektedir. Debriyaj diskine yerleştirilen predamper mekanizması ve çift kütleli volan seçeneği bu sorunların çözümü için kullanılan iki temel yöntemdir. Günümüzde yeni üretilen binek otomobillerin, hafif ticari araçların güç aktarma organlarında bu çözümlerden ağırlıklı olarak çift kütleli bir volan (DMF) tercih edilmektedir, geri kalan minör kısım ise predamper mekanizması destekli bir debriyaj diski içeren tek bir kütle volan (SMF) ile kombine edilmiştir. En son teknoloji ürünü torsiyonel titreşim izolasyon sistemi, santrifüj sarkaçlı titreşim emici (CPVA) ve predamper destekli versiyonlarını içeren bir DMF'nin kullanıldığı ve özellikle Almanya menşeili araçlarda yoğunlukla kullanılan CPVA- DMF çözümüdür. Tüm bu titreşim izolasyon tasarım varyantları pasiftir ve salınım azaltma yetenekleri dikkate alındığında performans sınırlarına ulaşmıştır. İçten yanmalı motorların performans arttırma çalışmalarındaki gelişmelerin aksine bu sistemlerde uzun yıllardır önemli bir gelişme olmamıştır ve gelişen motor teknolojisine cevap verememektedir. 2040 yılına kadar tüm dünyadaki yoldaki araç sayısının iki milyara ulaşacağı ve mevcut araçların yanısıra, yeni üretilecek araçların da en az % 60 ila %70'inin ICE'lere sahip olamaya devam edeceği göz önüne alındığında torsiyonel titreşimlerin izolasyonu için yeni çözümlere ihtiyaç olduğu görülmektedir. Belirtildiği gibi içten motorların verim ve performans artışları, motorun ürettiği torsiyonel tireşimlerin de artmasına neden olmakta ve bu durum yenilikçi titreşim izolasyonu tasarım çözümlerini gerektirmektedir. Ancak bu çözüm, bir araç üreticisi açısından, olabildiğince basit, düşük maliyetli ve etkin bir çözüm olmalıdır. Literatürde hem pasif ve hem de aktif izolasyon sistemleri üzerinde çalışılmıştır. Bu noktada, aktif sistemlerin içerdikleri aktüatörler, sensörler ve çevre birimleri ile artan karmaşıklık, yüksek maliyet ve düşük verimlilik ihtimali gibi dezavantajlara sahip olmaları nedeniyle ilk bakışta pasif titreşim izolatorleri daha tercih edilebilir gibi görünmektedir. Buna karşın, aktif sistmeler ise sergiledikleri üstün performansları nedeniyle gerek taşıt süspansiyon sistemlerinde ve gerekse motor bağlantı takozlarında eksenel titreşimlerin izolasyonu için uygulamarda pasif sistemlerin yerini almaya başlamıştır. Ancak literatür araştırması bölümünde de görülebileceği gibi taşıt güç sistemlerindeki torsiyonel titreşimler için kullanılan veya tek başına kullanıma uygun olan herhangi bir aktif sistem henüz yoktur. Bununla birlikte, yeni bir çözüm veya konsept yaklaşım için mevcut olan talep yeni araştırma alanları açmıştır ve aktif torsiyonel titreşim izolatörleri de araştırmacılar tarafından teorik ve deneysel olarak incelenmiştir. Bu alanda yapılan çalışmaların büyük bir çoğunluğu ise piezoelektrik aktüatörlerin kullanıldığı yada manyeto-reolojik akışkanların (MRFD'ler) kullanıldığı sistemler ile ilgilidir ve bu yaklaşımların dışında aktif sistemler ile ilgili sınırlı sayıda tasarım konsepti vardır. Bu iki yaklaşımdan, piezoelektrik aktüatörler, bilindiği gibi düşük seviyeli tork üretebildikleri için genellikle düşük güçlü tahrik sistemlerinde kullanılabilmektedir. MRF tipi sistemler ise genel olarak sarkaç tipi bir emici (CPVA) gibi torsiyonel titreşimleri azaltmak için kullanılan yardımcı veya destekleyici bir sistem olarak incelenmiştir. Çünkü, yapıları gereği tüm motor torkunu tek başına transmisyona aktarmaları uygulamada pek mümkün görünmemektedir. Bu nedenle, ticari bir ürün olarak, taşıt güç aktarma sisteminde görülen torsiyonel titreşimleri tek başına izole ederken motor torkunun kayıpsız iletimini sağlayabilen MRF tipi veya piezo tipi aktif torsiyonel titreşim izolatorü yoktur. Üstelik, pasif sistemlere ilave yardımcı bir sistem olarak kullanılan versiyonları da henüz bulunmamaktadır. Partiküllerin manyetikleşmesi, sıkma kuvvetini azaltan topaklanma etkisi, manyetik partiküllerin oksidasyonu nedeniyle oluşan sert bölge, sızdırmazlık, ağırlık, çevre için tehlikeli olması, sıvı içindeki manyetik tozun tortulaşarak MRFD içindeki yüzeylerde aşınma ve dayanıklılık sorununa yol açması gibi sorunlar nedeniyle henüz taşıt güç aktarma sistemlerinde uygulanamamıştır. Bu çalışma, yeni bir yaklaşımla, yenilikçi bir torsiyonel titreşim izolasyon sistemi geliştirilmesini hedeflemiştir. Titreşim üzerinde etkili olan parameterler gö önünde bulundurularak değişken atalet, değişken direngenlik ve değişken histerezise sahip yeni bir aktif torsiyonel titreşim damperi (ATVD) konsepti geliştirmesine odaklanılmıştır. ATVD'nin amacı, pasif sistemlere kıyasla, sistemin iletim (transmissibility) frekansını düşürmek ve pasif sistemlerde yapılmak zorunda olunan trada-off'ları da ortadan kaldırmak suretiyle torsiyonel titreşimlerin güç aktarma sistemine daha az aktarılmasını sağlayarak farklı motor çalışma noktalarında ortaya çıkan farklı salınım türleri veya rattle gibi fenomenleri azaltmak, bu sayede yakıt verimliliğini arttırmaya yönelik yukarıda belirtilen çalışmalar için yeni konfor alanları oluşturmaktır. Bu kapsamda, öncelikle yeni bir elektromekanik sistem tasarımının detayları paylaşılmıştır. Önerilen yapı, esas olarak direngenlik oranını, histerezis miktarını ve atalet momentini bir kontrol sistemine göre ayarlayabilen değişken parametreli doğrusal olmayan bir sistemdir ve bu sistem, motorun tüm çalışma noktalarına ait torsiyonel titreşimlerini azaltmak için varsayımsal olarak geliştirilmiş ve irdelenmiştir. Kontrol algoritmalarına sahip ATVD'nin mimarisi ve pasif sistemlere göre avantajları çalışma boyunca sunulmuştur. Önerilen ATVD'nin doğrusal olmayan bir matematiksel modeli sunulmuş ve torsiyonel titreşimlerini azaltmak için öncelikle bulanık mantık kontrol sistemi (FLC) tasarlanmıştır ve çalışma eş-simülasyon yöntemi ile Ansys Workbench, Siemens NX Motion, Simcenter Amesim ve Matlab Simulink programları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. FLC'nin üyelik fonksiyonları, motor için seçilen altı farklı çalışma pozisyonunun her biri için en iyi titreşim izolasyonu sağlayan optimum direngenlik oranı, histerezis ve atalet değerleri, deneme-yanılma yöntemi ile belirlenerek oluşturulmuştur. Önerilen ATVD'nin performansı, örnek bir çevrim simülasyonu ile değerlendirilmiştir. ATVD-FLC yapısının, hem rezonans oluşumunu bastırmada hem de altı çalışma noktası için motor torsiyonel titreşimlerinin izolasyonunda üstün bir performans sergilediği simulasyon sonuçlarında gözlenmiştir. İkincil olarak, farklı bir kontrol sistemi uygulamasına, model öngörülü kontrolör (MPC) yapısına odaklanılmıştır. FLC uygulamasındaki gibi belirlenmiş altı çalışma noktası yerine moturun tüm çalışma aralıklarında üretebileceği titreşimler üzerinde etkin olabilecek kapalı-çevrim bir kontrol sistemi geliştirmek hedeflenmiştir. Bu amaçla, MPC algoritması tasarlanmış ve denetleyicinin performansı irdelenmiştir. Çeşitli motor çalışma noktalarındaki tahmin modellerinde kullanılmak üzere MPC yapısı, durum-uzay modeli ve kısıtlama tanımları oluşturulmuştur. Simülasyon sonuçları bulanık mantık denetleyicisinin sonuçları ile karşılaştırılmıştır. İki farklı kontrolcu performansının izlenmesinin nedeni, ATVD'nin, belirli motor konumları için önceden belirlenmiş paramatrelerle FLC gibi bir kontrolcü ile bir MPC denetleyici üzerinden karşılaştığı herhangi bir motor konumu için kendi parametre değerlerine kendisinin karar verdiği bir kontrolcüyle, etkinliğini irdeleyebilmektir. Simülasyonlar, ATVD sistemine uygulanan MPC'nin kısıtlamalar içerisinde kalırken tatmin edici bir şekilde referans sinyali izleme performansı sağlayabildiğini açıkça göstermiştir. Önerilen ATVD-MPC modeli, hem rezonans oluşumunu baskılamakta hem de her motor çalışma noktası için motor torsiyonel titreşimlerinin izolasyonunda tatmin edici bir performans gerçekleştirmiştir. Geliştirilen ATVD-MPC yönteminin, motorun istasyoner çalışma hızı konumları hariç hemen hemen her çalışma noktası için bulanık mantık denetleyicisine göre üstün performans gösterdiği izlenmiştir. Çalışmada son olarak, ATVD sistemi, Duffing osilatörü olarak modellenerek sistemin kararlılık analizi yapılmıştır. Bu amaçla, iki serbestlik derecelik bir titreşim sistemi modeli, tek serbestlik dereceli sisteme dönüştürülmüş ve frekans cevabı incelenmiştir. Rezonans durumundaki değişken parametrelerin sistem kararlılığı üzerindeki etkilerini incelemek için frekans yanıtının temel denklemleri elde edilmiştir. Bu denklem zorlanmış Duffing osilatör formuna dönüştürülmüş ve yaklaşık çözümlerinin elde edilebilmesi için çoklu ölçekler yöntemi kullanılmıştır. Kübik, doğrusal olmayan ATVD modelinin frekans yanıtı, birincil rezonans durumu için analitik olarak incelenmiştir. ATVD sisteminin frekans cevabı karakteristikleri ve kararlılık sınırları analitik olarak belirlenmiştir. Sistem parametrelerinin frekans cevabı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Matlab programı kullanılarak nümerik çözümler de elde edilmiş ve analitik sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Analitik sonuçların, kararsızlık gösterdiği sıçrama aralığının dışında, nümerik sonuçlarla uyum içinde olduğu gözlemlenmiştir. Analitik sonuçlar, belirli bir sıçrama frekans aralığı için, sistem cevabının üç farklı değerle sonuçlanabileceği ve dolayısıyla o aralıklarda iken bir titreşim izolatörü olarak davranabileceği gibi tam aksine titreşimleri artırabileceği sonucunu göstermiştir.

Özet (Çeviri)

The emission regulations on internal combustion engines (ICEs) have become more stringent and the importance of fuel efficiency has enhanced due to environmental pollution concerns. As a result, studies on optimization of ICEs put forward the consideration of downsizing, downspeeding and turbo supercharging concepts in designing modern ICEs and powertrains. Despite their numerous advantages, they result in boosted engine torsional vibrations which demands innovative vibration isolation solutions. Such a design solution should be uncomplicated and simple from an automotive manufacturer's point of view, meanwhile, be an extreme performer besides being a cost-effective solution. Passive and active dampers have been utilized to suppress torsional vibrations in the literature. At this point, the passive dampers appear more preferable at the first sight due to their cost advantage while active systems have the disadvantages of having higher costs due to the presence of actuators, sensors and peripherals, advanced complexity and potential of lower efficiency. But conventional passive torsional vibration damper systems like dual-mass flywheel (DMF) reached their limits and they are no longer able to sufficiently isolate the torsional vibrations of the state-of-the-art ICEs. Also, as seen in the literature survey section, there is no kind of active dampers for torsional vibrations which is equipped alone or proposed to be used in this context for vehicle powertrains and there is a huge demand for a new design solution to beat the performance constraints of passive isolation systems. Active isolators can address the limitations of passive dampers by varying its parameters with a control algorithm for the different types of oscillations or phenomenon emerging at different engine operating points without making trade-offs and they are flexible enough to respond to changing circumstances superposed with internal or external disturbances. Besides, whilst characteristics of passive damper components vary gradually in time during the whole vehicle life, the behavior of powertrain components including engine components also vary in course of time. Unfortunately, passive dampers may not satisfactorily compensate the varying torsional vibrations caused by the alterations in a powertrain while active dampers can. Motivated by those facts, this research centers on developing and controlling a novel active torsional vibration damper (ATVD) that has adjustable inertia, stiffness, and frictional hysteresis characteristics. The purpose of ATVD is to surpass the limitation of the passive isolation systems and to extend the vibration isolation range for the improvements of modern ICE concepts on fuel efficiency. In addition, in comparison to passive systems, it should provide alternative solutions for torsional vibration attenuation by eliminating trade-offs, improve the filtration of oscillation amplitudes to mitigate well-known rattling phenomenon of powertrains, compensate manufacturing errors, alterations, wear, etc. in powertrain components and suppress internal or external disturbances with a closed-loop control system. In this scope, firstly, a new electromechanical system (ATVD system) is hypothetically developed and undertaken to attenuate the torsional vibrations for all operating points emerging in the vehicle powertrain. Proposed ATVD is essentially a variable parameter nonlinear system that adjusts the stiffness rate, damping rate, and moment of inertia according to control law. A nonlinear mathematical model of the proposed ATVD is presented and a fuzzy logic control law is designed to attenuate the torsional vibrations. The co-simulation method is carried out by employing the Ansys Workbench, Siemens NX Motion, Simcenter Amesim, and Matlab Simulink programs. The performance of the proposed ATVD is assessed by simulations for a sample driving cycle. It is observed in the simulation results that the proposed ATVD and FLC law have displayed theoretically a superior performance in both suppressing the resonance occurrence and isolation of engine torsional vibrations for the six operation points. ATVD system architecture and its advantages over well-known state-of-the-art passive systems are demonstrated throughout the study. Secondly, the thesis focuses on another control system development which is the model predictive controller (MPC). The reason behind presenting the implementations of two distinct controller methods is to demonstrate how this novel design behaves by pre-determined variable decision rules within an FLC control architecture and by predicted variables with an MPC control architecture. Hence, each controller structure and their results are detailed. The MPC structure, state-space plant model including the ATVD and constraint definitions are composed to be utilized in prediction models at various engine operating point. Simulation results are compared with those of the Fuzzy logic controller. They indicate that the MPC is able to provide satisfactory set-point tracking performance while staying in the physical constraints and suppress the resonance occurrence and isolation of engine torsional vibrations for every engine operating points. It has superior performance than that of the FLC for almost every operating point except stationary speed positions. Finally, the thesis presents the stability analysis of the ATVD by modeling the system as the Duffing oscillator. The two-mass vibrating system model is transformed into a single degree of freedom system and its forced response is analyzed. The governing equations of frequency response are derived in order to examine the effects of variable parameters on the system stability in the resonance case. After casting the governing equations into the Duffing oscillator form for the forced response case, the method of multiple scales is employed to obtain the approximate solutions of the governing equations. The frequency response of the nonlinear ATVD model with cubic nonlinearity is analytically studied for the primary resonance case. The impact of system parameters on the frequency response behavior are investigated and numerical solutions are also obtained. It is observed that the analytical results are almost identical to the numerical results aside from the jumping range where the system frequency response can result in three different values and, hence, can behave as a vibration isolator or boosting the vibrations in that range.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    75327

    Deprem etkisindeki yapılarda aktif ve pasif kontrol sistemlerinin uygulanması

    Başlık çevirisi yok

    BARIŞ SARI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. A. NECMETTİN GÜNDÜZ

  2. Tez No

    556189

    Kolon süreksizliği bulunan betonarme bir binanın tasarımı ve deprem etkisi altındaki performansının değerlendirilmesi

    Design and seismic performance evaluation of a reinforced concrete building with column discontinuity

    UYGAR ÇAĞATAY KOÇLUK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TÜLAY AKSU ÖZKUL

  3. Tez No

    392833

    Development of the structural model for a thin walled open profile rectangular cantilever beam with longitudinally embedded piezoelectric

    Boyuna piezoelektrik şeritli, ince duvarlı, açık dikdörtgen profile sahip çıkma kirişin yapısal modeli

    ALI GOLPAYGANI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Makine MühendisliğiBahçeşehir Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. MEHMET BERKE GÜR

  4. Tez No

    335902

    Kat döşemeleri kompozit, B3 süreksizliğine sahip, karma yüksek yapının deprem etkisinde tasarımı

    Under of earthquake effect, design of composite high building that's story floors are composite, has B3 discontinuity

    SERPİL BOZKURT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEKİ HASGÜR

  5. Tez No

    758192

    Design and development of torsion spring based series elastic actuator with nested encoders for wearable exoskeleton robot

    Esnek giyilebilir dış iskelet için burulma yaylı dönel okuyucu yataklamalı seri elastik eyleyici tasarımı ve geliştirilmesi

    ALİHAN KURU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Makine MühendisliğiÖzyeğin Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZKAN BEBEK

Geri Dön