Geri Dön

Optimization design parameter of dual mass flywheel coupled with a non-linear elastic path

Lineer olmayan elastik yol ile çalışan çift kütleli volan tasarım parametreleri optimizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 807252
  2. Yazar: GÖKAY KARAKUŞ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. OSMAN TAHA ŞEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Otomotiv Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 81

Özet

Günümüzde, otomotiv endüstrisinde çevre koruma, konfor, sürüş dinamikleri, performans ve ekonomi anlamında beklentiler çok yukarıdadır. Bu yüzden otomotiv sektöründe bilgi birikimi, tecrübe, Ar-ge çalışmaları bu beklentiyi destekler nitelikte olmalıdır. İçten yanmalı motordan elde edilen gücün akslara oradan da tekere iletilmesi konusunda birçok önemli çalışma bulunmaktadır. Güç aktarım sisteminde en önemli parçalardan biri olan volanın görevi motor tarafında oluşan hız/tork dalgalanma düzeyini düşürmektir. Volan üstünde yapılan çalışmalarla paralel olarak sadece tek kütleli volan değil aynı zamanda çift kütleli volanın da kullanılabileceği ortaya çıkmıştır. Çift kütleli volan kısaca iki adet tek kütleli volanın arasında yaylı amortisör sistemi ile birbirine bağlanmış hali olarak kabul edilebilir. Genelde güç yoğunluğu fazla olan motor tiplerinde kullanıldığından dolayı, dizel motorlarda daha yaygın olduğu görülmektedir ve güç aktarım sistemi dinamikleri üzerinde olumlu etkilere sahip olduğu düşünülmektedir. Çift kütleli volanın tarihçesine bakarsak, ilk olarak 1985 yılında üretildi. Başlangıçta volan içindeki amortisörler yağlanmadan kullanılmıştır. Ayrıca yaylar dışarıdan bağlantılı olduğu için bazı aşınma problemleri oluşturuyordu. 1987 yılına gelindiğinde, çift kütleli volan ilk kez gres yağı kullanılarak yağlanmıştır. Böylelikle çift kütleli volanın ömür problem ortadan kaldırılmıştır. 1989 yılında çift kütleli volanlarda ark yaylı sönümleyici kullanılmaya başlandı ve bunun sayesinde rezonans problemleri çözüldü. Ayrıca yapılan her bir geliştirme ile üretim maliyetleri de sürekli azalmaktaydı. Volanın ana (birinci) kütlesi ilk üretim yapılırken döküm veya dövme çelikten yapılmıştır. Ancak zaman geçtikçe birincil kütle sac parçalardan oluşturulmaya başlanmıştır. 1995 yılında volanın birincil kütlesinin atalet momentini arttırmak adına sacdan yapılmış katlanmış kütleler (folded masses) geliştirildi. Bu gelişme ile birlikte çift kütleli volanın araçlarda kullanılma sıklığı artmaya başlamıştır. Çift kütleli volanın çalışma prensibine bakıldığında, bu tez özelinde seçilen volanın 6 adet eğri yayı (arc-spring), 8 adet de yay yatağı bulunmaktadır. Motorun krank eksenine dik eksende bu yay ve yatakları simetrik olarak konumlanmıştır. Dolayısıyla volanın üç yay ve dört yay yatağı var gibi çalışma prensibine değinilecektir. Sistem sıkışmaya başlamadan önce üç yay birbirine seri olarak bağlıdır. Daha sonra volanın açısal hareketi ile birlikte, üçüncü yay sıkışmaya başlayacak; üçüncü ve dördüncü yatak birbirine yaklaşmaya başlayacak. Bu duruma birinci sıkışma evresi denmektedir. İkinci sıkışma seviyesinde, volanın dönme açısı daha da artmaktadır ve dördüncü yatak, üçüncü yatağa temas edecektir. Bu durumda üçüncü yay daha fazla sıkışamayacaktır ve sistemde sadece birinci ve ikinci yaylar çalışmaya devam edecektir. Üçüncü sıkışma seviyesi ise sistemin en fazla çalışabileceği aralığı gösterir. Üçüncü sıkışma evresinin sonunda artık son iki yay yatağı ikinci yatak ile temas etmektedir. Bunun sonucunda ikinci yay da sıkışamaz hale gelmektedir. Bu evre, seçilen volanın maksimum çalışma aralığını gösterir. Tek kütleli volan ile karşılaştırıldığında, çift kütleli volanın maliyet gibi dezavantajları olsa da elde edilecek potansiyel iyileştirmeler dikkate alındığında çift kütleli volanın kullanımı yaygınlaşmıştır. Bu avantajlardan tezde detaylıca bahsedilecek olup kısaca, burulma titreşimini düşürme, izolasyon, şanzımana gelen yüklerin azaltılması, krank miline gelen yüklerin azaltılması denebilir. Bu tez çalışmasında öncelikle volan hakkında bilgi verilmiştir. Daha sonra çift kütleli volanın parçalarından ve avantajlarından bahsedilmiştir. Devamında motor çalışırken, çift kütleli volanın çalışma prensiplerinden ve davranışından bahsedilmiştir. Ayrıca tek kütleli volan ile karşılaştırılmış olup, çift kütleli volan kullanımı ile motorun rezonans bölgelerinin motor rölanti devrinin altına düşürdüğü gözlemlenmiştir. Tüm bu önemli bilgiler açıklandıktan sonra, çift kütleli volanın matematiksel modeli oluşturulmuştur. Modelde yapılan tüm analizler Matlab program ile yapılmıştır. Seçilen parametrelerin sistem üzerindeki etkilerini belirlemek için duyarlılık analizi yapılmıştır. Seçilen tasarım parametrelerinden kısaca bahsedecek olursak rijitlik oranı, sönümleme oranı ve atalet oranıdır. Bu oranlardaki yapılan optimizasyon çalışmasında değişiklikler ikinci kütle üzerinde yapılmış olup, oran artış azalışı bu şekilde sağlanmıştır. Ayrıca sistem lineer olmayan kübik bir yolda çalıştığı için lineer olmayan rijitlik oranı da sistemi doğru incelemek için önemli bir parametredir. Oluşturulan matematik modeline göre birincil kütle, sadece kendisi için değil aynı zamanda motor tarafının dinamik özelliklerini de temsil etmektedir. Bu yüzden sistem 3 yerine 2 serbestlik derecesine sahiptir ve tork girişi motor tarafından verilmiştir. Burada asıl titreşim dengesizliğinin yaratıldığı bölgenin içten yanmalı motor tarafında olması esas alınmıştır. İçten yanmalı motorda her bir silindir içi patlamada oluşan bu hız ve tork salınımı matematik modelde belirtilmeye çalışılmıştır. Motor girişine göre bakıldığında transmisyon tarafındaki açısal yer değiştirmeler stabil kaldığından modelin transmisyon ile bağlantısı sabit kabul edilmiştir. Analiz çıktılarına ilerleyen bölümlerde detaylı bakılacaktır. Ancak kısaca değinilmek istenirse, seçilen sistemde atalet oranlarını (I2/I1) azalttığımızda sistemi tanımlayan kütlelerin genliklerinin düştüğünü görebiliriz. Sönüm oranının etkisi ise ters orantılıdır. Yani sönüm oranını arttırdığımız zaman, sistemdeki kütlelerin hareket genlikleri düşüş göstermektedir. Yay kat sayısı oranı diğer parametrelerin aksine (k1/k2) olarak alındığı için oranı arttırmak için ikinci yayın kat sayısını düşürmek gerekmektedir. Yay katsayı oranı arttırılırsa sistemin deplasmanı da düşmektedir. Bu çalışmada incelenen motor, kamyon ve deniz taşıtlarında kullanılan ağır hizmet motorları ile aynı prensiptedir. Bu tezde kullanılan tork değerleri bilgisayar ortamında elde edilmiş I6 kamyon motoru verileridir. Elde edilen test verilerine göre, tork girişi ve ataletler, sönümleme katsayıları ve rijitlik katsayıları gibi tanımlanmış parametreler sayesinde iki kütlenin yer değiştirme cevapları incelenmiştir. Ayrıca çift kütleli volan seçilirken birçok tedarikçi incelenip, Valeo ya da Geislinger kitapçıklarından sisteme uygun bir çift kütleli volan bulunabilmektedir. Uygun volan seçilirken boyutsal olarak SAE standartları dikkate alınmıştır. Seçilen motorun volan-transmisyon tarafında SAE-1 tasarımına sahip olduğu için volan da uygun olarak SAE-1 standardında seçilmiştir. Tezin ikinci bölümünde ise oluşturulan modelin arka planında yapılan matematik hesapları ve bu hesapların teorisinden bahsedilmiştir. Öncelikle matematiksel modelin hareket denklemleri oluşturulur. Bu noktada sistem 2 serbestlik derecesine sahip olduğu için 2 adet hareket denklemi kurulması doğrudur. Sistemin bir tarafı transmisyon tarafı olup herhangi bir dış kuvvet ya da tork eklenmemiştir. Sistemin diğer tarafında ise içten yanmalı motor bulunmaktadır ve buradaki tork dalgalanmaları elde edilen test verileri kullanılarak matematik modeline eklenmiştir. Sistem, lineer olmayan kübik yolla birleştirilen hareket denklemlerine sahip olduğu için denklemlerin daha kolay çözülmesi adına boyutsuz hale dönüştürülmüştür. Zaman alanındaki çözümler bu şekilde yapılmış ve tüm parametrelerin etkileri anlatılmak istenmiştir. Bu noktada seçilen parametreler kütlelerin atalet, sönüm ve yay katsayıları oranlarıdır. Ayrıca sistem lineer olmayan bir sistem olduğu için, sistemde ekli olan lineer olmayan yay katsayısı da incelenmiştir. Frekans alanındaki çözümü elde etmek için çok terimli harmonik denge yöntemi (MHBM) kullanılmıştır. Dolayısıyla zaman alanındaki çözümde kullanılan boyutsuz denklemler MHBM kullanılarak dönüştürülmüştür. Buradaki amaç lineer olmayan sistemin sabit durum cevabı (steady-state response) vermesidir. Tezin üçüncü bölümünde ise önemli sistem parametreleri değiştirilmiş ve parametre sapmalarına göre sistem yanıtı analiz edilmiştir. Rijitlik, sönümleme ve atalet değerleri sistem üzerinde modifiye edilmiş ve sistem tepkisi üçüncü bölümde ayrıntılı olarak tartışılmıştır. Bu sistem analizi hem zaman hem de frekans alanında yapılmıştır. Son bölümde ise zaman ve frekans alanlarında doğrusal olmayan modelden elde edilen sonuçlar incelenmiştir. Parametrelerin değişikliği sistemi nasıl ve ne kadar etkilediği incelenmiş ve genel olarak son bir yorum belirtilmiştir.

Özet (Çeviri)

Today, expectations from automotive industry are high in the fields of performance, comfort, economy and environmental protection. That is why, the automotive industry must have a knowledge, experience, development processes, and strong research. Hence, the design of the components that transmit power from the internal combustion engine to the wheels via axes in a vehicle are crucial research topics. The flywheel, which is the primary element in power transmission system, works in engine in order to reduce the speed fluctuations on the crankshaft. Along with the studies in the field of flywheel development, dual-mass flywheels have been started to be used as an alternative to the single-mass flywheel. Briefly, the dual mass flywheel can be defined as the combination of two single mass flywheels. The spring damper system is combined with these two single mass flywheels. The dual-mass flywheel, which is used in diesel engines, is thought to have favorable effects on the dynamics of the power transmission system compared to the single-mass flywheel. In 1985, the first dual mass flywheel (DMF) was manufactured in automotive sector. In begin, dampers in flywheel were not lubricated and the springs are stand away from outside and created some wear problems. In 1987, DMF is lubricated with grease oil for the first time. Service life problem was no longer an issue thanks to grease oil application. Around 1989, arc spring damper was innovation for the DMF, and it had pretty much solved all resonance problems. Alson manufacturing costs were continually reduced. The primary mass of flywheel was made by casting or forged steel at first production batches. Over time, the primary mass was formed from sheet metal parts by metal-forming specialists. In 1995, folded masses were developed from sheet metal in order to increase inertia moment of primary mass of flywheel. This development led to the widespread use of the DMF. However, there is some disadvantages such as cost, the achievable improvements are seen clearly, therefore, DMF are used widespread in vehicles. There are some advantages of dual mass flywheel such as isolation from torsional vibration, relief of transmission and crankshaft. Within the scope of this study, firstly, give information about flywheel, parts of dual mass flywheel and its advantages. Then, while engine is running, the working principles of dual mass flywheel is mentioned. Also, the single mass flywheel and dual mass flywheel are compared and it has been observed that the resonance regions are reduced below the engine idle speed with the use of dual-mass flywheel. After all crucial information was explained, mathematical model of DMF is built. The model was solved in Matlab for all optimization. Sensitivity analysis was done in order to determine the parameter effects on system. The design parameters were determined as stiffness ratio, damping ratio and inertia ratio. Also, the system was running on non-linear cubic path, that is why, non-linear stiffness ratio is also important parameter to examine system correctly. The primary body represent not only primary flywheel itself but also engine side dynamic properties. The system has 2 degrees of freedom and torque input was only from engine-side, in contrast, transmission side was assumed constant. Thus, any obtained displacement datas from secondary mass means the value of penetrate of vibration to transmission side. In this paper, the heavy-duty engine, which is used for truck or marine application, was examined and torque values were obtained from I6 truck engine test datas. According to obtaining test datas, output of two mass were examined thanks to torque input and another defined parameter such as inertias, damping coefficients and stiffening coefficients. Also, dual mass flywheel was investigated and chose feasible flywheel from Geislinger supplier booklet. When selecting the appropriate flywheel, dimensionally SAE standards were taken into account. SAE-1 flywheel is chosen since selected engine has SAE-1 design. In the second part of the thesis, the mathematical calculations made behind the model and the mathematical infrastructure are explained. First of all, create equation of motions according to mathematical model. Then, equations of motion are created, moreover, equations were converted to non-dimensional because of non-linear term in equations. For solving system in frequency domain, the multi-term harmonic balance method (MHBM) is used to built steady-state response in system coupled with non-linear cubic path. Hence, non-dimensional equations convert to nonlinear governing equations with using MHBM. In third section in this paper, the important system parameters were changed, and system response was analyzed according to parameter deviations. Stiffness, damping and inertia values were modified on system, and system response was argued at third section in detail. This system analysis was done both in time and frequency domains. The final chapter gives a last comment about results obtained from nonlinear model in time and frequency domains.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    675740

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

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

    ALİŞAN YÜCEŞAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ATA MUGAN

  2. Tez No

    716107

    Dual mass flywheel design optimization based on differential equation – neuroregression modeling approach

    Diferansiyel denklem – nöroregresyon modelleme yaklaşımı tabanında çift kütleli volan optimum tasarımı

    ÜMMÜHAN GÜMÜŞ ÖZEĞDEMİR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Makine Mühendisliğiİzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. LEVENT AYDIN

  3. Tez No

    771607

    Bir dizel motorun burulma titreşim analizi ve optimizasyonu

    Torsional vibration analysis and optimization of a diesel engine

    HAŞMET ÇAĞRI SEZGEN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Makine MühendisliğiNecmettin Erbakan Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA TINKIR

  4. Tez No

    75456

    Optimum design of rotor blades with equality constraint

    Elastik rotor pallerinin frekans eşitlikli optimizasyonu

    HÜLYA BULUR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1998

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. Y. KEMAL YILLIKÇI

  5. Tez No

    356041

    Hava-su iki fazlı akış parametrelerinin deneysel incelenmesi

    Investigation of air-water parameters on two phase flow

    AHMET BERK KURTULUŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURDİL ESKİN

Geri Dön