Ağır ticari taşıtlarda direksiyon sisteminin taşıt dinamiğine etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of the steering system on vehicle dynamic in heavy commercial vehicles
Yazar: İBRAHİM ENGİN ERBİL
Danışman: ÖĞR. GÖR. ORHAN ATABAY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasının temel amacı, ağir ticari taşıtlarda direksiyon sistemi hakkında detaylı bilgi vermek ve direksiyon sisteminin alt parçalarının tasarımının taşıtın genel taşıt dinamiğine etkilerini inceleyerek çekici tipi ağır ticari bir taşıtta optimizasyon çalışmaları yapmaktır. Optimizasyon çalışmaları için, ADAMs yazılımında oluşturulan model analizleri ve taşıtlar üzerinde yapılan testlerden elde edilen objektif veriler kullanılmıştır. Analiz çalışmaları kapsamında taşıtın taşıt dinamiği parametreleri arasından en fazla, taşıt çukur veya tümseklerden geçtiği zaman ya da virajlara girerken süspansiyon-direksiyon sistemlerinin birbirleriyle uyumu ve etkileşimi, sürücüye kadar gelen etkileri, ideal dönüş ve minumum lastik aşınması için gerekli olan ackerman kuralı üzerinde durulmuştur. Bu parametreler doğrudan direksiyon sistemi parçalarının bağlantı noktaları, şekilleri ve tasarımları ile ilgilidirler. Ayrıca taşıt testleri sırasında, değişik tahvil oranlı ve valf karakteristiğine sahip direksiyon kutularının taşıt dinamiğine etkileri de objektif verileri ile incelenmiştir.
İlk kısımda, ağır ticari taşıt tiplerinden kısaca bahsedilmiştir. Takiben yine aynı bölümde, ağır ticari taşıtlardaki direksiyon sistemi ve alt parçaları hakkında detaylı bilgilendirmeler yapılmıştır. Döndürülebilir aks sayısına göre direksiyon sistemi, tek aks veya çift aks döndürülebilir olarak ayrılmaktadır. Özellikle çift aks döndürülebilir taşıt tiplerindeki direksiyon sistemi parçaları fazla ve karmaşık bir yapıya sahiptirler. Bu tip taşıtlarda, sistemi destekleyen bir silindir ve bazı regülatif gereklilikleri sağlayan acil durum parçaları kullanılmaktadır. Ayrıca bu kısımda, direksiyon sistemi – taşıt dinamiği konularının beraber ele alındağı çalışmalar için literatür araştırması da yapılmıştır. Literatür araştırması kapsamında bulunan yayınlar incilenerek özet bilgi verilmiştir.
Diğer bölümde, çekici bir taşıtın direksiyon sistemi ve ön aks süspansiyon sisteminin Adams/Car yazılımında oluşturulmuş modeli üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Bu kısımdaki amaç; tek aks kontrol edilebilir direksiyon sisteminin mekanik ana parçaları olan pitman kolu – kısa rod, kısa rod – deve boynu ve çolak kolları – uzun rod parçalarının birbirine bağlandığı koordinatlar x, y ve z eksenleri boyunca değiştirilerek paralel, zıt hareket süspansiyon simülasyonları uygulanmıştır. Bu tip simülasyonlar sonucunda, taşıt dinamiği parametrelerinden bump ve roll steer değişimlerinin direksiyon sisteminden ne derece etkilendiği hakkında yorumlar yapılmıştır. Ek olarak, modele direksiyon simülasyon programı uygulanarak direksiyon sisteminin dönmesi sağlanır. Bu simülasyon sayesinde de, aks aralık bilgisi girilen taşıtın ackerman hatasındaki değişimin direksiyon sistemi bağlantı noktalarının koordinatlarından ne derece etkilendiği hakkında bilgi edilinebilir. Elde edilen ve incelenen tüm bu veriler sayesinde optimum seviyede bump – roll steer ve ackerman hatası eldesi için bağlantı noktaları belirlenerek mekanik parçaların tasarımına başlamak için sınırlar belirlenebilmektedir.
Bilgisayar destekli yazılım programlarında taşıta etki eden dış etmenlerin hepsi yansıtılamamaktadır. Ayrıca, iyi bir taşıt dinamiği için taşıt üzerinde yapılacak manevraların hepsi uygulanarak taşıt tepkisi subjektif ve alınan ölçümlerle objektif verilerle değerlendirilmelidir. Toplanan bu ölçümler karşılaştırmalı olarak kıyaslanarak tasarım seçimi ve çalışmalarına yön verilmektedir. Bu tez kapsamında, değişik tasarımlara sahip direksiyon sistemi alt parçalarının, çekici tipi bir taşıtta taşıt dinamiği testleri yapılmıştır. Denenen birden fazla çeşitliliğe sahip testlerin sonuçları alınarak tek bir grafikte karşılaştırılmıştır. Testler kapsamında taşıt statik halde, düşük hızlı park manevrası sırasında, düşük ve yüksek yanal ivmeli manevralar yapılmıştır. Bu manevralar sırasında direksiyon simidi moment ve tur açısı değerleri ile taşıta etki eden yanal ivme miktarları ölçülmüştür. Karşılaştırılan direksiyon sistemleri olarak, birbirinden farklı boylara sahip deve boynu parçaları denenmiş, ayrıca farklı valf karakteristiğine sahip direksiyon kutularının taşıt dinamiği etkileri karşılaştırılmıştır. Test edilen bu parametreler, değişik manevralara göre kendi içlerinde değerlendirilerek yorumlanmıştır.
Tez çalışmasının son kısmında ise günümüz ağır ticari taşıtlarında henüz kullanılmayan fakat yapılan yoğun çalışmalar ile kısa bir zamanda ağır ticari taşıtlara da entegresi sağlanacak ileri teknoloji direksiyon sistemlerinden bahsedilmiştir. Bu sistemlerin getireceği faydalar ve bu faydalı özelliklerin taşıtın taşıt dinamiğini nasıl etkileyeceği anlatılmıştır. Tezin sonuç kısmında da, yapılan çalışmalar özetlenerek, direksiyon sisteminin doğru şekilde optimizasyonu yapılması ile iyi taşıt dinamiği özelliklerinin elde edilebileceği yorumu yapılmıştır.

Abstract:
The aim of this thesis is to explain the steering system used on heavy commercial trucks and highligth the effects of steering system subcomponents to the total dynamic characteristic of heavy truck. During this study, to evaluate the effect of steering system, one of the computer aided simulation programme named Adams/Car was used, and with this programme  special suspension and steering simulations were run to see the vehicle bump and roll steer characteristic and also ackerman errors. Before this analyses, all these vehicle dynamic parameters were explained in detail and talked about in which drive conditions, bump and roll steer  occured. Also, the ackerman strategy on vehicle were determined and its impact on tire wear were importantly pointed out. In parallel, vehicle tests performed by changing the steering components in some variances to see the effects on vehicle dynamic characteristic change in terms of steering, ride and handling. During this vehicle tests, both subjective and objective evaluation have been done to correct the driver feelings that really sensitive to steering system. At the last section of the thesis, some examples were given about new technology steering systems which is really close to implement to the heavy commercial vehicles in coming years. In fact that not just talked about new technologies, but also commented on their vehicle dynamic effects.
In the last two decades, road transportation technology has been extremely expanded. With an increment vehicle volume on the road, the car accidents were increased day by day. Especially heavy truck involved accidents conclude more mortal due to its high impacts. To avoid road accidents, vehicle safety engineering studies are getting more important by all truck producers around the world. In general, safety parameter investigates in two catagories; Active and passive safety. Active safety parameter mostly researchs all the systems and designs which can prevent accidents such as anti-lock brake systems, collosion avoidance system, electronic stability control etc. Otherwise passive safety is interested deeply to protect people alive inside the vehicle after an accidents. For example, safety belts, airbags, emergency call system are some items for passive safety. In this thesis, steering system and vehicle dynamics which is really critic items for active safety were studied in detail.
In the first step, classification of the heavy commercial vehicle types and usages were mentioned. After this, the steering system being used on heavy trucks were determined in general, and talked about its working principle. All the subcomponents of steering system from steering wheel through the tires were determined and explained in detail. In general, steering system on heavy commercial trucks are devided two types; first one is named as single steer system in which system only first axle tires can be steerable by driver, and the other one is called as command steer system on that both first and second axle tires can be steered by driver. Single steer system were generally prefered on short wheelbase trucks such as tractors, and city trucks. Command steer systems mostly used on long wheelbase trucks like over 5000 mm wheelbase in order to rotate the vehicle with minimum turning radius and less tire wear. Because of creating a mechanical connection between first and second axle, there are many connection rods used if it is compared with single steer vehicle. Also, regulations obligate that the steering system must be controlled some how if any failure occured. Because of this regulations, command steering system on trucks additionally were designed with an emergency sytem that support driver to steer the vehicle up to 50 kgf and pull over the truck in safety during any failure on hydraulic steering system. That causes for command steer system to have many steering pipes and hoses to provide perfect hydraulic connection between steering pump, gear, tank and emergency system. In this section, all this components were introduced, but the Adams/Car analyses and vehicle tests were performed on a tractor which is equipped with single steer system. At the end of this section, technical database about heavy commercial trucks steering system and its dynamic effects to the vehicle were deeply scanned. Around 35-40 technical papers, thesis, articles etc. were read and noticed in this study about most important ones.
At the second section, analyses and studies were done with a steering and first axle suspension system model of a tractor that is created by using Adams/Car software. The target on this analyses to see the effects of changing single steer critical hardpoints which is pitman arm to drag link, drag link to upper steering arm, and lower steering arm to tie rod to the vehicle dynamic parameters as bump-roll steer and ackerman error. To complete the analyses, all the steering hardpoints as mentioned were moved between -30 mm and 30 mm through x, y, and z axis, and for bump steer results 'parallel travel', for roll steer results 'opposite travel', and at last for ackerman error 'steering' simulations were performed. While the 'parallel travel' simulation performed, the first axle moved up and down in parallel like the vehicle is drove over a bump or hole and during this motion, the tire angle change is measured as bump steer. While the 'opposite travel' simulation performed, when the left tire goes down, same time the right tire goes up like the vehicle is turned on a corner and during this motion, the tire angle change is measured as roll steer. At last during the 'steering' simulation performed, the steering wheel is turned up to lock means maximum steering whell turn like the vehicle is being parked, and the ackerman error measured. After each simulation, results were compared with the referance design. In conclusion of this section, the positive and negative effects of hardpoint changes were mentioned with a table and commented about the changes.
On computer aided simulation programmes, all the external factors that affects the dynamic characteristic of a vehicle can not be simulated at all. Also, to optimise and evaluate a vehicle as a dynamic terms, the test driver should apply all the manoeuvres to feel the vehicle reactions subjectively, and collect some datas and measurements to make a comment objectively. On this thesis, vehicle dynamic tests were performed by compare the effects of different steering system design and characteristic matters. During this evaluations, static and rolling parking, low and high g drives were done. First of all, two different upper steering arm were tested one by one during this drive conditions, and were judged in terms of ride,steering and handling parameters. Then, 3 different steering gear which are belonged different valve curve characteristic were implemented to the same tractor, and also evaluated one by one in terms of vehicle dynamic characteristic. End of the each study, the steering system changes were rated as positive or negative for each vehicle dynamic parameter.
On the last section of thesis, the new technologies on heavy commercial steering system that will be implemented not so many years later with a excessive development studies, but not used currently were explained. The possitive effects of this in coming steering system technologies to the vehicle dynamics also were told. With this new technologies, heavy commercial steering system will be more stable, tunable on required way, reliable, and less disturbances felt by driver. Controlling and driving a big truck will be as comfortable as driving a passanger anymore. 
In conclusion, all the studies done in this thesis summurized and advices given to improve the vehicle dynamic attribute by optimizing steering system with a correct way. During a new steering system design studies on heavy truck, all these analyses and vehicle tests should be done by engineers and producers. This thesis study will guide engineers to develop a good steering system in terms of vehicle dynamic characteristic.