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
Yazar: CAN DURMAZ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. VOLKAN SEZER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Küresel ısınmayla beraber emisyon probleminin giderek daha çok tartışılması ve yakıt fiyatlarının yükselmesi nedeniyle transmisyon sistemi üzerine çalışma sayısı artmaktadır. Bir çok transmisyon çeşidinin olduğu bilinmekle beraber en çok kullanılan Manuel Transmisyon (MT) ve Otomatik Transmisyon(OT)' un avantajları ve dezavantajları düşünülerek yeni bir transmisyon arayışı başlamıştır. MT' nin verimi, az yakıt tüketmesi ile OT' nin vitesleri sürücüden bağımsız değiştirme avantajları Otomatize Edilmiş Manuel Transmisyon (OEMT) sisteminde birleştirilmiştir. Mikroişlemci teknolojisinin gelişmesiyle beraber 1970' lerin sonuna doğru çoğu ülke OEMT sistemi üzerine çalışmalarını hızlandırmıştır \cite{chen}.

Bu çalışmada, TÜMOSAN DURA 1308 8+1 model senkromeçli manuel transmisyonun otomatik hale getirilmesinin temellerinin oluşturulması amaçlanmıştır. Otomatik hale getirilen 8 ileri, 1 geri vitese sahip transmisyonda, aracın 0' dan başlayarak hızlanmayla viteslerin 1' den 8' e kadar sırasıyla artması ve yük veya yokuş olması durumunda vitesleri düşürmesi için modeller oluşturulmuştur.

Bu çalışmada tüm modellemeler ve simülasyonlar Matlab Simulink ortamında gerçekleştirilmiştir. İlk olarak transmisyonun mekanik kısımları modellenmiştir. Mekanik model kavrama, DC motorlar ve dişliler olmak üzere 3 ayrı model içermektedir.  Bu modelin bir araç içinde entegre çalışabilmesi için motor ve araç modelleri de oluşturulmuştur. Tasarlanan OEMT sisteminin motor ile uygun olması adına aynı firmanın XENA 147 kW' lık motoru seçilmiş ve bu motorun hız-tork eğrileri kullanılmıştır. Araç modeli oluşturulurken TÜMOSAN taktik tekerlekli araç ailesinin parametreleri seçilmiştir. 

OEMT sistemini kontrol etmek üzere modellenen transmisyon kontrolcüsü tork kontrolü esas alınarak oluşturulmuştur. Motordan iletilen torkun araca en az kayıpla iletilmesi adına her vites için hız-tork aralığı bulunmuş ve viteslerin değişmesi için değişim hız aralıkları belirlenmiştir. Mekanik kısımda yer alan kavrama, X, Y ve takviye motorlarının yönetilmesi için de transmisyon kontrolcüsü tarafında ayrıntılı vites değişim senaryosu oluşturulmuştur. Motorların kontrolü için PI kontrolör seçilmiştir. Kavrama sisteminin basma ve çekme karakteristikleri farklı olduğundan her iki durum için farklı PI katsayıları bulunmuştur. 

500 sn' lik simülasyonların yapıldığı model için düz yol ve 5 derecelik yokuş yol olmak üzere iki farklı durum denenmiştir. Düz yolda aracın viteslerinin kademeli olarak istenilen şekilde arttığı gözlemlenmiştir. 5 derecelik yokuş yolda ise 150 ve 250. saniyelerde verilen eğime göre aracın bu zaman aralığında vitesleri düşürerek yavaşladığı ve 250. saniyeden sonra düz yola girdiğinde tekrar hızlanma ve vites yükselttiği gözlemlenmiştir. Her iki farklı simülasyon durumu için aktarılan torkun maksimumda tutulmaya çalışıldığı onaylanmıştır.

Bu çalışmada TÜMOSAN transmisyon ve motor parametreleri için verilen kritik değerler ticari açıdan değerli olduğundan benzetilen değerlerdir.

Abstract:
With global warming, emission problems and fuel prices, vehicle manufacturers increase the number of researches on vehicle efficiency. In order to maximize efficiency, manufacturers have been working on controlling transmission and motor systems. Transmission systems have a big effect on vehicle efficiency. There are many transmission systems like Manual Transmission, Automatic Transmission, Dual Clutch Transmission, Continuously Variable Transmission and Automated Manual Transmission. Manual transmission is less expensive, cheaper to maintain, better fuel efficiency. Automatic transmission is easier to use, more comfortable for the driver. Therefore, Automated Manual Transmissions are developed to combine the advantages of Manual and Automatic Transmissions. It is also an inexpensive add-on solution for classical Manual Transmission. 

The Automated Manual Transmissions(AMT) have similar mechanical structure with Manual Transmission. There is no clutch pedal and clutch cables. The actuation of clutch is done by clutch actuator. Gear select and shift cables are not needed because gear select and shift actuation are done by select and shift actuators. Actuators which are electrical or hydraulic are controlled by microcontroller. Microcontroller decides how to drive actuators according to gearshift scenario. The gearshift and clutch engagement are crucial for AMT efficiency. Thefore, gearshift scenario of microcontroller must be well-studied. If the shifting time range is  short, maximum torque is transmitted to vehicle. The loss of torque induces poor fuel economy. 

Clutch engagement control is important for shifting quality. Clutch engagement must be smooth.This engagement duration is called as the slipping-closing. Improper control of the clutch velocity and torque will result in vibration on driveline and extra fuel consumption. 

As a result of developments in electronics and control methods, electronic actuators have advantages compared with hydraulic system. Electronic actuators provide robustness, dynamic response and the potential for improving the efficiency. Therefore, using of electronic actuators in AMT systems is increasing day by day. 

The aim of this study is to make a start on automation of TÜMOSAN DURA 1308 8+1 model transmission which has synchromesh gear box. TUMOSAN DURA has 8 forward gears and 1 reverse gear. After starting from 0 km/h, TÜMOSAN DURA must step up gears from 1-4. Then, the reinforcement gear is activated and TUMOSAN DURA must continue to step up gears from 5-8. If the vehicle goes up the hill, the AMT system must decide to step down gears. 

All simulations and models are built in Matlab Simulink. The model has four parts; motor model, transmission model, transmission controller model and vehicle model. The main purpose is making a detailed transmission controller model so transmission controller is at the center of all Simulink model.

The AMT control system is done based on controlling motor torque. In the shifting process, torque and speed of the engine must be well controlled to reduce the shift jerk and power restoration time. In order to transmit maximum torque to the driveline, speed- torque range for each gear is found and then it is determined that which gear speed out value is optimum for gearshifting.

Transmission model includes three different sub-models which are clutch model, gear box model and DC motor models. Each three models are well studied to get proper AMT model. All used transmission parameters match with parameters of TUMOSAN DURA transmission. The clutch is dry clutch and it has two plates. The clutch is designed and selected regarding TUMOSAN XENA 147kw motor parameters. Vehicle parameters is taken from TUMOSAN tactical wheeled armored vehicle family. 

PI controller is selected for controlling all DC motor actuators in AMT system. The selector and shifter motor controller parameters are the same but clutch actuator has different PI parameters because the clutch behaviour of slipping-open and slipping-closing must be different. During slipping open period, the clutch actuator must be as fast as possible. However, the clutch actuator must go its positions slower because of preventing from shift jerk.

The simulation time is 500 seconds in this study and there are two conditions for simulations; driving on straight road and driving on 5 \% ramp road. For the first condition, it is observed that AMT system step up gears from 1 to 8. For the second condition, the ramp road is given to model between 150 to 250 seconds and AMT system steps down gears during ramp road situation. After 251 second, AMT system starts to increase speed and step up gears. At the end of the simulations, it is approved that torque control of AMT system is working well.