Mekanik süspansiyonlu yol kamyonlarından otomatik dingil indirme sistemi
Autodrop system for road trucks with mechanical suspension
Yazar: TAYLAN KELEŞ
Danışman: DOÇ. DR. ERDİNÇ ALTUĞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Dingil yükü = Axle load ; Kamyon = Truck ; Otomatik sistemler = Automatic systems ; Regülasyon = Regulation

Özet:
2014 yılında kaldırılabilir dingilleri olan ağır ticari kamyonlarda, otomatik dingil indirme sistemi yasal zorunluluk haline gelmektedir. Bu sistemin amacı dingil kaldırma komutunun sürücü tarafından verilmesi yerine aracın taşıtın içinde bulunduğu duruma ve dingil ağırlıklarına göre otomatik olarak dingillerin yere inmesini sağlamaktır. Bu çalışmada sözü geçen özelliklere göre bir simülasyon tasarımı yapılmış, algoritma dizayn edilmiş ve en zor araç tipi olan 2 dingili kaldırılabilir 8x2S araç modelinde testleri yapılmıştır.
Bu tip araçlarda dingilleri kaldırmanın asıl amacı, yakıt tüketimini azaltmak, tekerlerin yıpranmasını önlemek ve kaygan yüzeylerde aracın kalkışını canlı dingile daha fazla yük bindirerek kolaylaştırmaktır. Ancak araç aşırı yüklü iken dingillerin yukarıda bahsedilen nedenlerden dolayı kaldırılması daha farklı sonuçlara yol açmaktadır. Bu nedenden dolayı Avrupa Komisyonu'nun düzenlediği 1230/2012 sayılı Kütle ve Boyutlar yönetmeliğinde, üretici firmalar kaygan yüzeylerde kalkış durumu hariç bütün sürüş koşullarında dingil yüklerinin kapasitelerini geçtiği anda en yakın dingil veya dingil grubunun indirilmesi üzerine kurallar mevcuttur. Bu düzenleme Türkiye'de de 2014'ten sonra yürürlüğe girmesi beklenmektedir. Aslında bu yönetmelikteki koşulları sağlayan birkaç sistem mevcuttur ancak bu sistemler havalı süspansiyonlu araçlar için tasarlanmıştır ancak bu sistemler mekanik süspansiyonlu araçlar için uygun değildir ve dünyada mekanik süspansiyonlu araçlarda buna benzer bir uygulama bulunmamaktadır. Türkiye'de taşıma kapasitelerinin yüksek olması ve maliyetinin daha düşük olması nedeniyle mekanik süspansiyonlu kamyonlar oldukça popülerdir ve gittikçe büyüyen bir pazarı vardır. Bu nedenle dingil yüklerini hesaplayan ve buna göre sistemin fonksiyonel gereksinimlerini karşılayacak bir kontrol modülünün tasarlanması ve mekanik süspansiyonlu araçlarda kullanılması gerekmektedir.
Mekanik süspansiyonlu araçlarda dingil ağırlıklarının hesaplanması yaprak yayların yüklendikçe sıkışma miktarlarının ölçülmesiyle yapılabilmektedir. Ancak aracın yüklenme durumundaki yol bozuklukları, yay katsayısı dizayn toleransları ve yaylarda yükleme ve boşaltma davranış farklılıklarından kaynaklanan histerisisler ağırlık ölçümünde hata payını arttırmaktadır. Ayrıca arka dingil grubundaki terazi sistemi önceden belirtilen ağırlık ölçme prensibine uymamakta ve farklı bir çalışma gerektirmektedir. Bu nedenle her dingil veya dingil grubunun ağırlık hesaplama modellerini eğitmek için test düzeneği kurulmuş ve farklı araç yüklemelerine karşılık gelen sıkışma miktarını ölçen sensor çıkışları eşleştirilmiştir. 
Tabi ki algoritma testlerinin yapılabilmesi için bu modellerin çıkarılmasını beklemek zaman kaybı olacaktır. Bu nedenin yanı sıra daha kısa sürede parametre optimizasyonu ve tasarlanan algoritmada farklı girişlere göre anlık sistem tepkisini görmek amacıyla simülasyon modelleri oluşturulmuştur. TruckMaker taşıt simülasyon programı kullanılarak kamyon taşıt parametreleri, yol modellemesi ve sürücü hareketleri tanımlanmış ve SIMULINK'te de algoritma çalışmasıyla uygun sonuçlar elde edilmiştir. TruckMaker programının kullanımının sürüş senaryolarının denenmesi gibi avantajları varken kullanıcıyı algoritmayı test etmesi için programa bağlı hale getirmiştir. Bu nedenle TruckMaker programının yanı sıra söz konusu sistemin çalışma prensibine uygun olacak şekilde SIMULINK'te hızlı prototipleme modeli oluşturulması gerekmektedir. Buradaki en büyük problem önceden tanımlanan araç yükünün dingillere dağılımını hesaplamaktır. Sistem yapısal olarak statikçe kararsızdır ve statik çözümlemeler fiziksel olarak tek bir çözüm varken matematiksel olarak sonsuz çözüm uzayı getirmektedir. Statikçe karasız olan sistemi çözmek için nümerik hesaplama kolaylığı sebebiyle kiriş teorisini doğrudan kullanan sertlik yöntemi incelenmiştir. 
Sistemin fonksiyonel çalışmasını etkileyen tek etken dingil yükleri değildir. Bunun yanı sıra araç hızı, park freni, çekiş gücü kontrolü sinyalleri ve araç kontak sinyalleri de sistemin fonksiyonel çalışmasını etkilemektedir. Bu nedenle bu etkenlerin sisteme olan etkilerinin incelenmesi gerekmektedir.
Fonksiyonel gereksinimler tanımlandıktan ve gerekli modeller çıkarılması çalışmaları sistemin algoritmik durum-akış diyagramını şekillendirmektedir. Bu gereksinimlere göre algoritma dizayn edilmiş ve hem sertlik yöntemi ve TruckMaker programlarında simülasyonları yapılmıştır. 
Sistemin araca implementasyonu için yayların sıkışma miktarlarını ölçen sensörler aracın şasisine monte edilmiş ve gerekli işlemci bağlantıları yapılmıştır. Bunun yanında sistemin fonksiyonel çalışmasını sağlamak adına yazılım geliştirilmiş ve sistem kurulmuştur. İşlemci olarak PI INNOVO firmasından WindRiver işletim sistemine sahip m250 model openECU kullanılmış ve SIMULINK'te geliştirilen yazılım WindRiver Diab Compiler ile derlenmiş ve ATIVISION programı aracılığıyla CAN hattı üzerinden CANCASEXL donanımıyla CCP kullanılarak ECU'ya gömülmüştür. İşlemci içinde çalışan program ATIVISION'da hazırlanan arayüz ekranı ile izlenmiş ve aynı zamanda CCP ile değişken kalibrasyonu yapılmıştır.
Sonuç olarak Otomatik Dingil İndirme Sistemi mekanik süspansiyonlu araçlara uyarlanması için prototip çalışma tamamlanmıştır.

Abstract:
In 2014, the lift axle dropping system is expected to be a legal obligation for heavy commercial trucks. The aim of an automatic lift axle auto-drop system is to drop the appropriate axle(s) automatically based on the loading condition, instead of being manually controlled by the driver. This work provides an overview of both algorithm and associated simulator developed for heavy commercial truck with mechanical suspension.  During the simulations, the condition of the truck's load is used as an input and the automatic lift axle system algorithm decides on the axle(s) that should be dropped. Several different calculations methods are used in the simulator to determine vertical load shared by each axle.
The main purpose of the axle-lift device is to raise the axle in order to reduce fuel consumption, tire wear and easier take off on slippery surfaces while the vehicle is not fully loaded. Axles which have lift devices are called retractable axles. According to EU Directive 1230/2012 EEC Mass and Dimensions Policy, the manufacturer must ensure that under all driving conditions, the mass corresponding to each axle or axle groups must be within permissible limits except whentaking off the slippery surfaces. This regulatory requirement will be obligatory in Turkey, in 2014. There are a couple of systems that satisfy all the obligatory rules on air suspension mounted axles however there is not a feasible system implemented on mechanical suspension trucks around the world. In Turkey, heavy commercial trucks that have mechanical suspension systems are quite popular and they continue to have big market potential. Therefore, the aim of the project is to construct a control mechanism that senses the axle loads and lowers the retractable axle automatically if the nearest axle or axle groups exceed the limits. 
Customer expectations can differ country by country because of the environmental conditions, cultural aspects, obligations etc. so the design requirements are also affected by these expectations. In Europe where 1230/2012 EEC is fully legislated, all retractable axle fitted vehicles are equipped with air suspension systems. However in the Turkish market, the customers in the truck industry are more interested in mechanical suspension type trucks. After the new legislation, adapting the Autodrop system to mechanical suspension vehicles is a must for Road Trucks. Three main factors make the project harder when comparing with air suspension systems. The first one is the loading transfer. The mechanical suspension mounted trucks generally have interconnected axles on rear axle groups to share the load appropriately on rough roads and the geometry should be adequate in order to balance the load transfer between the axle groups according to the axle capacities. In this system, the feasible and cost effective system is measuring the load by the distance between the axle and frame. However the loading condition or road irregularities cause unbalance and it makes monitoring of axles unpredictable. On the other hand, the idea behind air suspension is to monitor pressure on air springs to calculate the axle loads. Pressure monitoring systems give the axle loads with a small tolerance band even in different cases. The second issue is the sensitivity. Leaf spring is the main element of mechanical suspension systems and the main disadvantage of leafs is the hysteresis during loading and unloading conditions. As for air suspension systems, pressure sensor sensitivity provides the exactness even in different conditions. The last one is the axle conditions and positions. While the tag axle is lifted, the driven axle position is affected by the compensation system geometry (interconnected axle geometry). Although, the load on drive axle increases when the tag axle is lifted, the distance frame and axles increases because of the connection type of the rear axle group. On the contrary, air suspension systems monitor the load by a simple rule that is multiplication of air bellow pressure and effective area.
The mass estimation model was validated on a test vehicle to understand axle load distribution characteristics. Total mass, mass distribution, suspension system component manufacturing tolerances & design variety and environmental conditions effect on axles shows the general behavior of vehicles. The set up consisted of an 8x2 self-steer vehicle as a worst case vehicle type, displacement sensors mounted at different positions on each axle, an ECU from Pi Innovo used to test algorithm and data collection, weight pads to understand the corresponding wheel load of the axle. In examining what is happening on axle load distribution in different conditions, the road irregularities as an environmental condition must be neglected to see the pure effect. Mass estimation models are trained for each individual axle that are front-steering axle, second self-steer axle and the rear group axle called tandem axle unit as driven axle and tag axle. Front axle's leaf springs are single mounted springs and have linear load-deflection corelation. These springs are also parabolic type that have very less hysterissis difference between loading and unloading states. In result front axle mass estimation model can be extracted without problem. Self steer axle has air suspensions and their pressure is adjusted according to driven axle's vertical deflection via mechanical load adjusted valve. Because of having air bellow, axle's load can be measured by a pressure sensor but instead, LAV mechanism logic can be used to measure the load also and preffered to provide cost reduction. The tandem axle unit as rear group axle's mass estimation model is the challenge here because of driven axle and tag axle that are the elements of tandem axle unit connected each other by a balancer. So their displacements effected each other and correlation between load and deflection extracted accordingly. 
For mass estimation model training especially for tandem axle unit many different vehicle scenarios were tried on each loading condition and nearly 90 different loading conditions in different sequences were used in test specification. The mass distribution characteristics were identified from the combination of vehicle and loading cases. The pre-defined mathematical function parameters are optimized according to collected training data and these functions also tested with test data which is also shown in this work. 
Axle loads are not the only input arguments for the algorithm ofcourse, there are other parameters that can also effect the vehicle condition, mass estimation process routine and axle lift/drop command that called system functional requirements. These factor are in shortly decided as vehicle speed, parking brake, traction control signals from TCS module and ignition sense. All signals expect ignition sense are provided through CAN line in j1939 CAN protocol format. Each input statement has its own functionality over Autodrop system algorithm which will be explained in detail. 
Before testing algorithm in vehicle, prototype vehicle simulation model is constructed to validate the designed algorithm. TruckMaker as vehicle simulation program is used to model the vehicle, environmental, driver maneuver and driving scenarios. SIMULINK is used to implement algorithm, driver inputs and axle movement command to TruckMaker. TruckMaker and SIMULINK can process co-simulation which is a great advantage because same algorithm codes written in SIMULINK for TruckMaker can be also used for openECU that mounted in truck. A disadvantage for using TruckMaker is that algorithm developer can not test Autodrop algorithm virtually without this software. To overcome this problem, a rapid prototype vehicle model must be established. The main problem for modeling a vehicle for Autodrop system is calculating axle load distribution for a given truck load because of indeterminancy. Direct stiffness method is used to calculate axle load distribution by emulation the 8x2 truck as a beam with spring supports at its nodes. The axle loads can be calculated for different wheelbases, axle combination for example 6x2 or a self steer axle lifted 8x2S and different spring rates. The results are very close to TruckMaker simulation outputs. 
AutoDrop system algorithm has been developed for 8x2S prototype test vehicle and run under PI INNOVO m250 ECU module using MATLAB/SIMULINK development platform as software. ECU parameter calibration and embedded program variable monitoring is provided with ATI VISION based on CCP (CAN Calibration Protocol). Main principle of algorithm is to decide authorization assignment between ECU and driver about lift/drop command on retractable axles. Two indicators in cluster will inform authorization state to driver as an early design. System design acceptance is given according to system functional requirements to be satisfied by test results. So at project start level, system functional requirements are decided depend on regulatory. 
In result algorithm is designed according to this principle and functional requirements of the system. AutoDrop system is implemented to a 8x2S prototype vehicle and designed for mass production.