Üç tekerlekli motosiklet için bağımsız süspansiyon sistemi tasarımı ve analizi
Independent suspension system design and analysis for 3 wheeled motorcycle
Yazar: ALİ ATMACA
Danışman: PROF. DR. HİKMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Taşıtlarda kullanılan modern anlamdaki süspansiyon 1907 yılında başvurulan bir patentlenle teknolojiye kazandırılmıştı. Takip eden yüzyıl boyunca farklı türlerde süspansiyon sisteminin tasarımı görülmüştür. Süspansiyonun araç dinamiğine ve konfora olan etkisi nedeniyle taşıt üreticileri bu alanda farklı konseptler denemeye devam etmektedir.
Günümüzde üretilen üç tekerlekli motosikletler incelendiğinde ise genellikle yük taşıma amaçlı kullanıldığı için, bunun neticesinde oluşan müşteri profiline göre üreticiler tarafından süspansiyon sitemine yeterli önem verilmediği gözlenmiştir. İnternet üzerinden alışveriş ve son adım teslimat sektöründeki gelişmeler motokurye pazarında ve motosiklet kullanımında bir artış eğilim göstermektedir. Bu pazardaki teslimat firmaları ve çalışanlarının kullanabilecekleri araçlar arasında konfor ve yük taşıma kapasitesi arasında tercih yapmaları gerekmektedir. Araç dinamiği iyi olan motosikletler yük taşıma kapasitesi için yetersiz olurken yük taşıma için yapılmış 3 tekerlekli motosikletler ise süspansiyon sistemi nedeniyle konfor açısından yetersiz gelmektedir. Bunun temel nedeni arka aks üzerine bağlı olan 2 tekerleğin de birbirine göre bağlı hareket etmeye zorlayan tasarıma sahip olmasıdır. Bu tez çalışması kapsamında üç tekerlekli motosiklet için bağımsız süspansiyon sistemi tasarımı yapılarak bu sektördeki ihtiyaçlara çözüm getirilmesi amaçlanmıştır.
Tez çalışmasının ilk aşaması olarak pazar araştırması yapılarak kullanıcıların ihtiyaçları tespit edilmiştir. Yapılan araştırmalar sonucu tespiti yapılan konunun doğru olduğu ve motokuryelerin bu alanda ihtiyacı olduğu görülmüştür.
Çalışmaya literatür araştırması süspansiyon sisteminin teorik çalışma yapısı incelenerek başlanmıştır. Bu sırada pazardaki mevcut ürünler üzerinden incelemeler yapılarak farklı konseptler incelenmiştir. Süspansiyon ve araç yerleşimi ile ilgili temel bilgiye sahip olduktan sonra tasarım için gerekli modellemeler CATIA uygulaması üzerinden yapılmıştır. Modelleme neticesinde bağımsız süspansiyon sisteminin çalışması ve sıkışması gibi farklı kullanım koşullarında değerlendirme yapılmıştır. Uygun tasarımın belirlenmesi için optimizasyon yapmak adına farklı konumlandırmalar yapılarak süspansiyon çalışmasına etkisi incelenmiştir. Yapılan kıyaslamalar sonucu tek seferde araç paketinin izin verdiği en iyi çözümü bulmak için çeşitli MATLAB kodları yazılmıştır. Çözüm kümesinden optimum noktalar elde edildikten sonra 3d modelleme yapılarak son kontroller yapılmıştır.
Süspansiyonun araç üzerindeki konumu belirlendikten sonra bu durumdaki yükleme koşulları ve her bir durumda süspansiyonu sıkıştıran kuvvetler belirlenmiştir. Buna istinaden yay katsayıları belirlenip süspansiyon imalatçısı ile paylaşılmıştır.
Tasarlanan sistemin sağlıklı çalışmasını kontrol etmek için fikstür üretilmiştir. Bu fikstür üzerinde süspansiyonun çalışma koşulları kontrol edilmiştir. Bağımsız süspansiyon çalışma hareketi kontrol edilerek aracın yatma hareketleri kontrol edilmiştir. Fikstür kontrolünde sistemin sağlıklı çalıştığı tespit edildikten sonra araç üretim aşamasına geçilebileceği görülmüştür.
Tasarlanan sistemin gerçek araç üzerinde denenmesi için prototip motosiklet üretilmiştir. Motosiklet üzerine test için kullanılacak çeşitli veri toplayıcılar bağlanmıştır. Benzer motosikletlerin testlerinde kullanılan bir güzergahta çeşitli kullanım koşulları belirlenerek kontrollü testler yapılmıştır.
Testler sonucunda tasarlanan sistemin rakiplerinden daha konforlu olduğu tespit edilmiştir. Tez çalışması boyunca yapılan tüm hesaplamalar ve tasarım iyileştirmelerinin amacına ulaştığı görülmüştür.

Abstract:
The suspension in the modern sense used in vehicles was brought into technology with a patent applied in 1907. The design of different types of suspension systems was seen over the next century. Due to the effect of suspension on vehicle dynamics and comfort, vehicle manufacturers continue to try different concepts in this area.
When the three-wheeled motorcycles produced today are examined, it is observed that the manufacturers do not attach sufficient importance to the suspension system according to the customer profile formed as a result of this, since they are generally used for load carrying purposes. Developments in the online shopping and last step delivery sector show an increasing trend in the motorcycle market and motorcycle use. Delivery companies and their employees in this market need to choose between comfort and load carrying capacity among the vehicles they can use. While motorcycles with good vehicle dynamics are insufficient for load carrying capacity, 3-wheeled motorcycles made for load carrying are insufficient in terms of comfort due to the suspension system. The main reason for this is that the 2 wheels attached to the rear axle have a design that forces them to move relative to each other. Within the scope of this thesis, it is aimed to design an independent suspension system for a three-wheeled motorcycle and to provide solutions to the needs in this sector.
As the first stage of the thesis study, the needs of the users were determined by conducting market research. As a result of the researches, it has been seen that the determined subject is correct and that there is a need for motorcouriers in this area.
The study started by examining the theoretical working structure of the suspension system in the literature research. Meanwhile, different concepts were examined by examining the existing products in the market.
When designing a system, boundary conditions and usage conditions must be determined. There are two critical issues in suspension design; behavior under static and dynamic loads. The static and dynamic characteristics of the suspension affect vehicle dynamics and driving comfort. For this, static loading conditions were determined in the first place. After determining the overall dimensions of the motorcycle, the weights for each axle were determined.
The biggest advantage of the independent suspension system is that the vehicle can lean like a normal motorcycle. On the other hand, thanks to this ability, slalom movement can be made easier.
When the products in the market are examined, it has been seen that it has a tilting movement up to a maximum of 15°. In order for the motorcycle to be designed to be in a competitive range, it is aimed to provide a 30° lean angle.
To use shock absorbers with maximum efficiency we should understand the term named leverage ratio. Leverage ratio is the relationship between the movement of the wheel and the average (average leverage ratio) of the suspension at any point along the bike's journey (instantaneous leverage ratio) or the entire journey of the bike. In other words, it is the division of how far the wheel moves by how far the suspension moves. The progression rate, indicates the relationship between the fully compressed state of the suspension and the leverage ratio in the fully open state. The specified method will be used to evaluate and compare different designs.
There is a relationship between the amount of compression of the suspension and the wheel movement. This relationship is expected to be variable. While the suspension is expected to be soft at the initial compression state, it is expected to harden as the force increases.
It is necessary to calculate the lean angle that will occur as a result of the operation of the independent suspension system of the 3-wheeled motorcycle. The mechanism that will allow the vehicle target values to be achieved needs to be designed. It has to be calculated how many degrees the swing arm must rotate relative to its axis in order for the motorcycle to lean 30° with respect to the ground.
The next step in the suspension design is to determine the rod eye rotation angle. In the market research, it has been determined that shelf products allow a maximum of 8° rotation.
After having basic knowledge about suspension and vehicle layout, the necessary modeling for the design was made over the CATIA application. As a result of the modeling, evaluations were made in different usage conditions such as the operation and compression of the independent suspension system. In order for making the most appropriate design, different placements were conducted and their effects on working conditions of suspension system were examined. As a result of the comparisons made, various MATLAB codes were written to find the best solution allowed by the vehicle package at once. After obtaining the optimum points from the solution set, final checks were made by 3d modeling.
After determining the position of the suspension on the vehicle, the loading conditions in this case and the forces compressing the suspension in each case were determined. Based on this, the spring coefficients were determined and shared with the suspension manufacturer. Here is a reminder made by the spring manufacturer. The springs whose nominal dimensions are given are produced within a certain tolerance range. The tolerance of values such as wire diameter, turning diameter, length of the spring will affect the force compression graph.
A fixture has been produced to control the healthy operation of the designed system. The working conditions of the suspension were checked on this fixture. By controlling the independent suspension working movement, the leaning movements of the vehicle were controlled. It has been seen that the vehicle production phase can be started after it has been determined that the system is working properly in the fixture control.
A prototype motorcycle was produced to test the designed system on a real vehicle. Various data collectors are attached to the motorcycle to be used for testing. There was AIM EVO 5 datalogger, GPS module, accelometers, linear potentiometers to collect all data related shock absorbers and vehicle speeds. Controlled tests were carried out by determining various conditions of use on a route used in the tests of similar motorcycles. 9 different test completed according to driving conditions. All data graphics attached to evaluate all working conditions of vehicle. Both driver comments and collected data were examined.
As a result of the tests, it has been determined that the designed system is more then acceptable and also comfortable than its competitors. It has been seen that all the calculations and design improvements made throughout the thesis work have achieved their purpose.
The theoretical calculations made within the scope of this thesis can be used in another motorcycle suspension system design. As a suggestion for scientific progress, another researcher can design the system by considering the kinetic energy conversion in the suspension system in addition to the calculations here.