Bir hafif ticari araç manuel şanzımanının termal modeli ve testler ile doğrulaması
Thermal modelling and validation of a light commercial vehicle transmission
Yazar: ÇAĞATAY EVSİZLER
Danışman: DOÇ. DR. ÖZGEN AKALIN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bir araç şanzımanından beklenen en önemli özelliklerden birisi uzun servis ömrüne sahip olmasıdır. Ticari araçların kullanım profilleri düşünüldüğünde gün içerisinde yük veya yolcu taşımacılığı yaparak ticari faaliyetlerin bir parçası oldukları görülmektedir. Dolayısıyla ticari araçlar için beklenmedik arızaların oluşması sadece müşteri memnuniyetsizliği değil aynı zamanda müşteri için ticari faaliyet kaybı anlamına da gelmektedir. Bu sebeple ticari araçların her parçası gibi şanzımanın da uzun ömürlü olması ve beklenmedik arızalara sebebiyet vermemesi gerekmektedir. Şanzımanın yağının çalışma sıcaklığı şanzımanın genel sıcaklığı hakkında bilgi vermektedir. Şanzıman içerisindeki parçaların çalışma ömürleri için şanzıman çalışma sıcaklığı önemli bir parametredir ve şanzıman ömrüne doğrudan etki etmektedir. Bunun yanı sıra literatürde şanzıman için uzun ve kısa dönem çalışma sıcaklıkları belirlenmiştir. Kısa dönem çalışma sıcaklıkları aşıldığında şanzımanda çok kısa sürede ağır hasarlar meydana gelebilir ve şanzıman çalışma fonksiyonunu o sırada yitirebilir. Bu fonksiyon kaybı bir keçeden yağ kaçağı olabilir, yağ film kalınlığının azalmasından dolayı dişli veya rulman hasarı da olabilir. Ancak kısa dönem limit sıcaklıkları aşıldığında şanzıman üzerinde işlev kaybı beklenmektedir. Uzun dönem limit sıcaklık değeri ise şanzımanda dizayn aşamasında hesap edilen çalışma ömrünü sağlayabilmek için aşılmaması gereken sıcaklık değeridir. Çalışma sıcaklığı değişimi ile malzemedeki ömür değişiminin nasıl olduğu literatürde belirlenmiştir. Bu sebeple şanzıman çalışma sıcaklığı uzun dönem için hedeflenen çalışma sıcaklığının altında kalmalı aksi halde şanzımanın servis ömrü hedeflenen ömürden daha kısa olmaktadır.
Şanzımanın çalışma sıcaklığını farklı senaryolarda test etmek ve sensörler yardımıyla çalışma sıcaklıklarını test sırasında kaydetmek mümkündür. Ancak geliştirme aşamalarında test yapmak ciddi maliyetlere sebep olmaktadır. Bu yüzden test yapmadan önce bir ön çalışma yapmak şanzımanın çalışma sıcaklığı hakkında bir fikir sahibi olmak tekrarlı testleri engelleyebileceği gibi, çalışmaların ve hesaplamaların doğruluk oranı arttıkça bu hesaplamaların testlerin yerini alabileceği de bir gerçektir. Tezin içeriğinde şanzıman yağının sıcaklığının modellenmesi ele alınmıştır. Burada şanzıman yağının ısınmasını etkileyen parametreler, şanzıman yağından dışarı atılabilen ısı gücünü etkileyen faktörler hesaplamalara dahil edilmiştir. Kurulan termal modelde girdi olarak kullanılan parametrelerin başında şanzıman verimlilik değerleri gelmektedir. Şanzıman verimlilik değerleri bir test düzeneğinde farklı sıcaklıklarda ve farklı yüklerde test edilmiş ve model içerisine bir girdi olarak eklenmiştir. Isı geçişi denklemlerine ve şanzıman kayıplarına dayanan hesaplamaların doğrulaması termal odada gerçekleştirilen testler ile yapılmış ve testler ile simulasyon modeli arasında bir korelasyon sağlanmıştır. Termal olarak kontrol altında bulunan odada motor ve araca ait şanzıman sıcaklığına etki edebilecek değerler sensörler yardımıyla kayıt altına alınmıştır. Hesaplamaların doğrulaması termal odada gerçekleştirilen testler ile yapılmıştır.
Kurulan model karmaşık hesaplamalar kullanmak yerine, hızlı sonuç verebilen ve göreceli olarak doğruluğu yüksek bir boyutlu modeldir. Model MATLAB kullanılarak oluşturulmuştur ve sonuçları gerçek test sonuçları ile korele edilmiştir. Model içerisinde yapılan kabuller, ihmaller, ampirik ifadeler tez içerisinde gösterilmiş ve detaylı şekilde anlatılmıştır. 
Tezin sonuç kısmında modelde elde edilen şanzıman yağ sıcaklığına ait hesaplama sonuçları ve termal odada gerçekleştirilen testlerin sonuçları karşılaştırılmıştır. Hesaplamalara ait doğruluk değerleri de sonuç kısmında paylaşılmıştır. Ayrıca NEDC ve WLTP gibi seyir çevrimlerindeki şanzıman yağ sıcaklıkları raporlanmış ve bunlara ek olarak araç, yol ve şanzıman özelliklerinin değişiminin şanzıman yağı üzerindeki etkisi incelenmiştir.

Abstract:
One of the most important feature of a commercial vehicle is to have long service life. With considering of commercial vehicle usage profiles such as goods and passenger transportation, having a failure on the powertrain compenents causes commercial loss for the owner of the vehicle. Because of this reason transmission compenents should have long service life like other powertrain parts. Operating temperature of the transmission oil provides information about operating temperature of the other transmission compenents as well. Transmission oil temperature is one of the significant parameter for transmission durability. Long term and short term allowed transmission operating temperatures are described in literature. On the other hand oil temperature limits are determined by oil manufacturers as well. These oil temperature limits should be considered by transmission design engineers to keep transmission oil temperature in operable limit to not cause any unexpected hardware failures. In case of high transmission oil temperature above short term limit seen in transmission, permanent loss of transmission function can be expected such as oil leakage from seals or gears and/or bearing damages because of thin oil film tickness. Exceeding long term allowed oil temperature may decrease service life of the transmission compenents based on temperature effect on material life.
In literature there are lots of research about thermal modelling of the powertrain parts such as automatic transmissions, CVT type transmissions, clutches, after treatment compenents, internal combustion engines and electric motors. In this thesis thermal behaviour of the manual transmission was investigated by modelling in computer environment. Morover thermal model was correlated with the thermal test results which were performed in enviromental testing laboratory. 
Nowadays high transmission oil temperature starts to be a significant issue for transmission attributes. There are two reasons; first one is that power density of powertrains compenents are increased remarkebly in last decades. Second one is that powertrain compenents are surrounded by aerodynamic shields because of the fuel and emission considireations. These two reasons make transmission oil temperature more critical for transmission life.
Predicting transmission oil temperature is not only useful for transmission durability limits but also substantial for other transmission attributes such as noise and vibration characteristic, gear shift quaility, fuel consumption and emissions. All of these attributes are affacted by transmission oil temperature because transmission oil temperature is an input variable of the transmission oil viscosity. 
The benefits of the predicting transmission oil temperature can be described. Have a better understanding on transmission thermal behaviour is the most significant benefit of a transmission thermal model. Simulating transmission oil temperature before physical thermal tests in enviromental testing laboratory provides lots of crucial informations. In case of powertrain complexity in a specific vehicle line, which powertrain version is the severest one can be identified by a thermal model. Morover in case of unsufficient air flow under vehicle floor, thermal model can give an idea about required heat transfer coefficient by fresh air flow. These benefits of thermal prediction can save engineering testing budget and time consumption in testing laboratory. Furthermore thermal model can be used by powertrain control module in an actual vehicle to predict transmission oil temperature instantly during driving conditions by end users. Powertrain control module can truncate maximum engine torque or maximum engine power to protect transmission from high oil temperature in case of very extreme driving conditions.
Testing a vehicle in different test scenerios and recording transmission oil tempearture during development phase requires significant costs for powertrain developers. Thus, simulating transmission oil temperature in CAE environment can save development budget. Moreover if high accuracy can achieve in simulation, thermal tests can be deleted and replaced by simulations finally. In this thesis simulation of the transmission oil temperature was handled. The variables which have an effect on transmission oil temperature were considered in calculations. As one of the most significant input for transmission oil temperature is transmission losses, transmission was run efficiency test in test laboratory to identify transmission losses at different operating points.  Twelve different transmission input speeds and sixteen different transmission input torques were tested at three different transmission oil temperature for all gear mehs with two different oil type on three identical transmissions to identify transmission losses with high accuracy.
The transmission used in thermal tests and thermal model is a kind of six speed real wheel drive transmission. This transmission operates with 2.0L diesel engine which produces 415Nm and 185 PS. The vehicle used in the thermal tests and thermal model is a light commercial vehicle which is capable up to 4.7T gross vehicle weight. Therefor all of the tests amd simulations handled in this thesis were run  with this level of weight, torque and power. 
Vehicle level tests were conducted in enviromental testing laboratory to validate simulations by the thermal model results. Engine operating points and engine loads, pedal potisions, in gear information, transmission oil temperature, simulated vehicle speed and vehicle loads, air temperature, engine temperatures were recorded during thermal tests in climate chamber. There were lots of measurement points on transmission. Measurement were recorded from both rear and front transmission casings, from input shaft, layshaft and output shaft bearings, from bulk oil and from air close to transmission casings. These temperature values measured from different points of the transmission were close to each other therefore model was correlated just with bulk oil temperature and local temperature differences in transmission were neglected and were not handled in this thesis. Once thermal tests were completed and simulations were performed, thermal test results and calculation results by one dimension thermal model was compared to correlate thermal model. 
The model has only one dimension to run the simulation in very quick time but with reasonable accuracy. There are some commercial CAE tools are availeble in market to run thermal simulation of powertrains compenents. But these CAE tools have three dimensions. Simulating whole powertrain in these simulations tools takes significant time. On the other hand changing some heat transfer formulas in these softwares are not possible. Therefore writing an own one dimensional thermal model enables engineers to have quick calculations on oil temperature and provides flexibility to change background formulas and correlation coefficients. Thermal model used in simulations were created in MATLAB. Some heat transfer assumptions were considered in this thesis to simplify therrmal model to run it very short time. Details and potential effects of these assumptions were explanied in this thesis.
In results section accuracy of the thermal model calculations were reported. This results were prepared based on the comparision of actual tests results and simulation results performed by transmission thermal model. These tests and simulations were run at various speeds, various loads, various weights and various load conditions. 
Effect of the load, vehicle and environment variety such as road condition, transmission features, vehicle features, weather conditions and load resistances were handled in this thesis to identify which variables are the major contributors on transmission oil tempeature. Results were shown in graphics to compare how different test conditions have an effect on transmission oil temperature.
On the other hand transmission was run driving cyleces NEDC & WLTP in thermal model to report expected transmission oil temperature in these driving cycles. These oil temperature results can be considered in fuel economy and emission simulations to have better accuracy as transmission oil temperature affects oil viscosity and transmission efficiency. 
What should be the future work steps in this thesis, how this study can be improved was discussed in conclusion section.