Hidropnömatik süspansiyonlu bir arazi taşıtının yanal ve düşey dinamik analizi
Lateral and longitudinal dynamics of an off road vehicle with hydropneumatic suspension system
Yazar: HALİL YAHYA YEŞİLYURT
Danışman: DOÇ. DR. ÖZGEN AKALIN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Sistem simülasyonu =   ; Taşıt süspansiyonu = Vehicle suspension

Özet:
Süspansiyon sistemleri askeri taşıtlarda ve arazi taşıtlarında, taşıtın kullanım
performansını etkileyen en önemli alt sistemlerdendir. Taşıtların konfor özelliğinden
yol tutuşuna birçok karakteristiğini belirleyen süspansiyon sistemlerinin
modellenmesi ve simülasyonu konuları, otomotiv sanayii AR-GE ve ÜR-GE
çalışmalarında önemli pay sahibidir.
Bu çalışmanın temelini 10 ton sınıfı bir zırhlı askeri araç için HPS sistemi
modellenmesi ve oluşturulan modelin çeşitli senaryolarla test edilmesi
oluşturmaktadır. HPS sisteminin modellenmesine geçilmeden önce, konvansiyonel
sistemli bir baz taşıtın süspansiyon parametreleri belirlenmiştir. Bundan sonra da, önce
konvansiyonel sisteme ikame olacak temel bir bağımsız HPS sistemi, ardından bu HPS
sistemini temel alan ileri HPS sistemi fonksiyonlarına sahip çapraz bağlantılı ve seviye
ayarlı sistemlerin modellemeleri yapılmıştır.
HPS sistemi modelleri MATLAB-Simulink araç kutusu ve "Simscape" alt araç kutusu
blokları kullanılarak oluşturulmuştur. Bu sayede yalın ve görsel olarak kolay
algılanabilen bir blok diyagram elde edilmiştir. Düşey dinamik testleri, koltuk
dinamiğiyle doğrudan ilişkili olduğundan, daha gerçekçi sonuçlar elde edebilmek için
konvansiyonel yay ve sönümlü bir koltuk modeli oluşturulup, IPG TruckMaker
arayüzünde ve HPS modeli üzerinde gerekli ayarlamalar yapılarak sisteme entegre
edilmiştir. Taşıt, yol, manevra ve sürücü modeli tarafı ise IPG TruckMaker yazılımı
arayüzü ile sağlanmaktadır. Böylece test senaryoları IPG Truck Maker-Simulink eş-
simülasyonu ile yapılmıştır.
IPG TruckMaker – Simulink eş-simülasyonunda kullanıcı tanımlı süspansiyon
modelinin kullanılabilmesi için CarMaker destek takımından Yüksek Müh. Zhou
Huang'dan yardım alınmış ve kullanıcı arayüzünde gerekli başlangıç parametreleri
ayarlanarak, hazırlanan HPS modeli çalışır hale getirilmiştir.
Yapılan ilk simülasyonlarda, hem konvansiyonel süspansiyon, hem de HPS için gövde
doğal frekansı ve sönüm oranı gibi süspansiyon sisteminin önceden belirlenmiş
parametrelerinin doğruluğu test edilmiş ve bu iki sistemin ileri senaryolarda
karşılaştırılabilir oldukları tespit edilmiştir.
Düşey dinamik simülasyonlarında, NATO absorbe edilen güç tekniği testleri ile 2 adet
yol profili üzerinde konvansiyonel ve HPS sistemli taşıtlar belirli hızlarda geçirilerek
6W kriterine göre performansları incelenmiştir. Yapılan testler sonucunda iki yol
profili için de HPS sistemli taşıtın maksimum güvenli seyir hızı daha yüksek çıkmıştır.
İkincil olarak; yarım silindir şeklindeki engel üzerinden geçme testlerinde, 4 inç
yarıçaplı engelden geçirilen her iki taşıtın da bütün hızlarda 2.5 g maks koltuk ivmesi
kriterini karşıladığı, 8 inç yarıçaplı engel testinde ise bazı hızlarda bu kriterin
karşılanmadığı ortaya çıkmıştır.
Yanal dinamik testlerinde ise konvansiyonel sistem ve bu sistemden türetilen
stabilizatörlü bir konvansiyonel system ile HPS sistemi ile bu sistemden türetilen
çapraz bağlantılı HPS sistemleri ISO çift şerit değiştirme manevrasına tabii
tutulmuştur. Bu manevra için yörünge sınırları, taşıtın boyutlarını esas alan
standartlara göre hesaplanarak IPG TruckMaker "Road" modülünde trafik konilerininxx
konumlarının belirlenmesiyle ortaya çıkmıştır. Hazırlanan 4 süspansiyon modeli, 35
km/sa hızdan başlamak üzere 5 km/sa'lik artımlarla test edilmiş, bir hız adımında
manevrayı başarıyla tamamlayamayan model, bir üst hız değerinde test edilmemiştir.
Bu testlerde konvansiyonel ve stabilizatörlü konvansiyonel modeller manevrayı
50km/sa'lik hızlarda tamamlayabilirken, temel HPS modeli 40 km/sa hızda, çapraz
bağlantılı HPS modeli ise ancak 35 km/sa hızda tamamlayabilmiştir.
Seviye ayarı testlerinde taşıtın 10 cm seviye arttırma ve düşürme ile yükleme
durumunda taşıtı tasarım konumuna geri getirme simülasyonları yapılmış ve bu
durumlarda taşıtın yaylanma karakteristiğinin değişimi irdelenmiştir. Aynı zamanda
taşıtın seviye ayarı hassasiyeti ve seviye ayarı için gereken sürenin kısaltılması için,
seviye kontrolü parametreleri optimize edilmiştir.
Son kısımda ise, oluşturulan süspansiyon modellerinin, yapılan testlere göre
karşılaştırılması özetlenmiş ve ileride yapılabilecek çalışma konuları hakkında ilgili
araştırmacılara tavsiyeler verilmiştir.

Abstract:
Suspension system is one of the most important vehicle subsystem that affects the ride
and handling performance of on and off-road or a military vehicle. Modelling and
simulation of the suspension systems which define the ride comfort and road holding
characteristics of a vehicle, has a key role in research and product development studies
in automotive industry.
This study mainly focuses on modelling a HPS system for a 10 tonness class armoured
vehicle and simulating that model with different scenarios about lateral and
longitudinal dynamics of that vehicle. Before modelling the HPS system, a base
vehicle with conventional suspension system which consists of helical springs with
constant stiffnes and dampers with different constant damping coefficients for jounce
and rebound motion is generated. After that, a base HPS system which can be replaced
with the conventional one that shows similar springing and damping characteristics
with respect to that, is modeled. This base HPS system is further developed for
advanced suspension functions such as cross plumbing of the suspension accumulators
for improved roll and pitch stiffness and a system with leveling capability.
HPS system models are created using MATLAB-Simulink toolbox and "Simscape"
sub-toolboxes.Thus, a simple and an understandably visualized block diagram of the
suspension system is utilized for further developments. Since the comfort dynamics
of the vehicles is directly related to the seat dynamics, a seat model with constant
springing and damping coefficients is created using "Simscape" toolbox blocks. This
model is integrated to the vehicle model by making necessary adjustments in both IPG
TruckMaker graphical user interface and the Simulink model of the suspension model.
All testing scenarios are carried out by IPG TruckMaker-Simulink co-simulation.
In order to use the user defined suspension model in co-simulations, technical support
is received from M.Sc. Zhou Huang, from CarMaker Service Team. By his guidance,
some initial parameters for suspension system are adjusted and the base model have
been made functional for test simulations.
In preliminary simulations, predefined parameters such as sprung mass natural
frequency and damping ratio of both conventional and HPS systems are tested for
validation and confirmed for being comparable for further scenarios. This
confirmation is made by running the vehicles with those systems on a road that
includes a step type disturbance. FFT's of the vehicle bodies' vertical accelerations
have shown that the natural frequency of the both systems are overlapped with the
design parameters. To compare and approximate the damping characteristics, damping
ratios of the vehicles are calculated by graphical methods using the vertical
displacements of the vehicle bodies.
For vertical dynamics simulations, two NATO standart test procedures are applied to
to the vehicles with conventional and HPS systems. The first one is called the absorbed
power technique, which regards the power absorbed by a human subjected to ride
vibration as ride quality. The two vehicles are run over two predefined road profiles
which are designated by APG-11 and APG-IV with different speeds in order to define
the cruising speed at which the absorbed power on the driver is reached to 6 W. Toxxii
calculate the absorbed power, FFT of the seat acceleration signals are calculated to get
the RMS accelerations of the seat for each spectral band and used in the absorbed
power calculation formulae that is given by "Aberdeen TOP 1-1-014 Ride Dynamics"
procedure. Constants used in that formulae is also given by the procedure. Results of
the absorbed power tests have shown that; for both road profiles, vehicle with the HPS
system provides higher cruising speed without violating 6 Watts of maximum
absorbed power criterion.
The second simulation type for vertical dynamics is the half round obstacle technique,
that is done by running the vehicle on a half round cylinder geometry at different
speeds and control if the vertical seat acceleration reaches 2.5 g. Interesting results are
obtained from these simulations that are further examined in the simulation results
section of this study. Vehicles with both suspension systems performed well at higher
speeds such as 20, 30, 50 kmh in terms of maximum seat vertical accelerations
however at lower speeds, vehicles with both suspension systems violated the 2.5 g of
maximum seat acceleration criterion for half round obstacle with 8 inch radius. For 4
inch radius half round obstacle tests, vehicles with both suspension systems have
passed the tests succesfully for all speeds, again they have shown better results at
higher speeds.
For lateral dynamics simulations, ISO Lane Change or double lane change procedure
adapted for off-road vehicles is performed for 4 vehicles with different suspension
systems which are the conventional system, another conventional system with
stabilizers on the front and rear axle derived from the former, base HPS system and
the HPS system with cross-plumbing derived from the former.
Trajectory limits for the maneuver are defined with the pylons in the IPG TruckMaker
Road module and the simulation log files provided the data of the pylon hits which
includes the identification code, the location where and the time when the pylon hit
occurs. 4 vehicles with different suspension models have been run at speeds increased
5 kmh gradually starting from 35 kmh. The suspension model which couldn't have
past the maneuver at the current speed, haven't been tested at upper speeds. The
vehicles with conventional system and the conventional system with the front and rear
stabilizers could make the maneuver at 50 kmh while the vehicle with the HPS system
could only made the maneuver at 40 kmh. The worst performance has been shown by
the vehicle with HPS system with cross plumbing which could only make the
maneuver at 35 kmh speed.
For suspension leveling simulations, increasing and decreasing the piston positions 10
cm and returning the piston position to the design position after a loading case are
investigated. To get the final results of the leveling function for more sensitive, steady
and faster action, parameters of the leveling device elements such as the control
algorithm, the valve actuator dynamics and the spool valve configuration is tried to be
optimized.
In the conclusion and the recommendation section of the thesis, a general comparison
of the created suspension models is summarized and further studies that can be derived
from this work are suggested to the researchers studying o