RIGID VE INDEPENDENT AKSLARIN LF12 ARACIN ÜZERİNDEKİ STATİK ETKİLERİ
ÖZET
Teknolojinin gelişmesiyle birlikte, otomotiv sektöründeki üreticiler, sürücünün ve yolcuların daha rahat bir şekilde yolculuk yapabilmesi için arge ve inovasyon çalışmalarına büyük önem vermişlerdir. Bu kapsamda firmaların büyük bütçeler ayırdığı Arge birimlerinde yenilikçi projelerin geliştirilmesi ve rekabet avantajı sağlanması hedeflenmektedir. Son zamanlarda ülkemizde bu anlamda binek araçların yanında otobüs, kamyon ve tır gibi ağır vasıtalı araçlarda da bu süreç hız kazanmıştır. Ulaşım sektöründe yenilikçi ve arge çalışmalarının başında akslar ve süspansiyon sistemi gelmektedir.
Bu kapsamda yapılacak çalışmada ULTRA LF12 elektrikli şehir içi otobüsde kullanılacak olan rijit ve bağımsız aksların avantajları, dezavantajları incelenecektir. Bashi geçen aks modelleri ve aracın karkas gövdesinin modeli CATİA V6 ortamında hazırlanmış olup daha sonra SpaceClaim ortamında akslar ve gövde modeli analize uygun hale getirilmiştir. Analize hazırlanmış olan sonlu elemanlar modeli ANSYS çözücüsü ile gerekli sınır koşulları ve yüklemeler yapılarak iki aks modeli için ayrı ayrı olmak üzere toplamda 10 farklı analiz yapılmıştır. Yapılan analizlerde aksların araç gövdesine olan etkileri incelenmiş. Çıkan sonuçlar bize araç modeline göre aks seçiminde yardımcı olan kriterler arasında yer almıştır.
Anahtar Kelimeler: Rigid Aks, Bağımsız Aks, Yapısal Analiz, Otobüs Gövdesi,
1. GİRİŞ VEYA BAŞLIK
Süspansiyon sistemi, çukur, kasis ya da engebe bulunan yollar üzerindeki sürüş sırasında araçta meydana gelecek titreşimleri en aza indirmek, sert virajlarda aracın savrulmasını önlemek ve böylelikle hem olası bir kaza riskinin önüne geçebilmek hem de yolcuları, oluşacak sarsıntıdan korumak amacıyla kullanılan sistemlerdir. Aracın trafik kontrolünü sağlamada etkili bir rol üstlenen süspansiyon, gerekli ve dengeli yol tutuşu için önemli bir araç sistemidir. Süspansiyon sistemleri, bir motorlu taşıtta kullanılan diğer komponentler gibi taşıtın en önemli karakteristik yapı elemanlarından biridir. Taşıt tasarımı süreçlerinde de süspansiyon sistemleri düşünülerek gövde karkas tasarımı yapılmaktadır. Taşıtlarda, özellikle ağır vasıtalı araçlarda konfor ve kontrol gereksinimleri sonucunda ortaya çıkan süspansiyon sistemi son yıllarda daha da önem kazanmıştır. Ergonomik ve kontrol sonucu olarak yaylandırılmamış kütlenin mümkün olduğunca düşük tutulması, süspansiyon sistemlerinin tasarımdaki temel karakteristiklerindendir. [1]
Günümüzde süspansiyon çeşitleri kullanıldığı araç tipine göre farklılık gösterilmektedir. Otomobiller, otobüsler, hafif ticari araçlar, kamyon ve tır gibi ağır vasıtalı araçlarda farklı süspansiyon tipleri kullanılabilmektedir. En yaygın süspansiyon çeşitleri ise sabit ve bağımsız (serbest) tipleridir
Sabit süspansiyon sistemi, sağ ve sol tekerleklerin rijit bir aks aracılığı ile birbirine bağlandığı bir süspansiyon sistemidir.
Görsel 1. Rigid Aks
Bağımsız süspansiyon sistemleri ise, tekerleklerin birbirinden bağımsız olarak farklı yönlerde hareket etmesine sağlayan bir süspansiyon tipidir. Bu tipteki süspansiyon sistemi tekerleklerin birbirinden bağımsız olarak aşağı, yukarı, sola veya sağa hareket ederek sarsıntıların daha iyi emilmesini sağlar. Engelli yolcuların rahat inip binebilmesi için otobüsün sağa yatma özelliği, kaldırıma konumlandırılan engelli rampasının regülasyonlara uygun şekilde 25 cm olacağı göz önüne alınarak yapılmıştır. [2] Bu sistemler bağımsız aks olarak tanımlanan akslar vasıtasıyla araca bağlanmaktadır.
Görsel 2. Bağımsız Aks
Süspansiyon sistemlerinde sabit (rijit) aksların seçilmesi sonucu araca aktarılacak titreşimleri, yol şartları göz önüne alındığında meydana gelecek olan gürültüye bağlı olarak da çeşitli konfor problemlerini de beraberinde getirecektir. [3] Bağımsız aksların gövde parçalarının üretim sürecinde çelik imalat kullanılmaktadır. Fakat son yıllarda yapılan inovasyon ve araştırmalar sonucunda bağımsız aksların daha dayanıklı ve hafif olması için sıkıştırılmış grafitli dökme demir, küresel grafitli demir ve magnezyum/alüminyum alaşımları gibi malzemeler kullanılmaktadır. [4] Günümüzde ağır vasıta üreticileri, yolcu otobüslerinin ve kamyonların bağımsız süspansiyon sistemlerini artan bir oranda tercih etmeye başlamışlardır.
Taşıtın yük/ağırlık eğilimi, temel aşırı dönerlik/az dönerlik (oversteer/understeer) karakteristiklerini belirler. [5] Taşıtın ön kısmı, arka kısmından daha ağır olduğunda taşıtın dönüş kabiliyeti azalır ve daha az dönerlik eğilimi gösterir. Bunun tersi durumdaysa, yani arka kısım ön kısımdan daha ağırsa, taşıt aşırı dönerlik eğiliminde olur. Taşıtın ağırlığı ön ve arka akslara eşit şekilde dağıtıldığında, taşıt tarafsız bir yönlendirme sağlar. Bu sürüş özelliklerini belirleyen en önemli faktörler, taşıtın ağırlık dağılımı, süspansiyon tasarımı ve seçilen lastik ile tekerlek boyutlarıdır.
Bu çalışmasında, iki akslı, dört tekerlekten yönlendirilen araçlar için kullanılan stratejiler genişletilerek, üç ve dört akslı araçlar için yeni stratejiler elde edilmiştir. [6] İlgili çalışmada, simülasyonlar için hem yaylı hem de yaysız kütle hareketlerini kapsayan ve tekerlek ile lastik dinamiğini içeren lineer olmayan bir sürüş ve yol tutuş modeli kullanılmıştır. Yapılan durum çalışmaları, üç ve dört akslı araçlarda ara akslar üzerindeki tekerleklerin de yönlendirilmesiyle, araçların dönme hızlarının ve yanal ivmelerinin artırılabileceğini, ancak araç yüzme açısının aynı seviyede tutulabileceğini ortaya koymuştur.
İki akslı yol araçları için aktif dönüş kontrol sistemi tasarımı ve kapsamlı benzetim sonuçları vardır. Tasarlanan kontrol sistemi, sürücünün istediği hareketi tahmin etmeyi ve bu hareketi hassas bir şekilde takip etmeyi amaçlamaktadır. [7] Öncelikle, dönüş kontrolü için gerekli yapı, araç davranış parametreleri göz önünde bulundurulmadan oluşturulmuş, daha sonra tasarlanan kontrol mekanizması araç yüzme açısı gibi diğer parametreleri dikkate alarak iyileştirilmiştir. Sürücünün istediği araç davranışını tahmin etmek amacıyla iki serbestlik dereceli araç modeli (bisiklet modeli) kullanılmıştır. Denetleyici tasarımında, doğrusal olmayan tasarım problemlerini ele almak için genellikle tercih edilen bulanık mantık denetim metodu kullanılmıştır. Bu yöntem, doğrusal olmayan kontrol sorunlarını çözmede etkili bir araç olarak seçilmiştir. Daha sonrasında ise, tasarlanan denetleyici, araç yüzme açısını da sınırlandıracak şekilde optimize edilmiştir. Bu geliştirme ile, denetleyicinin performansı artırılarak, araç yüzme açısının da kontrol altına alınması sağlanmıştır.
Bu çalışmada Ulaşım İç ve Dış Ticaret A.Ş. ULTRA LF12 alçak tabanlı elektrikli otobüste kullanılacak sabit (rijit) süspansiyon ile bağımsız (serbest) süspansiyonun araç üzerindeki etkilerine bakılacaktır.
2. MATERYAL VE METOT
Bu çalışmada rigid aks ve independent aksın ULTRA LF12 elektrikli bir aracın üzerine etikleri incelenmiştir. Aracın toplam ağırlığı 18000 kg olup emniyette çalışabilmek maksadıyla uygulanan bütün analizlerde tam dolu ağırlığı 19500 kg olarak kabul edilmiştir. Bu yükleme altında iki farklı aks modeli için araca toplamda 10 farklı analiz koşturulmuş olup bunlar iki aks modeli için 1G ve 4 farklı tekerlekten ayrı ayrı uygulanmak üzere burulma analizleridir. Uygulanan analizler arasında en belirleyici olanı 1G analizidir. Burulma analizleri bize aracın çukura düşme ya da bir tümsekten geçme anında araçta yüklemelerin nerelerde toplanabileceği konusunda fikir vermesi amacıyla yapılmıştır.
Bahsi geçen analizlerin yapılabilmesi için tasarımı bitmiş olan aracın CAD modeli Spacecliam ortamında kabuk dataya çevrilmiştir. Bunun başlıca sebebi kompleks olarak tasarlanmış olana aracın sonlu elemanlar analizi koşturulması esnasında herhangi bir sorun yaşamaması ve en doğru çözüme ulaşabilmek amacıyla kontak yüzeylerini olabildiğince azaltmak maçıyla yapılmıştır. Bu yöntem ile Spacecliam programı aracılığı ile iki profilin bağlantı noktaları birleştirilmiş kabul edilip Ansys Mechanical ortamında tek data olarak görmesini sağlamıştır. Bu yöntemin diğer bir avantajı da sonlu elemanlar ağ yapısı oluşturulurken ağ yağısının iki farklı profil arasındaki geçisin de tek düğüm noktası kullanarak doğruluk oranını arttırmış olup daha smooth ve daha az sonlu elemanalar ağ yapısı oluşmasına ve çözümün daha hızlı gerçekleşmesine olanak sağlanmıştır. Bahsi geçen durumlar göz önünde bulundurularak oluşturulan ağ yapısının eleman boyutu 10 mm olarak belirlenmiş olup rigid aks ve independent aks yapısına sahip aracın eleman sayıları ve düğüm noktası sayıları aşağıdaki çizelge 1 de belirtilmiştir.
Çizelge 1. Farklı Aks Modeline Sahip 12M Elektrikli Aracın Eleman Ve Düğüm Sayıları
| Aks Modeli | Eleman Sayısı | Düğüm Sayısı |
| Rigid Aks | 2426457 | 4791187 |
| Independent Aks | 2203882 | 3783265 |
Bahsi geçen sonlu elemanlar ağ yapısı ve analiz öncesi modelin yansımaları görsel 3 ve görsel 4 de verilmiştir.
Görsel 3. Analiz Datası
Görsel 4. Sonlu Elemanlar Ağ Yapı
Ansys ortamında analiz sonuçlarının gerçeğe en yakın sonucun çıkması için her parçanın kendi malzemesi ansys ortamına tanıtılmıştır. Araç modelinde kullanılan profillerin hepsi S350GD+Z malzemesi olup sac malzemeler St-37 malzemesidir. Çizelge-2 de Malzeme özellikleri belirtilmiştir.
Çizelge 2. Sonlu Elemanlar Modelinde Kullanılan Malzemeler [8]
| Malzeme | Yoğunluk (kg/m³) | Elastisite Modülü (MPa) | Poisson Oranı | Akma Dayanımı (MPa) |
| S350GD+Z | 7,8 | 210000 | 0,3 | 350 |
| St-37 | 7,8 | 200000 | 0,3 | 255 |
2.1. 1G Analizi
1G analizi iki farklı aks için aynı yükleme koşulları altında uygulanmış olup aracın tam dolu yükleme halinin yer çekimi altında araç karkasının göstereceği tepkileri belirtmektedir. Bahsi geçen analiz yapılan analizler arasında en belirleyici özelliğe sahip olup statik bir analizdir. Yapılan analiz kapsamında sınır şartları tekerleklerden verilmiş olup aracın yükleme durumu ve sınır şartları görsel 5 ve görsel 6 de belirtilmiştir.
Görsel 5. Yükleme Durumu Görsel 6. Sınır Şartları
1G analizi sonuçlarında genel olarak yük yoğunluğunun olduğu bölgeler kıyaslanmıştır. Bu durumda söz konusu analizin sonuçlarına bakıldığından yük yoğunluğu genel olarak ön aks körük bağlantı bölgesinde ve aracın havuz bölgesinin ana profilinde çıkmıştır. Kıyaslama yansılarda belirtilmiştir.
Görsel 7. Rigid Aks Davlumbaz Bölgesi Stress Dağılımı
Görsel 8. Independent Aks Davlumbaz Stress Dağılımı
Görsel 9. Rigid Aks Havuz Bölgesi Stress Dağılımı
Görsel 10. Independent Aks Havuz Bölgesi Stress Dağılımı
Yapılan 1G analizinde iki farklı aks modelinde de aynı yükler uygulanmıştır. Uygulanan yükler altında aracın üzerinde oluşan yük dağılımları görsel 7, görsel 8, görsel 9 ve görsel 10 yansımalarında verilmiş olup sonuçlar incelenmiştir. Görsel 7’te verilen rigid aks davlumbaz üstü stress sonucunda maksimum gerilme 194 MPa çıkmaktadır. Görsel 8 da verilmiş olan independent aks modelinin davlumbaz üstü stress sonucunda ise maksimum gerilme 187 MPa çıkmıştır. Aynı şekilde görsel 9 ve 10 verilmiş olan sırasıyla rigid ve independent aks modelinin havuz bölgesinde oluşan stress dağılımları sırası ile 109 MPa ve 99 MPa’ dır. Verilmiş olan sonuçlar aynı düğüm noktalarından ölçülmüştür.
2.2. Burulma Analizi
Burulma analizleri Prasad ve Rao tarafından araçların burulma momentinin bulunması yönünde yaptığı çalışmada aracın iki tekerleğinin eğim farkında oluşan momentin araca etkisi incelemesi şeklinde yaptığı çalışmada olduğu gibi iki aks modeli için 4 tekerleğe ayrı ayrı eğim verilerek yapılmıştır.[9] Bu yöntemle toplamda 8 farklı analiz yapılmış olmakla beraber analizler içerisinde en yüksek değerli sonuçlar karşılaştırmaya tabi tutulmuştur. Bu durumda
Görsel 11. Rigid Aks Sağ Ön Tekerlek Burulma Analizi Orta Kapı Bölgesi
Görsel 12. Independent Aks Sağ Ön Tekerlek Burulma Analizi Orta Kapı Bölgesi
Burulma analizlerinde en yüksek sonuçlar sağ ön tekerlek burulmasında çıkmıştır. Bu durum göz önüne alınıp sonuçlar incelendiğinde orta kapı bölgesinde yığılmaların olduğu görülmektedir. Bu analizlerde yığılmaların olduğu bölgeler bize aracın gerçek çalışma koşullarında nasıl tepkiler vereceğini göstermektedir. Çıkan sonuçların yüksekliğinden ziyade yük yığılma oranı göz önüne alınmıştır. Sonuçların yüksek çıkmasının diğer sebeplerinden biride emniyette çalışabilmek için aracın geneline yayılmış olan fazla kütle ve burma oranının etkisidir. Orta kapı bölgesi rigid aks ve independent aks modellerine göre incelendiğinde sırasıyla maksimum çıkan değerler 268 MPa ve 226 MPa dır. Sonuçlar genel olarak incelendiğinde. Arslan ve Solmaz (2018) 12 metre bir araçta yapmış oldukları çalışmada yük altında oluşan gerilmeler, bu çalışmada olduğu gibi genel anlamda profil birleşme noktalarında çıkmıştır.[10] Bu durum araç üretiminde kaynaklama çalışmasının önemini göstermektedir.
3. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME
LF 12 Elektrikli bir araçta iki farklı aks modelinin araca etkileri incelenmiştir. Araç tam dolu hali 18000 kg olup emniyette çalışmak amacıyla aracın tam dolu hali 19500 kg kabul edilmiştir. Gerekli sınır koşulları koşulları ve yüklemeler araç karkasına uygulandıktan sonra 1G analizi ve 4 tekerlekten ayrı ayrı uygulanmak suretiyle iki aks modeli için toplamda 10 farklı burulma analizi yapılmıştır. 1G analizi incelendiğinden aks bağlantı bölgesinde rigid ve independent aks modellerinde sırası ile 194 MPa ve 187 MPa gerilme çıkarken aracın havuz bölgesinde sırasıyla 109 MPa ve 99MPa gerilme çıktığı görülmektedir. Aynı şekilde burulma analizleri yapılmış ve sonuçlar incelenmiştir. Analizler arasında en çok yük yığılmasının olduğu bölgel ele alınmıştır. Sonuçlara bakıldığında rigid ve independent aks modelinin stress değerleri sırasıyla 268 MPa ve 226 MPa olduğu görülmüştür. Bütün çıkan sonuçlar değerlendirildiğin independent aks modelinin rigid aks modeline göre gerilmelerin bölgesel olarak %4 ile %15 oranında düştüğü gözlemlenmiştir. Independent aks modelinin konforlu çalışmasının yanı sıra yükleri absorbe etme konusunda rigid aks’ a göre daha iyi olduğu ortaya çıkmıştır.
4. GENEL DEĞERLENDİRME VE SONUÇLAR
Ulaşım İç ve Dış Ticaret A.Ş. tarafından üretilen LF12 Elektrikli otobüslerde kullanılan rijit ve bağımsız aksların ANYS programı yardımıyla araç gövdesi üzerinde oluşturduğu etkilerin analizi yapılmıştır. Bu iki aks modelinin, aracın tam dolu ağırlığının 18.000 kg olduğu göz önünde bulundurulmuştur. Emniyet amaçları doğrultusunda, aracın dolu hali 19.500 kg olarak kabul edilmiştir. İki farklı aks kullanıldığında aracın belli noktaları oluşan gerilmelere bakılmıştır. 1G analizde aynı yükleme koşulları altında araca toplamda 10 farklı analiz gerçekleştirilmiş olup, bunlardan ikisi 1G analizi, diğer 8 analiz ise tekerleklerden bağımsız olarak uygulanan burulma analizleridir. Uygulanan analizler arasında en kritik olanı 1G analizdir. Burulma analizleri sonucunda, aracın çukura düşme veya bir tümsekten geçiş anında yüklerin araç üzerinde nerelerde yoğunlaşabileceği konusunda bilgi sağlanmıştır. Geçmişten günümüze teknolojinin gelişimi ile ulaşım sektörü kendini geliştirmiş ve bu alkanda ciddi çalışmalar yapılmıştır. Toplu taşıma araçlarında tek amaç insanı bir yerden bir yere götürmek değil araç güvenliğini ve yolcu konforunu sağlamaktır. Yapılan analizler sonucunda bağımsız aks modelinin, konforlu bir şekilde çalışmasının yanı sıra araç gövdesine aktarılan yükleri ve titreşimleri sönümleme kabiliyeti rijit aksa göre daha üstün olduğu belirlenmiştir. Bu sonuçlar göz önünde bulundurularak LF12 Elektrikli araca, bağımsız aks kullanılması daha uygun olduğu ön görülmüştür.
KAYNAKÇA
[1] A.I. Erzin, Motorlu Taşıtlar Ders Notları, İstanbul: İTÜ Makine Fakültesi, 1975, Sayfa1-1
[2] Ötnü, G., Bağımsız Süspansiyonlu Halk Otobüsünde Ağırlık Merkezi Değişiminin Dönme Karakteristiğine Etkisinin Yüksek Lisans Tezi, Afyon Kocatepe Üniversitesi, Fen Bilimler Enstitüsü, Afyon, 2015.
[3] Kuralay, N.S., (2008), Motorlu taşıtlar yapı elemanları, Fren çeşitleri frenin taşıt üzerine etkileri. 1. Baskı, İzmir, 40-60
[4] Živković, V., Nedić, B. ve Durić, S. (2020). Manufacturing specificity of vehicle’s independent suspension system parts. Mobility and Vehicle Mechanics, 46(1), 31–41.
[5] Demir, A., Çavdar. A., (2005). Taşıt Kullanım karakteristikleri açısından az dönerlik 46 (understeer) ve aşırı dönerlik (oversteer)incelenmesi. Uluslararası Konferans, Marmara Üniversitesi.
[6] Bayar, K., (2006). Modeling of the Dynamics of multi-axle steered vehicles. The desree of master of science, The graduate school of natural and applied scıences, Mechanical Engineering, Middle East Technical Unıversity.
[7] Tekin, G., (2008).Desing and simulation of an integrated active yaw control system for road vehicles. The desree of master of science, The graduate school of natural and applied scıences, Mechanical engineering, Middle East Technical Unıversity.
[8] Aktürk, V., İnal, A., Akia Ultra LF12 Aracın Koltuk Braketlerinin Topoloji Optimizasyonu ile Hafifletilmesi, 14th International Conference On Applied Sciences, syf 86-94, 2024.
[9] K.S.R.K Prasad, M.V. Subba Rao, Analysis of Torsion Loads on Vehicle Structures and Suspension Systems by Simplified Elastic Models, Int. Journal of Vehicle Desing, Vol.10, No.6, pp. 687-702, (1989)
[9] K.S.R.K Prasad, M.V. Subba Rao, Analysis of Torsion Loads on Vehicle Structures and Suspension Systems by Simplified Elastic Models, Int. Journal of Vehicle Desing, Vol.10, No.6, pp. 687-702, (1989)
[10] Arslan, T.A., Solmaz, H. 2018. M3 Kategorisi Bir Otobüs Tasarımı ve Yapisal Analizleri. In Proceedings on International Conference on Technology and Science, Antalya, 343-351.
