Nur Hoşver, Veysel Çataltepe, Akın Çevik, Özgür Uyar
Anadolu ISUZU Otomotiv San. ve Tic. A.Ş.
Aralık 2011, Kocaeli

Not: Bu makale ilk defa Mayıs 2012'de TurkCADCAM.net portalı üzerinden yayınlanmaya başlamıştır.

Özet

Anadolu ISUZU tarafından geliştirilen bir toplu taşıma otobüsünün dış aynalarının titreşim performansının, sonlu elemanlar analizleri ve titreşim testleri yardımıyla geliştirilmesi  amaçlanmıştır.

Anahtar kelimeler: Modal Analiz, Otobüs Dış Aynaları, Titreşim Testleri

Giriş

Dış aynalar, otobüs şoförleri için emniyetli sürüş ve konfor açısından çok önemli komponentlerdir. Ayna ve bağlantılarının fonksiyonları arasında; kararlı, net ve yüksek kaliteli görüntü oluşturmak, görüntüyü sürücüye aktarmak, emniyetli sürüş için gerekli görüntüleri göstermek, kör nokta oluşturmamak, düşük ışıkta dahi iyi görüntü oluşturmak şeklinde sıralanabilir. Aynı zamanda aynaların montajı da fonksiyonel olmalı, ayna yeri ve şoföre göre pozisyonu doğru olmalı, yüklemeye maruz kaldığında oryantasyonunu koruyabilmelidir.

Otobüs, midibüs gibi ticari araçlarda dış ayna titreşimleri  yol ve aerodinamik etkenler nedeniyle her zaman incelenmesi gereken bir konudur. Ayna kollarının ve bağlantı elemanlarının elastikliği, ayna başlarının rijitliği, ayna ve çevresinin elastikliği titreşime etki eden bazı etmenlerdir. Bu konuda otobüs üretici firmalarının Ar-Ge çalışanları, ayna kolları ile ilgili farklı tasarım çalışmalarını, optimizasyon çalışmaları, sonlu elemanlar analizleri ve testler ile değerlendirerek ürün geliştirme aşamalarını tamamlama.
 

Ayna görüş alanları minimum gereksinimlerine yönelik şartnamelerde (2003/97/EEC) belirtildiği üzere, sürücü tarafındaki ve yolcu tarafındaki dış arka görüş aynaları için görüş alanı, sürücünün görüş alanı göz hizasından geriye doğru 30 m mesafeden başlayarak yatayda en az 5 m genişliğinde, 4 m mesafeden başlayarak yatayda en az 1m genişliğinde olmalıdır.

Şekil 1. 2003/97/EEC şartnamesinde belirtilen ayna görüş alanı

2003/97/EEC şartnamesinde belirtilen özellikleri ve yukarıda belirtilen diğer fonksiyonları karşılamak, aynı zamanda aracın kayar gösterge paneline engel oluşturmamak için aracın tavanından bağlantılı bir dizayn oluşturularak önceki tasarımlardan farklı bir tasarımla yola çıkılmış farklı bir dış ayna tasarımı değerlendirilmiştir. Bu dizayn, regülasyonlarda belirtilen özellikleri karşılamak için (yükseklik vs.) beraberinde titreşim sorunlarını getirmiştir.

Şekil 2. Kayar Yazı Paneli ve Ayna Bağlantısı

Fabrika içerisinde yapılan titreşim testleri ve subjektif değerlendirmelerde, araç seyir halinde ve rölanti durumunda iken ayna kollarının titreşim performansının iyileştirilmesi gerekliliği gözlemlenmiştir.
Güvenlik şartnamelerini sağlayacak, sürücü beklentilerini karşılayacak bir dış ayna tasarımı oluşturmak ve titreşim sorunlarını gidermek için sonlu elemanlar analizleri gerçekleştirerek ve test edilerek  aynaların titreşim frekansları elde edilmiş ve gerekli dizayn çalışmaları yapılmıştır.

Sonlu elemanlar modeli ve sınır şartları

Modelde rijitlik sağlayan profiller ve solid parçalar kullanılarak, sadece otobüs modelinin ön bölgesi (ön kapı bitişinden itibaren) modellenmiştir. Saclar, frp parçalar ve camlar modele eklenmemiştir. Sınır şartı olarak, ön kapı arkasından itibaren model sabitlenmiştir. Yan aynaların camı ve plastik aksamı modele eklenmeyip, ağırlık (3.5 kg) olarak hesaba katılmıştır.
Sonlu elemanlar modellemesi ve analizi Ansys Workbench 13.0 kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

Şekil 3. Sonlu Elemanlar Modeli

Ulaşılması gereken frekans değerleri, “bir parçanın doğal frekanslarını  motor ve diğer sistem modlarından uzak tutma” yaklaşımı ile belirlenmiştir.

Yoldan araca iletilen, araç gövdesinde etkin olan tahriklerin büyük çoğunluğunun 0-20 Hz arasında olduğu varsayılmış, ayna sistemi doğal frekansının 20 Hz üzerine çıkarılması hedeflenmiştir.

Baz model

Baz ayna modeli form verilmiş bir boru ve bu boruyu gövdeye bağlayan döküm bağlantı parçasından oluşmaktadır.

Şekil 4. Sol ve Sağ Ayna Parçaları ve Bağlantısı

Baz modelde ayna titreşim frekanslarına bakıldığında, birinci mod sağ aynada yanal eksende eğilme şeklinde 13.2 Hz, ikinci mod sol aynada yanal eksende eğilme şeklinde 13.4 Hz civarında çıkmaktadır. Bunları takip eden frekanslarda da sağ  aynada araç ekseninde eğilme şeklinde 15.6 Hz ve sol aynada araç ekseninde eğilme şeklinde 16Hz çıkmaktadır. Literatür araştırmalarına göre bu değerler (0-20Hz arası), yoldan araca iletilen uyarıların frekansları olduğu bilinmektedir.

Şekil 5. Baz Model Analiz Sonuçları

Baz modelde sol ayna üzerinde yapılan test sonuçlarına göre frekans değerleri yanal yönde 11 Hz ve araç yönünde 14.5 Hz çıkmıştır.

Tablo 1. Baz  Model Sol Ayna Doğal Frekanslarının Karşılaştırılması

Şekil 6. Sol Ayna Test Sonuçları

Test sonuçlarından elde edilen frekans değerleri ile sanal analizler ile hesaplanan frekans değerlerinin bir miktar farklı olduğu görülmüştür. Bu farkın analizdeki modelleme gereği, ön-yan camların  olmayışı, kontakt rijitliği gibi nedenlerden kaynaklandığı tahmin edilmektedir.

Tasarım geliştirme aşamaları

Aynaların doğal frekansını hedeflenen değere ötelemek için birçok çalışma yapılmış titreşim değerlerini hedeflenen değere ulaştırmaya çalışılmıştır. Ayna kollarının titreşim frekanslarını ötelemek için; ayna bağlantı kollarının montajı, bağlantı kolu-araç gövde bağlantılarının montaj etkisi, bağlantı kolu-araç gövde esnek (kauçuk) parçaların etkisi, ayna-kol montaj değişikliği, ayna koluna köpük doldurulması gibi yöntemler denenmiştir.

Sol ayna üzerinde yapılan bazı değişiklikler Şekil 7 ’de verilmiştir.

Kauçuk malzemelerle desteklemek

Döküm Bağlantı parçasını değiştirmek / Boru içine lama yerleştirmek

Alüminyum destek profiller yerleştirmek

ikinci bir eksenden sabitlemek

Şekil 7. Sol Ayna üzerinde yapılan bazı çalışmalar

Sol ayna üzerinde yapılan, maliyeti daha ucuz olan  tasarımlar (bağlantıyı kauçuk ile desteklemek, boru içine lama kaynatmak vs..) ile problem giderilememiş, ayna kolunun karkas ile bağlantısını gerçekleştiren parça değiştirilip borunun ikinci bir eksenden sabitleyen parça tasarımı ile hedeflenen değere ulaşılmıştır.

Sağ ayna kollarının titreşim frekanslarını ötelemek için yapılan çalışmalar aşağıda verilmiştir:

Alüminyum destek profiller yerleştirmek / Döküm Bağlantı parçasını değiştirmek

Bağlantı parçasını uzatmak

Boru formunu açılı yapmak

Şekil 8. Sağ Ayna üzerinde yapılan bazı çalışmalar

Sağ ayna için de maliyeti ucuz kabul edilen yöntemler çözüm getirmemiş karkas bağlantı parçası değiştirilmiş ve en etkili çözüm olan boru formunun titreşime fazla izin vermeyecek şekilde açılı tasarlanması ve boru  üzerine destek elemanlar kaynatılması çözüm olmuştur.

Final tasarım ve analiz sonuçları

Bu çalışmalardan sonra en uygun tasarım seçilerek fabrika içerisinde titreşim testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testlerde ve subjektif değerlendirmelerde, araç seyir halinde ve rölantide iken aynaların titreşiminin kabul edilebilir seviyelerde olduğu gözlemlenmiştir.
Son tasarlanan sağ ve sol aynaların  üstten görünüşü Şekil 9’da gösterilmiştir.

Şekil 9 . Final Model

Sağ ve sol aynaların final modelleri üzerinde normal yol koşullarında ve çekiç testlerinde titreşim dataları toplanmış ve ortaya çıkan frekans değerleri analiz sonuçları ile mukayese edilmiştir. Şekil 10, 11, 12 ve 13’de sağ ve sol ayna komplesi üzerinde toplanan titreşim datalarına ait power spektrum dağılımları görülmektedir.

Şekil 10. Sol Ayna Frekansları (Yol Testleri)

Şekil 11. Sağ Ayna Frekansları (Yol Testleri)

Şekil 12. Sol Ayna Frekansları (Çekiç Testleri)

Şekil 13. Sağ Ayna Frekansları (Çekiç Testleri)

Sağ ve Sol aynaların final modelleri üzerinde yapılan test sonuçları ve sonlu elemanlar analizi sonuçlarının karşılaştırması Tablo 2’de görülmektedir. Sonuçlara göre test ve sanal analiz sonuçları arasında baz model sonuçlarındaki gibi sanal analizlerde yapılan kabuller ve modellemeden kaynaklandığı tahmin edilen farklılıklar gözlemlenmiştir.

Tablo 2. Final Modelde Aynaların Doğal Frekanslarının Karşılaştırılması

Şekil 14 ’de final tasarım sağ ve sol ayna için deformasyon şekli ve frekans değerleri verilmiştir.

Şekil 14 . Geliştirilmiş Model Analiz Sonuçları

Sonuçlar

Bu çalışmada Anadolu ISUZU tarafından geliştirilen bir toplu taşıma aracında subjektif olarak tespit edilen ayna titreşiminin kabul edilebilir seviyelere indirilmesi için tasarım, sanal analiz ve test çalışmalarında nasıl bir yol izlendiği görülmektedir. Ulaşılması istenen frekans değeri,  aynaların doğal frekanslarını  motor ve diğer sistem modlarından uzak tutma yaklaşımı ile belirlenmiş, sonlu elemanlar analizleri ile oluşturulan tasarımlar değerlendirilmiş ve uygun görülen tasarım test edilerek ürün geliştirme aşamaları gerçekleştirilmiştir.

Yeni tasarlanan ayna modelinde, yapılan çalışmalardan sonra frekans değerleri yaklaşık % 45 iyileştirilmiş, yol testlerinde yapılan subjektif değerlendirmelerde ayna kollarının titreşim performansındaki iyileşme gözlemlenmiştir.

Kaynaklar

1. European Council, “Type-approval of devices for indirect vision and of vehicles equipped with these devices” (2003).
2. Dal, M., Doğanlı, M., Polat, G., Canga, O., Tandoğan, O., Tras, F., 2009, “Exterior mirror arm design optimization to improve vibration performance”, Inter Noise 2009, Ottawa, Canada, August 23-26.
3. Ansys Workbench 13.0 Manual