Tekerlek asılış sistemlerinin taşıt titreşimlerine etkisi

Abstract

II TEKERLEK ASILIŞ SİSTEMLERİNİN TAŞIT TİTREŞİMLERİNE ETKİSİ ÖZET Taşıtlar üzerlerinde seyrettikleri yolun pürüzlülüğü sebebiyle çeşitli titreşimlere maruz kalırlar. Bu titreşimlerin azaltılması için taşıt gövdesi,- tekerleklere `tekerlek asılış sistemleri` ile bağlanır. Tekerlek asılışları, taşıt gövdesinin dikey yaylanmasına izin verdiği gibi, taşıta gelen tahrik, fren, direnç ve seyir kuvvetlerini de taşı malıdır. Bütün bu görevleri üstlenecek olan bu sistemler çeşitli mafsal ve askı kollarından meydana gelir ve birçok tipleri geliştirilmiştir. Bu çalışmada, çeşitli tekerlek asılış sistemlerinin, taşıtın titreşim konforuna, seyir emniyetine, yol ve taşıt parçalarının yıp ranmalarına etkileri olan titreşimler açısından, incelenmesi yapılmıştır. Bu amaçla, ilk önce titreşime sebep olan uyarılar ele alınmış ve iki izli yol teorisi açıklanmıştır. Burada yol pürüzlülüğü rastlan tısal bir fonksiyon olarak ele alınmaktadır. Her bir tekerleğe, yoldan dikey uyarılar geldiği gibi, yolun çapraz eğiminden de kanber uyarıları gelmektedir. Sol ve sağ tekerleklere etki eden izlerin pürüzlülükleri bir koherans fonksiyonu ile ilişkilidirler. Bu şekilde dört uyarı fonk siyonu tarif edilmiştir. Bu uyarıların etkidikleri taşıt titreşim modeli kurulurken, amaç çeşitli asılış tiplerinin farklı etkilerini incelemek olduğundan, taşıt, bir aksından enine kesit alınmış ve iki boyutlu bir modelle temsil edil miştir. Bütün bağımsız tekerlek asılışları tek bir matematiksel modelle tanımlanmış, gövde yalpa merkezinin zeminden yüksekliğinin değiştirilme siyle değişik aks tipleri elde edilmiştir. Katı aks ise benzer ayrı bir modelle tanımlanmıştır. Tekerlek asılış sistemlerinin titreşime etkileri açısından karşı laştırılmaları yanında, çeşitli uyarıların tekil etkileri de incelenmiş ve bunlardan bazılarının ihmal edilip edilemeyecekleri ortaya konmuştur. Diğer taraftan, lastiklerin yan hareket ve kanber açısı değişimindeki elastikliklerinin, taşıt titreşimlerindeki önemleri de tespit edilmiştir,

Ill EINFLUSS DER RADAUFHAENGUNGEN AUF OÎE KRAFTFAHRZEUGSCHW1NGUNGEN ' ZUSAMMENFASSUNG Kraf tfahrzeuge erleiden infolge unebener Farbahnen unerwiinschte Schwingungen. Um diese Schwinqungen zu vermeiden, sind die Raeder an den Aufbau mit einem Feder-, Daempfer-, Lenker- und Gelenkesystem ver- bunden. Dieses Verbindungssystem wird Radaufhaengung genannt. Dieses System muss sowohl ein- und ausfedern erlauben als auch die Auftriebs- Brems- und die Kurshaltungskraef te tragen. Es gibt verschiedene Arten von Radaufhaengungen und diese bestim- men die Bewegungsweisen von Raedern gegenüber dem Fahrzeüghauptteil. Die Raeder machen neben Hubbewegunqen, je nach Art der kadaufhaengung, gleich- zeitig auch noch Spur- und Sturzaenderungen, die Seitenkraef te verursa- chen. Diese Seitenkraef te beeinflussen wiederum das Schwingungsverhalten des Kraf tfahrzeugs. In dieser Untersuchung wird versucht,den Einfluss vcn verschiedenen Radaufhaengungen in Bezug auf das Schwingungsverhalten des Kraf tfahrzeugs rechnerisch zu ermitteln. Urn das machen zu können, muss man zuerst die Systemeingangsgrössen bestimmen. Es wird von einem auf unebener Fahrbahn, mit kostanter Geschwin- digkeit, geradeaus fahrendem Fahrzeug ausgegangen. Dabei werden die Wir- kungen von Fahrmanövern wie Kurvenfahrt, Antreiben oder Bremsen zur Seite gelassen. In diesem Fall werden als Anregungen nur Fahrbahnunebenheiten in Betracht gezogen.IV Die in der Praxis vorkommer.'len Fahrbahnunebenheiten sind keine determinischen Funktionen sondern, stochastische, deshalb können sie nicht durch explizite mathematische Beziehungen ausgedrückt werden. Ihre Beschreibung ist nur durch statistische Kenngrössen möglich. Von diesem werden hier spektrale Dichte ( Verlauf der Varianz pro Frequenz- einheit über der Frequenz ) und Effektifwert { Wurzel des quadratischen Mittelwertes ) benutzt. Zur.Berechnung der Fahrzeugbeanspruchungen infolge der Erregun- gen durch Fahrbahnunebenheiten in zwei Spuren werden,rier spektrale Dichten benötigt : zwei für die vertikalen Unebenheiten in der linken ' und in der rechten Fahrspur sowie zwei f Ur die quer zur Fahrrichtung gemessenen Winkel der einzelnen Spuren in der Radaufstandsflaeche, Sturzanregung genannt. Da die Fahrbahnunebenheiten in den beiden Fahr- spuren links und rechts nicht identisch sind, wird mit Hilfe der Hypo- these der homogonen isotroDen Fahrbahn, eine Kohaerenzfunktion zwischen beiden Spuren berechnet. Nach Einführung der Kohaerenzfunktion werden vier neue rechtechnisch einfache, unkorrelierte, stochastische Funktio nen abgeleitet : Hubanregung, Wankanregung, symmetrische und antimetri- sche Sturzanregungen. Als BeurteilungsmaBstaebe des Schwingungsverhaltens des Fahrzeugs werden folgende Grössen betrachtet : Die dynamische Radlast (Radlastsdwankung ) wird zur Charakterisie- rung der Fahrsicherheit herangezogen. Ausserdem ist die Radlastschwankung gleichzeitig ein Mass für die Fahrbahnbeanspruchung. Die Radlastschwan kung ermittelt sich aus der Reif enfederkonstante und der Reif eneindrü- ckung. Auch die Seitenkraefte an der Felge sind ein MaBstab für Fahrsi cherheit. Durch diese Seitenkraefte wird ein Teil des Kraf tschlusses verbraucht und dies kann besonders bei kleinen Haf tbeiwerten sehr ge- faehrlich sein. Die Seitenkraefte setzen sich aus Felgenquerverschie- bung und Sturzaenderungen zusammen, wobei die ers teren von der Fahrgesch- windigkeit abhaengig sind. Zur Beurteilung des Schwingungskomforts wird die senkrechte Auf- baubeschleunigung über dem linken Rad berechnet. Diese Grösse beinhaltet die Aufbaubeschleunigung am Aufbauschwerpunkt sowie die Wankbeschleuni- gung des Aufbaus.Zur weiteren Beurteilung des Schwingungskomforts wird auch die Seitenbeschleunigung am Aufbauschwerpunkt errechnet. Zuletzt wird der Relativweg zwischen Achse und Aufbau berechnet, der fUr den konstruktiven Raumbedarf im Radkasten massgebend ist. Obengenannte Grössen werden für jede Anregungsfunktion sowohl als VergröBerungsfunktionen als auch als Effektiv-Werte in Betracht gezogen. Es werden Wirkungen von verschiedenen Anregungen untersucht. Wei terhin wird festgelegt, ob einige von diesen Anregungen für manche Grössen vernachlaessigbar sind. Ausserdem wird die Beeinf lussung von Schwingungsverhalten durch seitliche Reifenfederkpnstante und Seitenkraft- Sturzwinkel-Beiwert des Reifens festgestellt. Als Schwingungsersatzmodell wird ein um die Laengsachse symmetri- sches, zwei-dimensionales Fahrzeug benutzt. Die Schwerpunkte liegen in den Koordinatenanf angspunkten der raumfesten y-z-Systeme. Das System hat fünf Freiheitsgrade, aber wegen Ubersichtlichkeit und Einfachheit der Koeffizientenmatrizen werden eine Gleichung für Wankkinematik und für je Reifen,d.h. zwei Querbewegungsgleichungen zusatzlich hinzugefügt. Damit waechst die Zahl der Gleichungen auf acht an. Als Bezugsmodell von Einzelradaufhaengungen wird eine verkürzte Pendelachse in Betracht gezogen. Durch Varieren des Abstands zwischen Lenkerlagerpunkten (s ) werden verschiedene Momentanzentrumshöhen erhal- ten, d.h. aus einem Bezuqmodel lassen sich anJ^re Einzelradaufhaengungen ableiten. FUr die Starrachse wird ein neues Modeli eingeführt. Bei der Berechnung von Einzelradaufhaengungen mit verschiedenen Momentanzentrumshöhen aendert sich die Pendellaenge, was auch eine Ver- aenderung der effektiven Feder- und Daempfersteif igkeit nach sich zieht. Um dies su vermeiden, werden mit wachsender Momentanzentrumshöhe noch steifere Federn und Daempfer gewaehlt, um somit eine konstante effektive Hubfeder- und Daempfersteif igkeit zu erreichen. Ch2 ` c2^ac/as)2 = konstant.*` v2h(c -0;X-0) * Constant Kh2 ` k2^ak/as^ * konstant `* °2h(c -0;X«0) * konstant Bei de.. Starrachsen ist das nicht nötig.VI Nach den Errechnungen werden folgende Ergebnisse erhalten : Bei der Radlastschwankung haben Hub- und Wankanregungen die glei- chen EinflUsse. Die Sturzanregungen sind dabei vernachlaessigbar. Bei Hubanregungen ergeben alle Radaufhaengungen gleiche Radschwankungen, aber bei Wankanregungen sJnd die Einzelradaufhaengungen deutlich besser. Der Grund# weshalb die Starrachsen schlechtere Werte vorweisen, liegt hauptsaechlich an den Trampelnbewegungen der Achse. Je tiefer das Momentanzentrum liegt, desto kleiner sind die Sei- tenkraefte. Die Einzelradaufhaengungen, deren Momentanzentrum am Bod en liegt, und die Starrachsen lassen sich von Hubanregungen nicht beeinflus- sen. Die Einwirkungen von symmetrischen und antimetrischen Sturzuneben- heiten sind gleich gross und unabhaengig von Radaufhaengungsart. Beson- ders bei tiefer Momentanzentrumslage übernehmen die Sturzanregungen eine vorrangige Rolle im Gesamteffektivwert. Die Aufbaubeschleunigungen auf dem linken Rad sind gleich bei Starrachse und Einzelradaufhaengungen, deren Momentanzentrum am Boden liegt. Bei Hubanregung ist die Aufbaubeschleunigung unabhaengig von Radaufhaengungsart,, aber bei Wankanregung verkleinert sich die Wank- beschleunigung des Aufbaus mit wachsender Momentanzentrumshöhe und dabei hat die Starrachse bessere Beschleunigungswerte. Antimetrische Sturz anregungen haben nur ganz geringe Wirkungen bei tiefer Momentanzentrums höhe, symmetrische dagegen kaum welche. Die sich mit der Momentanzentrumshöhe erhöhende Aufbauquerbesch- leunigungen der Einzelradaufhaengungen verkleinern sich dagegen stark bei der Starrachse. Bei Radmittehöhe nehmen diese an beiden Achsen die gleichen Werte an. Bei tiefliegender Momentanzentrumshöhe haben die Einzelradaufhaengungen viel kleinere Seitenbeschleunigungen. Symmetrische Anregungen haben keinen Einfluss auf Seitenbeschleunigungen. Die antimet rischen Sturzanregungen sind wieder unabhaengig von Radaufhaengungsart und dürfen nicht vernachlaessigt werden. Der Relativweg zwischen Achse und Aufbau, bei am Boden liegendem Momentanzentrum, hat gleiche Werte bei Einzelradaufhaengung und Starrachse. Erhöht sich die Momentanzentrumslage, bleibt der Relativweg bei der Starrachse konstant, waehrend er sich bei Einzelradaufhaengungen verklei nert. Die Sturzanregungen haben keinen Einfluss auf den Rexativweg.VII Die Reifenquerfederung beeinf lusst am meisten die Seitenkraef te an den. Felgen infolge von Hub- und Wankanregungen. Je weicher die Reifen in seitlicher Richtung sind, urn so kleiner sind die seitlichen Felgenkraefte und die Seitenbeschleunigungen am Aufbauschwerpunkt. Bei kleinerer Reifensteif igkeit dagegen nehmen die Wankbeschleunigungen des Aufbaus zu, und ein wenig auch die Radlastschwankungen bei Hub- und Wankanregungen. Die Sturzsteif igkeit der Reifen ist besonders bei Sturzanregun-. gen wichtig. In Faellen,wo die Sturzanregungen vernachlaessigbar sind, brauchen diese nicht berlicksichtigt zu werden. Mit ansteigender Fahrgeschwindigkeit werden die Einflüsse von den Sturzanregungen verringert und der Anteil der Hubanregung nimmt in den Gesamtef fektivwerten zu. Waehrend die Gesamteffektivwerte der senkrechten Beschleunigungen und Kraefte mit der Quadratwurzel der Fahrgeschwindigkeit wachsen, bleiben die seitlichen ab etwa v ? 5 m/s unabhaengig von der Fahrgeschwindigkeit. Je geringer die Fahrgeschwindigkeit ist, desto kleiner wird die seitliche Daempfung. Aus diesem Grund wachsen die Vergrösserungsfunk- tionnen, besonders bei der Eigenkreisf requenz der Seitenschwingung. Diese Besonderheit sollte bei Prlif standversuchen in Betracht gezogen werden.