Motorlu taşıt kavramalarının dinamik davranışının farklı modeller ile incelenmesi

Abstract

Motorlu araçların hareket iletim hattının ilk öğesi olarak kullanılan mekanik kavramaların ortaya çıkışı, tarih bakımından otomobilin icat edildiği 19. y.y. son çeyreğine dayanır. Bu günkü diyafram yaylı modern tasarım ise 1937'de gerçekleştirilmiştir. Motorlu taşıtlarda giderek artan konfor taleplerine paralel olarak bu tasarımda sürekli olarak iyileştirilmeler yapıla gelmektedir. Mekanik kavramanın temel görevi motordan güç (hareket ve moment) iletimini kesmek veya sağlamak olduğu halde aynı zamanda taşıtın transmisyon sisteminde ortaya çıkan dişli takırtısı (gear rattling) ve çatırtı (chatter) gibi güç aktarma elemanlarındaki burulma elastikiyeti ve (mekanik) boşluklardan (backlash) kaynaklanan titreşimlerle de yakından ilgilidir. Bu nedenle kavramalar aynı zamanda güç aktarma hattındaki titreşimlerin frekans ve modlarının şekillendirilmesinde bir tür ayarlayıcı olarak kullanılmaktadır. Bu ayarlama etkisi kavrama plakası ile göbek arasında yerleştirilen helis yaylar ve sürtünme elemanlarıyla sağlanmaktadır. Bu bağlamda mekanik kavramanın dinamik davranışı incelenmek istendiğinde iki farklı yaklaşımda bulunmak mümkündür: Kavramanın vites değiştirme veya kalkış esnasında devreye girerken ortaya koyduğu geçici (transient) dinamik davranış ve kavrama gerçekleşmiş halde iken sergilediği dinamik davranış. Her iki durumda da güç aktarmanın bir öğesi olarak tahrik hattı üzerindeki diğer elemanlarla bir etkileşimi söz konusudur. Literatürdeki araştırmaların büyük kısmı kavramanın sağlandığı ikinci halin incelenmesine ilişkindir. Transient davranış ile ilgili olarak bazı üretici firmaların iç eğitim notlarında bu bilgiler mevcuttur. Ancak bunlar da muhtemelen ticari endişelerle ayrıntıdan uzaktır. Bu gerçeğe istinaden bu çalışmada mekanik bir kavramanın- kavrama gerçekleşinceye kadar geçici dinamik davranışının incelenmesi hedeflenmiştir. Böyle bir çalışma aynı zamanda çatırtı olayına, kavramanın temel tasarım parametrelerinin etkilerini inceleme imkanı verecektir. Bu amaçla kavrama elemanlarının ayrıntılı yer aldığı transmisyon hattının ayrık bir modeli kurulmuş, hareket denklemleri çıkarılmış ve bunların sayısal çözümü için bir MATLAB programı hazırlanmıştır. Aynca üç boyutlu mekanizma simülasyonuna imkan veren MSCMsuaf Nastran Desktop yazılımı altında kavrama modeli oluşturulmuş ve çözümlenmiştir. Ayrık modelde bulunan sonuçlar literatürde rastlanan sonuçlarla uyumlu olduğu gibi üç boyutlu modelde de yumuşatma yayının etkisi açık bir şekilde görülmektedir. Bu çalışma esnasında kavramadaki geçici davranışın çok karmaşık olamayan ayrık bir modelle yeterli bir hassasiyetle incelenebileceği görülmüştür. Çatırtının azaltılması için kavrama parametrelerinin nasıl değiştirilmesi gerektiği bu modellerle tespit edilebilir.

From the historical wievpoint, the design and production of mechanical clutches which are used as the first element of transmission line of most motor vehicles today, goes back to the last quarter of the XIX. Century, in which the automobile was invented. The current, modem design with diaphragm spring was firstly introduced in 1937. Parallel to the comfort demands arisen more and more, many improvements have been made. While the main task of a mechanical clutch is to provide or interrupt power flow from the motor, clutch is closely related to vibrations of transmission system caused by torque fluctuations, backlash and torsional flexibility such as chatter or gear rattle. For this reason mechanical clutches are employed, at the same time, in modifying frequencies and modal shapes of power transmission line as a tunner. This tuning effect is provided by coil springs who generates a torsional spring effect, and friction lags located between friction plate and hub. In this context, two different approaches are possible when one desires to study the dynamic behaviour of a mechanical clutch: First, the dynamic behaviour until the clutch engages, second, the steady state behaviour observed after engagement. In both cases, there is an interaction between clutch and other elements of drive line. Generally studies are handled on the stationery case, i.e. the behaviour of the system after engagement. Some manufacturers have been published several notes on transient behaviour and chatter phenemenon. However, these publications are far from being detailed, probably due to some commercial concerns. Motivated by this fact, the study of the transient behaviour of a mechanical clutch was previously aimed in the present work because it could make possible to examine how the design parameters of a clutch effects the chatter phenomenon. For this purpose, a discrete model with four degrees of freedom of the entire drive line has been estabished in which the clutch is included by considering almost all its basic elements. Based on this model, the engagements of motion have been derived. To solve these equations numerically, a MATLAB code has been written. Additionally, a 3-dimensional simulation model has been developed and solved with the MSC/Visual Nastran Desktop mechanism simulation software. The results obtained by the discrete model are in good agreement with those found in the available literature. As in 3 dimensional model the effect of cushion spring can be observed clearly. From this work, it has been understood that the transient behaviour of a mechanical clutch can be examined and evaluated to a certain level of accuracy level by means of quite simple discrete model provided that the clutch components are included in to the model as realistic as possible, and it can be determined how the clutch design parameters should be modified to decrease noise and vibrations called chatter.