BİNEK ARAÇLARDA HAVA YAYI KULLANAN AKTİF SÜSPANSİYON SİSTEMİNİN VE HAVA YAYI KATILIK PARAMETRELERİNİN SİSTEM PERFORMANSINA ETKİSİNİN İNCELENMESİ Yusuf Alptekin TÜRKKAN T.C. BURSA ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BİNEK ARAÇLARDA HAVA YAYI KULLANAN AKTİF SÜSPANSİYON SİSTEMİNİN VE HAVA YAYI KATILIK PARAMETRELERİNİN SİSTEM PERFORMANSINA ETKİSİNİN İNCELENMESİ Yusuf Alptekin TÜRKKAN 0000-0003-1542-0713 Dr. Öğr. Üyesi Gürsel ŞEFKAT (Danışman) DOKTORA TEZİ MAKİNE TEORİSİ VE DİNAMİĞİ ANABİLİM DALI BURSA – 2020 Her Hakkı Saklıdır Fen Bilimleri Enstitüsü, tez yazım kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında;  tez içindeki bütün bilgi ve belgeleri akademik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,  görsel, işitsel ve yazılı tüm bilgi ve sonuçları bilimsel ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,  başkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda ilgili eserlere bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunduğumu,  atıfta bulunduğum eserlerin tümünü kaynak olarak gösterdiğimi,  kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapmadığımı,  ve bu tezin herhangi bir bölümünü bu üniversite veya başka bir üniversitede başka bir tez çalışması olarak sunmadığımı beyan ederim. 30/06/2020 Yusuf Alptekin TÜRKKAN ÖZET Doktora Tezi BİNEK ARAÇLARDA HAVA YAYI KULLANAN AKTİF SÜSPANSİYON SİSTEMİNİN VE HAVA YAYI KATILIK PARAMETRELERİNİN SİSTEM PERFORMANSINA ETKİSİNİN İNCELENMESİ Yusuf Alptekin TÜRKKAN Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Dr. Öğr.Üyesi Gürsel ŞEFKAT Süspansiyon sistemleri, araçta oluşan yoldan ve/veya araç üzerindeki elemanlardan kaynaklı titreşimleri izole etmek ve dinamik konforu artırmak için kullanılır. Süspansiyon sistemleri dinamik konforu etkilerken aynı zamanda araç yol tutuşunu da etkilemektedir ve bu etkiler bir biriyle zıt çalışmaktadır. Hava yayı, sönüm elemanı üzerine konumlandırılmış spiral yay yerine kauçuk bir gövde monte edilerek üretilir. Hava yaylarının mekanik yaylardan farkı, içerisindeki basınç değişimiyle yay katılığının değişmesidir. Bu nedenle süspansiyon sistemlerinde, sürüş konforu arttırırken, araç yol tutuşunun da bozulmaması için aktif ve yarı aktif kontrol imkânı sağlayan hava yayları günümüzde daha çok tercih edilmeye başlanılmıştır. Hava yayları genellikle tren, ağır yük taşıtları ve üst sınıf binek araçlarda kullanılmaktadır. Bu çalışmada, binek araçlarda kullanılan hava yaylı pasif ve aktif süspansiyon sistemleri ve bunların sistem performansına etkisi incelenmiştir. Deneylerle hava yayının yay katılığı elde edilmiştir. Deneylerden elde edilen yay katılığı kullanılarak MATLAB programı ve MATLAB'ın altında çalışan Simulink kullanılarak çeyrek, yarım ve tam taşıt modelleri oluşturulmuştur. Bu modellere farklı giriş sinyalleri uygulanarak çıkıştaki düşey şase yer değiştirmeleri ve frekans cevapları incelenmiştir. Çalışmada aktif süspansiyon sisteminin kontrolcüsü olarak PID kontrol yöntemi uygulanmıştır. Anahtar Kelimeler: Hava yayı, aktif süspansiyon sistemleri, MATLAB/Simulink, taşıt dinamiği, sürüş konforu, modelleme, PID 2020, x + 119 sayfa. i ABSTRACT PhD Thesis INVESTIGATION OF THE EFFECT OF ACTIVE SUSPENSION SYSTEM USING AIR SPRING AND AIR SPRING RIGIDITY PARAMETERS ON SYSTEM PERFORMANCE IN PASSENGER VEHICLES Yusuf Alptekin TÜRKKAN Bursa Uludağ University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Mechanical Engineering Supervisor: Assist.Prof. Dr. Gürsel ŞEFKAT Suspension systems are used in order to insulate the vibrations which are occurred during the travel on the roads and/or because of the different parts of the car, furthermore to improve the dynamic comfort. While the suspension systems are effecting the dynamic comfort, they also effect the stability of the car and these effects are working oppositely to each other. Air spring is produced by locating a rubber body on the amortization element rather than locating a spiral spring. The difference of the air springs from the mechanical springs is that, by the changing of the pressure inside, the strength of the spring changes as well. Thus, nowadays air springs are more preferred because while they are improving the driving comfort, they have also ability to control actively and semi-actively in order not to reduce the stability. Air springs are used generally in trains, heavy goods vehicles and passenger cars. In this study, passive and active suspension systems that are used in passenger vehicles and their effects on the system performance has been examined. By experiments, the strength of the air spring has been obtained/calculated. This air spring strength, which has been obtained by the experiments, is used to create quarter, semi and full vehicle models by using MATLAB and sub-system of MATLAB: Simulink. Different start signals are applied to these models to analyze the outputs of vertical chassis translocations and frequency responses. In the study LQR and PID control methods have been used as active suspension systems controller. Key words: Air spring, active suspension systems, MATLAB/Simulink, vehicle dynamics, driving comfor, modelling, PID 2020, x + 119 pages. ii TEŞEKKÜR Bilgi ve tecrübesi ile hiçbir zaman bana desteğini esirgemeyen çok değerli hocam Dr. Öğr. Üyesi Gürsel ŞEFKAT’e şükranlarımı sunarım. Jüri üyelerine değerli katkılarından dolayı teşekkürlerimi sunarım. Laboratuvarlarında çalışma imkânı veren sayın Prof. Dr. Selim SİVRİOĞLU’na, deneyler süresince bilgi ve deneyimlerinden faydalandığım sayın Dr. Ali Suat YILDIZ’a ve Dr. Öğr. Üyesi Fevzi Çakmak BOLAT’a teşekkür ederim. Hayatımın her anında yanımda olan bana desteğini hiçbir zaman eksik etmeyen başta eşim olmak üzere aileme sonsuz teşekkürler. Yusuf Alptekin TÜRKKAN 30/06/2020 iii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET.................................................................................................................................. i ABSTRACT ...................................................................................................................... ii TEŞEKKÜR ..................................................................................................................... iii SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ ...................................................................... vi ŞEKİLLER DİZİNİ ........................................................................................................ viii ÇİZELGELER DİZİNİ ..................................................................................................... x 1. GİRİŞ ............................................................................................................................ 1 2. KURAMSAL TEMELLER ve KAYNAK ARAŞTIRMASI ...................................... 4 2.1. Hava Yayları ............................................................................................................ 12 2.1.1. İzotermal Prosesi ................................................................................................... 15 2.1.2. Adyabatik Proses ................................................................................................... 16 2.1.3. Politropik Proses ................................................................................................... 16 2.1.4. Efektif Alan ........................................................................................................... 17 2.2. Süspansiyon Sistemleri ............................................................................................ 18 2.2.1. Pasif Süspansiyon Sistemi .................................................................................... 19 2.2.2. Yarı Aktif Süspansiyon Sistemi ............................................................................ 20 2.2.3. Aktif Süspansiyon Sistemleri ................................................................................ 22 2.2.4. Havalı Süspansiyon Sistemleri .............................................................................. 24 3. MATERYAL ve YÖNTEM ....................................................................................... 27 3.1. Titreşim Teorisi ........................................................................................................ 27 3.2. Hava Yayı Modeli .................................................................................................... 28 3.3. Deney Düzeneği ....................................................................................................... 32 3.4. Kontrolcü Tasarımı .................................................................................................. 38 3.4.1. LQR Kontrol ......................................................................................................... 38 3.4.2. PID Kontrol ........................................................................................................... 42 3.5. Lagrange Yöntemi ile Hareket Denklemlerinin Oluşturulması ............................... 43 3.6. Taşıt Modelleri ......................................................................................................... 45 3.6.1. Çeyrek Taşıt Modeli .............................................................................................. 45 3.6.2. Yarım Taşıt Modeli ............................................................................................... 47 3.6.3. Tam Taşıt Modeli .................................................................................................. 52 4. BULGULAR .............................................................................................................. 60 iv 4.1. Deneysel Sonuçlar .................................................................................................... 60 4.2. Benzetim Sonuçları .................................................................................................. 63 4.2.1. Çeyrek Taşıt Benzetim Sonuçları.......................................................................... 63 4.2.2. Yarım Taşıt Benzetim Sonuçları ........................................................................... 69 4.2.3. Tam Taşıt Benzetim Sonuçları .............................................................................. 77 5. TARTIŞMA ve SONUÇ ............................................................................................ 88 KAYNAKLAR ............................................................................................................... 90 EKLER ............................................................................................................................ 95 ÖZGEÇMİŞ .................................................................................................................. 119 v SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ Simgeler Açıklama a : İvme Ae : Hava yayı efektif alanı b : Sönümleyici sabiti D : Sönüm enerjisi Dc : Hava yayı çapı Dp : Silindir çapı E : Eyleyici fd : Sönümleme kuvveti fs : Yay kuvveti F : Kuvvet h : Kasis modeli I : Atalet momenti k : Politropik üs K : Kinetik enerji k1 : Yay sabiti khy : Hava yayı yay sabiti L : Lagrange operatörü m : Araç kütle merkezinin ön süspansiyona uzaklığı m : Kütle n : Araç kütle merkezinin arka süspansiyona uzaklığı n : Adyabatik üs P : Potansiyel enerji Pd : Sönümleyici elemanlardan dışa atılan ısıl güçlerin toplamı Pg : Sisteme verilen mekanik güçlerin toplamı Pv : Sistemin dışarıya verdiği mekanik güçlerin toplamı R : Hava yayı kıvrılma yarıçapı t : Hava yayı kord bezi kalınlığı Tr : Araç yalpa merkezinin ön süspansiyona uzaklığı Tf : Araç yalpa merkezinin arka süspansiyona uzaklığı v : Hız V : Hava yayı hacmi x : Yerdeğiştirme xs : Statik yerdeğiştirme xd : Dinamik yerdeğiştirme ω : Frekans δW : Virtüel iş ɵ : Taşıt baş vurma açısı ß : Taşıt yalpalama açısı qi : Sistemin genel koordinatı Qi : Sistemin genel koordinatına etki eden kuvvetler toplamı vi Kısaltmalar Açıklama Daq : Veri toplama kartı Lqr : Optimal kontrol teorisi Pid : Oransal-integral-türevsel denetleyici kontrol döngüsü yöntemi Sd : Serbestlik derecesi vii ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa Şekil 2.1. Farklı hava yayı türleri .................................................................................... 13 Şekil 2.2. Çift katlı ve kıvrılabilir silindirik hava yaylarında efektif alan değişiminin taşıma kuvvetine etkisi (Kılıç, 2012) .............................................................................. 13 Şekil 2.3. Hava yay modelleri a) dikey hava yay dinamikleri için basit bir model, b) Nishimura hava yay modeli, c) Vampire hava yayı modeli, d) Simpack doğrusal hava yayı modeli, e) Gensys hava yayı modeli (Bayraktar ve ark., 2009) .............................. 15 Şekil 2.4. Kıvrılabilir hava yayı efektif alanı (Kılıç, 2012) ............................................ 17 Şekil 2.5. Mercedes Benz aktif gövde kontrolü (Anonim, 2016) ................................... 18 Şekil 2.6. Pasif süspansiyon ............................................................................................ 19 Şekil 2.7. Sürüş konforu – araç dengesi uzlaşma eğrisi .................................................. 20 Şekil 2.8. Yarı aktif süspansiyon..................................................................................... 21 Şekil 2.9. Aktif Süspansiyon ........................................................................................... 23 Şekil 2.10. Bose elektromanyetik süspansiyon sistemi ................................................... 24 Şekil 2.11. Havalı Süspansiyon Sistemi .......................................................................... 25 Şekil 3.1. Çeyrek taşıt modeli ......................................................................................... 27 Şekil 3.2. Hava yaylı çeyrek taşıt modeli ........................................................................ 29 Şekil 3.3. Deney düzeneği ............................................................................................... 32 Şekil 3.4. Servo motor ..................................................................................................... 33 Şekil 3.5. Motor sürücüsü ............................................................................................... 34 Şekil 3.6. Basınç ayar valfi ............................................................................................. 34 Şekil 3.7. Yük hücresi (load cell) .................................................................................... 35 Şekil 3.8. Yük hücresi gösterge paneli (indikatör) .......................................................... 35 Şekil 3.9. Konum algılayıcısı .......................................................................................... 36 Şekil 3.10. dSpace arayüzü ............................................................................................. 36 Şekil 3.11. dSpace veri toplama kartı ............................................................................. 37 Şekil 3.12. Hava yayı ...................................................................................................... 37 Şekil 3.13. LQR kontrol için çeyrek taşıt modeli............................................................ 38 Şekil 3.14. Standart PID denetimi (Yüksel, 2016) .......................................................... 42 Şekil 3.15. Yarım taşıt modeli ........................................................................................ 47 Şekil 3.16. Yarım taşıt şase modeli ................................................................................. 48 Şekil 3.17. Tam taşıt modeli ........................................................................................... 52 Şekil 3.18. Tam taşıt şase modeli .................................................................................... 53 Şekil 4.1. a) Veri toplama kartından elde edilen sonuçlar. b) 3 farklı basınç için kaydırılmış ve düzenlenmiş sonuçlar. ............................................................................. 60 Şekil 4.2. Hava yayı kuvvet-yer değiştirme grafiği ........................................................ 61 Şekil 4.3. Hava yayı a) Efektif alan Basınç değişim grafiği b) Hacim Basınç değişim grafiği c) yay sabiti basınç değişim grafiği ..................................................................... 62 Şekil 4.4. Çeyrek taşıt tekerlek kütlesi yer değiştirme-zaman grafiği (1 bar) ................. 63 Şekil 4.5.Çeyrek taşıt şasesinin yer değiştirme-zaman grafiği (1 bar) ............................ 64 Şekil 4.6. Çeyrek taşıt tekerlek kütlesi yer değiştirme-zaman grafiği (2 bar) ................. 65 Şekil 4.7. Çeyrek taşıt şasesinin yer değiştirme-zaman grafiği (2 bar) ........................... 65 Şekil 4.8. Çeyrek taşıt tekerlek kütlesi yer değiştirme-zaman grafiği (3 bar) ................. 66 Şekil 4.9. Çeyrek taşıt şase yer değiştirme-zaman grafiği (3 bar) .................................. 67 Şekil 4.10. 3 farklı bar için çeyrek taşıt şase yer değiştirme-zaman grafiği ................... 68 Şekil 4.11. Çeyrek taşıt şase frekans cevap grafiği a) 1bar b) 2 bar c)3 bar ................... 68 Şekil 4.12. Yarım taşıt ön tekerlek kütlesi yer değiştirme – zaman grafiği (1 bar) ........ 69 viii Şekil 4.13. Yarım taşıt arka tekerlek kütlesi yer değiştirme – zaman grafiği (1 bar) ..... 70 Şekil 4.14. Yarım taşıt baş vurma hareketi yer değiştirme – zaman grafiği (1 bar) ....... 70 Şekil 4.15. Yarım taşıt şasesi yer değiştirme – zaman grafiği (1 bar) ............................ 71 Şekil 4.16. Yarım taşıt ön tekerlek kütlesi yer değiştirme – zaman grafiği (2 bar) ........ 72 Şekil 4.17. Yarım taşıt arka tekerlek kütlesi yer değiştirme – zaman grafiği (2 bar) ..... 72 Şekil 4.18. Yarım taşıt baş vurma hareketi yer değiştirme – zaman grafiği (2 bar) ....... 73 Şekil 4.19. Yarım taşıt şasesi yer değiştirme – zaman grafiği (2 bar) ............................ 73 Şekil 4.20. Yarım taşıt ön tekerlek kütlesi yer değiştirme – zaman grafiği (3 bar) ........ 74 Şekil 4.21. Yarım taşıt arka tekerlek kütlesi yer değiştirme – zaman grafiği (3 bar) ..... 75 Şekil 4.22. Yarım taşıt baş vurma hareketi yer değiştirme – zaman grafiği (3 bar) ....... 75 Şekil 4.23. Yarım taşıt şasesi yer değiştirme – zaman grafiği (3 bar) ............................ 76 Şekil 4.24. 3 farklı bar için yarım taşıt şase yer değiştirme-zaman grafiği ..................... 76 Şekil 4.25. Yarım taşıt şase frekans cevap grafiği a) 1bar için b) 2 bar için c)3 bar için 77 Şekil 4.26. (a) Sol ön tam taşıt tekerlek kütlesi (b) sağ ön tam taşıt tekerlek kütlesi (c) sol arka tam taşıt tekerlek kütlesi (d) sağ arka tam taşıt tekerlek kütlesi yer değiştirme – zaman grafiği (1 bar) ....................................................................................................... 78 Şekil 4.27. Tam taşıt yalpalama hareketi yer değiştirme – zaman grafiği (1 bar) .......... 79 Şekil 4.28. Tam taşıt baş vurma hareketi yer değiştirme – zaman grafiği (1 bar) .......... 79 Şekil 4.29. Tam taşıt şasesi yer değiştirme – zaman grafiği (1 bar) ............................... 80 Şekil 4.30. (a) Sol ön tam taşıt tekerlek kütlesi (b) sağ ön tam taşıt tekerlek kütlesi (c) sol arka tam taşıt tekerlek kütlesi (d) sağ arka tam taşıt tekerlek kütlesi yer değiştirme – zaman grafiği (2 bar) ....................................................................................................... 81 Şekil 4.31. Tam taşıt yalpalama hareketi yer değiştirme – zaman grafiği (2 bar) .......... 82 Şekil 4.32. Tam taşıt baş vurma hareketi yer değiştirme – zaman grafiği (2 bar) .......... 82 Şekil 4.33. Tam taşıt şasesi yer değiştirme – zaman grafiği (2 bar) ............................... 83 Şekil 4.34. (a) Sol ön tam taşıt tekerlek kütlesi (b) sağ ön tam taşıt tekerlek kütlesi (c) sol arka tam taşıt tekerlek kütlesi (d) sağ arka tam taşıt tekerlek kütlesi yer değiştirme – zaman grafiği (3 bar) ....................................................................................................... 84 Şekil 4.35. Tam taşıt yalpalama hareketi yer değiştirme – zaman grafiği (3 bar) .......... 85 Şekil 4.36. Tam taşıt baş vurma hareketi yer değiştirme – zaman grafiği (3 bar) .......... 85 Şekil 4.37. Tam taşıt şasesi yer değiştirme – zaman grafiği (3 bar) ............................... 86 Şekil 4.38. 3 farklı bar için tam taşıt şase yer değiştirme-zaman grafiği ........................ 86 Şekil 4.39. Tam taşıt şase frekans cevap grafiği a) 1bar b) 2 bar c)3 bar ....................... 87 ix ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 4.1. Basınç -yay katılığı değerleri ...................................................................... 62 Çizelge 4.2. PID parametreleri (1 bar altında çeyrek taşıt) ............................................. 64 Çizelge 4.3. PID parametreleri (2 bar altında çeyrek taşıt) ............................................. 66 Çizelge 4.4. PID parametreleri (3 bar altında çeyrek taşıt) ............................................. 67 Çizelge 4.5. PID parametreleri (1 bar altında yarım taşıt) .............................................. 69 Çizelge 4.6. PID parametreleri (2 bar altında yarım taşıt) .............................................. 71 Çizelge 4.7. PID parametreleri (3 bar altında yarım taşıt) .............................................. 74 Çizelge 4.8. PID parametreleri (1 bar altında tam taşıt) ................................................. 78 Çizelge 4.9. PID parametreleri (2 bar altında tam taşıt) ................................................. 80 Çizelge 4.10. PID parametreleri (3 bar altında tam taşıt) ............................................... 83 x 1. GİRİŞ Otomotiv sektörü; otomobilin ilk imalatından günümüze kadar geçen süreçte, dünya genelinde hızla artan nüfus ile birlikte artan talep hızına yetişmek için üretimleri arttırmak zorunda kalmışlardır. Otomotiv firmaları ise üretimler artarken gelişen teknoloji ile birlikte kendi markalarını öne çıkarıp ileri teknoloji yardımı ile sürekli kendilerini geliştirmelidirler. Otomobilin ilk üretiminden bu yana taşıtların tümünde sürüş konforu ve güvenlik sorun olmuştur. Günümüzde tasarımcılar otomobilin dış görünüşünden ziyade müşterilerin ilk tercihi olan güvenlik kriterleri üzerine araştırma geliştirme ve ürün geliştirme çalışmalarına hız vermiştir. Son yıllarda güvenlik tek başına bir tercih sebebi olmaktan çıkmış, güvenlik ile birlikte müşteriler araç seçerken konfora da önem vermeye başlamıştır. Güvenlik ve konfor kelimeleri bir arada kullanılmaya başlayınca akla ilk önce süspansiyon sistemleri gelmektedir. Sürüş sırasında yol pürüzlülüğü sebebi ile titreşimin sürücüye ve yolcuya aktarılmaması sürüş konforunu, aracın yol tutuşunun iyileştirilmesi de sürüş güvenliğini tanımlamaktadır. Süspansiyon sistemlerinin asıl görevi yoldan gelen titreşimleri izole ederek araç içindekilere iletilen titreşimleri en aza indirmektir. Seyir halindeki bir taşıt; motor, şaft, vites kutusu gibi bileşenlerinden kaynaklı titreşimlere ek olarak rüzgâr ve bozuk yol şartlarından oluşan titreşimlere maruz kalmaktadır. Araç titreşimlerinin en önemli kaynağı, diğerlerine nazaran yol kusurlarından dolayı oluşan mekanik salınımlardır. Bu titreşimler zaman içerisinde yürüyen aksam aşınmalarına, araç lastiğinin yolla temasının kesilebileceği durumlarda savrulmalara ve aracın kararlı bir frenleme yapmasını olumsuz etkileyerek kaza durumlarına sebep olabileceği gibi günümüzde önemli bir müşteri talebi olan konfor konusunda da ciddi bir sorun teşkil etmektedir. Uzun seyahat süreleri göz önüne alındığında insan sağlığını olumsuz etkileyebilecek yol kökenli bu titreşimlerin kısa sürede güvenli bir biçimde sönümlenmesi gerekmektedir. Süspansiyon sistemi tasarımı, çok değişken parametreleri olduğundan dolayı otomobil tasarımcıları için karmaşıktır. Başlıca zorlukları, değişken yol pürüzlülükleri, taşıt 1 yükününün yarattığı farklı koşullar ve taşıt hızıdır. Taşıtın güvenliği yol tutuşundaki mükemmeliyetten gelir, yol tutuşu ile birlikte güvenliği arttırmak sert süspansiyon seçimine yöneltirken, sürücü ve yolcuların konforunu sağlamak için de yumuşak süspansiyon tercih edilmelidir. İyi bir yol tutuş, konforda kötüleşmeye, konfor öncelikli bir tasarım da taşıtın yol tutuşunda olumsuz bir etkiye sebep olmaktadır. Bu nedenle gerçekleştirilecek tasarımın seyir güvenliğinden ödün vermeden sürüş konforunu artırmaya yönelik olması gerekmektedir. Süspansiyon sistemleri; pasif, yarı aktif ve aktif sistemler olmak üzere üç tip üretilmektedir. Hepsinin farklı avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Bu dezavantajları bertaraf etmek için uzun yıllardır ticari araçlarda, trenlerde sabit basınçlı kabin körüğü/körük olarak pasif halde kullanılan hava yaylarının kullanımının geliştiği belirlenmiştir. Hava yaylı süspansiyon sistemlerinin konvansiyonel amortisör sistemlerindeki bu zorlukların üstesinden gelmek için kullanılabilir. (Macfarlane, 2016). Hava yaylı süspansiyon sistemi, düşük geçirgenlik katsayıları ve sadece yaylar içindeki gaz basıncının değişmesi ile yük kapasitelerini değiştirme kabiliyeti ile bilinir. Havalı yaylar, kontrollü değişken yay oranı sağlama yetenekleri nedeniyle süspansiyon tasarımında mekatronik bir yaklaşım için kullanılabilir basit ve ucuz otomatik tavsiye sunar. Hava yaylarının avantajlarından biri, havanın enerji depolama kapasitesinin birim ağırlık başına yay çeliği malzemesinden çok daha fazla olmasıdır. Bu tip yayların verimli potansiyel enerji depolaması nedeniyle, titreşim izolasyon sistemlerinde kullanılmışlardır. Bu çalışmada, binek araçlarda kullanılan hava yaylı aktif ve pasif süspansiyon sistemi ve sistem performansına etkileri incelenmiştir. Bu araştırmada amaç sürüş konforunu artırmaktır. Deneylerle hava yayının yay katılığı elde edilmiştir. Deneylerden elde edilen yay katılığı kullanılarak MATLAB/Simulink kullanılmıştır. Çeyrek taşıt, yarım taşıt ve tam taşıt modelleri için benzetimler gerçekleştirilmiş ve yorumlanmıştır. Tezin ilk bölümünde konu ile ilgili giriş bilgileri verildikten sonra çalışmanın amacına ve kapsamına yer verilmiştir. 2 Tezin ikinci bölümünde aktif süspansiyon sistemleri ve hava yayı kullanılan süspansiyon sistemleri üzerine yapılan çalışmalar hakkında literatür özeti ile desteklenerek farklı pasif süspansiyon sistemleri, yarı aktif süspansiyon sistemleri, aktif süspansiyon sistemleri ve havalı süspansiyon sistemleri tanıtılmıştır. Hava yayı kavramı, hava yayı çalışma şartları ve termodinamiğin hava yayı üzerindeki etkisi açıklanmış ve literatüre kazandırılmış hava yayı modellerine yer verilmiştir. Tezin üçüncü bölümünde deneysel çalışmada kullanılan hava yayının matematiksel modeli çıkarılmış ve kullanılan deney düzeneği verilmiştir. Ayrıca deney düzeneğinde kullanılan deney elemanları gösterilmiş ve teknik bilgilerine ekte yer verilmiştir. Benzetim uygulamalarında kullanılan titreşim teorisi ve kullanılan kontrolcüler hakkında bilgiler verilmiştir. Tezin dördüncü bölümünde ise gerçekleştirilen deneyler ve modelleme sonucu elde edilen bulgulara yer verilmiştir. Tezin beşinci ve son bölümünde ise elde edilen bulgular değerlendirilerek sonuçlara yer verilmiştir. 3 2. KURAMSAL TEMELLER ve KAYNAK ARAŞTIRMASI Literatürde hava yayları, aktif süspansiyon sistemleri üzerine oldukça fazla çalışma bulunmaktadır. Bunları şu şekilde sıralayabiliriz. Li ve ark. (2009) çalışmada yapay sinir ağı uyarlamalı kontrol algoritması ile taşıt yarı aktif süspansiyonu için tanıma cihazı ve kontrolör tasarlamışlardır. Rao (2014) MATLAB/Simulink ile PID kontrolörü kullanarak çeyrek araç yarı aktif süspansiyon sisteminin performansını incelemiştir. Araç gövdesi yer değiştirmesi ve tekerlek yer değiştirmesini PID kontrolörü kullanılarak sistem performansının iyileştirilebileceğini göstermiştir. Cao ve ark. (2015) çalışmada diferansiyel geometri teorisine dayanarak, doğrusal olmayan hidropnömatik süspansiyon sistemini doğrusal bir sisteme dönüştürmüşlerdir. Bunun yanında LQR kontrol teorisi ile hidropnömatik süspansiyon için yarı aktif bir sistem geliştirmişlerdir. Dong ve Luo (2015) çalışmada hidropnömatik süspansiyonun dinamik tepkisini, iki serbestlik dereceli doğrusal olmayan süspansiyon modeline dayanan istatistiksel doğrusallaştırma kullanılarak incelemişlerdir. Nagai ve ark (1997) yüksek hızlı demiryolu taşıtlarının aktif pnömatik süspansiyonlarının optimal kontrolü için sinir ağlarının performansını analiz etmişlerdir. Sinir ağlarının, doğrusal olmayan pnömatik süspansiyonların dinamiklerini tanımlamak ve aynı zamanda doğrusal olmayan kontrolörler olarak çalıştırmak üzere geliştirilebileceğini göstermişlerdir. Doğrusal olmayan süspansiyonun nöro-kontrolör ile performansı, süspansiyon bileşenlerinin denge noktası etrafında doğrusallaştırılmasından sonra tasarlanan bir LQ kontrolörü ile süspansiyonun performansı ile karşılaştırmışlardır. 4 Sun ve ark. (2017) çalışmada çok modlu anahtarlama sönümleyici ile havalı süspansiyon sisteminin hibrit modellemesini ve modelin öngörülü kontrolünü sunmuşlardır. Geleneksel sönümleyicilerin aksine araç yarı aktif hava süspansiyonuna dört ayrı sönümleme modu ile yeni bir sönümleyici üzerine çalışmışlardır. Robinson ve ark. (2012) çalışmada hava yaylı-akümülatör pnömatik sisteminin analitik modellemesi, tanımlanması ve deneysel validasyonu gerçekleştirilmiştir. Zhu ve ark. (2018) çalışmada pnömatik olarak birbirine bağlı bir süspansiyon sistemi ile donatılmış araç için mod ve geçirgenlik özellikleri ile ilgili yaptıkları optimizasyon çalışması sonucunda yeni bir analiz yöntemi sunmuşlardır. Yuexia ve ark. (2016) çalışmalarında tarım araçlarında oluşan salınımları kontrol etmek için elektrikli kontrol yardımıyla havalı süspansiyonun yükseklik ayar sisteminin modellenmesini be kontrolü üzerine deneysel çalışmışlardır. Xu ve ark. (2015) çalışmada bağımsız olarak ayarlanmış hidrolik olarak birbirine bağlı pasif süspansiyon sisteminin modellenmesi yapılarak, bu sistemin dinamik analizlerini incelemişlerdir. Razdan ve ark. (2018) çalışmada daha önceki yaptıkları bir çalışmada kullandıkları çeyrek taşıt modeli üzerine aktif kontrol stratejisinin geliştirilmiş bir modeline yer vermişlerdir. Facchinetti ve ark. (2010) çalışmalarında demir yolu taşıtlarında kullanılan ikincil hava yaylı süspansiyon sistemi için alternatif matematiksel modelleme yaparak elde ettikleri sonucu karşılaştırmışlardır. Elde ettikleri sonuçları demiryolu aracı dinamiklerinin doğruluğu üzerindeki etkilerini sürüş konforu ve sürüş güvenliği açısından değerlendirmeyi amaçlamışlardır. Ahmed ve ark. (2016) yaptıkları çalışmada model olarak çeyrek demiryolu taşıtını kullanmışlardır. Demiryolu taşıtınıın aktif süspansiyonunun modellenmesinin erken 5 evresini çalışmalarında sunmuşlardır. Ayrıca çalışmada sistemin matematiksel modeline de yer vermişlerdir. Wang ve ark. (2012) çalışmada Simpack paket programını kullanarak hava yaylı otobüs süspansiyon sisteminin tam taşıt modellemesini yapmışlardır. Benzetimleri sırasında hava yayına uygun sönümleyeci seçilerek optimum performans elde edilmeye çalışmışlardır. Li ve ark. (2017) geliştirdikleri hibrit sönümleyicinin gemi jenaratörü yüklü bir platformda sinüs dalgası vererek yaptıkları testler sonucunda sistemin dinamik özelliklerinin analizlerini gerçekleştirmişlerdir. Wakui (2003) çalışmada hava yayı aktif izole edilmiş aparat tarafından desteklenen ana gövdenin deformasyonunu önlemek için, önceden izole edilmiş aparat için bir basınç geri beslemesi eklenmesi üzerine bir çalışma gerçekleştirmişlerdir. Kim ve Lee (2011) çalışmada taşıtın yayılan kütlesinin yüksekliğini ayarlamak amacıyla ayrıca bir hava süspansiyon sistemi ile taşıt gövdesinin yüksekliği ve eğim açıları için yeni doğrusal olmayan bir kayan kipli kontrolör tasarımı önermişlerdir. Deprez ve ark. (2005) çalışmada tarımda kullanılan taşıtların, pasif ve yarı aktif bir hidropnömatik kabin tipi süspansiyonunun sürücülerin konforu üzerindeki etkisini araştırmışlardır. Ayrıca modeldeki parametreleri küresel bir optimizasyon tekniği ile objektif konfor parametrelerine göre optimize etmişlerdir. Graf ve ark. (2010) kabin tipi hava yayı kullanarak, geliştirdiği valf yardımıyla hava yayının kuvvet kontrolü üzerine bir çalışma gerçekleştirmişlerdir. Yin ve ark. (2012) araç süspansiyon sistemleri için farklı araç çalışma koşullarına ve sürücü tercihlerine göre sertlik ve sürüş yüksekliğinin bağımsız olarak ayarlanmasına izin veren yeni bir pnömatik yay çalışmışlardır. Önerilen pnömatik yay, çift etkili bir pnömatik silindir, iki akümülatör ve bir ayar alt sistemini içerir. Çalışmada pnömatik 6 yayın ayrıntılı bir açıklaması ve çalışma prensibini sunmuşlardır. Önerilen pnömatik yayı test etmek ve değerlendirmek için bir deney düzeneği tasarlamış ve imal etmişlerdir. Analitik ve deneysel sonuçlar, yeni pnömatik yay sisteminin sertlik ve sürüş yüksekliğinin bağımsız olarak ayarlanabilme yeteneğini teyit etmektedir. Bu yeni pnömatik yayın, sürüş konforu ve performansı için çeşitli çelişkili süspansiyon gereksinimlerini karşılamak için daha esnek bir süspansiyon tasarımı alternatifi sağladığı sonucuna varmışlardır. Zhu ve ark. (2017) çalışmada hava yayı için çeşitli modelleri, önerilen modelle ve farklı genlik ve frekanslarda harmonik hareketlerde yapılan ölçümlerle karşılaştırmışlardır. Karşılaştırma sonuçları, önerilen modelin, hava yayının dinamik özelliklerini kabul edilebilir bir hesaplama zamanında doğru bir şekilde tahmin edebileceğini göstermiştir. Omar ve ark. (2017) çalışmada aktif elektrohidrolik ve pasif çeyrek taşıt süspansiyonları tasarlamışlardır. Tasarlanan iki tip süspansiyon deneysel testler ile birlikte karşılaştırılmalarını yapmış ve aralarındaki farkları ortaya koymuşlardır. Kontrolcü olarak PID kontrol yöntemi tercih edilmiş, benzetimler için de MATLAB/Simulink kullanılmıştır. Çalışmalarının sonunda sürüş konforunu önemli ölçüde iyileştirdiklerini öne sürmüşlerdir. Quaglia ve Sorli (2001) çalışmada yedek hazneli bir pnömatik süspansiyonun boyutsuz modelini ve tasarım hususlarını sunmuşlardır. Çalışmanın sonunda sağlanan tasarım hususları sayesinde tarif edilen tipte süspansiyonların tasarlanması için bir kılavuz oluşturmaktadır. Erol ve Delibaşı (2014) sistem kestirim teknikleri ile çeyrek taşıt aktif süspansiyon sistem modelinin çıkarılmasını çalışmışlardır. Model kestirimi Matlab altında bulunan System Identification Toolbox kullanarak elde edilen modeli sistem üzerinde gerçek zamanlı test etmişlerdir. Kestirim sonucu elde edilen modeller arasından daha uygun olanı seçerek bu model için H∞ tipi geri-beslemeli kontrolör tasarlamışlardır. 7 Bao ve ark. (2012) yaptıkları çalışmada hava yayı aktif süspansiyon sistemi için bulanık bir adaptif kayan kipli kontrolcü tasarlamışlardır. Optimum durum geri besleme kontrolüne sahip doğrusal bir süspansiyon modeli referans modeli olarak seçilmiştir. Benzetim sonuçları bulanık uyarlanabilir kayan kipli kontrolörünün, sürüş konforunu iyileştirmede daha etkili gösterilmektedir. Leluzzi ve ark. (2006) kamyon için yarı aktif süspansiyon kontrolü için kontrolcü tasarlamışlardır. Kontrol yazılımı özel bir MATLAB/Simulink ortamında, zaman ve frekans alanında, basitleştirilmiş bir araç modeli kullanılarak geliştirilmiştir. Nieto ve ark. (2011) çalışmada yoldan gelen titreşime adapte edebilen pnömatik bir süspansiyon sunmuşlardır. İki farklı konfigürasyon arasında bir anahtar ile kontrol stratejisi önermiş ve incelemişlerdir. Çalışmalarında, anahtarlama sonucunda oluşan gecikmenin ihmal edilebileceği ve uyarlanabilir süspansiyonun pasif süspansiyon modeline kıyasla daha iyi bir performansa sahip olduğunu göstermişlerdir. Nieto ve ark. (2008) çalışmada deneysel karakterizasyona dayanan hava yayı süspansiyonlarının analitik bir modelini incelemişlerdir. Hem doğrusal olmayan modelin hem de doğrusallaştırılmış versiyonunun çözümü, bu süspansiyonun makul bir çalışma aralığı için sertlik, sönüm oranı ve geçirgenlik deneysel ölçümleri ile uyumlu çıkmaktadır. Hava yayı kullanan süspansiyon sistemimim dinamik davranışının sistem elemanlarının özellikle hava yayı ve rezervuar hacimlerinin boyutlarının uygun seçimiyle daha çok yönlü hale getirilebileceğini belirlemişlerdir. Moheyeldein ve ark. (2018) iki farklı hava yayı modeli (klasik hava yayı, dinamik hava yayı modeli) üzerine çalışmışlardır. Çalışmaları sırasında iki serbestlik dereceli çeyrek taşıt modelini kullanışlardır. Ayrıca hava yayı model parametrelerinin araç dinamiği üzerindeki etkilerini araştırmak için bir parametrik analiz gerçekleştirmişlerdir. Elde edilen sonuçlarla dinamik hava yayı modelinin klasik hava yayı modeline göre daha iyi sürüş konforu sağladığını göstermişlerdir. 8 Gokul Prassad ve Malar Mohan (2019) çalışmada LQR kontrol stratejisine sahip uyarlanabilir havalı süspansiyon sistemi için yenilikçi bir tasarım yapmayı amaçlamışlardır. Yolcu araçlarında kullanılan havalı süspansiyon sisteminin dinamik bir modeli MATLAB'da hem pasif hem de uyarlanabilir LQR sistemler için tasarlanmış ve benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Uyarlanabilir havalı süspansiyon sisteminin performansını kontrol etmek için deneysel bir değerlendirme yapmışlardır. Hava süspansiyonu doğrusal olmayan bir sistem olması nedeniyle yazarlar minimal varsayımlarla bunun için bir sertlik denklemi türetmişlerdir. Benzetim sonuçları, uyarlanabilir havalı süspansiyon sisteminin, rastgele yollarda maksimum yer değiştirme genliğini% 31 oranında azaltarak sürüş konforunu artırdığını ve çökme süresini % 85 azaltarak aracın dengesini sağladığını göstermiştir. Xiao ve Kulakowski (2003) çalışmada aktif süspansiyon tasarlamayı amaçlamışlardır. İki kısımdan oluşan bu çalışmanın birinci kısmında doğrusal olmayan havalı süspansiyon modelini deneysel verilere dayandırıp geliştirmeyi amaçlamışlar. İkinci kısımda ise kayan kipli kontrolcü tasarlayıp süspansiyon performansını artırıp sürüş konforunu iyileştirmeyi amaçlamışlardır. Benzetimler için yolcu otobüs modeli tercih edilmiştir. Küçük ve ark. (2014) çalışmalarında, proje kapsamında geliştirilen 8x8 çekiş özelliğine sahip, 48 ton kütleli mobil vinç taşıyıcı aracın hidropnömatik süspansiyon sisteminin modellenmesi ve benzetimlerini gerçekleştirmişlerdir. Çok amaçlı optimizasyon yaklaşımı ile sürüş konforu, yol tutuş, süspansiyon hareketi gibi farklı amaçlara verilen ağırlıklar ile farklı tasarımlar elde edilmiştir. Asami ve ark. (2013) yaptıkları çalışmada birbirine ince bir boru ile bağlı iki tanklı bir hava yayını incelemişlerdir. Yaptıkları analizlerde basit harmonik harekete tabi tutulmuş bir hava yayının yay sabitini ve sönümleme katsayısını elde etmiş ve bu verileri yaptıkları deneylerle elde ettikleri veriler ile kıyaslamışlardır. 9 Tesfay ve Goel (2015) yaptıkları çalışmada bouc-wen kontrolcü modeli kullanarak hava yayı kullanan havalı süspansiyon sistemi ve MR kullanan süspansiyon sistemlerinin yarı aktif kontrolünü gerçekleştirmişlerdir. Sağlam ve Ünlüsoy (2015) çalışmada birbirine bağlı hidro-pnömatik süspansiyon sistemlerinin araç performansına etkilerini incelemişlerdir. Birbirine bağlı hidro- pnömatik süspansiyonlu araçta yoldan gelen bozucu girişlerin araçta yarattığı yunuslama (baş vurma) ivmesi bağımsız hidro-pnömatik süspansiyonlu araca göre daha yüksek olduğunu gözlemlemişler ve araçta sürüş konforunun azalmasına neden olabileceğini ifade etmişlerdir. Xie ve ark. (2013) çalışmada, yarı aktif havalı süspansiyon sistemi için dalgacık denoran filtreli bulanık kontrolcü geliştirmişlerdir. Yaptıkları benzetimlerle yarı aktif süspansiyon tasarımlarının, aktif süspansiyon sisteminden daha iyi sonuç verdiğini iddia etmektedirler. Dalgacık filtresinin eklenmesiyle sensör gürültüsünün süspansiyon performansı üzerindeki etkisinin en aza indirilebileceği göstermişlerdir. Abid ve ark. (2015) çalışmalarında GENSIS hava yaylı süspansiyon sistemi ile pasif süspansiyon sistemini karşılaştırmışlardır. Her iki sisteme de aynı yol girdisini uygulayıp OptiY programı ile optimizasyon gerçekleştirmişlerdir. Çalışmalarının sonunda hava yaylı süspansiyon sisteminin, pasif süspansiyon sisteminden çok farkı olmadığını ortaya koymuşlardır. Asami ve ark. (2013) çalışmada hava yaylı süspansiyon ağzını iki hava tankına bağlayarak yeni bir model oluşturmuşlardır. Oluşturulan yeni modelde deneysel (gövdeye bağlı havalı amortisöre yapılan titreşim testleri) ve teorik çalışmalar gerçekleştirmişlerdir. Teorik ve deneysel çalışmaların neredeyse aynı sonuçlar verdiğini belirlemişlerdir. Geliştirilen yeni modelde kullanılan körük malzemesiyle ekstra sönüm kuvveti elde etmişler ve bu kuvveti formüle etmişlerdir. Önerilen modelde rezonansa girmeden rezonans bölgesini geçtiğini belirlemişlerdir. Elde ettikleri deneysel sonuçlarda önerilen modelin değişken ağız çapları için elde edilen genliklere uyum sağladığını belirlemişlerdir. 10 Lee (2010) çalışmada havalı süspansiyonun analitik modelini geliştirmeyi hedeflemiştir. Yeterli kararlılık durumları için model geliştirmiş ve analiz etmiştir. Wong ve ark. (2014) roll körüğün matematik modelini, sonlu elemanlar metodunu kullanarak ve mevcut analitik modellemeler ile kıyaslayarak oluşturmuşlardır. Roll körüğün sertliği ile ilgili yapılan deneyler önerilen modeli doğrulamıştır. Sonuçlar mevcut analitik modelin roll körüğün performansını çok iyi temsil edemediğini ancak matematik modelin çok iyi olduğunu göstermiştir. Onaylanan matematiksel modelin roll körüğün karakteristikleri üzerinde çok sayıda alternatif faktör etkisi analiz etmiştir. Nümerik sonuçlara göre alternatif faktörler altında roll körüğün fiziksel boyutunu ve düşey karakteristiklerini belirlemek için güvenilir olduğunu teyit etmişlerdir. Holtz ve Van Niekerk (2010) çalışmada kullandıkları modelde hava yayını iki ayrı hava odası ile tasarlamışlardır. Benzetimi yapılan model literatürde yer alan trendi takip etmektedir. Ancak tasarlanan bu modelle %27 daha az titreşim genliği ve %21 daha düşük doğal frekans belirlemişlerdir. Hacim üçte iki oranında azaltıldığında modelden alınan sonuçlarla deneysel sonuçlar yakınsamıştır. Jancirani ve ark. (2015) çalışmada otomotiv süspansiyon sistemlerindeki hava yayı eyleyicisi benzetimi ile elektrohidrolik eyleyicinin benzetimini karşılaştırmışlardır. İki eyleyici için de iki serbestlik dereceli çeyrek taşıt modeli kullanmışlardır. Bulanık mantık denetleyici kullanarak benzetimleri rastgele yol girişlerine karşılık yapmışlardır. Benzetimler sonucu hava yayı eyleyicisinin elektrohidrolik eyleyiciye göre düşey yönde daha iyi sonuçlar verdiğini gözlemlemişlerdir. Sathishkumar ve ark. (2015) çalışmada hızlanan bir aracın yol tutuş özelliklerini artırmayı hedeflemişlerdir. Yapılan benzetimlerde üç serbestlik dereceli çeyrek taşıt modeli kullanmışlardır. Benzetimlerde aktif süspansiyon sisteminin performansını analiz etmek için ISO D sınıfı yol girişi vermişler ve elde edilen sonuçlarda elektrikli eyleyicinin performansının hava yayı eyleyicisine göre daha iyi olduğunu belirlemişlerdir. 11 Shimozawa ve Tohtake (2008) çalışmada dikey hareket yapan bir hava yayının dinamik karakteristiklerini ve non-lineer modelini incelemişlerdir. Hava yayı sönüm karakteristiğinin lineer veya kuadratik olmadığını ve ayrıca hızın 1.7 üssü ile orantılı davrandığını belirlemişlerdir. Tandel ve ark (2014) çalışmalarında Simmechanics ve Simulik te oluşturdukları çeyrek taşıt modellerinin PID ile kontrolünü gerçekleştirip, elde edilen bu verilerin kıyaslamalarını yapmışlardır. Löcken ve Welsch (2015) çalışmada şasilerdeki hava yaylarının karakteristiklerini belirlemek için tasarımdan bağımsız genel bir yaklaşım sunmuşlardır. Non-lineer ve dinamik karakteristikleri belirlemek için hacim ve bileşenlerinin enerji dengesine dayanarak diferansiyel ve temel denklemleri sunmuşlardır. Nümerik olarak çözülen denklemler, yolcu araba hava yaylarının ölçümleri ile çok iyi derecede uyum sağlamıştır. Sonuç olarak, denklemlerin doğrusallaştırılması belirli bir düzenlemede iki ortak yay ve bir sönüm elemanından oluşan benzer bir mekanik modeli doğurmuştur. Basit kuvvet yer değiştirme yasasıyla bir sistem tanımı, gözlemlenemeyen histerezisin dikkate alınmasını ve bir hava yayının mekanik bir noktadaki görünüşünden rijitlik artışını sağlamıştır. Literatürde hava yayları ve süspansiyon sistemlerine ait bilgiler aşağıda verilmiştir. 2.1. Hava Yayları Hava yaylarının temel prensibi kapalı hacimdeki gazların elastik davranışının yay olarak kullanılması esasına dayanır. Hava yayının (körüğünün) çapı ile basıncı, yayılı kütleye göre ayarlanabilir. Hava yaylarındaki en büyük avantaj sürüş yüksekliğinin sabit olarak muhafaza edilmesidir. Seviye çubuğu ve algılayıcı sayesinde artan kütleden gelen bilgi neticesinde körük içerisine daha fazla hava basılır ve aynı körük yüksekliğindeki yay katsayısı arttırılır. Birçok farklı tipte hava yayı mevcuttur. Şekil 2.1’de farklı hava yay tiplerine yer verilmiştir. 12 Şekil 2.1. Farklı hava yayı türleri Şekil 2.2’de çeşitli hava yayı körüklerinin efektif alanlarının değişimi hava yayının uzamış, işletme durumu ve büzülmüş pozisyonları için gösterilmiştir. Hava yayının yay sabiti efektif alanın ve yaylanma esnasındaki hava basıncının değişimi ile değiştirilebilmektedir. Şekil 2.2. Çift katlı ve kıvrılabilir silindirik hava yaylarında efektif alan değişiminin taşıma kuvvetine etkisi (Kılıç, 2012) Taşıt yüklü iken yükün etkisi ile sıkışan hava basıncı nedeniyle hava yayının sabiti de değişkenlik gösterecektir ve yükün durumuna bağlı olarak yay sabiti artacaktır. Hava yayları araç hem boşken hem de yüklüyken en iyi sürüş konforunu sağlayan yaylardandır. 13 Hava yaylarının kullanıldığı araçlarda taşıtın yerden yüksekliği taşıtta bulunan yükün ağırlığı ile ters orantılıdır. Yükün etkisiyle sıkışan hava yaylarında (körüklerde) basınç artacak ve araç yere doğru alçalacaktır. Bu sebeple hava yaylarının kullanıldığı araçlarda hava basıncını kontrol altında tutabilmek amacıyla birçok kontrol mekanizması ve birçok elektronik kontrollü sistem geliştirilmiştir. Bu elektronik kontrole bağlı olarak yalnızca aracın yerden yüksekliği kontrol altına alınmış olur. Havalı yayların kullanıldığı hava süspansiyonlu taşıtlarda, hava basıncını sürekli sağlamak ve basınç değerini de sabit tutmak amacıyla da çeşitli kontrol mekanizmaları geliştirilmiştir. Havayı kontrol altında tutmak için kompresör ya da benzeri bir hava kaynağı gerekir. Hava yayının başlıca özellikleri aşağıdaki gibi sıralanabilir. 1) Bir hava yayının değişken yük taşıma kapasitesi vardır. Daha yüksek bir yükün yerleştirilmesi gerekiyorsa, basıncı arttırmak ve aynı zamanda süspansiyonun gerekli yüksekliğini korumak için yaya (otomatik veya manuel) hava gönderilebilir. 2) Bir hava yayının yay katılığı ayarlanabilir. Örneğin ek bir yük uygulandığında ve belirli bir yüksekliği korumak için yaya hava eklendiğinde olur. İç basınç yükü karşılamak için artar, ancak süspansiyon doğal frekansında önemli bir değişiklik olmaz. 3) Hava yayındaki hava miktarını arttırarak veya azaltarak yükün yüksekliği gerektiğinde ayarlanabilir. Bu, yük dengeleme işlemlerine veya bazı transit demir yolu uygulamalarında bulunan "çömelme" özelliklerine izin verir. 4) Bir hava yayının sürtünme dinamikleri düşüktür. Süspansiyonun sert bağlantı noktalarını ayıran esnek bir elastomerik eleman bulunduğundan, hava yayı, geleneksel çelik yay süspansiyonlarıyla ilişkili direnç ve gıcırtı olmadan altı serbestlik derecesinde hareket edebilir (Presthus, 2002). Şekil 2.3’de ise hava yayı için farklı modellere yer verilmiştir. 14 (a) (b) (c) (d) (e) Şekil 2.3. Hava yay modelleri a) dikey hava yay dinamikleri için basit bir model, b) Nishimura hava yay modeli, c) Vampire hava yayı modeli, d) Simpack doğrusal hava yayı modeli, e) Gensys hava yayı modeli (Bayraktar ve ark., 2009) 2.1.1. İzotermal Prosesi Bu proses düşük frekanslı hareketler gerektirir (Anonim, 2019) Hava yayları içindeki hava yüksek frekanslarda sıcaklık değişimine maruz kalır. Bu yüzden yüksek frekanslı titreşimlerde uygun olmayan bir prosestir. Bu proses aşağıda yer verilen sabit sıcaklık proses denklemi olan denklem (2.1) ile açıklanabilir. 𝑃2 𝑉1 = (2.1) 𝑃1 𝑉2 Hava yayının termodinamik modelleri çeşitli şekillerde olabilir. 15 2.1.2. Adyabatik Proses Bu proses, akışkandan çevreye veya çevreden akışkana ısı transferi olmadığı kabulüne dayanmaktadır. Hava yayları ile ulaşılamayan teorik bir proses olmasına rağmen yüksek frekanslı titreşimlerde oldukça yakınsamaktadır. Bu proses ise aşağıdaki denklemler ile açıklanabilir. Denklem (2.2), denklem (2.3) ve denklem (2.4)’de yer alan k sabitinin değeri hava için 1.404 olarak alınır (Presthus, 2002). 𝑃 𝑉𝑘1 1 = 𝑃2𝑉 𝑘 2 (2.2) 𝑇 𝑘−1 𝑘−1/𝑘2 𝑉1 𝑃2 = ( ) = ( ) (2.3) 𝑇1 𝑉2 𝑃1 𝐶𝑝 𝑘 = (2.4) 𝐶𝑣 2.1.3. Politropik Proses Bu proses genellikle farklı basınç değerleri için gerçek sıkışma ve genişleme eğrilerini temsil eder. Basınç ve hacmin çarpımı daima sabittir (Denklem (2.5)(2.6)). 𝑃𝑉𝒏 = 𝑠𝑎𝑏𝑖𝑡 (2.5) 𝑃 𝑉𝑛 = 𝑃 𝑉𝑛1 1 2 2 (2.6) Denklem (2.5) ve denklem (2.6)’daki; n değeri 1 iken PV sabittir ve sabit sıcaklık prosesini ifade eder. n değeri k iken PVk değeri sabittir, sabit tersinir adyabatik prosesini ifade eder. 16 n değeri 0 iken P sabittir ve sabit basınç prosesini ifade eder. n değeri ∞ iken V sabittir ve sabit hacim prosesini ifade eder. Hava yayı dinamik davranışı esnasında basınç, hacim ve sıcaklık anlık olarak değişim göstermektedir. Bunun sonucu olarak hava yayı 1