Modelling, simulation and control of a powertrain with dual clutch transmission

Bu tezde, çift kavramalı şanzımana sahip bir güç aktarma sistemi modellenmesi, simulasyonu ve kontrolü, daha ileri kontrol uygulamalarında da kullanılmak üzere gerçekleştirilmiştir. Şanzıman modellemesi için kuru kavramalı Ford 6DCT250 mekanik düzeni esas alınmıştır. Model, Matlab/Simulink® yazılımı kullanılarak modüler bir yaklaşımla oluşturulmuştur. Herhangi bir kavramanın kavranmış olmaması durumunda 5 serbestlik derecesine sahip olan model, bir kavrama kavranmış olduğunda 4 serbestlik derecesine sahiptir. Yay-sönüm elemanları ve sürtünme elemanları matematik modelleme ve simulasyonda hız bilgisini girdi olarak kabul edip tork çıktısı veren elemanlar olarak modellenmiştir. Diğer atalet elemanları içinse bunun tersi geçerlidir. Bu çalışmanın ilk bölümünde, giriş ve tezin amacı kısmının ardından çift kavramalı şanzıman içeren güç aktarma sistemlerinin matematik modellemesiyle ilgili literatür araştırması sunulmuştur. Ardından güç aktarma sisteminin kısımları; sırasıyla motor, şanzıman, senkromeçler, kavrama ve sürtünme, diferansiyel, tekerlekler, lastik ve taşıtın modellenmesinin literatür taraması ortaya konmuştur. Bu bölümün son kısmında seyir ve vites geçişleri sırasında, vites geçiş zamanlamasının belirlenmesi, kavrama ve senkromeç kumanda sistemlerinin kontrol stratejileri ve motor kontrol stratejileriyle ilgili daha önce yapılmış çalışmalar ele alınmıştır. Çalışmanın ikinci bölümünde ağırlıklı olarak çift kavramalı şanzımanların genel yapıları ve kullanılan kavrama tür ve tasarımları ve ticari olarak kullanılan farklı şanzıman dizayn ve mekanik düzenleri ve bunun yanında farklı kontrol stratejileri ele alınmıştır. Üçüncü bölümün ilk kısmında ise bu çalışmada kullanılan güç aktarma sisteminin genel yapısı ve mekanik düzeni belirlenmiştir. Modelde kullanılacak yay-sönüm elemanlarının konumları akışı tespit edilmiştir. Takip eden kısımda motor modeli, kavrama ve sürtünme modeli, statik ve dinamik sürtünme katsayıları karakteristikleri ve ve geçiş mantığı, diferansiyel tekerlek ve lastik modelleri ve taşıt modeli oluşturulmuştur. Modelde, motor tork üretimini temsilen, gaz pedal pozisyonu (APP) sinyaliyle oranlanmak üzere, bir boyutlu bir motor tork haritası kullanılmıştır. Motor harmonikleri ihmal edilse de kontrol uygulamaları için elverişli olan ortalama değer motor modeli (MVEM) kullanılmıştır. Motordaki ve yataklamalarındaki kayıplar bir sönüm elemanı kullanılarak temsil edilmiştir. Motor devre bağlı tork karakteristiği iki litre benzinli bir motor karakteristiği örnek alınarak belirlenmiştir. Şanzıman modulü, detaylı bir tek plakalı kuru kavrama modeli içermektedir. Kavrama sürtünme modeli, kayma hızına bağlı olarak değişen bir sürtünme katsayısı içermektedir. Kavrama ve senkromeç kumanda düzenleri modellemede göz önünde bulundurulmamış, kavrama normal kuvvetlerinin, artış ve azalış hızları sınırlandırılmak şartıyla, direkt olarak kontrol edildiği varsayılmıştır. Sürtünme plakasına uygun biçimde dairesel olarak yerleştirilmiş, motorda farklı pistonlarda süreksiz ama periyodik olarak meydana gelen yanma sebebiyle oluşan titreşimleri gidermek için kullanılan burulma sönümleyici yaylar, güç aktarma sistem modelinde yay-sönüm elemanları olarak modellenmiştir. Kavramanın aksine senkromeçler basitleştirilmiş ve sürtünme modeli içermemektedir. Tork akışının olmadığı kısımda gerçekleştirildikleri göz önünde bulundurularak, senkromeç değişimleri matematik modellemede rampa fonksyonu olarak temsil edilmiştir. Bu çalışmada, tekerlerde asimetrik tork dağılımı ya da viraj gibi araç yanal dinamikleri de ihmal edilmiştir. Bu varsayım, diferansiyelin simetrik davranışına neden olması sayesinde, güç aktarma sisteminde yarım aksları, tekerlekleri ve onlara etkiyen kuvvetleri bir araya toplanmış şekilde modellemeye imkan sunar. Kütle özelliklerinin yanısıra yarım akslar, uzunlukları ve aktardıkları torkun şanzıman elemanlarına görece büyüklüğü nedeniyle yay-sönüm elemanı olarak modellenmişlerdir. Çalışmanın dördüncü bölümünün başlangıç kısmında vites geçiş zamanlaması ve mantığı tanımlanmış ve vites geçiş haritası oluşturulmuştur. Ardından seyir sırasında tork iletimi olmayan kısımda gerçekleşen vites ön seçimleri zamanlamalarından ve stratejisinden bahsedilmiştir. Daha sonra aracın durağan halden harekete geçtiği kalkış durumunda kavrama kontrol stratejisinden bahsedilmiş, ardından vites geçişleri sırasındaki kavrama normal kuvvet kontrolü stratejileri, tahrikli ve tahriksiz durumlarda, düşük vitese ve tahrikli ve tahriksiz durumlarda yüksek vitese geçişlerde olmak üzere ayrı ayrı ele alınmıştır. Son olarak da senkromeçlerin kontrolü ele alınmıştır. Vites ve senkromeçlerin değişim zamanlaması vites değişim çizelgesine göre anlık gaz pedalı pozisyonu ve anlık araç hızı değerlerine bağlı olarak gerçekleştirilir. Vites değişim kontrolü, motor tork kontrolü olmadan, eşzamanlı kavrama normal kuvveti kontrolüyle gerçekleştirilir. Kavrama kontrol stratejileri vites değişimi sırasında, motor hızı ve kavrama sürtünme yüzeylerinin kayma hızlarının geribeslemeleriyle gerçekleştirilmektedir. Modelde kalkış prosesi ve tahrikli, tahriksiz durumlarda vites artırma ve vites düşürme ve için farklı kontrol stratejileri tanımlanmış ve simulasyonda denenmiştir. Bu çalışmanın beşinci bölümünde ise modelin kontrol stratejilerine cevaplarının incelenmesi için güç aktarma sistemi modeli, çeşitli durumlar barındıran üç farklı simulasyon çevriminde koşturulmuştur. Daha sonra, çevrimin kalkış ve vites geçiş süreçlerindeki motor ve vites kutusu giriş mili hız profilleri, ivmelenme karakteristiği, kavrama normal kuvvet kontrolleri ve kayma-kavranma durum geçişleri daha detaylı olarak ayrı ayrı incelenmiştir. Son olarak, altıncı kısımda, bu çalışmada ve modelde daha ileri düzeyde araştırmalarla yapılabilecek, planlanan ilerlemeler tartışılmış ve fikirler ileri sürülmüştür.