Farklı amortisör kuvvetleri için amortisör iç ve dış sıcaklıklarının termal matematiksel modelinin tasarımı ve 1D termal analiz incelemesi
Design of thermal mathematical model and 1D thermal analysis study of shock absorber internal and external temperatures for different shock absorber forces
- Tez No: 996379
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN PEHLİVAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Amortisör, Termal Matematiksel Model, 1D Analiz, Isı Transferi, Sayısal Analiz, Shock Absorber, Thermal Mathematical Model, 1D Analysis, Heat Transfer, Numerical Analysis
- Yıl: 2024
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, farklı sönümleme kuvvetleri altında çalışan ve HRS (Hydraulic Rebound Stop) sistemi içeren bir amortisörde, amortisörün iç kısmındaki hidrolik yağ ile dış tüp üzerindeki sıcaklık dağılımının zamana bağlı olarak incelenmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda hem deneysel çalışmalar hem de termal matematiksel modelleme yaklaşımları birlikte ele alınmıştır. Ayrıca geliştirilen matematiksel modelin doğrulanması amacıyla SimCenter Amesim yazılımı kullanılarak 1D termal analizler gerçekleştirilmiştir. Amortisörler, özellikle ömür testleri sırasında uzun süreli ve sürekli çalışmaya maruz kalmaktadır. Bu durum, amortisör içerisinde enerji kayıplarından kaynaklı olarak hidrolik yağ sıcaklığının artmasına neden olmaktadır. Hidrolik yağ sıcaklığındaki bu artış, amortisörün en kritik bileşenlerinden biri olan keçe üzerinde doğrudan etki göstermektedir. Keçenin sıcaklığa bağlı olarak sahip olduğu teknik sınır değerlerin aşılması durumunda, malzeme özelliklerinde bozulma meydana gelmekte, deformasyon oluşmakta ve sonuç olarak yağ kaçağı riski ortaya çıkmaktadır. Bu tür arızalar hem testlerin süresini uzatmakta hem de test maliyetlerinin artmasına yol açmaktadır. Bu olumsuz etkilerin önlenebilmesi amacıyla, ömür testleri sırasında amortisör dış yüzeyine bir su ceketi monte edilerek aktif bir soğutma sistemi uygulanmaktadır. Amortisörün dış tüpüne yerleştirilen sıcaklık sensörleri yardımıyla belirlenen üst ve alt sıcaklık limitleri doğrultusunda test süreci kontrol edilmektedir. Standart amortisörlerde bu sıcaklık sınırları belirli prosedürlere göre tanımlanmışken, HRS sistemi içeren amortisörlerde bu değerler çoğunlukla deneme-yanılma yöntemi ile belirlenmektedir. Bu yaklaşım, test sürelerinin uzamasına ve test maliyetlerinin artmasına neden olmaktadır. Bu tez çalışmasının temel amacı, HRS sistemi içeren bir amortisörde hidrolik yağ sıcaklığı ile dış tüp sıcaklığı arasındaki ilişkiyi zamana bağlı olarak tanımlayabilen bir termal model geliştirmektir. Bu doğrultuda, öncelikle amortisörün termal davranışını tanımlayan temel fiziksel prensipler ele alınmış ve ilgili ısıl direnç denklemler oluşturulmuştur. Ardından, sistemin termal analizinde açık sayısal çözüm yöntemi kullanılarak sıcaklık dağılımları hesaplanmıştır. Modelleme sürecinde piston çubuğu, hidrolik yağ, kılıf, silindir tüpü, rezerve ve dış boru gibi temel bileşenler ayrı ayrı ele alınmıştır. Elde edilen sonuçlar, amortisörün farklı darbe kuvvetlerine maruz kalması durumunda iç ve dış sıcaklıklarda belirgin değişimler meydana geldiğini göstermektedir. Özellikle HRS sisteminin bir alt komponenti olan kontrol halkasının yapısı ve valf sisteminin yapısı, hidrolik yağ sıcaklığındaki artışa neden olduğu ve yağın termal özelliklerinin de hidrolik yağ sıcaklığında etkiye sahip olduğu belirlenmiştir. Bu çalışma, amortisör tasarımında termal yönetimin önemini ortaya koymakta ve gelecekte yapılacak tasarım iyileştirmeleri ile test optimizasyonu çalışmaları için önemli bir altyapı sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
In this thesis study, the thermal behavior of a shock absorber equipped with a Hydraulic Rebound Stop (HRS) system and operating under different damping forces is investigated. The primary focus of the study is to analyze the time-dependent temperature distribution of the hydraulic oil inside the shock absorber and the temperature of the outer tube. For this purpose, a comprehensive approach combining experimental investigations, thermal mathematical modeling, and one-dimensional (1D) numerical simulations has been adopted. The developed thermal model is validated through 1D simulations conducted using SimCenter Amesim software. Shock absorbers are critical suspension components that are subjected to continuous and long-term operation, particularly during durability and lifetime tests. During such tests, mechanical energy dissipated through damping forces is converted into thermal energy, leading to a significant increase in the temperature of the hydraulic oil. The rise in oil temperature directly affects the overall thermal behavior of the shock absorber and has a substantial impact on its performance, durability, and reliability. One of the most temperature-sensitive components in a shock absorber is the seal, which plays a vital role in preventing oil leakage and maintaining internal pressure. When the hydraulic oil temperature exceeds the allowable thermal limits of the seal material, degradation of material properties occurs. This degradation may result in seal deformation, loss of sealing performance, and eventually oil leakage. Such failures not only invalidate durability tests but also increase test duration, cost, and development time. Therefore, effective thermal management is a critical requirement during shock absorber lifetime testing. To prevent excessive temperature rise, an active cooling system is commonly employed during durability tests. In this system, a water jacket is mounted around the outer surface of the shock absorber. Temperature sensors placed on the outer tube continuously monitor the surface temperature, and the cooling system is activated or deactivated based on predefined upper and lower temperature limits. When the measured temperature exceeds the upper limit, cooling water flows through the jacket to reduce the external and internal temperatures. Once the temperature approaches the lower limit, the cooling system is stopped, and the test continues under normal operating conditions. For standard shock absorbers, these upper and lower temperature limits are generally well-defined based on established testing procedures and prior experience. However, in shock absorbers incorporating an HRS system, the determination of these temperature limits is not straightforward. The HRS system introduces additional flow restrictions, control elements, and valve mechanisms that significantly influence heat generation within the damper. As a result, temperature limits for HRS-equipped shock absorbers are often determined using a trial-and-error approach, which leads to extended test durations and increased testing costs. The main objective of this thesis is to develop a time-dependent thermal model that accurately describes the relationship between the hydraulic oil temperature and the outer tube temperature in a shock absorber equipped with an HRS system. By establishing this relationship, it becomes possible to predict internal oil temperature based on externally measured surface temperature, thereby enabling more efficient and reliable control of the cooling system during durability tests. To achieve this objective, the fundamental physical principles governing heat transfer within the shock absorber are first examined. The dominant heat transfer mechanisms, including conduction, convection, and thermal energy generation due to damping forces, are identified and modeled. Based on these principles, a thermal resistance network is established, and the corresponding heat balance equations are formulated for each component of the system. The shock absorber is modeled as a cylindrical structure composed of multiple concentric components. These components include the piston rod, hydraulic oil, sleeve, cylinder tube, reservoir, and outer tube. Each component is treated as a separate thermal node, and heat transfer interactions between adjacent components are described using equivalent thermal resistances. The influence of material properties, geometric dimensions, and convective heat transfer coefficients is incorporated into the model. An explicit numerical solution method is employed to solve the governing differential equations and calculate the transient temperature distribution within the shock absorber. This approach allows the temperature evolution of each component to be tracked over time under varying operating conditions. The numerical model is implemented and validated through 1D thermal simulations performed using SimCenter Amesim, which provides a reliable platform for system-level thermal analysis. The simulation results demonstrate that the shock absorber exhibits significant temperature variations when subjected to different impact and damping force levels. In particular, the hydraulic oil temperature shows a strong dependency on the damping force magnitude, operating frequency, and internal flow characteristics introduced by the HRS system. It is observed that the control ring geometry and valve system configuration, which are key subcomponents of the HRS system, play a crucial role in heat generation and temperature rise within the hydraulic oil. Furthermore, the thermal properties of the hydraulic oil, such as specific heat capacity and viscosity variation with temperature, are found to have a notable influence on the overall thermal response of the system. These effects highlight the importance of considering both mechanical and thermal characteristics in the design and analysis of HRS-equipped shock absorbers. The findings of this study emphasize the critical role of thermal management in shock absorber design and testing. The developed thermal model provides a valuable tool for predicting internal oil temperature based on measurable external parameters, thereby reducing reliance on trial-and-error methods. This approach has the potential to significantly shorten test durations, lower testing costs, and improve the reliability of durability tests for shock absorbers with advanced damping systems.In conclusion, this thesis contributes to the understanding of the thermal behavior of shock absorbers with HRS systems and offers a systematic methodology for thermal modeling and analysis. The results obtained serve as a solid foundation for future design improvements, optimization of cooling strategies, and development of more efficient and robust shock absorber testing procedures.
Benzer Tezler
- Bir yolcu vagonunun dinamik tasarımı ve titreşim konferunun analizi üzerine bir yaklaşım
Dynamic design verification and vibratory comfort analysis of a passenger coach by using the lumped and the continious systems models
ERDAL ABA
- Bir çamaşır makinesinin devir hızına bağımlı titreşimlerinin incelenmesi
Investigations of speed dependent vibrations of a washing machine
TUNÇ KARAÇALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
- Y32 bojisinin farklı vagon ağırlıklarına adaptasyonu
Adaptation of the Y32 bogie to the different weight of coaches
ERBİL BİLGİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAHMİ GÜÇLÜ
- Design and analysis of helical coil spring forms for independent suspensions of automobiles
Bağımsız süspansiyonlu otomobiller için sarmal yay formlarının tasarımı ve analizi
GÖKHAN YAZAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAVUZ SAMİM ÜNLÜSOY
- Gazlı amortisörlerde mil-keçe arasındaki tribolojik etkileşimlerin incelenmesi
Investigation of the tribological interaction between rod and seal in gas springs
ÇAĞATAY BERKAN YALÇIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Metalurji MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SONER SAVAŞ