Moniskaalaisen tiemallin soveltaminen hystereesikitkan määrittämisessä
Ahola, Ville (2024)
Ahola, Ville
2024
Konetekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Mechanical Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2024-11-27
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202409278981
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202409278981
Tiivistelmä
Taloudellisuus ja turvallisuus ovat asioita, joita halutaan ja vaaditaan henkilöautorenkailta ja sen takia jatkuvaa tutkimista ja suunnittelua tarvitaan edellä mainittujen teemojen parantamiseksi. Ongelma on se, että näiden tärkeiden teemojen takana vaikuttaa monimutkainen hystereesi-ilmiö, minkä mallintaminen tarkasti on vaikeaa. Tämän takia haluttiin tutkia uutta menetelmää, jonka toimiminen voisi antaa entistä tarkempia hystereesistä aiheutuvia energiahäviötuloksia.
Uutta menetelmää lähdettiin tutkimaan hypoteesin muodossa, jossa oletetaan, että tie voidaan jakaa moniin eri siniaaltomuotoihin esimerkiksi nopean Fourier muunnoksen (FFT) avulla. Tällöin voidaan laskea jokaiselle sinimuotoaaltoiselle tiemuodolle syntyneen energiahäviön suuruus ja näiden summa on sama tai melkein sama kuin simuloisi hystereesiä karhealla ei-muunnetulla kaksiulotteisella tiemallilla. Jos hypoteesi pitää paikkansa, hystereesi-ilmiötä voidaan ymmärtää entistä paremmin, sillä superpositioperiaate pätee.
Työssä luotiin kaksi eri numeerista mallia, joista edellä mainittu siniaaltoista koostuva tiemalli käyttää implisiittistä ratkaisijaa ja alkuperäinen laserilla mitattu tieprofiili käyttää eksplisiittistä ratkaisijaa. Tämän takia työssä jouduttiin pohtimaan paljon ratkaisijoiden toimintaperiaatteita, sillä mallien täytyi vastata mahdollisimman paljon toisiaan, eli tiemallien vertailun lisäksi työssä tulee vahvatis esille Abaquksen kahden analyysituotteen Standardin ja Explicitin väliset erot.
Työtä tehdessä lyhyen tarkastelun aikana huomattiin, että lähtötietona annettu laserilla mitattu tien pistepilvi muodostaa numeerisessa laskentaympäristössä ajallisesti haastavan mallin, joten suurin yksinkertaistus jouduttiin tekemään suodattamalla pistepilviparvesta suurin osa pisteistä pois. Laskenta-ajoista saatiin järkeviä, mutta venymäenergiatulokset kärsivät siitä, sillä suuri osa energiahäviöstä aiheuttaa tien pienimmät mittaskaalat. Työssä analysoitiin käsiteltyä ja käsittelemätöntä tieprofiilia käyttämällä tehospektritiheys (PSD) -funktiota, mikä osoitti, että pisteiden pois jättäminen muuttaa tien ominaisuutta kontaktin näkökulmasta huomattavasti.
Lopulliset tulokset osoittivat, että uudenlaisella menetelmällä ei pysty ollenkaan mallintamaan hystereesihäviön suuruutta, joten alkuperäinen hypoteesi täten hylätään. Alkuperäinen idea on kuitenkin hyvä ja sitä pitää jatkokehittää, jotta siitä voisi saada hyvän työkalun renkaiden suunnitteluun. Yksi suurimmista syistä, että tulokset eroavat toisistaan niin paljon johtuu käsityksestä, että tieprofiilin Fourier muunnos olisi suoraan tien karheuden kuvaus, vaikka tämä ei pidä paikkansa. Oikea työkalu on edellä mainittu PSD-funktio, mikä kuvaa tien karheustekijöiden voimakkuutta kuormitustaajuuden suhteen. Lisäksi Bo Perssonin hystereesikitkan kaavassa suhteellinen kontaktipinta-ala vaikuttaa huomattavasti hystereesikitkan suuruuteen, mitä ei otettu ollenkaan huomioon lopullisissa tulostarkasteluissa. Aiheesta on tehty toinenkin diplomityö, missä tarkasteltiin moniskaalaista tiemallia eri tavalla, ja tämän toisen työn tiemalli antoi parem-pia hystereesikitkan tuloksia, mitä tämän työn tiemalli antoi.
Uutta menetelmää lähdettiin tutkimaan hypoteesin muodossa, jossa oletetaan, että tie voidaan jakaa moniin eri siniaaltomuotoihin esimerkiksi nopean Fourier muunnoksen (FFT) avulla. Tällöin voidaan laskea jokaiselle sinimuotoaaltoiselle tiemuodolle syntyneen energiahäviön suuruus ja näiden summa on sama tai melkein sama kuin simuloisi hystereesiä karhealla ei-muunnetulla kaksiulotteisella tiemallilla. Jos hypoteesi pitää paikkansa, hystereesi-ilmiötä voidaan ymmärtää entistä paremmin, sillä superpositioperiaate pätee.
Työssä luotiin kaksi eri numeerista mallia, joista edellä mainittu siniaaltoista koostuva tiemalli käyttää implisiittistä ratkaisijaa ja alkuperäinen laserilla mitattu tieprofiili käyttää eksplisiittistä ratkaisijaa. Tämän takia työssä jouduttiin pohtimaan paljon ratkaisijoiden toimintaperiaatteita, sillä mallien täytyi vastata mahdollisimman paljon toisiaan, eli tiemallien vertailun lisäksi työssä tulee vahvatis esille Abaquksen kahden analyysituotteen Standardin ja Explicitin väliset erot.
Työtä tehdessä lyhyen tarkastelun aikana huomattiin, että lähtötietona annettu laserilla mitattu tien pistepilvi muodostaa numeerisessa laskentaympäristössä ajallisesti haastavan mallin, joten suurin yksinkertaistus jouduttiin tekemään suodattamalla pistepilviparvesta suurin osa pisteistä pois. Laskenta-ajoista saatiin järkeviä, mutta venymäenergiatulokset kärsivät siitä, sillä suuri osa energiahäviöstä aiheuttaa tien pienimmät mittaskaalat. Työssä analysoitiin käsiteltyä ja käsittelemätöntä tieprofiilia käyttämällä tehospektritiheys (PSD) -funktiota, mikä osoitti, että pisteiden pois jättäminen muuttaa tien ominaisuutta kontaktin näkökulmasta huomattavasti.
Lopulliset tulokset osoittivat, että uudenlaisella menetelmällä ei pysty ollenkaan mallintamaan hystereesihäviön suuruutta, joten alkuperäinen hypoteesi täten hylätään. Alkuperäinen idea on kuitenkin hyvä ja sitä pitää jatkokehittää, jotta siitä voisi saada hyvän työkalun renkaiden suunnitteluun. Yksi suurimmista syistä, että tulokset eroavat toisistaan niin paljon johtuu käsityksestä, että tieprofiilin Fourier muunnos olisi suoraan tien karheuden kuvaus, vaikka tämä ei pidä paikkansa. Oikea työkalu on edellä mainittu PSD-funktio, mikä kuvaa tien karheustekijöiden voimakkuutta kuormitustaajuuden suhteen. Lisäksi Bo Perssonin hystereesikitkan kaavassa suhteellinen kontaktipinta-ala vaikuttaa huomattavasti hystereesikitkan suuruuteen, mitä ei otettu ollenkaan huomioon lopullisissa tulostarkasteluissa. Aiheesta on tehty toinenkin diplomityö, missä tarkasteltiin moniskaalaista tiemallia eri tavalla, ja tämän toisen työn tiemalli antoi parem-pia hystereesikitkan tuloksia, mitä tämän työn tiemalli antoi.