Experimental Determination of Torsional Coefficients of Torsion Shafts Used in Heavy Commercial Vehicle Hydraulic Steering

Abstract

In this study, the torsional stiffness of torsion shafts that provide recovery in heavy commercial vehicle powersteering was calculated theoretically, numerically and experimentally. In the numerical study, using the ANSYS program, the neck torque value, which is the maximum torsion amount of the torsion shaft, which is 7° torsion, was obtained. Torque-angle graphs of the samples were obtained in the test setup using the torque-angle sensor, and the torsion coefficients were experimentally calculated for torsion in the extreme torsion range of +/-7°. When the experimental torsion coefficient values obtained were compared with the theoretical and numerical values, the experimental measurement gave higher results than the theoretical values. It has been observed that the effective torsion coefficient is approximately %5 higher than the theoretical value. In our study, torsional natural vibration frequency depending on torsional stiffness was obtained theoretically and numerically for 5 different samples, and the effects of torsion shaft resonance on the steering mechanism were discussed.

Keywords

• Torsional Shaft
• FEA
• Finite Element
• ANSYS
• Torsional Stiffness

Ağır Ticari Araç Hidrolik Direksiyonlarında Kullanılan Burulma Millerinin Burulma Katsayılarının Deneysel Olarak Belirlenmesi

Abstract

Bu çalışmada ağır ticari araç hidrolik direksiyonlarında geri toplamayı sağlayan burulma millerinin burulma katılıkları teorik, numerik ve deneysel olarak hesaplanmıştır. Numerik çalışmada ANSYS programı kullanılarak burulma milinin maksimum burulma miktarı olan 7° burulma halinde oluşan tork değeri elde edilmiştir. Tork-açı sensörü kullanılarak oluşturulan test düzeneğinde numunelerin tork-açı grafikleri elde edilmiş ve ekstrem burulma olan +/-7° aralığında burulma için burulma katsayıları deneysel olarak hesaplanmıştır. Elde edilen deneysel burulma katsayısı değerleri teorik ve numerik değerler ile karşılaştırıldığında deneysel ölçüm teorik değerlere göre yüksek sonuç vermiştir. Efektif burulma katsayısının teorik değere göre yaklaşık %5 daha yüksek olduğu görülmüştür. Çalışmamızda ayrıca burulma katılığına bağlı olarak burulma doğal titreşim frekansı 5 farklı numune için teorik ve numerik olarak elde edilmiş, burulma mili rezonansının direksiyon düzeneğine etkileri tartışılmıştır.

Keywords

• Burulma Mili
• SEA
• Sonlu Elemanlar
• ANSYS
• Burulma Katsayısı

References

1. Yaylı, M. (2018). Elastik Sınır Koşullarında Fonksiyonel Derecelendirilmiş Bir Çubuğun Burulma Titreşimi Analizi. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 22, 98-104.
2. Wu, H.,Xu, Z., & Wang, P. (1997). Torsion Test of Aluminum in the Large Strain Range. International Journal Of Plasticity, 13(10), 873-892.
3. Stanzl-Tschegg, S.,Mayer, H., & Tschegg, E. (1993). High frequency method for torsion fatigue testing. Ultrasonics, 31(4), 275-280.
4. Baranoğlu, G. (2012). Influence of Static Torsion on the Mechanical Properties of Heavily Drawn Steel Wires. Yüksek Lisans Tezi, Istanbul Tehnical University Graduate School of Science Engineering and Technology, İstanbul.
5. Mutasher, S. (2009). Prediction of TheTorsional Strength of the Hybrid Aluminum/Composite Drive Shaft. Materials Design, 30(2), 215–220.
6. Uymaz, G., Aydoğdu, M., & Cen, G. (2018). Direksiyon Kutusu Doğal Frekansını Değiştirmek İçin Bir Yöntem Önerisi. 9th Proceedings of the International 9th Automotive Technologies Congress (Otekon 2018), 07-08 Mayıs, Bursa, 1826–1833.
7. Akın, S. (2019). Endüstriyel alanlarda kullanılan kardan şaftların statik yorulma testleri için hidrolik test düzeneği tasarımı. Yüksek Lisans Tezi, Tekirdağ Namık Kemal Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Tekirdağ.
8. Patil, S.,Chavan, P., & Kavade, P. (2012). Investigation of Composite Torsion Shaft for Torsional Buckling Analysis using Finite Element Analysis. IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, 4(3), 26-31.

9. Nippold, C.,Küçükay, F., & Henze, R. (2016). Analysis and Application of Steering Systems on a Steering Test Bench. Automotive and Engine Technology, 1(1–4), 3–13.
10. Johannesson, M., & Lillberg, H. (2018). Investigation of Steering Feedback Control Strategies for Steer-by-Wire Concept. Master Thesis, Division of Automatic Control Department of Electrical Engineering, Linköping University, Sweden.
11. Data, S.,Pesce, M., & Reccia, L. (2004). Identification of steering system parameters by experimental measurements processing. Proceedings of theInstitution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 218(8), 783–792.
12. Rösth, M. (2007). Hydraulic power steering system design in road vehicles. Linkoping Studies in Science and Technology. Dissertations No. 1068. Linkoping University Institute of Technology. https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:23027/fulltext01. (Erişim Tarihi:04/03/2022).
13. Kurishige, M. Nishihara, O. & Kumamoto H. (2011). Analysis on Desirable Damping Coefficient of Torsion Bar in View of Self-Centering of Steering System. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers. Part C, 77(777), 1813-1823.
14. Gröndahl A. (2018). Functional Modelling and Simulation of an Electric Power Assisted Steering. Master Thesis. Chalmers University of Technology Department of Mechanics and Maritime Sciences, Sweden.
15. Xu, G., Chen, M., He, X., Pang,H., Miao, H., Cui, P., Wang, W., & Diao, P. (2021) Path Following Control of Tractor with an Electro-Hydraulic Coupling Steering System: Layered Multi-LoopRobust Control Architecture. Biosystems Engineering, 209, 282-299.
16. Wang, M. ,Zhang, N., Jeyakumaran,J., & Misra,A. (2005) Modelling and Simulation of Speed Sensitive Hydraulic Power Steering Systems. Proceedings of the 11th Asia-Pacific Vibration Conference At: Institute of Noise and Vibration, University of Technology Malaysia.
17. Yıldızlı, K. (2012). Burulma Deneyi Föyü. On dokuz Mayıs Üniversitesi, Samsun. https://mak-muhendislik.omu.edu.tr › deney-foyleri. (Erişim Tarihi:04/03/2022).
18. Shine, A., (2006). Fitting Experimental Data to Straight Lines Including Error Analysis. https://cbe.udel.edu/wp-content/uploads/2019/03/FittingData.pdf. (Erişim Tarihi:04/03/2022).