BİNEK ARAÇLARIN DEVRİLME SÜRECİNDEKİ DİNAMİK DAVRANIŞLARININ ANALİZİ VE DEVRİLME ŞARTLARININ BELİRLENMESİ

Halit Karabulut; Emre Yıldırım; Mesut Düzgün; Kazım Melih Turgut

doi:10.31796/ogummf.1427532

EN TR

ANALYSIS OF DYNAMIC BEHAVIOR OF PASSENGER CARS IN ROLLOVER PROCESS AND DETERMINATION OF ROLLOVER CONDITIONS

Abstract

One of the main objectives of the wheel suspension mechanism design is to characterize the driving safety of vehicles in bends, besides the comfortability, load carrying capability, and use easiness. In this study, a four-wheel vehicle (Like C class automobile) is likened to a dynamic system of three masses, and its behaviors in a bend are examined by establishing a dynamic model. One of the masses is the vehicle's body; the others are the two wheels with their suspension elements. The dynamic model consists of angular momentum equations of these three masses. The momentum equation of the body involves the moments of forces generated by springs and dampers connecting the body to the wheel suspension mechanisms and the moment of centrifugal force exerting on the body. The momentum equations of suspension mechanisms involve the moments of spring and damper forces taking part between body and suspension mechanisms, the moments of deflection and viscoelastic damping forces of tires and, the moment of centrifugal force exerted on suspension mechanisms. A Taylor series method, equivalent to the third-order Runge-Kutta method, is used to solve momentum equations and a simulation program is developed. The bend, on which the vehicle moves, is assumed to be a parabolic curve having 25 m curvature diameter at x=0. The speed of the vehicle causing rollover at x=0 is a critical speed above which the rollover is unavoidable before that point. By using the simulation program, the dynamic behaviors of the vehicle in bend were examined as well as examining the variation of critical speed with the mass of vehicle, the stiffness of springs, the location of mass center and tire properties. On the road defined by a parabolic curve, the unloaded rollover speed of the proposed vehicle is determined as about 70 km/h.

Keywords

Rollover , Dynamic model , Simulation of rollover , Critical rollover speed , Rollover conditions

BİNEK ARAÇLARIN DEVRİLME SÜRECİNDEKİ DİNAMİK DAVRANIŞLARININ ANALİZİ VE DEVRİLME ŞARTLARININ BELİRLENMESİ

Öz

Taşıtların tekerlek süspansiyon sistemlerinin tasarımında; konfor, yük taşıma kapasitesi ve kullanım kolaylığının yanı sıra virajlardaki sürüş güvenliğinin belirlenmesi de ana hedeflerden birisidir. Bu çalışmada dört tekerlekli binek taşıtları (C sınıfı otomobiller) üç kütleden oluşan bir dinamik sisteme benzetilmiş ve dinamik modeli kurularak virajdaki dinamik davranışları incelenmiştir. Kütlelerden birisi taşıtın gövdesi, diğerleri ise süspansiyon sistemi ile birlikte tekerleklerdir. Dinamik model bu üç kütlenin açısal momentum denklemlerinden oluşmaktadır. Gövdenin momentum denklemi; gövdeyi tekerlek süspansiyon sistemine bağlayan yayların ve damperlerin yarattığı kuvvetlerin momentlerini ve gövdeye etkiyen merkezkaç kuvvetin momentini içermektedir. Süspansiyon mekanizmalarının momentum denklemleri; gövde ile süspansiyon mekanizmaları arasında yer alan yayların ve damperlerin yarattığı kuvvetlerin momentlerini, tekerleğin elastik deformasyonu ve viskoelastik sönümleme özelliğinden doğan kuvvetlerin momentlerini ve süspansiyon mekanizmalarına etkiyen merkezkaç kuvvetlerin momentlerini içermektedir. Momentum denklemlerinin çözümünde Taylor serisine dayanan bir metot kullanılmış olup hassasiyeti üçüncü mertebeden Runga-Kutta metoduna denktir. Çözüm işlemi için bir simülasyon programı geliştirilmiştir. Taşıtın üzerinde hareket ettiği viraj, x=0 daki eğrilik yarıçapı 25 m olan bir parabolik eğri olarak kabul edilmiştir. Taşıtın x=0 da devrilmesine sebep olan hız kritik hız olup daha yüksek hızlarda devrilme bu noktadan önce olmak zorundadır. Simülasyon programını kullanarak taşıtın virajdaki dinamik davranışlarının yanı sıra kritik hızın; taşıt kütlesi, yay sabitleri, taşıtın gövdesinin kütle merkezinin yeri ve tekerlek özellikleri ile değişimi incelenmiştir. Tasarlanan taşıtın yukarıda ifade edilen parabolik eğri ile tanımlı yol üzerindeki yüksüz devrilme hızı 70 km/h civarında belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

Taşıtların devrilmesi , Dinamik model , Devrilme simülasyonu , Kritik devrilme hızı , Devrilme şartları

References

Anh, N. T. (2020). Predict the rollover phenomenon of the vehicle when steering. International Journal of Mechanical & Mechatronics Engineering, 20(5), 31-40. https://www.ijens.org/ijmme.html
Cheng, C., & Cebon, D. (2011). Parameter and state estimation for articulated heavy vehicles. Vehicle System Dynamics, 49(1-2), 399-418. https://doi.org/10.1080/00423110903406656
Das, R. K., Hossain, M. A. M., Islam, M. T., & Banik, S. C. (2022). Vehicle dynamics, lateral forces, roll angle, tire wear and road profile states estimation—A review. International Journal for Engineering Modelling, 35(2), 65-89. https://doi.org/10.31534/engmod.2022.2.ri.05b
Ertlmeier, R., & Spannus, P. (2008, July). Expanding design process of the Air bag Control Unit (ACU)—Connection of active and passive safety by using vehicle dynamics for rollover and side crash detection. In 2008 International Workshop on Intelligent Solutions in Embedded Systems (pp. 1-9). IEEE. https://doi.org/10.1109/WISES.2008.4623309
Garcia Guzman, J., Prieto Gonzalez, L., Pajares Redondo, J., Montalvo Martinez, M. M., & Boada, M. J. (2018). Real-time vehicle roll angle estimation based on neural networks in IoT low-cost devices. Sensors, 18(7), 2188. https://doi.org/10.3390/s18072188
Gillespie, T. (2021). Fundamentals of Vehicle Dynamics. SAE International. ISBN: 978-1-4686-0176-3.
Hamblin, B. C., Martini, R. D., Cameron, J. T., & Brennan, S. N. (2006). Low-order modeling of vehicle roll dynamics. In Proceedings of the American Control Conference (pp. 4008-4015). https://doi.org/10.1109/ACC.2006.1657345
Hac, A., Brown, T., & Martens, J. (2004). Detection of vehicle rollover. SAE Technical Paper, 2004-01-1757. https://doi.org/10.4271/2004-01-1757
Jalali, M., Hashemi, E., Khajepour, A., Chen, S. K., & Litkouhi, B. (2018). Model predictive control of vehicle roll-over with experimental verification. Control Engineering Practice, 77, 95-108. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2018.04.008
Jeong, H. B., You, S. H., Kang, H. H., & Ahn, C. K. (2017, November). Vehicle roll angle and bank angle estimation using FIR filtering. In Eighth International Conference on Intelligent Control and Information Processing (ICICIP, pp. 348-352). IEEE. https://doi.org/10.1109/ICICIP.2017.8113969

Jung, J., Shim, T., & Gertsch, J. (2009). A vehicle roll-stability indicator incorporating roll-center movements. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 58(8), 4078-4087. https://doi.org/10.1109/TVT.2009.2021420
Karabulut, H., Öztürk, E., & Cinar, C. (2011). Dynamic modeling and investigation of vibrations of a single cylinder four-stroke diesel engine. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 26(1), 173-183. https://dergipark.org.tr/en/pub/gazimmfd
Menhour, L., Koenig, D., & d'Andréa-Novel, B. (2012). Road bank and vehicle roll angles estimation based on proportional-integral observer. IFAC Proceedings Volumes, 45(20), 1185-1190. https://doi.org/10.3182/20120829-3-MX-2028.00075
National Highway Traffic Safety Administration, 2010. Traffic Safety Facts: 2008 Data, DOT HS 811 368, 12 pp, https://crashstats.nhtsa.dot.gov/Api/Public/ViewPublication/811659
Nguyen, D. N., & Nguyen, T. A. (2023). Investigate the relationship between the vehicle roll angle and other factors when steering. Modelling and Simulation in Engineering, 2023, 1-15. https://doi.org/10.1155/2023/6069078
Öztürk, E., Karabulut, H. (2012). Dynamic and vibration analysis of a single cylinder diesel engine. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 27(3), 491-500. https://dergipark.org.tr/en/pub/gazimmfd
Putgül, Y., & Altıparmak, D. (2016). Vehicle suspension system types and their effects on front axle geometry. Journal of Polytechnic, 19(2), 195-202. https://doi.org/10.2339/2016.19.2.195-202
Rajamani, R. (2012). Vehicle dynamics and control. Springer. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-1433-9
Rajamani, R., Piyabongkarn, D., Tsourapas, V., & Lew, J. Y. (2011). Parameter and state estimation in vehicle roll dynamics. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 12(4), 1558-1567. https://doi.org/10.1109/TITS.2011.2164246
Rahimi, S., & Naraghi, M. (2018). Design of an integrated control system to enhance vehicle roll and lateral dynamics. Transactions of the Institute of Measurement and Control, 40(5), 1435-1446. https://doi.org/10.1177/0142331216685389
Ryu, J., & Gerdes, J. C. (2004). Estimation of vehicle roll and road bank angle. In Proceedings of the 2004 American Control Conference (Vol. 3, pp. 2110-2115). https://doi.org/10.23919/ACC.2004.1383772
Simon, D. (2001). Kalman filtering. Embedded Systems Programming, 14(6), 72-79. https://engagedscholarship.csuohio.edu/enece_facpub/138
Solmaz, H., & Karabulut, H. (2015). A mathematical model to investigate effect of misfire and cyclic variations on crankshaft speed fluctuations in internal combustion engines. Journal of Mechanical Science and Technology, 29(4), 1493-1500. https://doi.org/10.1007/s12206-015-0322-8
Trafik Güvenliği Dairesi Başkanlığı. (2020). Montaj Şartları ve Karayolu Trafik İşaretleme Standartları-1.
Wang, C., Wang, Z., Zhang, L., Cao, D., & Dorrell, D. G. (2021). A vehicle rollover evaluation system based on enabling state and parameter estimation. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 17(6), 4003-4013. https://doi.org/10.1109/TII.2020.3012003
Xiao, F., Hu, J., Zhu, P., & Deng, C. (2023). Chassis coordinated control based on ideal roll angle to improve vehicle stability. Vehicle System Dynamics, 61(8), 2074-2102. https://doi.org/10.1080/00423114.2022.2101479
Xu, L., & Tseng, H. E. (2007). Robust model-based fault detection for a roll stability control system. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 15(3), 519-528. https://doi.org/10.1109/TCST.2006.890287
Yu, G., Wang, D., Li, Q., Wang, P., & Wang, Y. (2013). Road bank estimation for bus rollover prediction. Applied Mathematics & Information Sciences, 7(5), 2027. http://dx.doi.org/10.12785/amis/070543
Zhang, X., Yan, Y., Guo, K., Yang, Y., & He, G. (2022). Vehicle roll centre estimation with transient dynamics via roll rate. Vehicle System Dynamics, 60(2), 699-717. https://doi.org/10.1080/00423114.2020.1838565
Zhang, N., Dong, G. M., & Du, H. P. (2008). Investigation into untripped rollover of light vehicles in the modified fishhook and the sine maneuvers. Part I: Vehicle modelling, roll and yaw instability. Vehicle System Dynamics, 46(4), 271-293. https://doi.org/10.1080/00423110701344752

Details

Primary Language

Turkish

Subjects

Mechanical Engineering (Other)

Journal Section

Research Article

Authors

Halit Karabulut
0000-0001-6211-5258
Türkiye

Emre Yıldırım ^*
0000-0002-2528-2740
Türkiye

Mesut Düzgün
0000-0003-0582-4183
Türkiye

Kazım Melih Turgut
0009-0001-9375-4439
Türkiye

Early Pub Date

April 16, 2025

Publication Date

April 24, 2025

Submission Date

January 29, 2024

Acceptance Date

January 9, 2025

Published in Issue

Year 2025 Volume: 33 Number: 1

DOI

https://doi.org/10.31796/ogummf.1427532

IZ

https://izlik.org/JA93TP95NG

APA

Karabulut, H., Yıldırım, E., Düzgün, M., & Turgut, K. M. (2025). BİNEK ARAÇLARIN DEVRİLME SÜRECİNDEKİ DİNAMİK DAVRANIŞLARININ ANALİZİ VE DEVRİLME ŞARTLARININ BELİRLENMESİ. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik Ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 33(1), 1662-1678. https://doi.org/10.31796/ogummf.1427532

AMA

1.Karabulut H, Yıldırım E, Düzgün M, Turgut KM. BİNEK ARAÇLARIN DEVRİLME SÜRECİNDEKİ DİNAMİK DAVRANIŞLARININ ANALİZİ VE DEVRİLME ŞARTLARININ BELİRLENMESİ. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2025;33(1):1662-1678. doi:10.31796/ogummf.1427532

Chicago

Karabulut, Halit, Emre Yıldırım, Mesut Düzgün, and Kazım Melih Turgut. 2025. “BİNEK ARAÇLARIN DEVRİLME SÜRECİNDEKİ DİNAMİK DAVRANIŞLARININ ANALİZİ VE DEVRİLME ŞARTLARININ BELİRLENMESİ”. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik Ve Mimarlık Fakültesi Dergisi 33 (1): 1662-78. https://doi.org/10.31796/ogummf.1427532.

EndNote

Karabulut H, Yıldırım E, Düzgün M, Turgut KM (April 1, 2025) BİNEK ARAÇLARIN DEVRİLME SÜRECİNDEKİ DİNAMİK DAVRANIŞLARININ ANALİZİ VE DEVRİLME ŞARTLARININ BELİRLENMESİ. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi 33 1 1662–1678.

IEEE

[1]H. Karabulut, E. Yıldırım, M. Düzgün, and K. M. Turgut, “BİNEK ARAÇLARIN DEVRİLME SÜRECİNDEKİ DİNAMİK DAVRANIŞLARININ ANALİZİ VE DEVRİLME ŞARTLARININ BELİRLENMESİ”, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol. 33, no. 1, pp. 1662–1678, Apr. 2025, doi: 10.31796/ogummf.1427532.

ISNAD

Karabulut, Halit - Yıldırım, Emre - Düzgün, Mesut - Turgut, Kazım Melih. “BİNEK ARAÇLARIN DEVRİLME SÜRECİNDEKİ DİNAMİK DAVRANIŞLARININ ANALİZİ VE DEVRİLME ŞARTLARININ BELİRLENMESİ”. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi 33/1 (April 1, 2025): 1662-1678. https://doi.org/10.31796/ogummf.1427532.

JAMA

1.Karabulut H, Yıldırım E, Düzgün M, Turgut KM. BİNEK ARAÇLARIN DEVRİLME SÜRECİNDEKİ DİNAMİK DAVRANIŞLARININ ANALİZİ VE DEVRİLME ŞARTLARININ BELİRLENMESİ. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2025;33:1662–1678.

MLA

Karabulut, Halit, et al. “BİNEK ARAÇLARIN DEVRİLME SÜRECİNDEKİ DİNAMİK DAVRANIŞLARININ ANALİZİ VE DEVRİLME ŞARTLARININ BELİRLENMESİ”. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik Ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol. 33, no. 1, Apr. 2025, pp. 1662-78, doi:10.31796/ogummf.1427532.

Vancouver

1.Halit Karabulut, Emre Yıldırım, Mesut Düzgün, Kazım Melih Turgut. BİNEK ARAÇLARIN DEVRİLME SÜRECİNDEKİ DİNAMİK DAVRANIŞLARININ ANALİZİ VE DEVRİLME ŞARTLARININ BELİRLENMESİ. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2025 Apr. 1;33(1):1662-78. doi:10.31796/ogummf.1427532

ANALYSIS OF DYNAMIC BEHAVIOR OF PASSENGER CARS IN ROLLOVER PROCESS AND DETERMINATION OF ROLLOVER CONDITIONS

Abstract

Keywords

BİNEK ARAÇLARIN DEVRİLME SÜRECİNDEKİ DİNAMİK DAVRANIŞLARININ ANALİZİ VE DEVRİLME ŞARTLARININ BELİRLENMESİ

Öz

Anahtar Kelimeler

References

Details

Primary Language

Subjects

Journal Section

Authors

Early Pub Date

Publication Date

Submission Date

Acceptance Date

Published in Issue

DOI

IZ

Cite