भाग A :- सुधारित अडथळा पार करण्याची क्षमता आणि वाहन स्थिरता वाढविण्यासाठी वैयक्तिक चाक-स्तरीय अनुकूली निलंबन यंत्रणेचे डिझाइन, विकास आणि प्रायोगिक प्रमाणीकरण : Tata, Mahindra, Hyundai, Honda आणि Maruti Suzuki प्रवासी वाहनांचा अभ्यास- दिपक लिंबाजी राठोड

 

*लेखक —*
*Deepak Limbaji Rathod*
*सहाय्यक प्राध्यापक,*
*सिव्हिल इंजिनिअरिंग विभाग.*
*सारांश (Abstract)*
भारतातील प्रवासी वाहने खड्डे, असमान रस्त्यांचे पृष्ठभाग, अचानक निर्माण होणारी रस्त्याची उंची, पेव्हमेंट जॉइंट्स, खराब झालेले रस्त्याचे कडे आणि स्थानिक स्वरूपातील अडथळे असलेल्या विविध प्रकारच्या रस्त्यांवर वारंवार धावतात. जेव्हा वाहनाचे एखादे एकच चाक अचानक आलेल्या अडथळ्याला सामोरे जाते, तेव्हा निर्माण होणाऱ्या निलंबनाच्या हालचालीमुळे उभ्या दिशेतील त्वरण (Vertical Acceleration), पिच (Pitch), रोल (Roll), चाकावरील भारातील बदल (Wheel-load Variation) आणि वाहनामध्ये क्षणिक गतिशील अस्थिरता निर्माण होऊ शकते. या परिणामांमुळे वाहनाचा प्रवासातील आराम, टायर-रस्ता संपर्क, स्टीअरिंग प्रतिसाद आणि एकूण वाहन गतिशील स्थिरता यावर प्रतिकूल परिणाम होऊ शकतो.
या संशोधनामध्ये Novel Individual Wheel-Level Adaptive Suspension Mechanism (IWASM) अर्थात वैयक्तिक चाक-स्तरीय अनुकूली निलंबन यंत्रणा डिझाइन व विकसित करण्याचा प्रस्ताव मांडण्यात आला आहे. ही यंत्रणा स्थानिक स्वरूपाच्या रस्त्यावरील अडथळ्यांवरून वाहन जात असताना प्रत्येक चाकाला स्वतंत्रपणे अनुकूली प्रतिसाद देण्यास सक्षम असेल.
पारंपरिक निलंबन प्रणालीमध्ये निलंबनाचा प्रतिसाद मुख्यतः वाहनाच्या यांत्रिक वैशिष्ट्यांवर अवलंबून असतो. त्याउलट, प्रस्तावित प्रणालीमध्ये अडथळा शोधणे, चाकाची स्थिती मोजणे, वाहनाच्या बॉडीची हालचाल मोजणे आणि इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रित निलंबन अॅक्च्युएशन यांचा वापर करून प्रभावित चाकाच्या निलंबनाचा प्रतिसाद नियंत्रित केला जाईल.
प्रस्तावित प्रणालीचा उद्देश अडथळ्याचे स्थान आणि तीव्रता ओळखणे, प्रभावित चाक निश्चित करणे, त्या चाकाच्या निलंबनाच्या प्रतिसादामध्ये आवश्यक बदल करणे आणि उर्वरित चाके तसेच वाहनाच्या बॉडीवर होणारा अनावश्यक गतिशील परिणाम कमी करणे हा आहे.
प्रस्तावित पद्धतीचे मूल्यांकन गणितीय मॉडेलिंग, सिम्युलेशन, प्रयोगशाळा-स्तरीय प्रोटोटाइप आणि नियंत्रित अडथळा चाचण्यांच्या माध्यमातून केले जाईल. Tata, Mahindra, Hyundai, Honda आणि Maruti Suzuki या कंपन्यांच्या प्रवासी वाहनांना भारतीय वाहन प्लॅटफॉर्मचे प्रतिनिधी म्हणून तुलनात्मक अभ्यासासाठी विचारात घेतले जाईल.
प्रमुख कार्यक्षमता मापदंडांमध्ये उभ्या दिशेतील बॉडी अॅक्सेलरेशन, निलंबन विस्थापन, रोल अँगल, पिच अँगल, यॉ प्रतिसाद, चाकावरील भारातील बदल आणि टायर-रस्ता संपर्काचे वर्तन यांचा समावेश असेल.
प्रस्तावित प्रणाली पारंपरिक निष्क्रिय (Passive) निलंबन प्रणालीच्या तुलनेत स्थानिक अडथळे पार करताना वाहनाची कार्यक्षमता सुधारेल आणि वाहनाच्या बॉडीमध्ये निर्माण होणारे गतिशील व्यत्यय कमी करेल, अशी अपेक्षा आहे.
कीवर्ड्स — वैयक्तिक चाक निलंबन, अनुकूली निलंबन, अडथळा पार करणे, खड्डे कमी करणे, वाहन स्थिरता, रस्ता पूर्वावलोकन, सक्रिय निलंबन, अर्ध-सक्रिय निलंबन, वाहन गतिशास्त्र, भारतीय प्रवासी वाहने.
*I. प्रस्तावना (INTRODUCTION)*
भारतातील प्रवासी वाहने चांगल्या स्थितीतील महामार्गांपासून ते शहरी रस्ते, ग्रामीण रस्ते, खराब झालेले रस्ते, खड्ड्यांनी प्रभावित रस्ते, असमान पृष्ठभाग आणि अचानक निर्माण होणाऱ्या रस्त्याच्या उंचीतील बदल अशा विविध रस्त्यांच्या परिस्थितींमध्ये चालविली जातात.
वाहन गुळगुळीत रस्त्यावरून प्रवास करत असताना निलंबन प्रणालीचे मुख्य कार्य टायरचा रस्त्याशी संपर्क कायम ठेवणे आणि रस्त्यामुळे निर्माण होणारे कंपन व धक्के वाहनाच्या बॉडीपर्यंत पोहोचण्यापासून कमी करणे हे असते.
परंतु जेव्हा एखादे एकच चाक स्थानिक स्वरूपाच्या अडथळ्याला, जसे की खड्ड्याची कड, उंचावलेला रस्ता, रस्त्याची पायरी किंवा मोठ्या असमान पृष्ठभागाला सामोरे जाते, तेव्हा त्या चाकाची उभी हालचाल मोठ्या प्रमाणात वाढते.
उदाहरणार्थ, चार चाकांच्या वाहनाचा विचार करू:
Front Left (FL) – पुढील डावे चाक
Front Right (FR) – पुढील उजवे चाक
Rear Left (RL) – मागील डावे चाक
Rear Right (RR) – मागील उजवे चाक
जर केवळ Front Left (FL) चाकाला अचानक अडथळा आला, तर त्या चाकाच्या निलंबनाने अडथळ्याशी जुळवून घेणे आवश्यक आहे.
परंतु वाहनाची बॉडी आणि निलंबन प्रणालीतील परस्पर संबंधामुळे त्या चाकावर निर्माण होणारे गतिशील बल वाहनाच्या Roll, Pitch, Yaw, Vertical Acceleration आणि Wheel-load Distribution वर परिणाम करू शकते.
त्यामुळे या संशोधनाची मूलभूत संकल्पना अशी आहे:
जर एखादा स्थानिक अडथळा फक्त एका चाकावर परिणाम करत असेल, तर निलंबनाचा प्रतिसाद मुख्यतः त्या प्रभावित चाकावर अनुकूली पद्धतीने नियंत्रित केला पाहिजे आणि उर्वरित चाके व वाहनाच्या बॉडीवर होणारा अनावश्यक परिणाम कमीत कमी ठेवला पाहिजे.
आधुनिक सक्रिय आणि अर्ध-सक्रिय निलंबनावरील संशोधनामध्ये रस्ता पूर्वावलोकन माहिती, अनुकूली डॅम्पिंग आणि खड्डे पार करण्याच्या तंत्रांचा अभ्यास आधीच करण्यात आला आहे. त्यामुळे प्रस्तावित संशोधनातील नवीनता विशेषतः Individual Wheel-Level Adaptive Obstacle Negotiation आणि त्याचे प्रायोगिक प्रमाणीकरण यावर केंद्रित असणे आवश्यक आहे.
*II. समस्या विधान (PROBLEM STATEMENT)*
पारंपरिक निष्क्रिय निलंबन प्रणाली खालील बाबींमध्ये संतुलन साधण्यासाठी तयार केली जाते:
प्रवासातील आराम
वाहन हाताळणी
स्थिरता
निलंबनाची कडकपणा (Stiffness)
डॅम्पिंग
खर्च
उपलब्ध जागा व रचना (Packaging)
परंतु निश्चित निलंबन वैशिष्ट्ये प्रत्येक प्रकारच्या रस्त्याच्या परिस्थितीला सर्वोत्तम प्रतिसाद देऊ शकत नाहीत.
उदाहरणार्थ, वाहनाच्या Front Left (FL) चाकाला 100–150 mm उंचीचा स्थानिक अडथळा आल्यास, त्या चाकाला अडथळा पार करण्यासाठी मोठ्या प्रमाणात उभी हालचाल करावी लागते.
त्याच वेळी वाहनाच्या बॉडीमध्ये खालील परिणाम निर्माण होऊ शकतात:
उभ्या दिशेतील त्वरण
रोल
पिच
यॉ व्यत्यय
चाकावरील भाराचे हस्तांतरण
टायर-रस्ता संपर्कामध्ये बदल
*III. उद्दिष्टे (OBJECTIVES)*
या संशोधनाची प्रमुख उद्दिष्टे खालीलप्रमाणे आहेत:
एका चाकाला स्थानिक अडथळा आल्यावर प्रवासी वाहनाच्या गतिशील प्रतिसादाचा अभ्यास करणे.
वैयक्तिक चाक-स्तरीय अनुकूली निलंबन यंत्रणा डिझाइन करणे.
अडथळा शोधण्याची आणि प्रभावित चाक ओळखण्याची प्रणाली विकसित करणे.
प्रभावित चाकाच्या निलंबनाचा प्रतिसाद स्वतंत्रपणे नियंत्रित करणे.
उर्वरित चाके आणि वाहनाच्या बॉडीपर्यंत पोहोचणारा गतिशील व्यत्यय कमी करणे.
Vertical Acceleration, Roll, Pitch आणि Yaw प्रतिसादांचा अभ्यास करणे.
Wheel-load Variation आणि Tyre-road Contact Behaviour चा अभ्यास करणे.
पारंपरिक निष्क्रिय निलंबनाची प्रस्तावित अनुकूली यंत्रणेशी तुलना करणे.
प्रयोगशाळा-स्तरीय प्रोटोटाइप विकसित करणे.
प्रस्तावित संकल्पनेचे प्रायोगिक प्रमाणीकरण करणे.
Tata, Mahindra, Hyundai, Honda आणि Maruti Suzuki या प्रतिनिधी प्रवासी वाहनांमध्ये प्रस्तावित प्रणालीच्या उपयुक्ततेची तुलना करणे.
*IV. प्रस्तावित नाविन्यता (PROPOSED NOVELTY)*
या संशोधनामध्ये खालील नवीन संकल्पना मांडण्यात आली आहे:
Individual Wheel-Level Adaptive Obstacle Negotiation
मूलभूत कार्यपद्धती:
रस्त्यावरील अडथळा
↓
अडथळा शोधणे
↓
प्रभावित चाक ओळखणे
↓
वैयक्तिक निलंबन समायोजन
↓
अडथळा पार करणे
↓
वाहनाच्या बॉडीचा फीडबॅक
↓
स्थिरता सुधारणा
या प्रणालीचे महत्त्वाचे वैशिष्ट्य म्हणजे संपूर्ण वाहनाच्या निलंबनाचे एकाच वेळी नियंत्रण न करता, कोणत्या चाकाला अडथळा आला आहे हे ओळखून त्या विशिष्ट चाकाला आवश्यक प्रतिसाद देणे.
V. प्रस्तावित प्रणालीची रचना (PROPOSED SYSTEM ARCHITECTURE)
प्रस्तावित प्रणालीमध्ये खालील घटकांचा समावेश असेल:
Input System
Road-preview Sensor
Wheel Displacement Sensor
Vehicle Accelerometer
IMU
Wheel-speed Sensor
↓
Processing
Electronic Control Unit (ECU)
↓
Control Algorithm
अडथळा ओळखणे
प्रभावित चाक ओळखणे
आवश्यक निलंबन प्रतिसाद निश्चित करणे
स्थिरतेचा फीडबॅक
↓
Actuation
FL Suspension Actuator
FR Suspension Actuator
RL Suspension Actuator
RR Suspension Actuator
↓
Feedback
Body Acceleration
Roll
Pitch
Yaw
Suspension Displacement
Wheel Load
*VI. प्रस्तावित सेन्सर प्रणाली (PROPOSED SENSOR SYSTEM)*
1. Road-preview Sensor
संभाव्य तंत्रज्ञान:
LiDAR
Stereo Camera
Monocular Camera
Structured-light / Vision System
हा सेन्सर चाक अडथळ्यापर्यंत पोहोचण्यापूर्वी अडथळ्याची माहिती मिळवेल.
2. Wheel Displacement Sensor
प्रत्येक चाकाच्या निलंबनातील हालचाल किंवा विस्थापन मोजण्यासाठी याचा वापर केला जाईल.
3. IMU
IMU खालील बाबी मोजेल:
Linear Acceleration
Angular Velocity
Roll
Pitch
Yaw
4. Wheel-speed Sensor
प्रत्येक चाकाच्या वेगाची स्वतंत्र माहिती उपलब्ध करून देईल.
5. Suspension Force Sensor
प्रगत प्रोटोटाइपमध्ये चाकावरील भाराचा अंदाज घेण्यासाठी Suspension Force Sensor समाविष्ट केला जाऊ शकतो.
VII. वाहनाचा वेग (VEHICLE SPEED)
प्रारंभिक चाचण्या खालील वेगांवर केल्या जाऊ शकतात:
10 km/h
20 km/h
30 km/h
40 km/h
प्रत्यक्ष प्रोटोटाइप चाचणीमध्ये प्रथम कमी वेगाने आणि नियंत्रित परिस्थितीत चाचणी सुरू करून त्यानंतर वेग हळूहळू वाढवावा.
*VIII. महत्त्वाच्या प्रायोगिक चाचण्या (CRITICAL EXPERIMENTAL CASES)*
Case 1 — Smooth Road
चारही चाके समान आणि गुळगुळीत पृष्ठभागावरून जातील.
Case 2 — FL Wheel Obstacle
केवळ Front Left चाकाला अडथळा येईल.
Case 3 — FR Wheel Obstacle
केवळ Front Right चाकाला अडथळा येईल.
Case 4 — RL Wheel Obstacle
केवळ Rear Left चाकाला अडथळा येईल.
Case 5 — RR Wheel Obstacle
केवळ Rear Right चाकाला अडथळा येईल.
Case 6 — Diagonal Obstacle
FL आणि RR चाकांना अडथळे येतील.
ही चाचणी विशेषतः Roll आणि Yaw परिणामांचा संयुक्त अभ्यास करण्यासाठी उपयुक्त ठरेल.
*IX. नियंत्रण धोरण (CONTROL STRATEGY)*
*प्रस्तावित नियंत्रण प्रक्रिया:*
Step 1
अडथळा शोधणे.
Step 2
खालील बाबींचा अंदाज घेणे:
उंची
रुंदी
अंतर
स्थान
Step 3
प्रभावित चाक ओळखणे.
Step 4
आवश्यक निलंबन विस्थापनाचा अंदाज घेणे.
Step 5
प्रभावित चाकाच्या Damping / Actuator Response मध्ये आवश्यक बदल करणे.
Step 6
वाहनाच्या बॉडीची हालचाल सतत मोजणे.
Step 7
Feedback Correction लागू करणे.
*X. नियंत्रण अल्गोरिदम (CONTROL ALGORITHM)*
*प्रारंभिक प्रोटोटाइपसाठी:*
PID Control
वापरता येईल.
प्रगत संशोधनासाठी:
Fuzzy Logic Control
Model Predictive Control (MPC)
यांचा वापर करता येईल.
भविष्यातील अधिक प्रभावी प्रणालीमध्ये Road Preview + Individual Wheel Control + Vehicle Dynamics Feedback + MPC यांचे एकत्रीकरण करता येईल.
*XI. कार्यक्षमता मापदंड (PERFORMANCE PARAMETERS)*
प्रस्तावित प्रणालीचे मूल्यांकन मोजता येणाऱ्या वैज्ञानिक मापदंडांच्या आधारे केले पाहिजे.
Vertical Body Acceleration
Roll Angle
Pitch Angle
Yaw Rate
Suspension Travel
Wheel-load Variation
Tyre-road Contact Behaviour
हे मापदंड केवळ व्यक्तिनिष्ठ निरीक्षणांपेक्षा अधिक मजबूत वैज्ञानिक आधार प्रदान करतील.

*XII. भारतीय प्रवासी वाहनांचा तुलनात्मक अभ्यास*
*या संशोधनामध्ये खालील वाहन उत्पादकांचा विचार केला जाईल:*
Tata Motors
Mahindra
Hyundai
Honda
Maruti Suzuki
या कंपन्यांच्या निवडक प्रवासी वाहन मॉडेल्सचा तुलनात्मक अभ्यासासाठी वापर केला जाऊ शकतो.
*XIII. प्रायोगिक मांडणी (EXPERIMENTAL SETUP)*
प्रस्तावित चाचणी ट्रॅकमध्ये खालील भाग असू शकतात:
गुळगुळीत पृष्ठभाग
↓
Single-wheel Raised Obstacle
↓
Pothole
↓
Uneven Surface
↓
Multiple Localized Obstacles
*XIV. संशोधन गृहीतके (RESEARCH HYPOTHESES)*
H1
Individual Wheel-Level Adaptive Control मुळे स्थानिक अडथळा पार करताना वाहनाच्या बॉडीमधील Peak Vertical Acceleration कमी होईल.
H2
Individual Wheel-Level Adaptive Control मुळे पारंपरिक Passive Suspension च्या तुलनेत Roll आणि Pitch Disturbances कमी होतील.
H3
प्रस्तावित यंत्रणेमुळे क्षणिक Wheel-load Variation कमी होईल आणि अधिक सातत्यपूर्ण Tyre-road Contact राखण्यास मदत होईल.
H4
प्रस्तावित प्रणालीची कार्यक्षमता खालील घटकांवर अवलंबून असेल:
अडथळ्याची उंची
अडथळ्याची रुंदी
वाहनाचा वेग
निलंबनाची वैशिष्ट्ये
अॅक्च्युएटरचा प्रतिसाद वेळ.
*XV. अपेक्षित नाविन्यपूर्ण योगदान (EXPECTED NOVEL CONTRIBUTIONS)*
या संशोधनातून खालील योगदान अपेक्षित आहे:
Individual Wheel-Level Adaptive Suspension Architecture विकसित करणे.
स्थानिक अडथळा शोधणे आणि प्रभावित चाक ओळखणे.
Real-time Adaptive Suspension Response विकसित करणे.
अनावश्यक गतिशील व्यत्ययाचे प्रसारण कमी करणे.
Road-preview Sensing आणि Vehicle-dynamics Feedback यांचे एकत्रीकरण.
भारतीय प्रवासी वाहनांच्या प्रतिनिधी प्लॅटफॉर्मवर तुलनात्मक मूल्यांकन.
Simulation आणि Experimental Validation.
भविष्यातील Intelligent / Smart Suspension Development साठी एक संशोधनात्मक चौकट विकसित करणे.
*XVI. मर्यादा (LIMITATIONS)*
या संशोधनाच्या खालील मर्यादा लक्षात घेणे आवश्यक आहे:
प्रत्येक चाकासाठी स्वतंत्र अॅक्च्युएटर वापरल्यामुळे प्रणालीचा खर्च वाढू शकतो.
अतिरिक्त सेन्सर्सची आवश्यकता असेल.
ECU आणि Control System ची जटिलता वाढेल.
अॅक्च्युएटरमुळे Unsprung Mass वाढू शकतो.
विद्युत ऊर्जेचा वापर वाढू शकतो.
सेन्सरमध्ये बिघाड झाल्यास Fail-safe Control Strategy आवश्यक असेल.
निलंबनाचा प्रवास आणि टायरची भूमिती भौतिक मर्यादा निर्माण करू शकते.
प्रोटोटाइपचे परिणाम पूर्ण आकाराच्या वाहनाच्या वर्तनाचे थेट प्रतिनिधित्व करतीलच असे नाही.
वेगवेगळ्या वाहनांच्या Suspension Geometry मध्ये फरक असतो.
उत्पादनात वापरण्यापूर्वी Full-scale Validation आवश्यक असेल.
*XVII. भविष्यातील व्याप्ती (FUTURE SCOPE)*
या संशोधनाचा पुढीलप्रमाणे विस्तार करता येईल:
Phase 1
MATLAB/Simulink Modelling
↓
Phase 2
1:4 Scale Prototype
↓
Phase 3
Hardware-in-the-Loop Validation
↓
Phase 4
Full-size Suspension Test Rig
↓
Phase 5
Full-size Vehicle Testing
↓
Phase 6
Actual Indian Road-profile Testing
↓
Phase 7
Production-oriented Development
प्रगत संशोधनामध्ये खालील तंत्रज्ञानांचा समावेश करता येईल:
LiDAR
Artificial Intelligence
Machine Learning
Model Predictive Control
Active Air Suspension
Electro-hydraulic Actuators
Electromagnetic Suspension
Digital Twin Technology
निष्कर्ष (CONCLUSION)
या संशोधनामध्ये भारतीय प्रवासी वाहनांमध्ये अडथळे पार करण्याची क्षमता आणि वाहन स्थिरता सुधारण्यासाठी Individual Wheel-Level Adaptive Suspension Mechanism चे डिझाइन, विकास आणि प्रायोगिक प्रमाणीकरण करण्याचा प्रस्ताव मांडण्यात आला आहे.
या संशोधनाची मूलभूत संकल्पना अशी आहे की, जेव्हा स्थानिक स्वरूपाचा अडथळा एखाद्या एका चाकावर परिणाम करतो, तेव्हा निलंबनाचा प्रतिसाद मुख्यतः त्या प्रभावित चाकावर अनुकूली पद्धतीने नियंत्रित केला पाहिजे आणि उर्वरित चाके तसेच वाहनाच्या बॉडीपर्यंत पोहोचणारे अनावश्यक गतिशील व्यत्यय कमीत कमी ठेवले पाहिजेत.
प्रस्तावित प्रणालीमध्ये Obstacle Detection, Affected-wheel Identification, Individual Suspension Actuation आणि Vehicle-body Feedback यांचे एकत्रीकरण केले आहे.
या प्रणालीचे मूल्यांकन खालील मापदंडांच्या आधारे करता येईल:
Vertical Acceleration
Roll
Pitch
Yaw Rate
Suspension Travel
Wheel-load Variation
Tyre-road Contact Behaviour
Tata, Mahindra, Hyundai, Honda आणि Maruti Suzuki या कंपन्यांची प्रतिनिधी प्रवासी वाहने तुलनात्मक अभ्यासासाठी वापरता येतील. तथापि, प्रकाशनापूर्वी विशिष्ट वाहन मॉडेल्स आणि त्यांची Suspension Specifications अधिकृत तांत्रिक माहितीच्या आधारे पडताळून दस्तऐवजीकरण करणे आवश्यक आहे.
प्रस्तावित प्रणाली अपघात पूर्णपणे रोखेल असा दावा या संशोधनामध्ये केला जात नाही. त्याऐवजी, स्थानिक अडथळा पार करताना वाहनाच्या गतिशील व्यत्ययामध्ये घट करणे आणि अस्थिरतेशी संबंधित संभाव्य जोखीम कमी करण्यास मदत करणे हा या संशोधनाचा वैज्ञानिकदृष्ट्या मोजता येणारा उद्देश आहे.
यशस्वी प्रायोगिक प्रमाणीकरण झाल्यास, हे संशोधन आव्हानात्मक रस्ते परिस्थितीसाठी Intelligent आणि Wheel-level Adaptive Suspension Systems विकसित करण्यासाठी एक मजबूत आधार निर्माण करू शकते.