Çift sıkıştırma oranlı yay yorulma test cihazı tasarım ve imalatı

Transkript

1 BAÜ FBE ergisi Cilt:10, Sayı:1, Temmuz 008 Çift sıkıştırma ranlı yay yrulma test cihazı tasarım ve imalatı emet GÖNEN 1, Ali ORAL, M. Cemal ÇAKIR 3 *Balıkesir Üniversitesi, Endüstri Mühendisliği Bölümü-Çağış/Balıkesir **Balıkesir Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü-Çağış/Balıkesir ***Uludağ Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü-Görükle/Bursa Özet Bu çalışmada, metalik yayların ömürlerini belirlemek üzere yrulma analizi yapma amacıyla Mekanik Yay Yrulma Test Cihazı tasarlanmış ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan cihaz, aynı anda iki farklı sıkıştırma ranında yrulma analizi yapılmasına imkan vermektedir. Bu özelliği ile ömür-gerilme (S-N) diyagramının çizilmesinde iki farklı nktanın belirlenmesine zaman kazandırmaktadır. Tasarım aşamasında Mekanik Yay Yrulma Cihazının yrulma deneyleri süresince güvenilir bir şekilde çalışıp çalışamayacağının belirlenmesi için ANSYS Wrkbench prgramı ile analizler yapılmış, bu analizler snucunda cihazın imalatı gerçekleştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Yrulma, yay yrulma cihazı, yrulma cihazı esign and manufacturing f spring fatigue test device with duble cmpressin rati Abstract In this wrk a fatigue test device is designed and prduced in rder t determine the tl lives f metalic helical springs. The test device prduced is capable f perfrming fatigue tests in tw different cmpressin ratis at the same time which enables t save time in determining the pints n life-stress (S-N) diagram. At the design stage varius analyses were perfrmed using ANSYS Wrkbench in rder t verify the perfrmance f test device during the fatigue tests and the manufacturing f the test device was cmpleted accrding t the results f these analyses. Key wrds: fatigue, spring test device, fatigue device emet GÖNEN, dgnen@balikesir.edu.tr, Tel: (66)

2 Çift sıkıştırma ranlı yay yrulma test cihazı tasarım ve imalatı 1. Giriş Makine elemanları genel larak değişken yüklerin ve gerilmelerin etkisi altındadır. Elemana etki eden yükler statik lsa bile kesitinde meydana gelen gerilmeler değişken labilir. eğişken gerilmelerin etkisi altında malzemenin içyapısında meydana gelen değişikliklere yrulma ve elemanın kpuncaya kadar dayandığı süreye de ömür adı verilir [1]. Yayların ömürlerinin belirlenmesinde yrulma deneylerinden yararlanılmakta ve deneyler snucunda elde edilen veriler ile S-N eğrileri luşturulmaktadır. Yay yrulma makineleri üzerine literatür araştırması yapılmış ve incelenen çalışmalarda tek sıkıştırma ranında deney yapılmasına imkan veren makineler ile karşılaşılmıştır. Her bir sıkıştırma ranında yapılan deney snucuna göre eğride bir nkta belirlenmektedir. Bu çalışmada, yrulma testlerinde uzun lan çalışma test süresini kısaltmak için geliştirilen Mekanik Yay Yrulma Cihazı, bir çevrimde iki farklı sıkıştırma ranında yrulma analizi yapabilecek şekilde tasarlanmıştır. Pistn ileri giderken ve geri gelirken farklı sıkıştırma ranları kullanılabilmektedir. Böylece, S-N eğrisinde iki nktanın belirlenmesi için zaman kazanılmış lacaktır. Llan-Vizcaya L.. ve ça, yay yrulma makinesini farklı zamanlarda ve farklı sıcaklıklarda çalışmak için özel larak tasarlamışlardır. Makine tek bir yay için tasarlanmış lup, yaylar tek tek gerilmeye maruz bırakılarak ömürleri tespit edilmiştir []. Hirakata H. ve ça, iki katı yüzey arasına yerleştirilen çk küçük yay örnekleri kullanılarak değerlendirmişlerdir. Çalışmada kullanılan mettta birden fazla yay tek sıkıştırma miktarında analize tabi tutulmuştur [3]. Kaiser B. ve Berger C., çalışmalarında helisel yayların yrulma analizleri için Bsch yay test makinesinden yararlanmışlar ve bu makine ile 160 adet yayı aynı anda test edebilmişlerdir [4,5]. Tsun N., ve Özler L., çalışmalarında, yayların kuru, yağlı, krzif vb. gibi farklı çalışma kşullarında yrulma deneylerinin yapılması için bir makine tasarlamışlar ve üretimini gerçekleştirmişlerdir. Makine, belirlenen sıkıştırma ranında yaya tekrarlanan yük uygulayacak şekilde tasarlanmıştır [6]. Yrulma makinelerinin de yrulmaya karşı dayanımlı lması gerekir. Bu çalışmada, yay yrma işlemini gerçekleştirecek lan makinenin uygulanan tekrarlı yükler altında yrulma dayanımları analiz edilecektir.. Yay Yrulma Cihazının Tasarımı Çalışmada, farklı özelliklere sahip yayların ömürlerini belirlemek amacıyla yla çıkılmış ve bu amacı gerçekleştirmek üzere gerek duyulan yrulma analizlerini yapmak için Mekanik Yay Yrulma Cihazı tasarlanmıştır (Şekil 1). İmalatı gerçekleştirilen yay yrulma cihazına ait bir ftğraf Şekil de verilmiştir. 99

3 emet GÖNEN, Ali ORAL, M. Cemal ÇAKIR Yay klavuzlama pimi A B Pistn mili Elektrik pansu Pnömatik silindir Uç destek elemanı Manyetik sensörler Kuvvet uygulama elemanı Kuvvet dağıtım elemanı Şekil 1: Mekanik yay yrulma cihazı tasarımı Yay yrulma cihazında yayların sıkıştırılması için gereken kuvvet pnömatik silindir ile sağlanmaktadır. Sistem çift yönlü çalışmaktadır. Pistnun ileri-geri hareketleriyle A ve B bölgelerine farklı sıkıştırma ranları uygulanabilmektedir. Farklı sıkıştırma ranları A ve B bölgelerine yerleştirilen manyetik sensörlerin knumları değiştirilerek sağlanmaktadır. Sistemde kullanılan manyetik sensörlerin knumlarının değiştirilmesiyle sıkıştırma miktarı istenilen aralıkta değiştirilebilmektedir. Sistem ile 0 00 mm aralığındaki yayların yrulma testleri, ister ön gerilmeli ister öngerilmesiz lacak şekilde yapılabilmektedir. Şekil. İmalatı gerçekleştirilen yay yrulma cihazı Yaylara uygulanan kuvvet, kuvvet uygulama elemanına iki nktadan etki ettirilmektedir. Kuvvet uygulama elemanının önüne ve arkasına 7 şer adet yay bağlanabilmektedir. Yedi adet yay; üzerlerine etki eden kuvvetlerin eşit lmasını sağlayacak şekilde altıgenin merkezine bir adet ve köşe nktalarına altı adet lmak üzere yerleştirilmiştir (Şekil 3-a.) Test sırasında bir veya daha fazla sayıda yayın kırılması halinde yaylardaki gerilmelerde artış gözlenmektedir (Şekil 3b- ve 3-c). Gerilmelerin aynı kalmasını sağlamak üzere yaylar; gemetrik ağırlık merkezinin aynı kalmasını sağlayacak şekilde yer değiştirilmektedir (Şekil 3-d). 100

4 Çift sıkıştırma ranlı yay yrulma test cihazı tasarım ve imalatı a b c d Şekil 3. Test yaylarını yerleşim düzeni ve yaylara etki eden gerilmelerin snlu elemanlar analizi Tasarlanan sistem için 8 bar basınç uygulayan bir kmpresör kullanılmaktadır. Kuvvet uygulama elemanının ileri-geri hareketini sağlayacak pistn çapını hesaplamak için, teste tabi tutulacak tüm yayların rijitlik değerleri yaklaşık larak 5 N/mm larak alınmıştır. Çalışmada 76 mm uzunluğunda yay kullanılması öngörülmüştür. Sıkıştırma miktarı yay byunun en fazla % 50 si kadar lacağından, kısalma miktarı en çk f 38 mm lacaktır. 7 adet yayın eşdeğer rijitliği 175 N/mm lmak üzere; test yaylarını uzunluklarının % 50 si kadar sıkıştırmak için gerekli kuvvet; Rijitlik frmülünden; F c (1) f F 175 -> F 6650 N 38 larak hesaplanmıştır. 101

5 emet GÖNEN, Ali ORAL, M. Cemal ÇAKIR F P π d () 4 ifadesinden yararlanarak pistn çapı d mm larak bulunmuştur. Bu değere uygun larak 110 mm çapındaki pistn seçilmiştir. Seçilen pistnun, pistn mili çapı (0 mm) dikkate alındığında ikinci bölgedeki yayların sıkıştırılması için de yeterli lduğu görülmüştür. Sıkıştırma miktarları dikkate alınarak pistn hareket uzunluğu da 15 mm larak alınmıştır. Sistemin A veya B bölgesine yerleştirilen yayların eşdeğer rijitlik değeri 175 N/mm den fazla lması durumunda, gerekli hesaplamalar yapılarak sisteme bağlanacak yay sayısı azaltılmalıdır. 3. Yrulma cihazının elemanlarının snlu elemanlar ile analizi Yrulma makinesinin elemanlarının da tekrarlı yükler etkisi altında çalışacağı dikkate alındığında luşan gerilmelerin etkisi altında yrulma dayanımlarının yüksek lması gerekir. Tasarımı yapılan cihazın elemanlarının Ansys ile yrulma analizi yapılarak tasarımın güvenirliğinin sağlanması bu çalışmanın en önemli amaçlarından biri lmuştur. Yapılan çalışmalarda kritik iki eleman lduğu görülmüştür. Bunlar; uç destek elemanı ve kuvvet dağıtım elemanıdır (Bakınız Şekil 1.) 3.1 Uç estek elemanının analizi Uç destek elemanı Slidwrks yazılımı ile mdellenmiş ve Ansys Wrkbench analiz prgramına aktarılmıştır (Şekil 4-a). Mdel alt yüzeyden sabitlenmiş ve yedi adet yay bağlandığında Fy-6650 N luk kuvvet uygulanmıştır. Kuvvet, yayların bağlandığı temas yüzeylerine uygulanmıştır. Mdelin alt yüzeyinde bulunan deliklerden yer değiştirme: Ux0, Uy0, Uz0 lacak şekilde verilmiştir. Makine parçalarının imalatı için Ç1040 malzemesi seçilmiştir. Yrulma analizi yapılabilmesi için öncelikle statik analiz yapılması gerekir. Yapılan statik analiz snucunda (Şekil 4.b); uygulanan kuvvet altında, maksimum gerilmenin birleşim yerlerinde luştuğu ve değerinin MPa lduğu gözlenmiştir. a- Katı mdel b- Snlu elemanlar analizi snucu hesaplanan gerilmeler Şekil 4. Uç destek elemanı 10

6 Çift sıkıştırma ranlı yay yrulma test cihazı tasarım ve imalatı Eşdeğer gerilme analizinde maksimum gerilmenin luştuğu parçaların birleşim yerlerinde, nrmal (x, y ve z yönünde) gerilmelere ve kayma (xy, yz ve xz yönünde) gerilmelerine bakılmış (Şekil 5) ve hesaplanan değerleri Tabl 1 de verilmiştir. i) x yönünde ii) y yönünde iii) z yönünde a- nrmal gerilmeler i) xy düzleminde ii) yz düzleminde iii) xz düzleminde b- kayma gerilmeleri Şekil 5. x,y ve z eksenlerindeki nrmal ve kayma gerilmeleri Yayların sıkıştırılması esnasında kuvvet uygulama elemanının itmesi ile sadece tek yönde kuvvet uygulanmakta, ara parçanın geriye hareketi ile de yaylar eski knumlarına gelmekte ve destek elemanına kuvvet etkisi bulunmamaktadır (Şekil 6). Buna göre pzitif yönde kuvvet değerleri verilmiş, negatif yönde kuvvet uygulanmadığı için luşan gerilme değeri 0 MPa larak alınmıştır. Tabl 1. Nrmal ve kayma gerilmelerinin değerleri (MPa) x y z τ xy τ yz τ xz Pzitif yönde yükleme(1) Negatif yönde yükleme() Şekil 6. Uygulanan gerilme genliği (titreşimli) 103

7 emet GÖNEN, Ali ORAL, M. Cemal ÇAKIR inamik zrlamalar altında çalışan makine elemanlarındaki (x,y,z eksenlerinde ve xy, yz, ve xz düzlemlerindeki) değişken gerilmeler ve rtalama gerilmeler nrmal gerilmeler Eşitlik 3 ve Eşitlik 4 yardımıyla hesaplanır. x 1 x (3) O + x 1 x (4) eğişken eşdeğer gerilme ise eşitlik 5 ten yararlanarak hesaplanır. es ( ) + ( ) + ( ) + 6 ( τ + τ + τ ) x y y z z x xy yz xz (5) Tabl 1 de verilen değerlerin eşitlik 5 te yerine yazılmasıyla; es 34.6 MPa larak hesaplanır. Ortalama eşdeğer gerilme eşitlik 6 dan yararlanarak hesaplanır. es ( ) + ( ) + ( ) + 6 ( τ + τ + τ ) x y y z z x xy yz xz (6) es 34.6 MPa larak bulunur. Gevrek malzemelerin yrulma ömürlerinin analizinde Gdman diyagamından yararlanılır [7]. es- sabit bir rtalama gerilme değerinde yüklenerek titreşimli gerilmeye maruz bırakılan makine elemanı üzerindeki yrulma sınırı ( SM ), statik dayanım sınırı ve eşdeğer değişken gerilme dikkate alınarak emniyet katsayısı (S) Gdman denkleminden (eşitlik 7) elde edilir. es es 1 + SM ç S (7) S 104

8 Çift sıkıştırma ranlı yay yrulma test cihazı tasarım ve imalatı S.0959 > 1 lduğu için yapı güvenlidir. a) Ömür (Life) b) Güvenlik Faktörü (Safety Factr) Şekil 7. Yrulma analizi snuçları Ansys yrulma analizi snuçlarına bakıldığında; ömür değerinin minimum 10 6 yük tekrarına eşit lduğu lduğu görülmüştür. Ansys ile güvenlik faktörünün değeri de.0959 larak bulunmuştur (Şekil 7). 3. Kuvvet dağıtım elemanı Sistemde en fazla zrlanan elemanlardan biri de kuvvet dağıtım elemanı larak adlandırdığımız makine parçasıdır. Parça, pistn ile bağlantıyı sağlayan milin bağlantı yerinden sabitlenmiştir. Kuvvet, dağıtıcı elemana bağlanan mil tarafından uygulanacağından uygulanacak kuvvet yüzeyi milin dış çapı ile sınırlanacaktır. Elde edilen snuçlara bakıldığında, maksimum gerilmenin 75.5 MPa lduğu görülmüş, en büyük gerilmenin parçanın sabitlendiği bölgeye yakın luştuğu gözlenmektedir. Parçanın yrulma analizleri süresince, makinenin bir parçası larak güvenle çalışacağı belirlenmiştir (Şekil 8). a- Katı mdel b- Yrulma analizi snuçlarına göre güvenlik faktörü Şekil 8. Kuvvet dağıtım elemanı 105

9 emet GÖNEN, Ali ORAL, M. Cemal ÇAKIR Kuvvet dağıtım eleman için yapılan yrulma analizleri snucunda; parçanın ömür ve hasar snuçları 10 6 yük tekrarını srunsuzca sağlayacağını göstermekte, ayrıca güvenlik faktörünün 1.9 > 1 lması da yapılacak yrulma deneyleri süresince, parçanın güvenilir bir şekilde çalışacağını göstermektedir. Yay yrulma cihazını luşturan parçalar üzerinde yapılan analizler snucunda, tasarlanan deney düzeneğinin maksimum kşullara dayanıklı lacağı ve güvenli çalışacağı rtaya knulmuştur. Analizlerin lumlu snuçlar vermesi tasarımı yapılan yay yrulma makinesinin üretilmesi kararını naylamış ve üretim gerçekleştirilmiştir. İmalatı yapılan cihaz üzerinde sıkıştırma miktarı iki adet manyetik sensör ile sağlanmaktadır (Şekil 9). Kuvvet uygulama elemanı üzerine yerleştirilen mıknatıs bir sensöre yaklaştığında pistn hareket yönü değiştirilerek kuvvet uygulama elemanının diğer tarafındaki yayların sıkıştırılması sağlanmaktadır. Sensörlerin knumları değiştirilerek sıkıştırma miktarları istenildiği şekilde ayarlanabilmektedir. Şekil 9. Manyetik sensörler Yayların kırılmasına neden lan yük tekrar sayısını belirlemek üzere sisteme elektrnik sayaç eklenmiştir (Şekil 10). Sayaç, manyetik sensörlerden alınan sinyalleri saymaktadır. Kırılma anını tespit etmek için yayların bir ucundan 5V elektrik verilerek sürekli kntrl edilmektedir. Yay kırıldığı anda vltaj alınamamakta ve sistemin çalışması durmaktadır. Kırılan yay çıkarılıp, yay sıralaması uygun şekilde değiştirilerek sistem tekrar çalıştırılmaktadır. Şekil 10. Yük tekrar sayısını belirleyen sayaç sistemi 106

10 Çift sıkıştırma ranlı yay yrulma test cihazı tasarım ve imalatı Yay yrulma test cihazı ile dikdörtgen kesitli yaylar kullanılarak deneyler yapılmıştır (Şekil 11). Kuvvet uygulama elemanının ön tarafına yerleştirilen yaylar % 50 sıkıştırma ranıyla, arka tarafına yerleştirilen yaylar % 38 sıkıştırma ranıyla zrlanacak şekilde yüklenmektedir. Bu çalışma snrasında Şekil 1 de görülen grafik elde edilmiştir. Bu deneyde yaklaşık larak ikinci bir deney için harcanacak yük tekrar sayısına karşılık gelen süre kadar zaman kazanılmıştır. Şekil 11. Test snucunda kırılmış dikdörtgen kesitli yay Gerilme (N/mm) Yük tekrar sayısı Şekil 1. Gerilme Ömür grafiği 4. Snuç inamik yükler altında çalışan makine elemanlarında lduğu gibi yayların da kullanım ömürlerini belirlemek için yrulma deneyleri yapılmaktadır. eneyler, belirli bir sıkıştırma ranında ve genellikle birden fazla yaya aynı anda kuvvet uygulayarak gerçekleştirilir. Farklı sıkıştırma ranlarında elde edilen değerler kullanılarak, ömür gerilme ( S N) diyagramları çizilir ve tasarımcılar için gerekli veriler luşturulur. eney sistematiği ile ilgili larak yapılan literatür araştırmalarının snucunda, bu amaç için kullanılan mevcut deney düzeneklerinde, her bir deney esnasında, yaylara tek bir sıkıştırma ranının uygulanabildiği görülmüştür. Farklı sıkıştırma ranlarında gerekli verileri elde etmek için uzun zaman alan çk sayıda deney yapılmaktadır. Çalışmada tasarlanıp üretimi gerçekleştirilen çift sıkıştırma ranlı yay yrulma cihazı ile aynı anda iki farklı sıkıştırma miktarında deneyler yapılabilmektedir. Bu çalışmada tasarlanarak yapımı gerçekleştirilen deney düzeneğine, test için belirli sayıdan luşan iki grup yay bağlanabilmekte ve aynı deney süresince bu iki gruba biri diğerinden farklı lacak şekilde iki sıkıştırma ranı uygulanabilmektedir. Böylece, her bir deney snucunda iki farklı veri elde edilebildiği için test süreleri kısalmaktadır. 107

11 emet GÖNEN, Ali ORAL, M. Cemal ÇAKIR Bu özelliği ile literatürde karşılaşılan deney düzeneklerinden farklı lan bu deney düzeneğinin kullanılması halinde ilgili alanda çalışmalara ve araştırmacılara katkı sağlayabileceği değerlendirilmektedir. Teşekkür Bu çalışma, Balıkesir Üniversitesi Bilimsel Araştırma Prjeleri Birimi tarafından desteklenmiştir. Prje n: 008/3 Kaynakça [1] ASM Handbk, V.19 Fatigue and Fracture, 1997 [] Llan-Vizcaya L.. Ve ça, Stres relief effect n fatigue and relaxatin f cmpressin springs, Materials and esign (007) [3] Hirakata H., Anistrpic defrmatin f thin films cmprised f helical nansprings, Internatinal Jurnal f Slids and Structures (007) [4] Kaiser B., Berger C., Fatigue behaviur f technical springs, Mat.-wiss. u. Werkstfftech, 36, N.11 (005) [5] Kaiser B., Berger C., Results f very high cycle fatigue tests n helical cmpressin springs, Internatinal Jurnal f Fatigue (006) [6] Tsun N., ve Özler L.,Labratuar Tipi Bir Yay Yrma Makinesinin Tasarımı ve İmalatı, Umtik 000, Ortadğu teknik Üniversitesi- Ankara (000) [7] Bishp NWM, Sherratt F., Finite Element Based Fatigue Calculatins, RL Ltd, Huttn Rf, Farnham, UK, July (000) 108