BİLİM GÜNLERİ MAYIS 1999

Transkript

1 tmmob makîna mühendisleri odası BİLİM GÜNLERİ 567 MAYIS 1999 BİLDİRİLER KİTABI YAYIN NO: 221

2 BİLİM GÜNLERİ 567 MAYIS 1999 MAKINA MÜHENDİSLERİ ODASI DENİZLİ ŞUBESİ ELEKTRİK ENERJİSİNİN KULLANIM ALANLARININ ARTMASININ ÇEVRE KİRLİLİĞİNE ETKİLERİ VE AZALTILMASI İÇİN BİR ÖNERİ Bekir Sami SAZAK Pamukkale Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elektrik Eğitimi Bölümü, Denizli ÖZET Elektronik cihazlar, güç kaynaklarındaki akım ve güçlü kaynaklardan biri olduğu açıktır, gerilimin hızlı değişiminden dolayı, yüksek Elektromanyetik Parazitler aynı çevre içerisinde frekanslı elektromanyetik parazitlerin oluşum bulunan diğer sistemler için pekçok problemlere nedenlerinden biridir. Parazitler havadan ve iletim sebep olan bir kirlenme çeşnidir. Bu çalışmada yoluyla olmak üzere iki iyi bilinen yolla ortama anahtarlama elemanının sıfır akımda iletim ve yayılırlar. Bu nedenle bir güç kaynağının, kesim durumuna getirilmesinin, parazitleri ve güç çevresine yüksek frekanslı parazitler veren en kayıplarını önemli ölçüde azalttığı gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: Elektromanyetik Parazitler, Sıfır Akım Anahtarlama, Buck Konvertör. AFFECT ON ENVIRONMENTAL POLLUTION OF THE INCREASED APPLICATION AREAS OF ELECTRICAL ENERGY AND A SUGGESTION FOR REDUCTION ABSTRACT Because of the rapid changes in voltages and frequency interferences to its envıronment currents vvithin their power supplies, electrical and Electromagnetic Interference is a kind of pollution electronıc equipments are a source of high and cause many problem to other system in tlıc frequency electromagnetic interferences. The same environment. This research shows that by ınterference propagates in two wellknown ways: tunıing the switching device on and off at zero radiated and condueted. Evidently. a povver supply current, both interferences and power losses are is one of the most povverful sources of high reduced considerably. Keywords: Electromagnetic interferences, Zero Current Svvitching, Buck Konvertör. 1. GİRİŞ Teknolojik gelişmeler hayatımızın her alanına girmekte ve ürün çeşitleri her geçen gün artmaktadır. Kullandığımız cihazlar yarıiletken teknolojisindeki gelişmelere paralel olarak daha küçük, hafif ve ucu/ olmakta, bu da kullanım alanlarının daha da artmasını sağlamaktadır. Artık diş fırçalamadan meyva sıkmaya kadar her alanda bize işlerimizi daha kolay ve çabuk yapmamızı sağlayan gereçler kullanılmaktadır. Bu kullanım artarak devam edecektir. 2000'li yıllarda düz ekran TV ler, 2020'li yıllarda ise ev işleri robotlar tarafından yapılacaktır (Rashid, 1993). Bunun sonucu olarak bunların günlük yaşantımızdaki olumlu ve olumsuz etkileri ortaya çıkmaktadır. Olumlu etkileri iyi bilinmekte ve zaten bu yönleri nedeniyle yaygınlaşmaktadır. Öte yandan elektrik ve elektronik cihazlar kullanımları sırasında çevreye elektromanyetik parazitler(emi) yayarak çevrenin bu açıdan da kirlenmesine sebep olmaktadır(hua, 1993). Bu kirlilik ile ilgili ilk deney 1800'lü yılların sonunda Markoni tarafından yapılmış, bu kirliliğin önlenmesine dair ilk kurallar 1946'da Amerika'da yayinlanmışür. 1970'ten 399

3 Ttf) İLA 1 «on ' Şekil 1 Bir yarıiletken anahtarda iletim ve yalıtım durumuna geçerken oluşan güç kayıpları. beri gelişen yarıiletken teknolojisi ve çeşitli özelliklerde yarıiletkenlerin yaygın olarak kullanımı ile bu parazitler artmıştır. Yüksek hızlı anahtarların kullanımı, cihazların daha hafif, ucuz ve küçük boyutlarda olmasını sağlamakta, bu da kullanım alanlarını arttırmaktadır. Yüksek frekanslarda açma kapama yapabilen yarıiletken anahtarların sistem akım ve gerilimini beraberce kesmesi ortama Elektromanyetik Parazit verilmesine sebep olur. Şekil l'de iletim ve yalıtım durumuna geçerken anahtar uçlanndaki akım ve gerilim dalga şekilleri verilmektedir. Görüldüğü gibi anahtarlama anında akım ve gerilimin beraberce bulunması güç kayıplarını ve buna bağlı olarak da parazitleri arttırmaktadır. Elektromanyetik Parazitler, elektrik ve elektronik sistemlerin sebep olduğu ciddi bir çevre kirlenmesidir. Santrallerde üretilen sinüsoidal şekildeki gerilimin alıcılara kadar bozulmadan ulaştırılması alıcıların sağlıklı çalışması için gereklidir. Günümüzde elektrik ve elektronik aletlerin günlük yaşamın her alanında yaygın olarak kullanılmaya başlanması dalga şekli bozukluğunun başlıca sebebidir. Harmonik parazitler ve düşük güç katsayısı bu bozulmanın sonuçlandır. 2. PROBLEMİN BOYUTLARI Elektromanyetik Parazitlerin sebep olduğu çevre kirliliğinin etki alanı cihazlardaki basit aksamalardan, güvenlik kontrol sistemlerini etkileyerek ciddi kazalara kadar uzanır Etki alanına dair yaşanmış örneklerden bazılan(marshman, 1992); Amerika'da polis atan salonlanndaki elektronik oyunların kendi haberleşme sistemlerini etkilediğini açıklamıştır. Bazı tip cep telefonlarının benzin istasyonlarındaki pompaların okumasında aksama meydana getirdiği bildirilmiştir. Bazı tip manyetolu çakmaklar otoyol ve parklarda araba giriş çıkışım kontrol altında tutmak amacıyla yolu açıp kapatan elektronik kontrollü bariyerlerin çalışmasını etkilemektedir Amerika'da havaalanına 2 km uzakta bir bankaya ait para çekme makinasının uçak ile kule arasındaki haberleşmeyi etkilediği bildirilmiştir. Yukarıdaki örnekler elektrik ve elektronik cihazlann birbirlerini etkilemeleri sonucu ortaya çıkmaktadır. Elektromanyetik alanlar aynı zamanda canlılar üzerinde de etkilidir(şeker, 1991). Elektrik alanlan insan vücudunu oluşturan doku malzemeleri üzerine üç temel prensiple enerji transfer ederler. Bunlar, 1. Herhangi bir atomun serbest elektronlanna kinetik enerji verir. 2. Atom ve moleküllerdeki dipollere etki eder. Polarizasyon olarak isimlendirilen bu olaya ilişkin sürtünme nedeniyle doku malzemelerinde ısı oluşur. 3. Malzemedeki mevcut dipolleri biraraya getirir. Bununla birlikte oluşan sürtünme malzemeye enrji transfer eder. 400

4 Görüldüğü gibi bu çevre kirliliği kişilerin yaşama hakkı da dahil olmak üzere pek çok hakkını ihlal edebilecek düzeydedir(sazak, 1998) çünkü günün her saatinde ve her yerde çevreyi etkilemektedir. Bundan kaçınmak hemen hemen imkansızdır. EMİ örneklerden de görüldüğü gibi ciddi sorunlara yol açması nedeniyle kontrol altına alınmalıdır yani bir sistemdeki tüm cihazlar elektromanyetik olarak uygun olmalıdır. Kısacası, bir cihaz ya da sistem kendi elektromanyetik sistemi içerisinde güvenli olarak çalışmalı ve çevreye giderilemeyecek parazitler yaymamalıdır. Yani her cihaz Elektromanyetik olarak uygun olmalıdır. Avrupa topluluğunun EMC ile ilgili yönetmeliğine göre bir cihaza elektromanyetik olarak uygun denilebilmesi için şu şartlan yerine getirmesi gerekmektedir, Diğer sistemlerden parazit almamalıdır. Diğer sistemleri çalışmasıyla eüdlememelidir Kendi devre elemanları birbirlerini etkilememelidir. Uygulamada elektrik ve elektronik devre elemanlarının birbirlerini etkilememesi için cihazın etrafa verdiği parazitlerin ve çevreden cihaza gelen parazitlerin kontrol altında tutulması gerekir. Bir şebeke genellikle birden fazla alt sistem içerir, iletkenler yardımıyla bu sistemler birbirlerine bağlanmıştır. EMİ havadan ve iletkenler yolu ile taşınmaktadır. Şebeke açısından iletkenler yolu ile taşınan parazitler daha etkilidir. İletkenler yoluyla taşınan parazitler genelde düşük güç katsayısı ve harmonik parazitler şeklinde kendini gösterir. Düşük güç katsayısı, bozulmuş kaynak akımının bir sonucudur. Düşük güç katsayısı nedeniyle aynı gücün çekilebilmesi için daha yüksek akıma ihtiyaç duyulur. Buna bağlı olarak hatlarda oluşan kayıplar artar. Bu nedenle, distorsiyona uğramış akımlarda aynı gücün çekilebilmesi için, anahtarlama elemanlarının ve kablo değerlerinin yüksek akımı taşıyacak şekilde düzenlenmesi gerekir. Ayrıca bir sistem eğer düşük güç katsayısına sahipse tükettiği enerji miktarına bağlı olarak ceza şeklinde de bir ödeme yapar. Distorsiyona uğramış akımın diğer bir etkisi harmonik akımlarıdır. Harmonik akımlar sebebiyle sistemi besleyen transformatörlerde ısınma ortaya çıkar. Sık sık ve anlaşılamayan nedenle sistem sigortaları atar. 3. ELEKTROMANYETİK PARAZİTLERİN ÖNLENMESİ Kaynak gerilimindeki bozukluğun giderilmesinin ideal çaresi bozulmaya sebep olan cihaz ya da sistemi değiştirmektir. Bu sistemler sinüsoidal akım çeken bir güç kaynağıyla beslendiğinde sorun tamamıyla ortadan kalkar. Fakat bu genellikle kolay bir işlem değildir. Genel olarak tüm abalarda bulunan güç kaynağı şebeke gerilimini alıcının çeşitli devrelerinin ihtiyacı olan gerilim değerine dönüştürür. Bir güç kaynağı dizay edilirken şu faktörlerin gözönüne alınması gerekir; Elektromanyetik olarak uygunluk(yüksek güç katsayısı, düşük harmonik akım) Maliyet Ölçüler Ağırlık Çıkış gücünün ayarlanabilirtiğj Değişik giriş gerilim ve frekansına uygulanabilirliği Yüksek güçlü devrelerde pasif devre elemanlarıyla harmoniklerin düşürülmesi genellikle etkili bir yol değildir. Doğrultmaç devresinin kontrollü yarıiletkenlerle yapılması ise güç devresinin kompleks hale gelmesine ve maliyetin çok artmasına sebep olur. Yüksek verimli, düşük maliyetli ve sisteme elektromanyetik parazitler yaymayan güç kaynağı yapımı amacıyla pek çok araştırma yapılmıştır, ölçülerin küçülmesi öncelikle filtre elemanlarda depolanan enerjinin miktarı ile ilgilidir. Az enerji depolama ihtiyacı L ve C elemanı boyutlarının azalmasını sağlar. Aynı güç için daha az enerji depolanabilmesi ise ancak yüksek frekanlarda çalışma ile mümkündür. Yüksek frekanlarda çalışma beraberinde kontrollü yarıiletken anahtarlarda ısı şeklinde kayıpların ve elektromanyetik parazitlerin artması problemini getirmektedir. Akım ya da gerilimden birinin sıfır yapılması ile anahtarlama anındaki enerji kayıpları azaltılıp devre elektromanyetik olarak uygun hale getirilebilir (Kazinüerczuk, 1987). Şekil 2'de sıfır akım anahtarlama tekniğinin uygulandığı deneysel çalışma sonucunda anahtar uçlarındaki akım ve gerilim dalga şekilleri görülmektedir. Görüldüğü gibi akım ile gerilim ayna anda bulunmamakta dolayısıyla güç kayıpları ve parazitler en az düzeye indirilmektedir.

5 \o dmv 1 ' iki î 6'o'iis VıM V' Şekil 2 Sıfır akım anahtarlama tekniğinin uygulandığı bir anahtarda akım ve gerilim dalga şekilleri. Şekil 3 Sunulan Sıfır Akım Anahtarlamalı Buck Konvertör. 500W lık bir Buck konvertör tasarlanmış ve sıfır akım anahtarlama tekniği uygulanmıştır. Bu da bilinen konvertör devrelerine bir yarıiletken, bir kondansatör ve bir bobinin uygun tekniklerle yerleştirilmesi ile elde edilir (Sazak, 1997). Şekil 3'te bu prensibe göre gerçekleştirilmiş bir AC/DC doğrultmaç devresi görülmektedir. Bu devrede AC önce DC'ye çevirilmekte daha sonra anahtarlama frekansına bağlı olarak istenilen değerde DC elde edilebilmektedir. Alternatif akım ile çalışan cihazlarda DC tekrar istenilen frekansta AC'ye çevirilebilir. Koyu işaretlenmiş elemanlar devreye sıfır akımda anahtarlamayı gerçekleştirmek üzere eklenmişlerdir. Şekil 4'te görüldüğü gibi anahtarlar akım sıfır iken açıp kapama yaptıklarından kayıplar azalmakta, dolayısıyle yüksek frekanlarda harmonik parazitlere sebep olmaksızın anahtarlama yapılabilmektedir. Şekil S' de verilen devre gerilim ve akım dalga şekillerinden de görüldüğü gibi rezonans kondansatörlerin çektiği akım şebeke gerilimini izlemekte dolayısıyla devrenin güç katsayısı bire yaklaşmaktadır. Güç katsayısının bire yaklaşması hatların gereksiz yüklenmesini önlemektedir. 402

6 T. _. _,..J Şekil 4 Anahtar içinden geçen akım ve teükleme darbesi. (CHİ: İOV, CH2:20A, T:2 30 Acqs Şekil 5 Bir faza ait akım ve gerilim dalga şekilleri {CH1:4OV, CH2:3A, T: loms]. 5. SONUÇLAR Günümüzde insanlar dahil tüm canlılar elektrik ve elektronik cihazlardaki gelişmelerden etkilenmektedir. Bu cihazlann çalışmaları sırasında çevreye hava ve iletkenler yoluyla yaydığı parazitler giderek artan oranda çevre kirliliğine sebep olmaktadır. Bu parazitlerin sebep olduğu kirlilik sınır tanımaksızın her yerde ortaya çıkabilmekte ve kişileri maddi ve manevi zarara uğratabilmektedir. Bunun önlenebilmesi için sıfır akım anahtarlama önerilmektedir. Yüksek frekanslarda çalışan yarıiletken anahtariann iletim ve kesim anlannda içlerinden geçen akımın sıfır yapılması anahtar kayıplarını azaltmakta ve parazit oluşumunu önlemektedir. Anahtarlama anındaki parazitlerin ve güç kayıplarının azaltılması anahtariann daha yüksek frekanslarda güvenli olarak çalıştırılmasını sağlar. Yüksek frekannslarda anahtarlama sistem için gerekli toplam reaktif enerji depolama ihtiyacını azaltacağından, kullanılan bobin ve kondansatörlerin boyuttan ve maliyeti azalır. Bu da çevre ile uyumlu yüksek verimli daha küçük boyutlarda 403

7 cihazların yapımına imkan sağlayacaktır. Bu tekniğin diğer bir avantajı, maliyeti çok fazla arttırmadan herhangi bir elektrik cihazının güç kaynağına uygulanabilmesidir. 6. KAYNAKLAR Howell K.E., " How Switches Produce Electrical Noise", IEEE Transaction on Electromagnetic Compaübility, Vol.EMC21, No.3, pp Hua G., Lee F.C., "SoftSwitching PWM Techniques and Their Applications", EPE Frenze, pp Kazimierczuk "Generaiized Topologies of ZeroVoltage Switching and ZeroCurrent Switching Resonant DC/DC Converter" IEEE National Aerospace and Electronics Conf, 1987, Vol. 2, pp Marshman C, The Guide To The EMC Directive 89/336/EEC, EPA Press, U.K.. Rashid M., Power Electronics: Circuits, Devices, and Applications,5.s. PrenticeHall, Inc. Second Edition. Sazak B.S.,1997. "A New Unity Power Factor QuasiResonant Induction Heater", Doktora Tezi, University of Glamorgan, U.K. Sazak B.S.,1998 "Elektrik ve Elektronik Cihazların Kullanım Alanlarının Artmasının tnsan Haklarına Etkileri", Türkiye'de İnsan Haklan Konferansı, 79 Aralık 1998, Türkiye Orta Doğu Amme İdaresi EnstitüsüCTODAİE), Ankara. Şeker Ş.S., Çerezci 0,1991 Elektromanyetik Alanlann Biyolojik Etkileri Güvenlik Standartlan ve Korunma Yöntemleri, 4,s. Boğaziçi Üniversitesi Matbaası, Yayın No:479. İstanbul 404,' t

8 BİLİM GÜNLERİ 567 MAYIS 1999 MAKINA MÜHENDİSLERİ ODASI DENİZLİ ŞUBESİ BİYELDE OLUŞAN GERİLMELERİN SONLU ELEMANLAR METODU İLE İNCELENMESİ Volkan ÇEÇEN D.E.Ü. Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü, İzmir 1. ÖZET Teknikte rastlanan makinalann çoğu, parçalan katı cisimler olan dülemsel hareketli mekanizmalardan meydana gelmektedir. Bu çalışmada, içten yanmalı motorlarda kullanılan krankbiyel mekanizması ele alınarak biyel üzerinde oluşan gerilmeler incelenmiştir. Krankbiyel mekanizmasında doğrusal hareketi dönme hareketine dönüştüren biyel koluna, gaz kuvvetleri ile öteleme hareketi yapan kütlelerin atalet kuvvetleri tesir etnıektedir.biyele tesir eden bu kuvvetler, biyel üzerinde değişken bası ve çeki gerilmelerini doğurmaktadır. Söz konusu kuvvetler dikkate alınarak, statik denge şartlarından biyel kolunun yatak kuvvetleri belirlenmiştir. Biyel kolunun sonlu eleman modeli bilgisayarda ANSYS programı ile oluşturulmuştur. Geliştirilen bu model yardımıyla, krank milinin belirli açılarında biyel üzerinde oluşan gerilmelerin dağılımları Uç boyutlu olarak incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Gerilme analizi, biyel, sonlu elemanlar metodu. ABSTRAÇT Most of the machines encountered in praetice are constituted of mechanisms vvith plane motion that involves rigid parts. in this study, slidercrank mechanism used in internal combustion engines has been dealt with, investigating stresses in the conneetingrod. in the slidercrank mechanism. gas forces and inertia forces of translated masses have effects on the conneeting rod that converts translation motion to rotation. These forces create vanable compressıonal and tensional stresses on the conneetingrod. The forces in questıon have been taken into consideration. determining the bearing forces of conneetingrod from static equilibrium conditions. Finite element model of the conneetingrod has been constituted through ANSYS program. By means of this improvcd model, stress distribution forıned on the conneetingrod at certain crank angle has been investigated 3dimensionally Key Words: Stress analysis, conneeting rod, finite element method. 2. GİRİŞ Taşıtların ve iş makinalarımn çaba ihtiyacı, çoğunlukla içten yanmalı (pistonlu) motorlar kullanılarak karşılanır. Bir içten yanmalı motorun çabası, silindirlerindeki gaz kuvvetleridir. Gaz kuvvetlerinin etkisiyle silindir içerisinde Ötelenen pistonun hareketi biyelin yardımıyla krank milinin dönme hareketine dönüştürülür. Bütün uzuvları, aynı anma düzlemine göre düzlemsel hareket yapan böyle bir mekanizmanın uzuvlarının boyutlan ve malzemeleri mukavemet kriterleri sağlanacak şekilde seçilmelidir. Akma. yorulma veya burkulma gibi istenmeyen olayların önlenmesini amaçlayan bu kriterler gerilme analizi ile uygulanır. Teknikte rastlanan makinalann çoğu. uzuvları katı cisimler olan düzlemsel hareketli mekanizmalardan meydana gelmekte ve hemen hemen her zaman mecburi hareketli mekanizmalar söz konusu olmaktadır. Böylece dinamik bakımdan, bir serbestlik dereceli katı cisimler topluluğu ile ilgili problemler önümüze çıkmaktadır. Bir serbestlik dereceli bir katı cisimler topluluğu modeline uygun içten yanmalı motorlara ait bir krankbiyel mekanizmasında aşağıdaki büyüklükler söz konusu olur. 405

9 1) Mekanizmaya ait geometrik ölçüler. 2) Hareketli uzuvların her birinin ağırlık merkezi, kütlesi ve atalet yarıçapı. 3) Mekanizmaya tesir eden aktif kuvvetler ve özellikle tahrik kuvveti. 4) Mekanizmanın belirli bir konumda hız ve ivme durumu. j 5) Mafsal ve yatak kuvvetleri. / Herhangi bir cisme etkiyen kuvvetleri, cismin ivmesine zıt yönde olan ve kütle merkezinden geçtiği kabul < edilen atalet kuvvetleriyle, diğer uzuvlarla yaptığı mafsallarda oluşan yatak kuvvetleri şeklinde iki ana gruba ayırmak mümkündür. Bunlar cismin üzerindeki çeşitli noktalara etkiyen tekil kuvvetler olabildiği gibi belirli bir alan veya hacim boyunca yayılı kuvvetlerde olabilirler. Yatak kuvvetleri, dış bağların gösterdikleri, değerleri önceden bilinmeyen, tepki kuvvetleri olup cismin dengede olması halinde denge denklemleri ile, hareket halinde ise hareket denklemleri ile hesaplanabildi kuvvetlerdir. Yatak kuvvetlerinin tayini, yatakların konstrüktif olarak boyutlarıdırıiması ve ayrıca çeşitli uzuvların J mukavemet hesapları bakımından büyük önem taşır. Hareket hali söz konusu olduğu, fakat bu kuvvetlerin / tayininde D'Alembert prensibine göre statik metodlar kullanıldığı için, yatak kuvvetlerinin tayinine "Makinanın Kinetostatiği" adı verilir. i Bir makinanın elemanları üzerindeki kuvvetlerinin süperpozisyon prensibi kullanılarak hesaplanmasında, bir yatak kuvveti, atalet kuvvetlerinin, yerçekimi kuvvetlerinin ve direncin her birinin tek başlarına etkidikleri kabul edilerek elde edilen 'kısmi' çözümleri toplamak suretiyle hesaplanabilir. Kısmi çözümler, kısmi bir kuvvet analizi ite elde edilebilir. Buna karşılık kuvvet analizlerinin yapılmasında diğer bir yaklaşım olarak karşımıza çıkan matris metodu, tüm atalet kuvvetlerini beraberce gözönüne alır ve tüm bilinmeyen kuvvetler ve momentler için eşzamanlı çözülebilen bir lineer denklemler kümesini içerisinde barındırır. (Erdman, Sandor, 1997). Matris metodunda mekanizmayı hesapların yapılacağı konumda 'dondurmak' ve sonra elemanları «bağlarından 'koparmak' suretiyle hesaplanacak olan bağ kuvvetleri serbest cisim diyagramlarında açığa I çıkarılmalıdır. Daha sonra, mekanizma uzuvlarının serbest cisim diyagramlarında kuvvet ve moment dengesi ' koşullarını yazmak suretiyle elde edilen denklemlerin oluşturduğu, [F B ]=[L] ı [F 1 ] O) eşitliğinin cebirsel yöntemle çözülmesiyle bağ kuvvetleri bulunur. ' 3. SONLU ELEMANLAR METODU Simülasyon tasarlanmış bir parça Özerine bölgesel veya aşırı yüklerin uygulandığı bir ortam olarak / değerlendirilmelidir. Bu sayede bir sisteme ait bütün bileşenlerin performans karakteristikleri hakkında matematiksel modele olabildiğince uygun bir bilgi sahibi olunabilir. Bu ortamda tasarımcı basınç, sıcaklık v.b., değerlerin çok yüksek veya çok alçak olduğu durumlardaki etkilerini tasarım üzerinde aktif olarak görebilecektir. (Gökoğlu, Göktan) Sonlu elemanlar metodu ile mekanik bileşen ve yapıların lineer statik, dinamik, ısı transferi ve potansiyel akış j. davranışları modellenip analiz edilebilir. Bir sonlu eleman modeli düğüm noktaları, elemenlar, fiziksel özellikle. ve malzeme özellikleri, yükler ve sınır şartlarını içerir. «Biyelde oluşan gerilmelerin sonlu elemanlar metodu ile incelenmesinde, bilgisayarda ANSYS programıyla yaratılan katı modelden yola çıkılarak yine katı model üzerinde bir sonlu eleman modeli yaratılmıştır. Bir yapının sonlu eleman tipinin belirlenmesinde etkili olan şey ağ yaratılacak alanın geometrik özellikleridir. Katı modelin, karmaşık sınırların oluşturduğu bir geometri olduğu da göz önünde bulundurularak sonlu eleman tipi ' '/ 406 i

10 olarak serbest ağ yapısı seçilmiştir. Şekill'de 7446 eleman ve 2248 düğüm noktasını içeren sonlu eleman modeli gösterilmiştir. Seki 12 Biyelin sonlu elemanlar modeli 4. SINIR ŞARTLARI VE YÜKLEME Sonlu elemanlar metodu kullanılarak gerilme analizinin yapılmasında smır şartlarının belirlenmesi önemli bir rol oynamaktadır. Sınır şartları sonlu eleman modeli üzerinde, düğüm noktalarının yerdeğiştirme miktarı ve hareket serbesliklerinin sınırlandırılmasıyla yapılır. Biyelin krank muylusu yatağındaki hidrodinamik yağ filmi kalınlığı ve muylu eksantrikliğinin krank mili açısına bağlı olarak değişiminin incelendiği çalışmalar yapılmıştır. (Knoll, Lang, Rienacker, 19%). Biyelin aynı konum ve aynı yükleme şartlarında yapılan bu çalışmalarda, yağ filmi kalınlıkları ve muylu eksantriklikleri biyelin krank muylusu yatağındaki düğüm noktalarında sabit sınır şartları kullanıldığı ve kullanılmadığı durumlarda karşılaştırmalı olarak ele alınmıştır. Ayrıca biyelin sanki statik şekil değişimli süreksiz analizinde sabit smır şartlarının uygulanabileceği gösterilmiştir (Knoll, Backhaus, Lang, NVilhelm, 1998). Yukarıda değinilen çalışmalar ve literatür verilerine dayanarak biyeli krank muylusu yatağındaki düğüm noktalarının radyal, eksenel ve teğetsel yönde yerdeğiştirmediği kabulü yapılarak sınır şartları verilmiştir. Biyeldeki gerilme yayılışını aramaya başlamadan evvel, bu yayılışın herhangi bir kesitteki kesit zorları cinsinden mi yoksa o kesit zorlarını oluşturan dış yüklerle bu yüklerin elemana etkime biçimlerinin cinsinden mi hesaplanması gerekeceği sorusunun yanıtlandırılması gerekir. Bu önemli sorunu yanıtını ancak gerilme yayılışı problemini kendi özel koşulları içerisinde, genellikle pratiğe dönük bir amaç gütmeden çözmeye çalışan elastisite teorisine bakarak ve orada elde edilmiş çözümleri inceleyerek vermek mümkündür. Elastik bir cismin küçük bir bölgesine etkiyen dış kuvvetler sistemi, kendi statik eşdeğeri olan, bir başka kuvvetler sistemi ile değiştirilirse, cismin bu dış kuvvetlerin etkime bölgesinden yeter derecede uzak bölgelerindeki gerilme yayılışları pratik olarak değişmezler. (Saint Venant prensibi) Bu prensibe göre, gerilme yayılışları, ancak eşdeğer dış kuvvet sistemlerinin etkidiği bölgede değişecekler fakat bu bölgeden yeter derecede uzak bölgelerdeki değişimleri, eşdeğer kuvvet sistemleri değişse de, pratik bakımdan ihmal edilecek kadar küçük olacaktır (Kayan, 1987). Biyelin krank muylusu yatağındaki hidrodinamik basınç dağılımlarını konu alan çalışmalarda, Saint Venant prensibi de göz önüne alınarak pistondan biyele etki eden reaksiyon kuvvetinin biyelin sonlu eleman modelinde piston pimi yatağındaki düğüm noktalarına eşit olarak dağıtılabileceği gösterilmiştir (Knoll, Backhaus, Lang, V/ilhelm, 1998). 407

11 Biyelde oluşan titreşimler gözardı edilir ve piston pimi yatağındaki momentin de sıfır olduğu kabul edilirse; biyelin kütle merkezinden geçtiği varsayılan ve kütle merkezi ivmesine zıt yönde etkiyen atalet kuvvetinin, biyelin sonlu eleman modeli içerisinde yeralan herhangi bir altı yüzlü elemana x, y ve z yönünde etkiyen bileşenleri sırasıyla aşağıdaki eşitliklerle ifade edilebilir.(ozasa, Noda, Konomi., 1997) F VIx =AV,p(a x +gsina) (2) Fv, y = AV,p(a y + g cosa) (3) Bu eşitliklerde I, AV ( ve p terimleri sırasıyla biyelin sonlu eleman modelini oluşturan elemanların numarasını, hacmini ve biyel malzemesinin özgül kütlesini ifade etmektedirler. Geliştirilen sonlu elemanlar modelinin bilgisayar yazılımı (Knoll, Lang) ile, biyele etki eden dinamik kuvvetler hesaplanabilmektedir. Yukarıda bahsi geçen çalışmalar ve literatür verilerine dayanarak biyelde oluşan gerilmelerin hesaplanmasında, atalet ve yerçekimi kuvvetlerinin gerçekte oldukları gibi, yani, cismin hacmine yayılmış kuvvetler olarak alınmaları gereklidir. Biyelde oluşan gerilmelerin analizinde Şekil l'de gösterilen sonlu eleman modeli gözönüne alınmıştır. Biyel karakteristiği için kullanılan sabitler Tablol'de gösterilmiştir. Tablo1 Biyel karakteristikleri Piston pimi ve krank muylusu yatağı merkezleri arasındaki uzunluk: 208 mm. Krank muylusu yatağı yarıçapı: 37.5 mm. Krank muylusu yatak genişliği: 33 mm. Kütle: kg. Elastiktik modülü: 207 GPa. Poisson oranı: ATALET KUVVETLERİNİN BİYELDE OLUŞAN GERİLMELERE ETKİSİ Biyelin şekil değişimine zorlanmasında, piston pimi ve krank muylusu yatağmdaki hidrodinamik kuvvetlerin yanında krankbiyel mekanizmasının hareketinden kaynaklanan atalet kuvvetleri de büyük rol oynamaktadır. Biyel haraketleri ve şekil değişimleri bu kuvvetlerin gözönüne alınmasıyla belirlenir. Biyelde oluşan gerilmelerin statik analizinde atalet kuvvetleri gözardı edilir. Krank muylusu yatağındaki f düğüm noktalarının radyal, teğetsel ve eksenel yöndeki hareketlerinin sınırlandırılması biyelin statik ve 'V dinamik yapısındaki gerilme ve şekil değişimlerinin karşılaştırılması için uygun bir model oluşturmaktadır. Şekil2a, 375 krank mili açısında hidrodinamik yatak kuvvetlerinin etkisiyle biyelde oluşan gerilme dağılımını» göstermektedir. Piston pimi yatağındaki hidrodinamik kuvvetin eksenel yöndeki bileşeninin yanal yöndeki bileşeninden çok büyük olması nedeniyle, sabit sınır şartlarına rağmen biyel üzerinde büyük eğilmeler oluşmamaktadir. Krank muylusu yatağındaki düğüm noktalarının hareket serbestliklerinin sabit sınır şartları ile sınırlandırılması ve piston pimi yatağına etkiyen hidrodinamik yatak kuvvetlerinin yanısıra krankbiyel mekanizmasının hareketinden kaynaklanan atalet kuvvetlerinin dikkate alınmasıyla biyelde oluşan gerilmelerin dinamik analizi yapılabilir. Şekil2b, 375 krank mili açısı ve aynı yükleme şartları altında biyelde oluşan gerilmelerin dağılımını göstermektedir. Dinamik analizde de, atalet kuvvetlerinin ihmal edilmesiyle hesap edilen statik analizde olduğu gibi biyel üzerinde büyük eğilmelere rastlanmamaktadır. j r V Şekil3a ve Şekil 3b sırasıyla statik ve dinamik hesaplamalar için biyelin I profilinde piston pimi yatağından krank muylusu yatağına doğru değişen asal gerilme dağılımlarını göstermektedir. Sözkonusu grafiklerde S,, S 2, ' 408

12 ve S 3 sırasıyla üç eksenli gerilme halinde kayma gerilmesi bileşeninin sıfir olduğu asal elemanlara etkiyen asal gerilme bileşenleri a u <j 2 ve cr 3 'ü sembolize etmektedir..00* S J.05.2S «.BO9 san.zs t » Şekil2 375 krank mili açısında biyelde oluşan gerilme dağılımları, a) Statik hesaplama, b) Dinamik hesaplama n*.«n ITT. l»4 (a) 1 i i \ Ua*hk (mm) \ / IVV.I40 1)7.777 (b) OT.Mf V Unkhk (mm) ŞekiI3 375 krank mili açısında a) Statik hesaplama, b) Dinamik hesaplama için biyelin I profilindeki gerilme dağılımları S 1 { i / Aynı krank mili açısı ve aynı yükleme şartlan altında yapılan statik ve dinamik analiz sonuçları karşılaştırıldığında, atalet kuvvetlerinin biyelin direngenliğine önemli ölçüde bir katkısı olmadığı görülebilir. Statik analiz için bulunan maksimum ve minimum gerilme değerlerinin, dinamik analizle bulunan aynı değerlerden büyük olması dikkat çekicidir. Asal gerilme değılımlarını sembolize eden eğriler, 375 krank mili açısında statik ve dinamik hesaplamalar için birbirine benzer şekilde değişim göstermektedirler. Şekil3a ve Şekil3b' deki grafiklerden, I profilinin piston pimi yatağına yakın olan bölgelerinin çekmeye zorlandığı görülmektedir. Kayma gerilmesi bileşeninin sıfır olduğu özel elemanlara (Asal elemanlar) etkiyen asal gerilme bileşenlerinden Oı'i karakterize eden S, eğrisi piston pimi yatağından itibaren azalma eğilimi göstererek belirli bir uzaklıkta sabit bir değere ulaşmakta ve bu değerini biyelin I profili boyunca korumaktadır. Piston pimi yatağından itibaren, a 2 gerilmelerinin azalma eğilimi a t gerilmelerine kıyasla daha küçük kalmaktadır. Üç eksenli gerilme halinde, gerilmelerin hesaplandığı hat üzerinde bulunan asal elemanlara, hareket düzlemine dik doğrultuda etkiyen o 3 gerilme tansörünün değişimi CT, ve a 2 gerilme tansörü değişimlerine göre farklılık göstermektedir. CT 3 gerilme tansörünü karakterize eden S 3 eğrisinin büyük bir kısmının S ve S 2 eğrilerinin aksine bası gerilmesi bölgesi içerisinde bulunduğu görülmektedir. 4OO

13 S \ z «e f / J 1 V / / U2ikl* (mm) (a) Şekil4 225 krank mili açısında dinamik hesaplama için a)biyelde oluşan gerilme dağılımı, b) I profilindeki asal gerilme dağılımları (b) 6. SONUÇLAR Şekil4a, 225 krank mili açısında hidrodinamik yatak kuvvetleri ve atalet kuvvetlerinin etkisiyle şekil değişimine maruz kalmış biyeli göstermektedir. Şekil2b gözönûne alındığında, 375 krank mili açısında maksimum basıncın ani olarak çok yüksek bir değere ulaşmasının biyel üzerine şiddetli bir darbe tesiri yaptığı görülmektedir. Bu darbenin dinamik tesirinin kendisini özellikle biyelin piston pimi ve krank muylusu yatağında hissettirdiği, Şekil3b'de gösterilen gerilme dağılımları incelendiğinde anlatabilmektedir. Yüksek gerilmeler malzeme yorulması nedeniyle aşıntıyı artırdığı gibi yatak hasarlarına da sebep olmaktadır. Sıkıştırma zamanında, piston pimi yatağındaki hidrodinamik kuvvetin yanal yöndeki bileşeni ile eksenel yöndeki bileşeninin şiddetleri arasında çok büyük bir fark olmaması nedeniyle, sabit sınır şartlarının biyel üzerinde büyük eğilmeler oluşturduğu Şekil4a'da görülmektedir. Şekil4b, 225 krank mili açısında biyelin I profilinde oluşan asal gerilme değişimlerini göstermektedir. Sıkıştırma zamanı için, 225 krank mili açısında yapılan gerilme analizi, biyeldeki şekil değişimlerinin I profili boyunca yoğunluk kazandığını göstermiştir. Gerilme ve şekil değişimi analizlerinden elde edilen verilere ve bunların ışığı altında yukarıda bahsi geçen karşılaştırmalara dayanarak, pistonun yukarı doğru hareketiyle silindirler içerisindeki hava üzerine iş yaptığı sıkıştırma stroğu esnasında biyelin eğilmeye zorlandığı, silindirler içerisindeki yüksek basınçlı gazların pistonu aşağıya doğru iterek krankbiyel mekanizması üzerine iş yaptığı genişleme veya güç stroğu esnasında ise biyelin maruz kaldığı dinamik darbelerden dolayı gerilme yığılmaları ve şekil değişimlerinin piston pimi yatağında yoğunluk kazandığı tespit edilmiştir. 7. KAYNAKLAR 1 Erdman, A.G., Sandor, G.N., Mechanism Design Analysis and Synthesis, Volume1, Third Edition. 337 s. PrenticeHall International, Inc. 2 Gökoğlu, S., Göktan A.G. Optimizasyon Amaçlı Modelleme ve Simülasyon, Türkiye. CAD/CAM/CAE. Cilt: Kayan. 1., Cisimlerin Mukavemeti, 171 s. T.C. istanbul Teknik Üniversitesi Kütüphanesi. Sayı: 1334, İstanbul Teknik Üniversitesi Matbaası Gümüşsüyü. 4 Knoll, G., Lang, J., Programmsystem zur elastohydrodynamischen Berechnung von Pleuelhauptlagern. 410

14 5 Knoll, V.G., Lang, J., Rienacker, A., Transient EHD Connecting Rod Analysis: Full Dynamic Vcrsus Quasi'Static Defonnation. Transactions of the ASME, Journal of Tribology. Vol. 118, Knoll, V.G., Backhaus, K., Lang, J., Wilhelm, K., Berechnung von MotorenGleitlagern unter Berûcksichtigung der Deformation. MTZ Motortechnische Zeitschrift 59 (10) 1998, Ozasa, T., Noda, T., Konomi, T., Elastohydrodynamic Lubrication Model of Connecting Rod Big End Bearings: Application to Real Engines. Transactions of the ASME, Journal of Tribology. Vol. 119,

15 BİLİM GÜNLERİ 567 MAYIS 1999 MAKINA MÜHENDİSLERİ ODASI DENİZLİ ŞUBESİ CAM FİBER TAKVİYELİ ABS TERMOPLASTİĞİNİN İMALİ VE MEKANİK DAVRANIŞLARI *Altan ÇETİNKAYA, ** Z. Engin ERKMEN * Anadolu Üniversitesi, Bilecik Meslek Yüksekokulu, Bilecik TÜRKİYE ** İstanbul Üniversitesi, Metalürji Mühendisliği Bölümü, İstanbul TÜRKİYE ÖZET Elyaf takviyeli kompozitler, gerek mukavemet / yoğunluk gerekse elastisite modülü / yoğunluk oranlarının yüksek olması dolayısıyla başta havacılık ve uzay sanayi sektörlerinde her geçen gün kendine daha geniş bir kullanım alanı bulmaktadır. Bu çalışmada ABS plastiklerinin mekanik özellikleri ve cam elyaf takviyesinin, plastiklerin mekanik özelliklerini nasıl etkilediği incelendi. Granül ABS numunelerine kısa cam elyafı ilave edilerek, cam elyaf takviyeli plastik malzeme numuneleri elde edildi ve çekme mukavemeti, eğilme mukavemeti, aşınma özelliklerinin cam elyaf miktarına bağlı olarak değişimi araştırıldı. Yapılan mekanik testler sonucunda, artan cam fiber oranıyla çekme dayanımında bir artış, tokluk değerlerinde bir azalma meydana geldiği gözlendi. Cam fiber oranının artmasına bağlı olarak yüzey pürüzlülük değerlerinde bir azalma dolayısıyla numunelerin mekanik direnci ve sertliğinde bir artış olduğu belirlendi. Anahtar Sözcükler: Cam elyaf, ABS, fiber takviyeli plastik, mekanik özellik THE PRODUCTION OF FIBERREINFORCED ABS THERMOPLASTIC AND ITS MECHANICAL PROPERTIES ABSTRACT Fibre reinforced composite materials have been used increasingly mainly in aerospace and automobile industry due to their high strength/density and modulus/density ratio. in this study the physical characteristics of ABS plastic reinforced by glass fıbers weıe examined. The disk shape composite samples were obtained by adding short glass fıbers into granule polyetilen using injection moulding. The tensile strength, bending strength. abrasion properties of the composite body were determined before and after fiber addition. At the end of the tests. it was observed that tensile strength inereased and fraeture strength, consequently thoughness decreased as the fiber content inereased. İn addition, surface roughness value decreased whüe the hardness of the composite inereased. Keywords: Fiberglass, ABS, Fiber reinforced plastic, mechanical properties 412

16 GİRİŞ Kompozit malzemeler, şekil ve/veya kimyasal bileşimleri farklı, birbiri içerisinde pratik olarak çözünmeyen iki veya dana fazla sayıda makrobileşenin kombinasyonundan oluşan malzemeler şeklinde tanımlanabilir. Belirli bir uygulama için malzemeden beklenilen değişik fiziksel, mekaniksel veya kimyasal özellikler, bu özelliklere sahip bileşenler tarafından sağlanır. Kompozit malzeme tasarımındaki amaç fiziksel, mekaniksel kimyasal özelliklerinden herhangi birinin veya birkaçının geliştirilmesine yönelik olabilir. Kompozit malzemelerin avantajı bileşenlerinin en iyi özelliklerini biraraya getirmesidir. Kompozit malzemelerin üretimiyle aşağıdaki özelliklerin biri veya birkaçının geliştirilmesi amaçlanır: Mukavemet: Yorulma dayanımı; Aşınma dayanımı: Korozyon dayanımı; Kırılma tokluğu; Yüksek sıcaklık özellikleri; Isıl iletkenlik; Elektrik iletkenliği; Akustik iletkenlik: Rijitlik; Ağırlık; Fiyat: Estetik görünüm vs. Bu sayılan özelliklerin hepsi aynı anda iyileşmez ve zaten buna gerek de yoktur. Günümüzde çok gelişmiş olan bu malzemeler, aslında binlerce yıldan beri kullanılmaktadır. Örneğin çamur içine karıştırılan saman çöpleri ile yapılan kerpiç, kompozit malzemedir. Ayrıca kompozit malzemeler doğada da değişik biçimlerde bulunmaktadır. Örneğin ahşap malzemeler, kemik vs. Bu çalışmada. cam elyaf takviyeli kompozit malzeme deneysel olarak elde edilerek mekanik özellikleri hakkında genel bir bilgi elde edilmeye çalışılmıştır. DENEYSEL ÇALIŞMALAR: Termoplastik malzeme olarak üç farklı granül halde plastik malzeme kullanılmıştır: saf siyah ABS. beyaz ABS ve % 20 cam elyaf takviyeli ABS. Cam elyaf malzemesi olarak 4.75 mm boyunda ve ortalama 13 mikron çapında, nem absorblama miktarı max. % 0.07 olan E camı kullanılmıştır. Termoplastik malzemeyi 90 mm çap ve 3.2 mm kalınlığında plakalar halinde kalıplamak için Ç1050 çelik malzemeden ekstrüzyon kalıbı imal edilmiştir. Kalıplama için max. 150 gr. hazneli yatay ve dikey konumda çalışabilen ekstrüzyon presi kullanılmıştır. Granül haldeki ABS numuneleri kalıplama işleminden hemen önce neminin alınması ve ergitmenin daha hızlı gerçekleşmesi için 70 C de 2 saat kurutma işlemine tabi tutulmuştur. Isıtılan numunelerden loogr' hk. sırasıyla ağırlıkça % 5, %10. %15. % 20. % 25, % 30 cam elyaf takviyeli karışımlar hazırlanmıştır. Kullanılan saf ABS 38 MPa, % 20 cam elyaf takviyeli ABS 55 MPa çekme dayanımına sahiptir. ABS ve cam elyafın mekanik özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Her kanşım ergitilip kalıplandıktan sonra bir sonraki karışım için hazne tamamen boşaltılmış ve yeniden aynı işlemler tekrarlanmıştır.. Granül haldeki ABS numuneleri 250 ± 10 C ' de ergitilmiş ve kalıplanmıştır Deneyin ikinci aşamasında, % 20 cam elyaf takviyeli ABS hazneye ilave edilmiş ve kalıplanmıştır. % 20 cam elyaf takviyeli ABS ile saf siyah ABS değişik oranlarda karıştırılarak sırasıyla 100 gr* lık ağırlıkça. % 5. % 10. % 15, % 20 cam elyaf oranına ulaşılarak kalıplama yapılmıştır. % 25 ve % 30 cam elyaf takviyeli karışımlar ise siyah ABS ve cam elyafın karışımıyla elde edilmiştir. Deney numunelerinin hazırlanması, giyotin makaslı kesme işlemi yapıldıktan sonra torna ve freze tezgahlarında gerçekleştirilmiştir. Test Numunelerinin Hazırlanması: Termoplastikler için ilk ön işlem kurutmadır. Çünkü termoplastiklerin çoğunluğu higroskopik (nem absorblayıcı) polimerlerdir. Nemli halde kalıplama yapılırsa kötü renk ve viskozite bozuklukları meydana gelmekte, kalıplanmış üründe kalıp hataları artmaktadır. Kurutma için; 80 C ve 80 C" nin altında ki sıcaklıklarda 2 ila 3 saat arasında kurutma tavsiye edilmektedir. (Mark, 1985 ). 413

17 Tablo 1: ABS, E Camı ve Değişik Oranlarda Cam Elyaf Takviyeli ABS Malzemelerin Mekanik Özellikleri(Berins, 1991, Gerald D., 1986) Malzeme Çekme Dayanımı Çekme Modam Eğilme Dayanımı Eğitane Modülü Basma Dayanımı Kırılma Dayanımı Çentikli Çentiksiz Elastisite Modülü özgül Ağırlı k Mpa MPa Mpa Mpa MPa Ftlb«/lnç73 F Mpa gr/cra ABS > ABS%20 Cam Fiber ABS%30 Cam Fiber ECamı Test numuneleri kalıplama sonunda 90 mm çap ve 3.2 mm kalınlığında plakalar halinde elde edilmiştir Kalıplanan plakalar oldukça basit şekilli olduğundan kalıp ayırıcı maddeleri kullanmaya gerek olmamıştır Elde edilen plakaların yolluk ve besleyicileri tornada kesilmiştir. Numuneler belli bir tolerans miktarıyla giyotin presiyle kesilmiş ve kesilen bu parçalardan frezede çekme ve eğilme test numuneleri standart şekil ve boyutlarda hazırlanmıştır. 1 Çekme Deneyi: Çekme testinde standart numune şekli ve boyutları BS 2782 ' ye göre hazırlanmıştır.. Çekme testi İnstron 8501 model çekme cihazında gerçekleştirilmiştir. 100 kn maksimum yükleme kapasitesine sahip olan çekme cihazında testler 2 mm/ dk ilerleme hızında, maksimum 5 kn yük uygulanarak 16 C ' de yapılmıştır. Testler sonucunda yük uzama grafikleri elde edilmiştir. Mühendislik gerilme hesaplamalarında faydalanılan formüller ise sırasıyla : ç= F ç / A o (D aç çekme gerilmesi, ak kopma gerilmesi, Fç çekme kuvveti ( max. kuvvet), Fk kopma kuvveti, Ao kesit alanıdır. Parçacık takviyeli ( kısa fiber boylu) kompozit malzemelerin mekanik hesaplanmasında ise şu formüllerden faydalanılır: özelliklerinin l c /d = < 2T r (2) Buradaki lc / d oranı kritik görünüş oranıdır. Takviye edilecek fiberin çapına göre kritik boyunun ne olması gerektiği, fiberin çekme gerilmesi ile matrisin kesme gerilmesinden faydalanılarak bulunur. Burada Ic kritik boy, d fiber çapı, at' fiber çekme gerilmesi, Tm matris kesme gerilmesidir. CCS PRECİSION PLAST1C SANAYİİ AŞ., BİLECİK 414

18 a c = o f T> (llc/2i)v f + o M..V m (3) a f ' = a f Ti (lu/2i) (4) V f +V M = 1 (5) Bu formüllerle kompozitin çekme gerilmesini hesaplayabiliriz. Burada 1 fiber boyudur. Fiber boyu lc ' den ( kritik boy) oldukça büyük olmalıdır. Aksi taktirde çekme gerilmesinde herhangi bir iyileşme görülmez ve kompozit daha kolay kırılır. Vf, Vm sırasıyla fiber ve matris malzemesinin hacimsel miktarıdır Elastisite modülü ise; E c = ııe f V r +E ra V m (6) formülüyle hesaplanır. Burada TI sabit bir sayıdır ve fiber boyutlarına, cinsine göre değişmektedir. Ef fiber elastisite modülü, Em matris malzemesinin elastisite modülüdür (J.C. Anderson, 1990). Eğilme Deneyi: Deney sırasında, 60mm boy ve 12mm genişliğindeki test numuneleri 40mm' iik iki destek arasına yerleştirilmiş ve 5 mm/dk çene hızında yükleme gerçekleştirilmiştir. Yük skala aktarımı ( gain ) ise 50 seçilmiştir. Eğilme testleri Adamel Lhomargy Dıvısıon d'instruments S.A firması yapımı olan DY. 26 model 100 çekme basma test cihazında yapılmıştır. Test cihazı max. 100 kn yükleme kapasitesine sahiptir. Test boyunca uygulanan yükün zamana göre değişimi ve kırılma anındaki maksimum yükleme değerleri grafik olarak alınmıştır. Testler 17 C atmosfer sıcaklığında yapılmıştır. Deformasyon değerleri şu formülle bulunmuştur. BİRİM UZAMA(AI) = ( BASMA HIZI / KAĞIT İLERLEME HIZI )*OKUNAN DEĞER ( X) Aşınma Deneyi: Aşınma özellikleri testinde numunelerin birbirine göre kıyaslaması yapılmıştır. Numuneler 80 numara şerit zımparada zımparalanmış, yüzey pürüzlülüğü metrolojik olarak incelenmiş ve zımparalama işlemi Buehler marka şerit metalografi zımparasında gerçekleştirilmiştir. Numunelerden 10 x 20 mm boyutunda parçalar kesilmiş ve bu parçalar plastik bir plaka üzerine monte edilmiştir. Bu işlem zımparalamada uygulanan yükün her numunede eşit olması için yapılmıştır. Numuneler şerit zımpara üzerinde belli bir süre sabit yük altında tutulmuş, daha sonra metroloji mikroskobunda yüzeyde oluşan iz genişliği ölçülmüştür. Test Sonuçlan: Şekil 1 ve Şekil 2 'de cam fiber oranına bağlı olarak çekme gerilmesi ve kopma gerilmesinin değişimi görülmektedir. Şekil 3 'de ise numunelerin Yük % Uzama grafiklerindeki eğri altında kalan alan hesaplanarak cam elyaf oranına bağlı olarak kopma enerjileri verilmiştir. Çekme testleri sonucunda Yük % Uzama (Load % Displacement) grafikleri elde edilmiştir. Elde edilen max. yük (Fmax) ve kopma yükü değerlerinden, formül (1) 'den faydalanılarak çekme gerilmesi (o ç ) ve kopma gerilmesi (o k ) değerleri hesaplanmıştır. 415

19 10 20 % Cam Fiber (Hacim) 30 Şekil 1: Cam Fiber Oranına Bağlı Olarak Çekme Gerilmesinin Değişimi % Cam Fiber (Hacim) Şekil 2: Cam Fiber Oranına Bağlı Olarak Kopma Gerilmesinin Değişimi Eğilme testinde elde edilen max. yük değerleri, numunelerin kırıldığı max. yük değerleri Şekil 4 ' de görülmektedir Şekil 5' de cam fiber oranına bağlı olarak kırılma enerjileri değerleri verilmiştir. Şekil 6 'da ise cam elyaf oranına bağlı olarak yüzey pürüzlülüğünün değişimi görülmektedir. 416

20 ABS Beyaz ABS Siyah O % Cam Fiber (Hacim) 30 Şekil 3: Cam Fiber Oranına Bağlı Olarak Kırılma Enerjilerinin GENEL SONUÇLAR VE YORUM Değişimi (Çekme testi) Cam fiber takviyeli termoplastik malzemelerin imalatında dikkat edilmesi gereken husus cam fiber ile termoplastik malzeme arasındaki ara yüzeyin iyi bir şekilde oluşması malzemesi ve cam fiberin matris içerisinde homojen olarak dağılmasıdır. Bu amaçla, kullanılacak cam fiberin termoplastik malzeme ile uyumlu olması ve cam fiber çap ve boyunun çok iyi seçilmesi gereklidir. Eğer cam fiber boyu, kritik cam fiber boyuna yakın seçilirse mekanik özelliklerinde büyük bir düşüş gözlenir. 10 2D %GmRbr (Hrim) Şekil 4: Cam Fiber Oranına Bağlı Olarak Kırılma Yükü Değerleri (Eğilme Testi) 417