MOTOR TASARIMINA GİRİŞ

Transkript

1 MOTOR TASARIMINA GİRİŞ

2 GĠRĠġ İçten yanmalı motorlar, Otto nun 1876 ve Diesel in 1897 yılında yaptığı motorlardan bu yana, 100 yılı aşkın bir süredir geliştirilerek kullanılmaktadırlar. Bu süre içerisinde, söz konusu motorların ayrıntılarındaki geliştirmeler şaşırtıcı boyutlarda olduğu halde, temel yapılarında esaslı bir değişiklik olmamıştır. Günümüzün içten yanmalı motorları, ayrıntılar üzerindeki tasarım çalışmalarının komple tasarıma göre daha uygulanabilir kabul edildiği bir düzeydedir. Ancak bu, somaki çalışmaların da mutlaka böyle olacağı anlamına gelmez. Aksine, çağdaş ve başarılı tasarım çalışmalarının sürdürülmekte olması, en iyi sonucun hâlâ elde edilemediğini göstermektedir. Yakıt ekonomisi, boyut, ağırlık ve fiyat gibi temel göstergelerin, çıkış gücü, güvenilirlik ve ömürle oranları yıldan yıla geliştirilmekledir. Çeşitli alanlarda kullanılacak motorların seçiminde, bu motorların, iki veya dört zamanlı, benzinli veya diesel, normal emişli veya süperşarjlı olmaları gibi önemli seçenekler, hâlâ geçerlidir. Öyleyse, başarılı bir içten yanmalı motor tasarımı, sahip olduğu ve çoğu günümüzde de tam olarak cevaplanmamış veya anlaşılmamış problemlerinin çözümüyle yakından ilgilidir. 6.2 TEMEL KARARLAR VE ÖN ANALİZ Bilindiği gibi tasarım, esas olarak, herhangi bir görevi yapabilmesi için, parçaların boyut, biçim, malzeme kompozisyonu ve parça düzenlemelerini önerme işlemidir. Şekil 6.1 'de, tipik bir tasarım akış diyagramı görülmektedir. Bir ürünün fonksiyon ve kalitesi hakkındaki tüketici raporları, bir yeniden tasarımı gerektirebilir. Şekil 6.1'deki diyagramda, ürünün piyasaya sunulması kutusundan çıkan geri besleme halkası bunu belirtmektedir. Ticaret ve endüstriyel rekabet de, yeniden tasarımı sürekli zorlamaktadır. Bir diğer faktör de, patent geliştirme çalışmalarıdır. İhtiyaç belirlendikten sonra, özellikleri dikkatle belirlenmelidir. Özellikler, müşterinin gerçekten ne istediğinin yeterince açık bir biçimde ifade edilmesidir.

3 Diyagramdaki bu alan, bazı mühendislik organizasyonlarınca "Tasarım ve performans özellikleri" olarak da belirtilmektedir. Özellikler belirlendikten sonra yapılacak çalışma, fizibilite çalışmasıdır. Fizibilite çalışmasının amacı, önerinin muhtemel başarı veya başarısızlığının teknik ve ekonomik açıdan tespitidir. Fizibilite çalışması yapacak kimselerin, iyi tasarım geçmişine, mühendislik bilimleri, malzeme kullanımı, imalat yöntemleri ve satış bilgilerine sahip olmaları gerekmektedir. Projenin başarısı için çoğu kez özelliklerde değişiklik yapılmaktadır. Bu durum, Şekil 6.1' deki diyagramdaki geri besleme devresi ile açıklanmışta". Yaratıcılık, yeni bir fikir veya kavramın üretilmesi için, değişik yeni ve/veya eski fikirlerin sentezi biçiminde tanımlanmaktadır. Mühendis bu aşamada mucit ve sanatçı olabilir. Burada tip sayı ve boyut sentezi ile, elde edilmesi amaçlanan makina, eleman ya da sistem, parçaların biçim ve sayıları ile boyutları, malzemeleri, ağırlıkları, dayanımları ve diğer özellikleri kararlaştırılır. Ön tasarım ve geliştirme aşamasında, makina veya sistemin değişik parçaları arasındaki fonksiyonel ilişkileri ve tüm düzenlemeyi belirlemek için, makina veya sistemin ara bağlantılarını gösteren çizimler yapılır. Bu çizimlerde, amaçlanan tasarımı açıklamak üzere, önemli boyutlar ve notasyonların yer aldığı görünüşler çizilir, çevrim diyagramlarını içeren kinematik çalışmalar yapılır. Tüm istekler ve özellikler bu

4 bölümde nadiren başarılabildiğinden, Şekil 6.1'deki diyagramda, özellikler kutusuna bir geri besleme devresi çizilmiştir. Ayrıntılı tasarım, imal edilecek veya satın alınacak tüm elemanların her birinin gerçek anlamda boyutlandırılmasını içerir. Burada, her bir eleman için gerekli görünüşleri, ölçülerini, toleransları, malzemelerini, ısıl işlemleri (varsa), montaj için gerekli elemanları ve montaj numaralarını gösteren yapım resimleri hazırlanır. Çizimlerde, imalata ilişkin bilgiler tam olarak verilmelidir. Alt montaj ve montaj çizimleri, malzeme ve parça listeleri gibi tüm ayrıntılar tamamlandıktan sonra, komple tasarım, imal edilmek üzere, prototip veya model atelyesine gönderilir. Burada, gerekli parçalar imal edildikten ve Standard parçalar da piyasadan satın alındıktan sonra, monte edilerek, değerlendirme ve denemeye hazır hale getirilir. Deney periyodundaki sonuçlar, ön tasarım ve ayrıntılı tasarım alanlarında değişiklik ve iyileştirmeleri öngören bilgiler verebilir. Bu olasılık, Şekil 6.1'deki diyagramda, geribesleme devresi ile belirtilmiştir. Sürekli revizyonlar, tasarım mühendisi performans özelliklerinin sağlandığına kanaat getirinceye kadar sürer. İmalat için tasarım aşamasında, imalat için en iyi (genellikle en ekonomik) imalat yöntemlerine uyacak tasarım değişiklikleri dikkate alınır. Örneğin, imalat mühendisi, bir parçanın kalıpta kesme, dökme veya çekme yöntemiyle imal edilmeye uygun olduğunu düşünebilir. Bu aşamada yapılması gereken bir başka çalışma da, bazı parçaların piyasadaki eşdeğerleriyle ve bazı malzemelerin de eşdeğerde tatmin edici ancak daha ucuz malzemelerle değiştirilebilme ihtimalinin araştırılmasıdır. İmalat için tasarım tamamlandığında, çizimler, ürünün piyasaya sunulmak üzere imali için imalat bölümüne gönderilir. İmalat sırasında karşılaşılan ve kolaylıkla düzeltilemeyen olumsuzluklarda genellikle ön tasarım ve geliştirme veya değişiklik için ayrıntılı tasarım aşamasına dönülür. Bu olasılık, Şekil 6.1'deki diyagramda, geri besleme devresi ile belirtilmiştir. 6.3 PĠSTONLU ĠÇTEN YANMALI MOTORLARIN TASARIM ESASLARI Bu bölümde, geleneksel tipteki pistonlu içten yanmalı motorların tasarım esasları tartışılacaktır. Motor tasarım ve geliştirme çalışmalarım maliyeti oldukça yüksektir. Bu nedenle, yeni bir tasarım ve/veya geliştirme çalışmasının yapılıp yapılmayacağına, aşağıda sıralanan sorular cevaplandırıldıktan sonra karar verilmelidir. 1. Yeni bir tasarım yapmanın gerekçeleri nelerdir? 2. Motor hangi alanda kullanılacaktır? 3. Hangi tür yakıt kullanılacaktır? 4. Güç ve yakıt ekonomisi ihtiyacı ne kadardır? 5. Bu ihtiyaçları en iyi karşılayan motor tipi hangisidir? 3

5 6. Geliştirme çalışmasının tahmini süresi ne kadardır? 7. Geliştirme çalışmasının tahmini maliyeti ne kadardır? 8. İmalatın tahmini maliyeti ne kadardır? 9. Geliştirme çalışmasının tahmin edilen sürede tamamlanacağı kabulü ile, bu süre içerisinde, aynı alanda kullanımda olan motorlar da geliştirilmeye devam edileceğinden, yeni tasarım, kullanımdaki rakipleriyle rekabet edecek durumda olabilecek midir? Yeni bir tasarım yapmanın gerekçeleri Tasarım yapmanın gerekçesi halen piyasada bulunabilen motorların, motorun kullanılması öngörülen taşıt veya başka bir kullanım alanı için gerekli güç ihtiyacını karşılayamaması olabilir. Diğer taraftan, motor piyasada bulunsa bile, yeni tasarımın piyasada bulunabilenlerle rekabet edebileceği iddia edilebilir. Bu durumda, 9. soru bir miktar belirsizliği içermektedir. Kullanım alanı Motorun kullanılacağı farklı alanlar için gerekli olan motorların özellikleri de farklı olacağından, tasarımda kullanım alanının göz önünde bulundurulması zorunludur. Belirli bir hizmet alanına veya alanlar grubuna yönelik olmayan tasarımların başarılı olması mümkün değildir. Yakıt türü Çok özel amaçlar dışında, kullanılacak yakıt, halen piyasada yeterli miktarda ve makul bir fiyatla bulunabilen türde bir yakıt olmalıdır. Benzin seçildiğinde, normal, süper veya kurşunsuz, diesel yakıtı seçildiğinde Dİ veya D2 tercihleri söz konusudur. Sıkıştırılmış doğal gaz (CNG), sıvı petrol gazları (LPG) ve alkol gibi yakıtlar da, kullanıldığı bölgede bulunabilen diğer yakıtlarla karşılaştırıldığında, ucuz ve yeterli servis imkanlarına sahip iseler, tercih edilebilirler. Güç ve yakıt ekonomisi ihtiyacı Başarılı bir şekilde tasarlanmış motorların, makul düzeylerde olmak üzere, güç ağırlıkları ve üretim maliyetleri düşük, bakım ihtiyacı az, yakıt ekonomileri ve güvenilirlikleri iyi, ömürleri uzun olmalıdır. Ancak, bu özelliklerden bazılarının iyileştirilmesi, diğerlerini olumsuz yönde etkilediğinden, kullanım amacına göre bu özelliklerden hangilerinin öncelikli olduğu belirlenmelidir. Günümüz otomobillerinin boyutları küçülmekte, aerodinamik dirençleri ve ağırlıkları azalmaktadır. Bu nedenle, eskiden kullanılmakta olan sekiz ve altı silindirli motorların yerini büyük oranda dört silindirli motorlar almıştır. Böyle olduğu halde bile, aynı birim taşıt ağırlığı için daha güçlü motor veya aynı güç için daha hafif motor üretme çabaları sürdürülmektedir. Motorun güç ağırlığını azaltmak amacıyla, dökme demir yerine alüminyum kullanımı, volumetrik verimi yükseltmek üzere supap ve port tasarımı, çok supaplı tasarımlar ve süperşarj gibi uygulamalar yapılmaktadır. ı

6 Motor gücü belirlenirken aşağıdaki uyanların dikkate alınması yararlı görülmektedir: 1. Tasarlanan motor, özel bir neden yoksa, asla aynı amaçla kullanımda olan motorlardan daha az güç verecek biçimde tasarlanmamalıdır. 2. Motor, geliştirilebilir ve geliştirildiğinde daha fazla güç verebilir yapıda tasarlanmalıdır (örneğin, başlangıç tasarımında yeterli olan küçük çaplı supaplar, daha fazla güç ihtiyacı söz konusu olduğunda büyültülebilmelidir). 3. Motor gücü, tasarıma karar verildiği andaki değil, motorun imalata hazır duruma geldiği andaki güç ihtiyacı göz önünde bulundurularak tespit edilmelidir. Yakıt ekonomisi her zaman arzu edilen bir özellik olmasına rağmen, motorun kullanım alanına göre, etkileyeceği diğer özellikler bakımından da değerlendirme yapılmalıdır. Yakıt ekonomisi genellikle motorun özgül gücünü kötüleştirmektedir. Bu nedenle, verilen bir güç için en ekonomik (verimli) motor, daha büyük, daha ağır ve muhtemelen daha pahalı bir motor olacaktır. Yakıt ekonomisi, motorun kullanım faktörü yükseldikçe daha önemli hale gelmektedir. Kullanım faktörü (f u ); (6.1) eşitliğiyle belirlenebilir. Burada; tır. ÖRNEK PROBLEM 6.1 Anma gücü 100 kw olan motora sahip bir otomobil, günde iki saat ve ortalama 20 kw güçle kullanılıyorsa, bu otomobilin kullanım faktörü kaçtır? Aynı otomobilin, günde dört saat ve ortalama 30 kw güçle kullanılması halinde kullanım faktörü ne olur? 5

7 Aynı otomobilin, günde dört saat ve ortalama 30 kw güçle kullanılması halinde kullanım faktörü; 0,0167 x 3 = 0,0501 yani ilk duruma göre üç katı kadar aitmiş olacaktır. En uygun motor tipi İhtiyaca en uygun motor tipinin hangisi olduğu sorusunun cevaplanması sayesinde, aslında birçok durumda kullanılan yakıt türü kararlaştırılır. Benzin motorları, güç ağırlıklarının ve maliyetlerinin düşük, ivme yeteneklerinin yüksek, bakımlarının kolay olmasının yanı sıra, daha sessiz, titreşimsiz, egzoz dumansız ve özellikle soğuk havalarda daha kolay çalışmaları, benzinin de daha az kötü kokulu olması gibi nedenlerle, otomobillerde ve 75 kw gücün altında güç gerektiren diğer alanlarda, çoğunlukla diesel motoruna tercih edilmektedirler. Büyük taşıtlar için gerekli olan gücü sağlamak üzere, daha büyük boyutlu motor tasarlamak gerekmektedir. Ancak, geniş silindir ölçüsünün detonasyona olan olumsuz etkisi nedeniyle, büyük silindir çaplı buji ile ateşlemeli motoru tasarlamak son derece güçtür. Bu nedenle, bazı doğal gaz yakıt kullananlar hariç, imal edilmiş ve silindir çapı 150 mm'den daha büyük olan buji ile ateşlemeli motor sayısı, yok denecek kadar azdır. Bu yüzden, büyük güçleri gerektiren alanlarda, diesel motoru alternatifsiz hale gelmektedir. Diesel motorunun buji ile ateşlemeli motor karşısındaki diğer önemli bir avantajı da yakıt ekonomisidir. Uygun süperşarj kullanımı ile, diesel motorunun boyut ve ağırlığı, benzinli motorla bir ölçüde rekabet edebilir düzeye gelmekte, ancak diğer olumsuzlukları devam etmektedir. Daha önce de belirtildiği gibi, düşük yakıt tüketimi ve düşük yakıt fiyatının ekonomik değeri, büyük oranda kullanım faktörüne bağımlıdır. Bu nedenle, kullanım faktörü düşük olan hizmetlerde eğilim daha çok benzin motoru, kullanım faktörü yüksek olan hizmetlerde ise daha çok diesel motoru yönündedir. Bu yüzden, ticari olmayan otomobiller, küçük deniz botları, çim biçme makinaları, vb. kişisel hizmetlerde kullanılan araçlarda, buji ile ateşlemeli motorlar daha çok kullanılmaktadır. Ancak, yüksek yakıt fiyatları nedeniyle, diesel motorlu otomobillerin kullanım oranı da dikkate değer oranda altmıştır (1984 yılında Avrupa'da %17). Motorun iki zamanlı veya dört zamanlı olması konusunda uygun bir tercih yapmadan önce, iki zamanlı motorların yaygın olarak kullanılmakta olduğu iki alana dikkat etmek yararlı olabilir. Bu alanlar, küçük buji ile ateşlemeli motorların genellikle kullanıldığı motosikletler, deniz botu motorları, hafif portatif motorları, çim biçme makinaları, ağaç testereleri, vb. ile ortadan büyük boylara kadar diesel ve gaz motorlarıdır. Küçük iki zamanlı buji ile ateşlemeli motorların tercih edilmesinde genellikle şu özellikler etkili olmaktadır: 6

8 1. Düşük ilk maliyet, 2. Düşük kullanım faktörü, 3. Düşük güç ağırlığı. Bu motorların hemen hemen tamamı karterden süpürmelidir ve bu özelliğiyle, halen imal edilmekte olan en basit motor tipidir. Özgül güçleri, aynı boyutlardaki dört zamanlı motorlardan genellikle daha yüksek olduğundan, verilen bir güç için fiyat ve ağırlıkları daha düşüktür. Buna karşın, süpürme sırasındaki karışım kaybına bağlı olarak, yakıt ekonomileri en az % 25 daha kötüdür. Bu nedenle, küçük iki zamanlı buji ile ateşlemeli motorlar daha çok, kullanım faktörünün düşük, yakıt ekonomisinin çok önemli olmadığı alanlarda tercih edilmektedirler. Bu motorların, kötü yakıt ekonomisine ek olarak diğer olumsuzlukları,rölanti ve hafif yüklerdeki düzensiz çalışmaları ile genellikle yağlama yağının yakıta karıştırılması nedeniyle fazla yağ tüketimleridir. İki zamanlı diesel uygulamasında karterden süpürme, diesel motorlarının çalıştığı yüksek hava/yakıt oranlarının, bu sistemde düşük ortalama efektif basınçlar vermesi sebebiyle, çok uygun bulunmamaktadır. Ayrıca, silindir sayısı arttıkça da yapısal olarak karterden süpürme daha etkisiz hale gelmektedir. Bu motorlara bir süpürme bloweri eklenmesi durumunda, dört zamanlı normal emişli motora oranla, karterden süpürmeli motorla sağlanan fiyat avantajının çoğu veya tamamı yok olmaktadır. Ancak, bu uygulama sayesinde motorun bir miktar yakıt ekonomisi kaybı ve hafif yük kaybı olmakla birlikte, aynı büyüklükteki dört zamanlı normal emişli motora oranla özgül güçleri daha yüksek olmaktadır. Yaklaşık 300 mm silindir çapına kadar hem iki, hem de dört zamanlı diesel motorları kullanılmakta iseler de, bu çaptan daha büyüklerde iki zamanlılar çoğunluktadır. Bunun ana sebebi, yaklaşık aynı piston hızı ve güçteki eşit büyüklükteki silindirlerdeki basınçlar, iki zamanlı motorlarda dört zamanlı motorlara oranla daha düşüktür. Bu nedenle, motor elemanlarındaki maksimum gerilmeler de iki zamanlı motorlarda daha düşük olmaktadır. Silindirler büyüdükçe, ısıl gerilmelerin önlenmesi de giderek güçleştiğinden, silindir çapı arttıkça, müsaade edilen maksimum basınçlar azalmaktadır. İki zamanlı diesel motorlarının otomotiv alanında yaygın olmayışlarının muhtemel nedenleri şunlar olabilir: 1. Dört zamanlı motor tasarımının deneyim geçmişi daha fazladır. 2. Verimli süpürmeli iki zamanlı diesel motorlarının tasarımı, iyi hava kapasiteli dört zamanlı motor tasarımına oranla daha fazla çaba gerektirmektedir. 3. Karterden süpürmeli basit iki zamanlı diesel motorlarının dışında, iki zamanlı motorların tasarımı da en az dört zamanlı motor tasarımı kadar karmaşıktır. 4. İki. zamanlı diesel motorlarının yakıt ekonomileri çoğunlukla kapasiteli dört zamanlı rakiplerinden daha kötüdür. 7

9 Soğutma sistemi Motor silindirlerinin soğutulması, önemli ölçüde kondüksiyonla olmak üzere, konveksiyon ve kısmen de radyasyonla olmaktadır. Benzer geometrideki sistemlerde, yüzey ile ısı taşıyıcı akışkan arasındaki ısı transferi, yaklaşık olarak; (6.2) c ve L 'nin verilen değerlerinde, ısı transfer katsayısı; s

10 ye bağımlı olarak değişmektedir. Bu ifadede yer alan büyüklüklerin, hava ve su ile ilgili değerleri yerlerine yazıldığında, suyun soğutucu olarak avantajının, havaya oranla yaklaşık 175 kat olduğu sonucu ortaya çıkmaktadır. Hava ile soğutma sistemlerinde, havanın bilinen su ile soğutma sistemlerindeki suya oranla çok daha yüksek hızlarda (dört ile sekiz katı) ve düşük sıcaklıklarda (havanın sıcaklığı genellikle. 40 C 'den az, halbuki soğutma suyunun sıcaklığı genellikle C dolayında) kullanılması, ayrıca silindirin dışındaki soğutma yüzeylerini artırmak üzere (10 ile 125 kat arasında) finlerin eklenmesiyle, su ile soğutmanın doğal avantajı hemen hemen ortadan kalkmaktadır. Ancak, yine de, benzer koşullarda, hava ile soğutulan silindirlerin kritik bölgelerinin sıcaklıkları, su ile soğutulan silindirlerinkinden daha yüksek olmaktadır. Yukarıda bahsedilen nedenlerle, silindir çapı arttıkça, hava ile soğutma güçleşmektedir. Bu yüzden, silindir çapı 150 mm'nin üzerinde olan hava ile soğutulan motor hemen hemen yoktur. Hava ile soğutma, finler için yeterli alan sağlayan karşıt silindirli (boksör tipi) motorlar ile, radyatör ve soğutma sistemi için uygun yerin bulunmadığı bir veya iki silindirli motorlar için kısmen cazip olabilir. Çalışmaları sırasında yüksek hava hızlarının elde edilmesi nedeniyle, hava ile soğutma sistemlerinin doğal olarak en uygun olduğu motorlar, küçük uçak motorlarıdır. Ayrıca, küçük portatif ve sabit motorlar ile motosiklet motorları için uygun olduğu söylenebilir. Aşırı doldurma (süperşarj) Buji ile ateşlemeli motorlarda aşırı doldurma, özgül gücün yüksek olması istenen uçak motorları, lüks ve spor otomobiller, yarış otomobilleri ve büyük doğal gaz motorları gibi özel alanlarda uygulanmaktadır. Diesel motorlarında aşırı doldurma ise, diesel motorunun doğal uygunluğu ve verim ve güç artışı sağlaması nedeniyle, düşük maliyetin küçük boyut ve düşük ağırlıktan daha önemli görüldüğü bazı kullanım alanları dışında, giderek artan bir uygulamadır. Günümüzde, otomobiller, kamyonlar, otobüsler, lokomotifler, orta ve büyük boy deniz taşıtları için üretilen diesel motorlarının hemen hemen tamamı aşırı doldurmalıdır. Silindir sayısı ve boyutları Silindir sayısı ve boyutlarının belirlenmesi, her şeyden önce istenen çıkış gücüne bağlıdır. Örneğin 2-3 kw'ın altındaki motorların hemen hemen tamamı, ilk maliyetlerinin düşük olması ve 50 mm 'nin altındaki silindirlerin imalatındaki güçlükler nedeniyle, tek silindirlidir. Anma gücü arttıkça, küçük silindirlerin boyut, ağırlık ve geliştirilmiş motor balansı ile ilgili avantajları nedeniyle, motorun silindir sayısının artırılması gereğini işaret etmektedir. Silindir sayısı artırıldıkça, benzer tasarımlar olması ve devir kısıtlaması olmaması koşuluyla, motorun boyutları küçülmekte ve ağırlığı azalmaktadır. Özetle, silindir sayısı ve boyutlarının seçiminin, düşük güç ağırlığı, yüksek litre gücü, makul titreşim düzeyi, imalat ve bakım fiyatı, 9

11 ömür beklentisi ve motorun genel biçimi arasındaki uzlaşmaya bağlı olduğu söylenebilir. Silindir düzenlemesi Silindir düzenlemesi seçimindeki en önemli faktör, elde edilen motorun biçiminin, kullanılacağı yere uygunluğu ile buradaki bakım ve onarımlarının kolay yapılabilmesidir. Örneğin, silindirleri krank milinin altında olan motorlar, deniz ve otomobiller için hiç uygun değilken, ters V ve radyal motorlar, uçaklar için uygun olabilmektedir. Altı silindire kadar olan sıra tipi motorlar, basitlikleri ve bakım kolaylıkları nedeniyle tercih edilmektedirler. Altı silindirli sıra tipi motorlar, özellikle balans ve titreşim bakımından tercih edilmektedirler. Altı silindirden fazla sıra tipi motorlarda, uzunluklarının diğer boyutlarına oranla fazla uzaması ve krank millerinin burulma titreşimlerinin artması gibi problemler ortaya çıkmaktadır. Bu olumsuzluklara rağmen, özellikle büyük gemiler, tekneye uygunluğu nedeniyle, 12 silindire kadar sıra tipi motorlar imal edilmektedir. Sekiz silindirli V tipi motorların balansı çok iyidir, titreşim problemi yoktur ve tasarımı da dengi motorlara kıyasla basittir. Özellikle, strok/çap oranı 1,0 den düşük olanlarda, otomobilin motor kompartımanına uymada hiç bir sorun çıkarmamaktadır. V-8 motorlar, motorun genel biçimindeki derli topluluk, düşük güç ağırlığı ve imalat fiyatı arasındaki iyi uyum nedeniyle, yüksek güçlü otomobillerde ve diğer bir çok alanda tercih edilmektedir. İki, dört ve altı silindirli V tipi motorların balans problemleri bulunmaktadır. Bunlar daha çok, biçimsel olarak uygun görüldükleri, motosiklet ve küçük otomobillerde kullanılmaktadırlar. Boksör tipi (veya karşıt silindirli) motorlar, β = 180 açısıyla V tipi motorların özel bir durumu olarak değerlendirilebilirler. Ancak, V tipi motorlarda her krankla iki silindir çalışırken, bu motorlarda genellikle her silindir için bir krank gerekmektedir. Bağımsız kranklar, silindirler arasında yeterli mesafe bırakılmasına imkan verdiğinden, bu motorlar hava soğutmalı motorlar için uygundurlar. Genellikle güç ağırlığının düşük, uzunluğun kısa olmasının önemli olduğu alanlarda kullanılırlar. Otobüs ve kamyonlarda, döşeme altı yerleştirmeye de uygundurlar. Otomotiv alanında çoğunlukla iki, dört ve altı silindirli boksör tipi motorlar kullanılmaktadır. Radyal motorlar, biçimlerinin hava soğutmaya uygunlukları, krank millerinin ve karterlerinin küçük olmasına bağlı olarak, güç ağırlıkları en düşük olan motor olmaları nedeniyle, çoğunlukla uçaklarda kullanılmaktadırlar. Geliştirme çalışmasının tahmini süresi İmal edilmekte olan motorlara benzer bir motorun geliştirme süresi, harcanacak çabanın yoğunluğuna, görev alacak personel in sayısına ve deneyimine, alman malî desteğe, bu çalışmaya ayrılacak ekipmanlara ve geliştirilecek olan motorun yeni ve denenmemiş özelliklerinin düzeyine bağımlı olarak iki ilâ beş yıl arasında, hatta daha fazla olabilmektedir. 10

12 Geliştirme çalışmasının tahmini maliyeti Tasarımın "başarılı" veya "başarısız" olarak değerlendirilmesindeki en önemli faktör fiyattır (istisnalar olabilir, ancak böyle durumlarda bile fiyat tamamen göz ardı edilemez). Maliyet tahmini, zaman, malzeme, personel ve geliştirme çalışmasına ayrılacak ekipmanlara bağımlıdır. Motorun imal edilmekte olan motorlara benzerliği ve organizasyon deneyimi arttıkça, tahminin doğruluk payı da artmaktadır. Bu konuda deneyimi olmayan organizasyonların, genellikle düşük tahmin yaptıkları ifade edilmektedir. İmalat maliyeti Geliştirilen motorun kağıt üzerinde fonksiyonel olması, tüm tasarım çalışmasının sadece bir bölümüdür. Tasarımcının çalışmaları, ancak imal edilebilir olduğu zaman anlam kazanmaktadır. İmalatın buradaki anlamı, parçaların, rekabet edebilir bir maliyetle imal ve montajıdır. İmalat maliyetinin tahmini,- sadece tasarım ayrıntılarına değil, aynı zamanda imalatın hızı ve metoduna da bağlıdır. Bu nedenle tasarımcının, imalat yöntem ve makinalarını da iyi tanıyor olması şarttır..ancak böyle bir tasarımcı uygun tasarım yapabilir, malzeme seçebilir, toleransları belirtebilir, montaj işlemlerini vb. dikkate alabilir. Montaj çizimleri yapıldıktan sonra, deneyimli imalatçılar imalat maliyetini oldukça doğru olarak tahmin edebilmektedirler. Rekabet değerlendirmesi açısından, "Satın alabiliyorsanız imal etmeyiniz" sözünün geçerlilik payı oldukça yüksektir. Bu nedenle, yeni bir tasarım çalışmasına başlamadan önce, halen imal edilmekte olan ucuz motorlar, çok ciddi olarak dikkate alınmalı, tasarıma karar verildiğinde ise, piyasadan temin edilebilecek Standard motor parçalarının yeniden tasarlanması ve imalinden kaçınılmalıdır. Yeni tasarımın, kullanımdaki rakipleriyle rekabet durumu Yeni bir tasarım çalışmasını sürdürme konusunda son karan vermeden önce, tasarlanan motorun belirlenen kalitesi ile imal edilmekte olan rakiplerinin elde edilen kalitesini karşılaştırmak amacıyla, Şekil 6.2 'dekine benzer eğriler hazırlanmalıdır. Bu tür grafikler, yakıt ekonomisi, güç ağırlığı, litre gücü, kullanım ömrü, birim güç maliyeti, gibi kalite ölçümleri için de uyarlanabilir. 6.4 SĠLĠNDĠR SAYISININ, BOYUTLARIN VE DÜZENĠNĠN BELĠRLENMESĠ Bu aşamada tasarımcının, tasarımı yapılacak motor hakkında aşağıdaki bilgilere sahip okluğu varsayılmaktadır: 11

13 1. Hizmet tipi, 2. Yakıt tipi, 3. Anma gücü, 3. Anma çevre koşulları, 4. Buji ile veya sıkıştırma ile ateşlemeli olduğu, 5. Normal emişli veya süperşarjlı olduğu, 6. Devir sınırı, 7. Aynı alandaki rakiplerine oranla vurgulanacak özel yetenekleri. Strok Hacmi, Toplam Strok Hacmi Strok hacmi (Vh,), üst ve alt ölü noktalar arasında kalan silindir hacmidir ve (6.5) eşitliğiyle hesaplanabilir. Bir motorun toplam strok hacmi (V H ) ise, strok hacminin silindir sayısıyla çarpımına eşittir: Yanma Odasının Hacmi (6.6) 12

14 Yanma odasının hacmi (V c ), piston üst ölü noktada iken, pistonun önünde kalan silindir hacmidir. Silindir Hacmi, Toplam Silindir Hacmi Silindir hacmi (V t ), piston alt ölü noktada iken, pistonun önünde kalan silindir hacmidir. V t = V h +V c (6.7) Toplam silindir hacmi (VT) ise, bütün silindirlerin silindir hacimlerinin toplamıdır. Sıkıştırma oranı (6.8) Sıkıştırma oranı (s), silindir hacminin, yanma odası hacmine oranıdır. (6.9) Sıkıştırma oranları, diesel motorlarında 16/1-24/1, benzin motorlarında 7/1-10/1 arasındadır. Strok/çap oranı Motor boyutlarına en çok etki eden faktör, piston strokunun (kursunun) silindir çapma oranıdır ve kısaca strok/çap oranı olarak ifade edilmektedir. (6.10) Burada; X : strok/çap oranı, H: piston stroku, D: silindir çapı, dır. Bu oranın seçim isabeti, amaçlanan hizmete uygun motor boyutlarının elde edilmesinde son derece önemlidir. Strok/çap oranı (X); Dört zamanlı benzin motorlarında 0,6-1,1 Dört zamanlı kamyon diesel motorlarında 0,9-1,2 Dört zamanlı orta hızlı diesel motorlarında 1,2-1,4 İki zamanlı düşük hızlı diesel motorlarında 1,8-2,2 13

15 arasındadır. Hız azaldıkça ve iki zamanlı motorlarda büyük oranlara yakın değerler seçmek daha uygun olmaktadır. Silindir çapının hesaplanması (6.10) no'lu eşitlik, (6.6 no'lu eşitlikte yerine yazılırsa; (6.1.1) olur ve buradan silindir çapı eşitliği elde edilir: (6.12) Motor gücü ve ortalama efektif basınç değerlerinin bilinmesi halinde; (6.13) eşitliği de kullanılabilir. Ortalama piston hızı Ortalama piston hızı (c m ), bir motor devri süresince değişen piston hızlarının ortalamasıdır. Ortalama piston hızı, motorun devir sayısının devir/dakika olarak kullanılması halinde; eşitliğiyle belirlenebilir. Ortalama piston hızı, atalet kuvvetleri, yataklara gelen yükler, volumetrik verim, özgül yakıt tüketimi ve motorun ömrüne etki eden bir büyüklüktür. Aşınmaların az, motorun uzun ömürlü ve özgül yakıt tüketiminin düşük olması için, ortalama piston hızının düşük olması (5-6 m/s kadar) arzu edilmektedir. Özgül gücün yükseltilmesi ise, daha yüksek ortalama piston hızlarıyla sağlanmaktadır. Ortalama piston hızı (c m ); Benzin motorlarında Orta hızlı diesel motorlarında İki zamanlı diesel motorlarında arasındadır m/s, 10-11m/s, 6-7 m/s, 14

16 İndike Ortalama Basınç İndike ortalama basınç (Pm i ), silindir içerisinde çevrim süresince değişen basınçların ortalamasıdır ve motorla ilgili hesaplamalarda kullanılan bir büyüklüktür. İndike ortalama basıncın hesaplanmasında, indikatör diyagramlarından yararlanılabilir, Şekil 6.3. İndike ortalama basınç (Pm i ); (6.14) dir. Burada; A: Diyagram alanı, mm", L: Diyagram genişliği, mm m: İndikatör katsayısı, mm/kpa, dır. Ortalama Efektif Basınç Ortalama efektif basınç (P me ) de, tıpkı indike ortalama basınç (P mi ) gibi, motorla ilgili hesaplamalarda kullanılan bir büyüklüktür ve aralarında; ilişkisi mevcuttur. (6.15) ' Motor boyutlarına çok etki eden diğer bir faktör de ortalama efektif 'basınçtır: Ortalama efektif basınç (P me ) nin belirlenmesinde, çeşitli yollardan herhangi biri kullanılabilir: (6.16) 15

17 (6.17) (6.18) olur. Ortalama efektif basıncın belirlenmesinde; (6.19) eşitliğinden de yararlanılabilir. Burada; tür. Ortalama efektif basınç (P me ); Otomobil dört zamanlı benzin motorlarında 7-10 bar, Otomobil dört zamanlı diesel motorlarında 5,5-6,5 bar, Kamyon dört zamanlı benzin motorlarında 8,5-10 bar, Kamyon iki zamanlı benzin motorlarında 6-7,5 bar. Kamyon normal emişli diesel motorlarında 6-9 bar, Kamyon süperşarjlı diesel motorlarında 9-11 bar, Kamyon intercoolerli diesel motorlarında ' bar,' arasındadır. İn dike Güç İndike motor gücü P,; (6.20) eşitliğiyle hesaplanabilir. Burada; P mi : indike ortalama basınç, kpa, VH : toplam strok hacmi, m 3, n : devir sayısı, 1/min, 16

18 f : bir silindirde bir devirdeki çevrim sayısı, (dört zamanlıda 0,5, iki zamanlıda 1) dır. Efektif Güç Efektif motor gücü P 0 'de benzer şekilde; (6.21) eşitliğiyle hesaplanabilir. Burada; p me : ortalama efektif basınç, kpa, dır. Sürtünme Gücü İndike motor gücü (Pi) ile efektif motor gücü (P c ) arasındaki fark, sürtünme (kayıp) gücü (P t ) olarak adlandırılmaktadır. Sürtünme gücü; (6.22) 1. Segmanlar, yataklar ve motorun iş yapan diğer elemanlarındaki sürtünmelere bağlı kayıp güç ile 2. Benzin otomatiği, su pompası, yağ pompası, yakıt pompası, soğutma vantilatörü ve boşta çalışan jeneratörü çalıştırmak üzere harcanan gücün toplamıdır. Efektif motor gücü P e, laboratuarlar da ve standartlarla tamamlanmış koşullar altında, dinamometre denilen cihazlarla ölçülmektedir. Bu standartlardan bazıları şunlardır: TS (Türk Standardı), ISO (Interational Standardizatıon Organisation - Uluslararası Standartlar Birliği), DİN (Deutsche Industrie Norm - Alman Endüstri Standardı), SAE (Society of Automotive Engineers - Otomotiv Mühendisleri Birliği), CUNA (Comissione tecnica di Unifıciazione nell' Automobile - Otomobil teknik Standartlar Birliği) Standartlarla tanımlanmış koşulların farklılığı nedeniyle, doğal olarak, bu standartlara göre ölçülen güçler arasında da farklılıklar bulunmaktadır. Örneğin, bir motorun DİN standardına göre ölçülen gücüne oranla, aynı motorun SAE standardına göre ölçülen gücü, % 10...% 25, CUNA standardına göre ölçülen gücü, % 5...% 10 daha yüksek olabilmektedir. 17

19 Litre Gücü

20 Litre Gücü (AL) efektif motor gücünün, motorun toplam strok hacmine oranıdır. (6.23) Burada; VH: toplam strok hacmi (Vh,. z), litre, dır. Büyük litre gücü, daha küçük boyutlu motor fakat daha fazla güç demektir. Otomotiv motorlarının litre gücü değerleri; Kamyon diesel motorlarında Otomobil diesel motorlarında Otomobil benzin motorlarında Motosiklet motorlarında (iki veya dört zamanlı) arasındadır kw/l, kw/l, kw/l, kw/l, Güç Ağırlığı (veya kütlesi) Güç ağırlığı (Gp), motorun ağırlığının (G, kg olarak), motorun efektif gücüne (Pe) oranıdır. (6.24) Burada; G: motorun ağırlığı, kg, dır. Küçük güç ağırlığı, genellikle motorun devir sayısının artırılmasıyla sağlanmaktadır. Otomotiv motorlarının güç ağırlığı değerleri; Kamyon diesel motorlarında Otomobil benzin motorlarında arasındadır. 4-5,5 kg/k\w, yaklaşık 2 kg/kw, İyilik Derecesi Bir motorun iyilik derecesi (η p ), motorun indike gücünün (P i ), makinanm gücüne (P p ) oranıdır. teorik (kusursuz) (6.25) Burada;

21 tır. İyilik derecesinin yükselmesi, motorun mükemmele yaklaşmasının bir göstergesidir. İyilik derecesi; arasındadır. Otomotiv benzin motorlarında 0,4-0,7, Otomotiv diesel motorlarında 0,6-0,8 İndike Verim Bir motorun indike verimi(η i ) motorun indike gücünün(p i )birim zamanda motora yakıtla verilen ısıya (B. H u ) oranıdır. (6.26) Burada; B: yakıt tüketimi, kg/h, yakıtın alt ısıl değeri, kj/kg, dır. İndike verim ayrıca; (6.27) eşitliğiyle de hesaplanabilir. Burada; η t :teorik termik verim, dir. Mekanik Verim Bir motorun mekanik verimi (η m ) motorun efektif gücünün(p e ) indike gücüne (P i ) oranıdır. (6.28) Motorların mekanik verimleri % 80 dolayındadır.

22 Efektif Verim Bir motorun efektif verimi (η e ), motorun efektif gücünün (P e ), birim zamanda motora yakıtla verilen ısıya (B. H u ) oranıdır. (6.29) Efektif verim ayrıca; eşitlikleriyle de hesaplanabilir. Efektif verim, en iyi koşullarda; arasında, dır. Otomotiv benzin motorlarında 0,25-0,30, Otomotiv diesel motorlarında 0,30-0,45, Boşta çalışma sırasında ise 0,0 Özgül Yakıt Tüketimi (6. 30 ) Özgül yakıt tüketimi (b c ), elde edilen birim güç başına, saatte harcanan yakıt miktarının göstergesidir. (6.30) Özgül yakıt tüketimi için ayrıca, efektif termik verimin; eşitliği, B için düzenlenip, yukarıdaki eşitlikte yerine yazılarak; (6. 31 )

23 (6.32) eşitliği elde edilebilir. Özgül yakıt tüketimi; benzin motorlarında 0,345-0,285 kg/kwh,

24 arasındadır. diesel motorlarında 0,285-0,190 kg/kwh, Volumetrik (hacimsel) verim Volumetrik (hacimsel) verim (η v ), silindire alman gerçek karışım kütlesinin, silindire alınması gereken teorik karışım kütlesine oranıdır: (6.33) (6.34) (6.35) ve bu nedenle; (6.36) eşitliğiyle hesaplanabilir. Burada; p s : silindirdeki dolgu yoğunluğu, kg/m, p a : dış ortamdaki havanın yoğunluğu, kg/m\ T s : silindirdeki dolgu sıcaklığı, K,. T a : dış ortamdaki havanın sıcaklığı, K, P s : silindirdeki dolgu basıncı, bar, P a : dış ortamdaki havanın basıncı, bar, dır. Volumetrik verim (η v ); arasındadır. Dört zamanlı motorlarda 0,7-0,9, İki zamanlı karterden süpürmeli motorlarda 0,5 : 0,7 Karışımın Isıl Değeri Karışımın ısıl değeri (H mix ), 1 m 3 serbest hava ile yakıt karışımının ısıl değeridir. Silindire alman karışımın alt ısıl değeri (H mix ); (6.37) (6.38)

25 ÖRNEK 6.2 Dört zamanlı bir otomobil motoru hakkında aşağıdaki bilgiler verilmiştir: Bu bilinenlere göre motorun ana boyutlarını hesaplayınız. ÇÖZÜM Motor, dört zamanlı bir otomobil motoru olduğundan, f = 0,5 tir kabulleri yapılacak olursa, silindir çapı; bulunur. Bu durumda strok; H = 0,8. 9,3 = 7,45 cm olacaktır. KONTROL Pme t p m v H mix - 9/1, (sıkıştırma oranı, diesel motorlarında 16/1-24/1, otto motorlarında 7/1-10/1 arasındadır) 22

26 k= 1,4 kabulü yapılırsa; olur. Ayrıca; kabulleri yapılmıştır. Benzin motorları genellikle zengin karışımlarla çalıştığından, λ a silindire alman karışımın alt ısıl değeri (H mix ); 1 dir. Bu durumda, elde edilir. Termodinamik bağıntılardan; yazılabilir. Burada; değerleri yerine yazılacak olursa; bulunur. Hesaplanan ve kabul edilen tüm bu değerler yerine yazıldığında; elde edilir. Devir sayısı, (6.4) no'lu eşitlikten yararlanarak elde edilen;

27 eşitliğiyle hesaplanabilir. c m için kontrol yapılabilir: Bulunan bu değer, bu motorlar için verilen ortalama piston hızı sınırları arasındadır ve uygundur. ÖRNEK 6.3 Dört zamanlı, buji ile ateşlemeli bir otomobil benzin motoru ile ilgili olarak aşağıdaki değerler bilinmektedir: P c = 88 kw, n P =5500 1/min, b c = 270 g/kwh, z = 6 D = 87 mm, H = 70 mm. Motorun; a) Litre gücünü, b) Ortalama efektif basıncını, c) Efektif termik verimini, hesaplayınız. ÇÖZÜM a)litre gücü; dir. Motorun toplam strok hacmi; bulunur. Verilen ve hesaplanan değerler yerine yazılarak; 24

28 bulunur. b) Ortalama efektif basınç; eşitliğinden; bulunur. c) Efektif termik verim. bulunur.

29 Motor parçalarının imalinde kullanılan malzemeler iki gurupta değerlendirilebilir: 1. Demir malzemeler, 2. Demir dışı malzemeler. Demir malzemeler, adından da anlaşılacağı gibi, içerisinde esas olarak demir bulunan malzemelerdir. Dökme demir, dövme demir, saf karbonlu çelikler ve alaşım çelikleri, bu guruba örnek verilebilir. Demir dışı malzemeler ise, içerisinde demir olmayan malzemelerdir. Bakır ve bakır alaşımları, alüminyum ve alüminyum alaşımları, yatak metalleri, bu gurup malzemelerdir. 7.2 METALLERĠN MEKANĠK ÖZELLĠKLERĠ DAYANIM ve GERĠLME Motorun çalışması sırasında, her parçası üzerine çeşitli yükler etki etmektedir. Bu yüklerden dolayı, parçaların imalinde kullanılan malzemelerden belirli miktarda dayanım istenmektedir. Dayanım, metalin, kararlı bir yük altında gerilmeye karşı gösterdiği dirençtir. Malzeme dayanımı demek, malzemenin uygulanan bir yüke direnci demektir. Gerilme ise. malzemeye uygulanan bir dış yüke karşı gösterdiği iç reaksiyondur. Gerilme, parçanın deformasyonuna sebep olabilir. Gerilmenin bir çok çeşidi vardır. Bunlar; i. Çekme gerilmesi, 2. Basma (sıkıştırma) gerilmesi, 3. Kesme gerilmesi, 4. Burulma gerilmesi, 5. Birleşik gerilme (ör. çekme ve basma gerilimlerinin bileşimi), dir. 2&

30 Gerilmenin Standard birimi N/m 2 dir Ancak, büyük bir değer olduğundan, daha çok N/mm 2 veya kn/mm birimleri kullanılmaktadır ÇEKME GERĠLMESĠ Çekme kuvveti (yükü), parçayı çekmeye çalışan kuvvettir. Malzemenin bu yüke karşı direncine "çekme gerilmesi" denir. Bir metalin dayanımını belirlemek için, Laboratuarda, özel bir çekme makinesinde, bu metalden yapılmış Standard boyutlardaki bir test parçasına, yavaşça artan bir yük uygulanır. Ölçme, parça kopuncaya kadar sürer. Uzama - gerilme eğrisi. Şekil 7. i "de görüldüğü gibidir. Bir parçaya herhangi bir yük uygulandığında, parçanın biçim ve boyutlarında değişimler olur. Çekme kuvveti uygulandığındaki boyut değişimine '"uzama" denir. Uzama miktarı, uzama oranıyla ifade edilir. Burada; ε: uzama oranı, ΔL: uzunluk değişimi (uzama), mm. L: orijinal boy, mm, dir. A noktasına kadar, parçaya uygulanan yük ile parçanın uzama miktarı orantılıdır. A noktasındaki gerilmeye, "sınır gerilme" veya "oransal gerilme" denir. A-B noktalan arasında uzama biraz artsa da, B ye kadar, uygulanan yük -2.7

31 Kaldırıldığında parça eski boyutlarına çabucak döner. Malzemenin bu davranışına 'elastik davranış", B noktasına "'elastikiyet (akma) sınırı", o andaki gerilmeye de "'elastik gerilme" denir. Yani. malzeme B 'ye kadar elastik. B 'den sonra plastik malzeme özelliği gösterir. B 'den sonraki yüklemelerde, uygulanan yük kaldırıldığında parça artık eski boyutlarına dönemez. C noktasında kritik gerilmeye ulaşılır. C noktasına "dayanma sınırı", o andaki gerilmeye de "kritik gerilme" denir. B-C noktalan arasında, yük artmadığı halde, uzamada ani bir artış olur. D noktasında maksimum gerilmeye ulaşılır. D noktasına "kopma sınırı", o andaki gerilmeye de 'kopma (gerilmesi) dayanımı" denir. D noktasından sonra yük azaltılsa bile, parça uzayarak E noktasında kopar. Gerilmenin genel eşitliği; Burada; Gerilme., N/mm 2, F: Yük, N, A: Yüke direnen alan, mm 2 dir. Kopma dayanımı (maksimum dayanım) ise; (7.3) Burada; (T. Kopma Dayanımı N/mm 2. F max : Maksimum yük, N, A: Yüke direnen alan, mm 2 dir. Yumuşak çeliğin maksimum kopma dayanımı, 400 N/mm 2, belirli bir çelik alaşımının ki ise 150 N/mm 2 kadardır. Yük değişimleri oluyor veya darbe yükleri uygulanıyorsa, bu değerler azalır. Uygulamada doğrudan yük altında çalışan parçalarda başarısızlık nadiren olmakta, kırılma genellikle malzeme yorulmasından kaynaklanmaktadır. Yorulma dayanımı, malzemelerin çevrimsel değişen yüklere karşı gösterdikleri direncin bir göstergesidir. Eğer yük, malzemeye tekrar tekrar uygulanır veya sürekli yön değiştirirse, malzemenin kopma dayanımı azalacaktır. Motorda da bu tür yükler altında çalışan birçok parça bulunmaktadır.

32 Darbe dayanımı ise, malzemelerin çok hızlı uygulanan yüklere karşı gösterdikleri direncin bir göstergesidir. ÖRNEK PROBLEM 7.1 6,4 mm çapındaki bir çubuğa. 12,2 kn luk çekme kuvveti uygulanmaktadır. Çubuktaki gerilmeyi bulunuz. ÇÖZÜM BASMA GERĠLMESĠ Basma, çekmenin tersidir. Basma kuvveti (yükü), parçayı sıkıştırmaya çalışan kuvvettir. Malzemenin bu yüke karşı direncine "basma gerilmesi" denir. Malzemelerin çekme ve basma kuvvetlerinin etkisi altındaki davranışı, elastikiyet sınırına kadar benzer özellikler göstermektedir. Çekme ve basma dayanımları, malzemelerin sürekli yüklere karşı gösterdikleri direncin bir göstergesidir. Basma kuvveti altında parçanın dağıldığı gerilmeye "basma (gerilmesi) dayanımı" denir. Ancak, dağılma (kırılma) noktası, kırılgan (örneğin dökme demir) malzemelerde sayısal olarak tespit edilebilirken, sünek malzemelerde belirlenmesi oldukça zordur ve kesin değildir. Basma dayanımı; (7,4) C : Basma gerilmesi. N/mm, eşitliğiyle belirlenebilir. Burada; C : Basma gerilme F t -: Kırma yükü, N, A: Yüke direnen alan, mm dir KESME GERĠLMESĠ Kesme gerilmesi, malzemenin bir kesitine paralel fakat ters yönde etki eden iki kuvvetin, malzemenin bir bölümünü diğer bölümü üzerinde kaydırması sırasında oluşan gerilmedir. Kesme gerilmesi, çekme, basma veya burulma yüklerinden dolayı

33 oluşabilir. Cıvatalar, pimler, miller gibi birçok parça, tam veya kısmi kesme gerilmesinin etkisinde kalmaktadır. Kesme gerilmesi (dayanımı); (7.5) eşitliğiyle belirlenebilir. Burada; dır. ÖRNEK PROBLEM 7.2 Kesme dayanımı 207 N/mm" olan 6.3 mm kalınlığındaki bir levhaya, zımba ile 6.3 mm çapında bir delik açılacaktır. Gerekli kuvveti hesaplayınız. ÇÖZÜM GÜVENLĠK KATSAYISI Bir malzemenin güvenli çalışma gerilimi, kırılma riski olmaksızın görevini yapabileceği gerilimdir ve genellikle malzemenin kopma geriliminin basit bir kesridir. Motor parçalan, malzemedeki maksimum gerilme, güvenli çalışma gerilimi denilen miktarı geçmeyecek şekilde boyutlandırılmalıdır. Güvenlik katsayısı; (7.6) eşitliği ile hesaplanabilir. Burada; dir. Güvenlik katsayıları, piston ve biyellerde arasında alınır.

34 ÖRNEK PROBLEM 7.3 Kopma gerilmesi 463,2 N/mm" olan çelik bir bağlantı çubuğu. 50 kn luk bir çekme yükü iletecektir. Güvenlik katsayısı 6 olduğuna göre, çubuğun çapını belirleyiniz. ÇÖZÜM bulunur ELASTĠKĠYET VE HOOK KANUNU Hook Kanunu na göre. uzama miktarı, onu doğuran gerilme ile orantılıdır. Çekme için bu oran, Young'un Elastikiyet Modülü adını alır. (7.7) (7.8) (7.9) Hook. Robcrt. ( ). İngiliz gökbilimci ve matematikçi. ^4

35 dır. Çizelge 7.1 Bazı malzemelerin elastikiyet modülleri. Malzeme Çelik Dökme demir Fosforlu bronz Bakır Pirinç Elastikiyet modülü (N/mm 2 ) SÜNEKLĠK Süneklik (tel veya levha haline getirilebilirlik), soğuk haldeki metalin kırılmadan veya çatlamadan herhangi bir biçime getirilmesi veya çekilmesi özelliğidir. Şekil 7.2. Süneklik, örneğin, saç levhadan yapılan far gövdelerinin imalinde önemlidir. Cıvata malzemelerinin süneklik özelliklerinin de yüksek olması istenmektedir. Ancak bu özellik, ani yük etkisinde kalarak kırılması muhtemel olan diğer birçok metal parça için de önemlidir DÖVÜLEBĠLĠRLĠK Dövülebilirlik. sünekliğe benzer biçimde tanımlanabilir. Ancak, uygulanan kuvvet basma yüküdür. Yani dövülebilirlik, soğuk haldeki metalin, kırılmadan veya çatlamadan, çekiçlenerek veya ekstrüzyonla (oda sıcaklığında basınç uygulamasıyla bir kalıptan geçmeye zorlama. Şekil 7.3) plastik deformasyona müsaade etme özelliğidir. Altın, alüminyum, bakır, ve kurşun, dövülebilirliği yüksek olan metallere örnek gösterilebilir. Süneklik, ve dövülebilirlik benzer özellikler gibi görünse de, aynı

36 metalde (örneğin, kurşunda) yüksek dövülebilirlik ve düşük süneklik özelliği bir arada bulunabilir SERTLĠK Sertlik, metalin aşıntıya ve çizilmeye karşı direncidir. Sertlik için en çok kabul gören tanım, bir" malzemenin plastik şekil değiştirmeye karşı direnme yeteneğidir, şeklindedir. Bu özellik, ovalama ve ezme yükü etkisi altındaki parçalar için, (ör. rulmanlı ve kayıcı yataklar, kamlar ve dişliler) çok önemlidir. Sertlik ölçümünde yaygın olarak kullanılan yöntemler, brinell, rockwell ve vickers yöntemleridir. Çizelge 7.1 'de, bazı malzemelerin rockwell sertlikleri verilmiştir. Çizelge 7.1 Bazı malzemelerin rockwell sertlikleri. Rockvvell ölçeği Çentik açıcı uç Yük (kg) Malzeme RA Elmas koni (brale) 60 Çok sert metaller (ör. tungsten karbid) RB 1/16" çaplı bilye 100 Yumuşak metaller (ör. yumuşak çelik, bakır alaşımları) Rc Elmas koni (brale) 150 Sert metaller (ör. sertleştirilmiş çelik, ısıl işlem görmüş çelik alaşımı) RD Elmas koni (brale) 100 Çok sert metaller RE 1/8" çaplı bilye 100 Yumuşak metaller (ör. yatak malzemeleri, magnezyum, alüminyum)

37 7.2.7 TOKLUK Tokluk, metalin kırılmaya karşı direncidir.tokluk aynı zamanda,bir malzemenin kırılmadan önce enerji absorbe etme ve plastik şekil değiştirme yeteneğidir", şeklinde de tanımlanmaktadır. Bu özellik, sertlikle karıştırılmamalıdır. Zira, sertlik ve ihmal edilebilecek düzeyde tokluk (ör. eğeler sert ve kırılgandır), bir arada bulunabilir. Kırılmazlık veya kırılganlık değerleri, laboratuarlarda çoğunlukla izod darbe testi ile belirlenmektedir. 7.3 MALZEMELER VE ÖZELLĠKLERĠ DÖKME DEMĠR VE ÇELĠK Dökme demir ve çelik esas olarak,demir ile karbon alaşımlarıdır ve içlerinde malzeme kalitesini geliştirmek amacıyla veya saflaştırılamadığı için, çok az miktarlarda manganez, silisyum, kükürt ve fosfor da bulunabilmektedir. Dökme demir ve çelik arasındaki temel fark, bünyelerindeki karbon miktarı ve karbonun biçiminden kaynaklanmaktadır. % 1,7 kadar karbon bulunuyorsa alaşım çelik,. % 1,7 'den fazla karbon bulunuyorsa alaşım dökme demir olarak adlandırılmaktadır. Ancak, dökme demir ile çelik arasında çok kesin bir çizgi de yoktur. % 1,7 değeri, geleneksel bir sayıdır. Dökme demir ile çelik arasında, karbon miktarları dışında, iki aynı fark daha bulunmaktadır: 1. Dökme demirin içerisindeki bazı karbonlar serbest grafit pullar halindedir. Bu grafit pullar dökme demire kendi kendini yağlama özelliği verir ve kırılgan oluşunun da birinci sebebidir. Çelikte ise, karbon daima bitişiktir ve bu yüzden çelik hiçbir zaman grafit içermez. 2. İmalat işlemlerinde dökme demir, çeliğe oranla daha çok doku bozukluğu gösterir. Bu da, dökme demirin, çeliğe oranla daha az dayanımlı ve az inceltilebilir olmasına neden olmaktadır DÖKME DEMĠR Dökme demir, esas olarak demir, karbon ve silisyum ile, çok az miktarlarda diğer bazı elementlerden oluşan bir alaşımdır. Dökme demir aşağıdaki özelliklere sahiptir: 1. Sünekliği (tel ve levha haline getirilebilirlik) az ve kırılgandır, 2. Çekme dayanımı düşük, basma dayanımı çok daha yüksektir (basma dayanımı, kopma dayanımının dört katı kadardır). Dökme demir, örneğin silindir gömleklerinde çok iyi bir yağlama yüzeyi sağlar, ucuzdur ve silindir bloğu gibi karmaşık biçimlerde bile dökülebilir. Dökme demir,

38 içerisinde bulunan karbonun birleşik veya serbest grafitik durumda olmasına bağlı olarak değişik özellikler gösterir ve değişik isimlerle anılır GRĠ DÖKME DEMĠR Bütün dökümlerin % 'i, gri dökme demirden yapılmaktadır. Koyu gri görünümünden dolayı bu adı almıştır. Gri dökme demir, içerisinde % karbon, % silisyum, ve önemsiz miktarda manganez ve fosfor bulunan dökme demirdir. Karbonun çoğunluğu serbest grafit pullar halindedir. Şekil 7.4. Gri dökme demirin özelliklerini işte bu grafit pulların biçim, boyut ve dağılımı belirler. Gri dökme demir, yumuşak, kolay işlenebilir, iyi sönümleme özelliğine sahip fakat kırılgan ve düşük dayanımlı bir malzemedir. Aşınma, paslanma ve ısıya karşı dayanımı yüksek, ısıl genleşmesi düşüktür. Dökme demirlerin en ucuzudur. Bu özelliklerinden dolayı, makine gövdelerinin, dişli kutularının ve motor bloklarının yapımında yaygın olarak kullanılmaktadır. Gri dökme demirin kopma dayanımı N/mm 2, basma dayanımı N/mm 2 arasındadır. Gri dökme demir Sfero dökme demir Şekil 7.4. Gri ve sfero dökme demirin karbon dokuları BEYAZ DÖKME DEMĠR Kırılan yüzeylerinin beyaz metalik görünümünden dolayı bu adı almıştır. Gri dökme demirin elde edildiği işlemlerle elde edilmekte, fakat kompozisyonu, karbonun çoğunluğu birleşik biçimde (karbid - sementit) olan bir mikro yapı elde edilecek şekilde daha sıkı kontrol edilmektedir. Beyaz dökme demirin özelliklerini karbonun mikro yapı içerisindeki miktar ve biçimi ile, silisyum, manganez, fosfor ve diğer metal miktarları, soğutma hızı ile ısıl işlemler belirler. Karbon sertliğini etkiler. Çok karbon, daha' sert demir demektir. Silisyum, demir karbid oluşumunu etkiler. Soğutma hızı, aşıntı direncini etkiler. 35

39 Beyaz dökme demir, sert ve kırılgan bir malzemedir. Dökme demirler arasında işlenmesi en zor olandır. Aşınma dayanımı yüksektir. Bu özelliğinden dolayı, fazla aşıntıya maruz kalan parçaların yapımında kullanılmaktadır SFERO DÖKME DEMĠR Sfero dökme demir de, gri dökme demirle aynı ham malzemelerden fakat bir fırında (kupol ocağı, hava veya elektrikli fırın) elde edilmektedir. Gri ve beyaz dökme demirden farklı olarak, karbonun çoğunluğu tanecikler şeklinde ve geri kalanı da birleşik biçimde olan bir mikro yapıdadır. Sfero dökme demir, içerisinde % 2,2...4,0 karbon, % 1,8...2,8 silisyum, % 0,8 'e kadar manganez, en fazla % 0,1 fosfor ve en fazla % 0,03 kükürt bulunan dökme demirdir. Sfero dökme demir, düşük erime sıcaklığı, döküme elverişli akıcılık, iyi sertleştirilebilirlik ve kırılganlık direnci özelliğine bir malzemedir. Bu özelliklerinden dolayı, otomotiv alanında dişli kutularının ve motor bloklarının yapımında yaygın olarak kullanılmaktadır. Sfero dökme demirlerin kopma dayanımları N/mm*, basma dayanımları ise N/mm" arasındadır DÖVÜLEBĠLĠR DÖKME DEMĠR Dövülebilir dökme demir, uygun kompozisyondaki beyaz dökme demirden, ısıl işlem yoluyla elde edildiğinden, ikinci derece dökme demir olarak dikkate alınmaktadır. Dövülebilir dökme demir, içerisinde % 2,2...2,7 karbon, % 1,0... 1,7 silisyum, % 0,4...0,55 manganez, % 0,1...0,2 kükürt ve % 0,03...0,1 fosfor bulunan dökme demirdir. Dövülebilir dökme demir, kolay işlenebilir, iyi sönümleme özelliğine sahip; sünek, paslanma direnci yüksek ve ısıl işlemden dolayı homojen dokulu bir malzemedir. Dökme demirlerin en işlenebilir olanıdır. Çelik döküme daha ucuz bir alternatiftir. Bu özelliklerinden dolayı, otomotiv alanında (örneğin arka dingil kovanlarının yapımında) yaygın olarak, kullanılmaktadır ALAġIM DÖKME DEMĠRLER Alaşım dökme demirler, içerisinde silisyum, nikel, krom, alüminyum, molibden gibi alaşım elementlerinin miktarları fazla olan dökme demirdir. Alaşım dökme demirlerin üretimindeki temel amaç, yapısını ve özelliklerini değiştirerek, özel ihtiyaçlara cevap verebilmesini sağlamaktır. Alaşım dökme demirler çoğunlukla, paslanmaya, aşınmaya ve ısıya direncini yüksek malzeme elde etmek için üretilirler. Paslanma direnci yüksek, yüksek silisyumlu tip alaşım dökme demirin içerisinde % 36

40 14,0 'ten fazla silisyum, yüksek kromlu tip alaşım dökme demirin içerisinde % krom, yüksek nikelli tip alaşım dökme demirin içerisinde % nikel bulunmaktadır. Alaşım dökme demirler de, çelik döküme daha ucuz bir alternatiftir. Yorulma dirençleri de daha yüksektir. Motor krank milleri, kam milleri bazen alaşım dökme demirden yapılmaktadır SAF KARBONLU ÇELĠKLER Saf karbonlu çelik, demir ve karbonun önemsiz miktardaki diğer bazı elementlerle yaptığı alaşımdır. Bu nedenle karbon, karbonlu çeliklerin özelliklerinin belirlenmesinde çok önemli bir rol oynar. '''Saf karbonlu" terimi, içerisinde özel olarak katılan alaşım elementleri bulunan çeliklerden, bu elementleri önemsiz miktarlarda kendiliğinden içeren çelikleri ayırt etmek amacıyla kullanılmaktadır. Tüm çeliklerin yaklaşık % 85 'i saf karbonlu çeliktir. Teknolojinin ihtiyacını karşılamak için günümüzde 130 çeşit kadar saf karbonlu çelik üretilmektedir. Saf karbonlu çelikler, esas olarak, içerisinde bulunan karbon yüzdesi ile belirlenmektedir. Karbon yüzdesi arttıkça, çeliğin dayanımı ve sertliği artmakta, inceltilebilirliği ve dövülebilirliği azalmaktadır. Saf karbonlu, çelikler genellikle üç gruba ayrılmaktadır. Saf karbonlu çeliklerin kopma dayanımları, N/mm 2 arasındadır DÜġÜK KARBONLU ÇELĠKLER Düşük karbonlu çelik (yumuşak çelik veya demir de denmektedir), bünyesinde % 0,08...0,35 arasında karbon bulunan çeliktir. En çok üretilen çelik grubudur. Düşük karbon yüzdesi sebebiyle, sertleştirilemezler. Daha çok inşaatlarda, köprülerde ve gemilerde kullanılırlar. Kolay kaynatılabilir, şekillendirilebilir ve sıcak dövülebilirler. Ancak, makinede işleme özellikleri zayıftır ORTA KARBONLU ÇELĠKLER Orta karbonlu çelik, bünyesinde % 0,35...0,5 arasında karbon bulunan çeliktir. Daha yüksek karbon yüzdesi sebebiyle, sulama ile sertleştirilebilir ve tavlanabilirler. Ancak, en iyi mekanik özelliklere sahip olabilmeleri için, sertleştirilmeden önce, normalleştirilmeleri veya tavlanmaları gerekir. Bütün karbonlu çeliklerin en çok amaçlı olanıdır. Çünkü sertleştirilebilir, kaynak edilebilir ve makinede işlenebilirler. Daha çok sıcak dövme, yüksek dayanımlı döküm, krank milleri, makine parçalan ve birçok el takımının yapımında kullanılırlar.

41 YÜKSEK KARBONLU ÇELĠKLER Yüksek karbonlu çelik, bünyesinde % 0,5 'ten fazla karbon bulunan çeliktir. Sertleştirilmeye en hazır çelik grubudur. Yüksek karbon yüzdesi sebebiyle, üretilmeleri zor, daha pahalı ve bu nedenle uygulama alanları sınırlı bir çeliktir. Makinede işlenmeleri ve kaynatılabilmeleri zordur. Daha çok, yayların, el takımlarının ve kesici takımların yapımında kullanılırlar ÇELĠK ALAġIMLARI Çelik alaşımları, içerisinde özel olarak katılan alaşım elementleri bulunan çeliklerdir. Çelik alaşımları tüm çelikler arasında küçük bir yüzde oluşturuyorsa da, modern teknolojideki önemleri dikkate değer orandadır. Çelik alaşımları; Dayanım ve sertliğini artırmak, (böylece ağırlık/dayanım oranı azalmaktadır), Mekanik özelliklerin dağılımını düzgünleştirmek, Sıcaklık, paslanma ve aşıntı gibi, çevre faktörlerine karşı dayanımını artırmak, amaçlarıyla üretilmektedirler. Çelik alaşımları da, çelikler gibi üç grupta değerlendirilirler DÜġÜK ALAġIMLI ÇELĠKLER Düşük alaşımlı çeliklerin bünyesinde de, düşük karbonlu çeliklerde olduğu gibi, % 0,08...0,35 arasında karbon bulunmaktadır. Bu çeliğin geliştirilmesinin esas amacı, özellikle hareketli parçaların ağırlık/dayanım oranını azalmaktır. Düşük alaşımlı çeliklerdeki temel alaşım elementleri, karbon, fosfor, molibden, manganez, silisyum, bakır, krom ve nikeldir. Fosfor, manganez, krom ve nikel, esas olarak dayanımı artırmak amacıyla kullanılır. Molibden, hem dayanımı, hem de sertleştirilebilirliği artırmak amacıyla kullanılır. Bakır, atmosferik paslanmaya direnci artırmak için ve silisyum da oksitlenme önleyici olarak katılır. Çelikte kullanılan temel alaşım elementlerinin etkileri, Çizelge 7.2 'de verilmiştir. Kolay kaynak edilebilir, soğuk dövülebilir ve makinede işlenebilirler. Düşük alaşımlı çeliklerin minimum kopma dayanımları 350 N/mm 2 kadardır.

42 Çizelge 7.2 Çelikte kullanılan alaşım elementlerinin etkileri ORTA ALAġIMLI ÇELĠKLER Orta alaşımlı çelikler, orta karbonlu çeliklerin verimli olarak görev yapamadıkları alanlarda, esas olarak sertleştirme yeteneğini geliştirmek amacıyla üretilirler. Orta alaşımlı çeliklerde, şekil bozunumu, artık gerilimler ve sertleştirme derinliği gibi, orta karbonlu çeliklerdeki sınırlayıcı faktörler giderilmiştir. Orta alaşımlı çeliklerdeki temel alaşım elementleri, nikel, molibden, vanadyum, krom, manganez ve silisyumdur. Nikel, çeliklerdeki en yaygın alaşım elementidir. Nikel, esas olarak tokluğu, dayanımı ve sünekliği artırmak amacıyla kullanılır. Yüksek oranlarda kullanıldığında ısıya ve aside karşı direnci de artırır. Nikelli çelikler, takım, paslanmaz çelik, dişli, rulman yatak ve diğer otomotiv ve makine parçalarının yapımında kullanılır. Molibden, sertleştirilebilirlik özelliğini ve şok direncini artırmak amacıyla kullanılır. Molibdenli çelikler takım, dişli, rulman yatak ve çok sıcak buhar borularının yapımında kullanılır.% 14 ' kadar manganezli çeliklerin, tokluk, aşıntı ve çizilmeye karşı direnci yüksektir. İşlenmesi zor olduğundan, daha çok döküm yoluyla şekillendirilir. Silisyum, oksitlenme önleyiciliğinin yanı sıra, çeliğin magnetik özelliklerini de iyileştirir. Titanyum, çeliğin yüksek sıcaklıklardaki dayanımını

43 iyileştirmek amacıyla kullanılır. Vanadyum, çeliğin kopma dayanımını ve elastikiyetini iyileştirmek amacıyla kullanılır. Bu nedenle vanadyum, yay, dişli ve yüksek dayanımlı boru hatlarının yapımında kullanılır. Kükürdün yerine kullanılan kurşun, çeliğin makinede işlenebilirliğini iyileştirmek amacıyla kullanılır YÜKSEK ALAġIMLI ÇELĠKLER Yüksek alaşımlı çeliklerin bünyesinde de, yüksek karbonlu çeliklerde olduğu gibi, % 0,5 'ten fazla karbon bulunmaktadır. Sertleştirilmeye en hazır çelik grubudur. Yüksek karbon yüzdesi sebebiyle, üretilmeleri zor, daha pahalı ve bu nedenle uygulama alanları sınırlı bir çeliktir. Makinede işlenmeleri ve kaynak edilebilmeleri zordur. Daha çok, yayların, el aletlerinin ve kesici takımların yapımında kullanılırlar ALÜMĠNYUM VE ALAġIMLARI Alüminyum, demir olmayan metallerin en önemlisidir. En önemli özellikleri; hafifliği, dayanıklılığı, işlenebilirliği, ısı ve elektrik iletkenliği, oksitlenme direnci, magnetik ve zehirli olmayışı, ışık ve ısıyı yansıtması ve göze hoş gelen görünümüdür. Özellikle ağırlık/dayanım oranının düşüklüğü, paslanma direnci, ışığı yansıtma ve anodik kaplamaya uygunluğu, alüminyumu otomotiv alanında çok kullanılan bir metal yapmıştır. Alüminyumun kopma N/mm 2 dayanımı arasındadır Alüminyumun karakteristikleri, alaşımlarıyla, ısıl işlemle ve soğuk işleme ile geliştirilebilmektedir. Temel alaşım elementleri olan bakır, manganez, silisyum, magnezyum ve çinkonun etkileri çok önemlidir. Bu elementler, alüminyumun döküm karakteristiklerini, işlenebilirliğini, sertleştirilebilirliğini, dayanımını ve oksitlenme direncini iyileştirmek amacıyla, % arasında katılırlar. Bakır, sertleştirilebilirliğini, dayanımım, işlenebilirliğini ve oksitlenme direncini iyileştirmek amacıyla katılır. Ancak bakır, uzamasını azaltır ve fiyatını yükseltir. Manganez, oksitlenme direncini ve dayanımını iyileştirmek için kullanılır. Magnezyum makinede işlenebilirlik karakteristiklerini iyileştirmek için kullanılır ancak, çabuk oksitlenme problemi çıkar. Silisyum, akıcılık ve gaz sıkılığım iyileştirir ve dökme alüminyumdaki çekme problemlerini azaltır. Çinko, yüksek dayanımlı alüminyum alaşımlarda kullanılan ve makinede işlenebilirlik ve döküm karakteristiklerini iyileştirir BAKIR VE ALAġIMLARI Bakırın en önemli özellikleri; ısı ve elektrik iletkenliği, oksitlenme direnci, aşıntı direnci yüksek sıcaklık performansı ve sünekliğidir. Kopma dayanımı

44 N/mm kadardır ancak, alaşım yaparak, soğuk işlemle ve ısıl işlemle iyileştirilebilir. İyi elektrik iletkenliği nedeniyle elektrik endüstrisinde, iyi ısı iletkenliği ve atmosferik oksitlenme direnci nedeniyle de, kimyasal ekipmanlarda, mutfak araçlarında, yakıt borularının yapımında, otomotiv radyatörlerinde, ısı eşanjörlerinde, yağ soğutucularda kullanılmaktadır. Bakırın aşıntı ve yüksek sıcaklık performansı, alüminyum ve magnezyumunkinden daha iyidir. Sünekliği nedeniyle de biçimlendirilmesi kolaydır. Temel alaşım elementleri çinko, kalay,, alüminyum, silisyum, nikel, manganez, berilyum, kurşun ve fosfordur. Bakır-çinko alaşımına "pirinç" denir. Alaşımdaki çinko miktarı % arasındadır. Pirinçler, sade, serbest kesilen ve çeşitli pirinçler olarak gruplandırılırlar. Dayanımını ( N/mm 'ye kadar), sünekliğini. renk değişimini ve kurşunla birlikte makinede işlenebilirliğini iyileştirmek için bakıra çinko katılır. İkinci önemli bakır alaşım grubu, bakır-kalay alaşımıdır ve "bronz" olarak adlandırılır. Kalay, bakırın dayanımını; işlenebilirliğini, sertlik ve sünekliğini iyileştirmek için katılır, ancak fiyatını yükseltir. Bronzlar, düşük sürtünme katsayısı ve ağır yük altında çalışan, kurt dişliler, yatak burçları gibi parçaların yapımında kullanılırlar. Bakırın kopma dayanımı N/mm 2 Pirincin kopma dayanımı N/mm 2, kadardır KOMPOZĠT MALZEMELER İki veya daha fazla malzeme, eriyerek veya birbirine nüfuz ederek birbirinin içine tam olarak girmeksizin, özelliklerini koruyarak birleştirilirse, elde edilen yeni malzemeye "kompozit" denmektedir. Bu malzemenin yapısı özellikleri, diğer bileşiklerinkinden tamamen farklı olmaktadır. Kompoziti oluşturmak üzere birleştirilen malzemelere "oluşturan" denmektedir. Oluşturanlar kendi özelliklerini koruduklarından, kompozitin özellikleri oluşturanlar tarafından belirlenmektedir. Böylelikle, bir kompozit örneğin bir oluşturanının dayanımına, bir oluşturanının hafifliğine, bir diğer oluşturanının kimyasal, ısıl ve elektriksel özelliklerine sahip olabilir. Kompozit malzemeler doğal (ağaç, deri, kemik, taş, vb.) veya insan yapımı (cam, çimento, vb.) olabilir. Şekil 7.5. Kompozitler; 1. Lifli kompozit malzemeler, 2. Katmanlı kompozit malzemeler, 3. Parçacıklı kompozit malzemeler, olmak üzere üç grupta değerlendirilirler.

45 Şekil 7.5 Kompozit malzeme (sürtünmeli kavramalarda kullanılmakla olan ve serametalik adı verilen bu kompozitte. açık renkte görünen alanlar bakır ve alaşımlarını, gri alanlar grafit yongalarını, siyah alanlar da seramiği göstermektedir). Lifli kompozit malzemeler, biri lifli ve diğeri de tutucu olmak üzere, en az iki oluşturandan meydana gelmektedir. Dayanımları son derece yüksektir. Örneğin, cam liflerin kopma dayanımları N/mm 2 arasındadır. Hafifliğin önemli olduğu havacılık ve otomotiv alanlarında kullanılmaktadırlar, Şekil 7.6. Şekil 7.6 Lifli kompozit malzemeden üretilmiş biyel. Katmanlı kompozit malzemeler, iki veya daha fazla sayıdaki benzer veya farklı malzeme katmanlarının birleştirilmesinden meydana gelmektedir. Sınırsız sayıda malzeme bu yolla birleştirilebilir. Katmanlı kompozit malzeme üretmek için nedenler çeşitlidir. Katmanlı kompozit malzemeler, dayanım/ağırlık oranım artırmak amacıyla, dayanıklı ve hafif malzemelerin birleştirilmesiyle üretilmektedirler. Hafifliğin önemli

46 olduğu uçaklarda ve denizaltılarda kullanılmaktadırlar. Aşıntı, paslanma, ve ısıl dirençleri yüksek, katmanlı kompozit malzemeler de üretilebilmektedir. Parçacıklı kompozit malzemeler, farklı boyutlardaki malzeme parçacıklarının bir tutucu içerisinde birleştirilmesiyle meydana gelmektedir. Parçacıklı kompozit malzemeye bilinen bir örnek, çakıl tanecikleriyle portland çimentonun oluşturduğu, bildiğimiz betondur. Çok sayıda farklı parçacıklı kompozit üretilebilir. Örneğin, metal pudralan plastik malzemeden bir tutucu ile bağlanarak, yatak malzemesi üretilmektedirler. Seramik parçacıklar metal tutucularla bağlanarak, metal kesici takımlar, sıcak çekme kalıplan, vb. üretilmektedirler YATAK METALLERĠ Motorlarda kullanılan yatak metalleri, artan sertlik sırasına göre aşağıdaki gibi sıralanırlar: 1. Kurşun esaslı beyaz metaller, esas olarak kurşun ve onunla birlikte küçük oranlarda kalay, antimuan ve bakır alaşımlandır. 2. Kalay esaslı beyaz metaller, % 90 'a kadar kalay ve onunla birlikte küçük oranlarda bakır, antimuan ve bazen kurşun alaşımlandır. 3. Bakır-kurşun alaşımları, % kadar kurşun ve geriye kalanı bakır alaşımlarıdır. 4. Kurşun-bronz alaşımları, % kadar kurşun, % kadar kalay ve geriye kalanı bakır alaşımlandır. 5. Fosfor-bronz alaşımları, bakır, kalay ve % 1 kadar fosfor alaşımlandır ISIL ĠġLEMLER Demir esaslı metallerin çoğu. kızarıncaya kadar ısıtıldıktan sonra, hızla soğutularak (genellikle suya daldırılarak) sertleştirilebilmektedirler. Bütün ısıl işlemlerin %90 dan fazlası çeliklere uygulandığından, açıklamalar çelikle ilgili olarak yapılacaktır. Isıl işlemin sınırlan şunlardır: 1. Çeliğin karbon içeriği yeterli olmalıdır. Karbon miktarı % 0,4 veya daha fazla oluncaya kadar sertleşme hissedilmemektedir. 2. Parça, uygun temperleme sıcaklığına ulaşıncaya kadar yeterli süre verilmelidir. 3. Parça, yeterince hızlı soğutulmalı ancak soğutma, deformasyon veya kırılma olacak kadar da hızlı olmamalıdır. 4. Malzemenin biçim ve boyutları, çatlama tehlikesi olmadan sulanacak durumda olmalıdır. Sulama, dayanım ve sertliğin her ikisini de yükseltmekte ancak, sünekliğini azaltmakta, tam olarak sulandığında ise, kırılganlığını son derece artırmaktadır. Uygulamada, parçaların sulamadan somaki tokluğunu geliştirmek, uygun dayanım,

47 sertlik ve süneklik tavı uygulanır. düzeyleri elde etmek için, uygun düzeyde temperleme TEMPERLEME Temperleme, sertleştirilebilir çeliklere uygulanan bir ısıl işlemdir. Parça, vişne rengine kızarıncaya kadar ısıtıldıktan sonra, suya daldırılarak soğutulursa, tamamı sertleşir. Parça, daha sonra uygun temperleme sıcaklığına kadar ısıtıldıktan sonra, tekrar sulanır. Isıtılan parçanın rengi, temperleme sıcaklığının bir göstergesidir. Ancak, temperlemenin daha doğru yapılabilmesi için, uygun termometrelerin kullanılması gerekir. Temperleme sıcaklıktan, 300 C 'ye kadar çıkabilir. Yüksek temperleme sıcaklıkları, daha az sertlik fakat daha fazla tokluk demektir YÜZEY (KABUK) SERTLEġTĠRME Piston pimi gibi bazı parçaların, aşıntıya dirençli olmaları için sert yüzeye, darbelere dayanıklı olmaları için de tok öze sahip olmaları istenmektedir. Bu özelliklerin elde edilebildiği ısıl işleme, yüzey sertleştirme denmektedir. Yüzeyi sertleştirilecek parça, önce karbürlenir. Karbürleme, dış yüzeyi sertleştirilecek olan parçanın karbonca zengin parçalarla temas halinde ısıtılarak, dış yüzeyindeki karbon miktarının artırılmasıdır. Isıtma işlemi, karbonla paketlenmiş parçanın, hidrokarbon gazla dolu fırınlarda veya potasyum ve sodyum siyanürlü banyolarda da gerçekleştirilebilir, Şekil 7.7. Karbürlemede kullanılan malzeme

48 genellikle yumuşak çelik veya düşük karbonlu alaşım çeliğidir. Karbürleme için. tok öz ve sert yüzeyden öze uyumlu geçiş sağlaması ve böylece sert kabuğun parçadan soyulması riskini azaltması nedeniyle, % nikelli düşük karbonlu alaşım çeliği tercih edilmektedir. Bu işlem, parçanın özünü etkilemezken, dış yüzeyim yüksek karbonlu çelik yapmaktadır. Parça, karbürlemeden sonra, bilinen ısıtma ve soğutma yöntemiyle sertleştirilir NORMALLEġTĠRME Normalleştirme, çeliğin, sertleştirmede olduğu gibi, kızarıncaya kadar ısıtıldıktan sonra, havada soğutularak yumuşatılması işlemidir. Normalleştirme genellikle, çeliklerin makinede işlenebilirliğini geliştirmek amacıyla uygulanır. Çelik, işlendikten sonra, tekrar uygulanacak ısıl işlemler için de ideal özelliklerdedir KONTROLLÜ TAVLAMA Kontrollü (yavaş) tavlama, çeliğin, normalleştirmede olduğu gibi kızarıncaya veya biraz daha düşük sıcaklıklara kadar ısıtıldıktan sonra, hava yerine kum veya sönmüş kireç içerisinde, veya bir fırında, yavaşça soğutularak yumuşatılması işlemidir. Kontrollü tavlama, çeliklerin gerilimlerini gidermek, homojenleştirmek ve makinede işlenebilirliğini geliştirmek amacıyla uygulanır. Kontrollü tavlamaya tabi tutulan çelik, işlendikten sonra, tekrar uygulanacak ısıl işlemler için de ideal özelliklerdedir. Yavaş normalleştirme, demir olmayan malzemelere de uygulanabilir. Örneğin bakır, kızarıncaya kadar ısıtıldıktan sonra, suya daldırılarak soğutulursa, normalleştirilmiş olur. Saf alüminyum, yaklaşık 350 C 'ye kadar ısıtıldıktan sonra, oda sıcaklığına kadar soğutularak normalleştirilir. Kaynak edilen alüminyum alaşımların gerilimlerinin giderilmesi de, yaygın olarak uygulanan bir işlemdir NĠTRÜRLEME Nitrürleme de, yüzey sertleştirme gibi, ancak, sadece belirli çelik ve dökme demirlere uygulanabilen bir sert yüzey elde etme işlemidir. Sertleştirilen yüzey, daha önce açıklanan yüzey sertleştirmedekinden daha ince, ancak daha serttir. Nitrürleme işlemi, parçanın, amonyak gazlı bir ortamda, 500 C kadar sıcaklıkta ve 10 saat kadar süre tutulmasıyla gerçekleştirilir, Şekil 7.8. Nispeten düşük sıcaklık, nitrojenin alınmasını fakat karbonun alınmamasını sağlar. Metalin yüzeyi, esas sertleştirici eleman olan nitrojeni absorbe eder. Nitrürleme, dökme demir silindir gömleklerinin, alaşım çeliğinden yapılan supapların saplarının, krank millerinin, pompa millerinin yüzeylerinin sertleştirilmesinde kullanılır. Nitrürlenen yüzey oldukça temizdir. Yüzeydeki hafif grilik parlatılarak giderilebilir. Nitrürleme,

49 yüzey sertleştirmenin yanı sıra, parçaların paslanma direncini ve yorulma direncini de artırmaktadır.

50 YANMA ODASI, SĠLĠNDĠR BLOĞU ve SĠLĠNDĠR KAPAĞININ TASARIMI 8.1 YANMA ODASININ TASARIMI Yanma odası tasarımı, yanma sırasında açığa çıkan enerjinin oranına önemli derecede etki ettiğinden, motor performansının belirlenmesinde anahtar rol oynamaktadır. Uygun bir yanma odası tasarımı, düşük vuruntu eğilimi, düşük gürültü düzeyi, yüksek indike güç, yüksek termik verim, düşük zararlı emisyon düzeyi, yüksek volumetrik verim, yeterli düzeyde supap soğutma ve yağlaması, ve düşük yüzey/hacim oranına sahip olmalıdır. Bunlardan bazıları birbirine zıt özelliklerdir. Örneğin, termik verimi artırmak amacıyla silindir yüzey sıcaklığını yükseltmek, yüzey ateşlemesi nedeniyle motorun sert çalışmasına sebep olmaktadır. Tasarımda, yıllar boyu süregelen gelişmeler ve kazanılan deneyimler dikkate alınmalı ve gerekli görülen değişiklikler onun üzerinde yapılmalıdır. Önceki yanma odasının modifikasyonu, imalatçı açısından da iyi bir tasarım olarak görülmektedir. Bir motorun yanma odası, üstten silindir kapağı, emme ve egzoz supapları ve buji, alttan ise, piston ve üst kompresyon segmanı tarafından çevrelenmiştir. Yanma odasının tasarımı sırasında bu yüzeylerin dikkate alınması gerekmektedir. Şekil 8.1 buji ile ateşlemeli. Şekil 8.2'de ise sıkıştırma ile ateşlemeli motorlara ait çeşitli yanma odası tipleri görülmektedir. Yanma odasının biçimi, benzin motorlarının vuruntu eğilimini dikkate değer ölçüde etkilemektedir. Tasarıma göre gerekli oktan sayısında sayı fark olabilmektedir. Motorun mümkün olan en düşük oktan sayısı ile çalışması istenmektedir. Böyle bir motor, silindirde, sıkıştırma oranını artırarak vuruntu ve gürültülü çalışmaya sebep olan karbon birikimine daha az duyarlıdır. Böyle bir tasarımın bir başka özelliği de, oktan sayısını piyasada bulunan yakıtlarınkinin üzerine çıkarmadan, sıkıştırma oranının geliştirilmesine olanak vermesidir. Sıkıştırma oranını artırmanın birçok yolu olabilir. Bunlardan biri, pistonun tepesini biraz yüksek yapmak, diğeri ise, silindir kapağı tasarımında küçük değişiklikler yapmaktır.

51 Diesel motorlarında kullanılan yanma odaları genellikle; 1. Bölüntülü (ön odalı, türbülans odalı) yanma odaları, 2. Bölüntüsüz yanma odaları (direkt püskürtmeli motorlar), gibi sınıflandırılmaktadır. Ön odalı yanma odaları, küçük boyutlu ve hızlı motorlarda yaygın olarak kullanılan yanma odası tiplerinden birisidir. Yanma odası iki bölümden yapılmıştır. Ön oda denilen küçük bölme, esas yanma odasına birkaç küçük delikle irtibatlandırılmıştır ve toplam yanma odasının % ı kadardır. Yakıt ön odaya püskürtülmekte ve kısmen yanan karışım ön oda tarafından ana yanma odasına ikinci bir enjektör gibi püskürtülmekte ve sağlanan iyi bir türbülansla yanma tamamlanmaktadır. Bu sistemin önemli avantajları, enjektör lülesinin hassasiyet gerektirmeyişi ve düşük enjeksiyon basınçlarında ( bar kadar) başarıyla kullanılmalarıdır. Ön yanma odalı diesel motorları daha yumuşak ve sessiz çalışırlar. Ancak, termik verimleri daha düşük, ilk harekete geçirilmeleri daha zordur (ısıtma bujisi kullanılır). Türbülans odalı yanma odaları da, yine ön odalı diesel motorlarında olduğu gibi, küçük boyutlu ve hızlı taşıt diesel motorlarında yaygın olarak kullanılan bir diğer yanma odası tipidir. Yanma odası iki bölümden yapılmıştır. Türbülans odası denilen küçük bölme, esas yanma odasına teğetsel bir geçiş boğazı ile bağlanmıştır ve toplam yanma odasının % 'ı kadardır. Sıkıştırma sırasında hava bu odaya dolarken de türbülans oluşturmaktadır. Yakıt bu odaya püskürtülmekte ve kısmen yanan karışım

52 ana yanma odasına akarken yine iyi bir türbülans sağlamakta ve yanma tamamlanmaktadır. Bu sistemin önemli avantajları da, ön odalıda olduğu gibi, enjektör lülesinin hassasiyet gerektirmeyişi ve düşük enjeksiyon basınçlarında ( bar kadar) başarıyla kullanılmalarıdır. Türbülans odalı diesel motorları da yumuşak ve sessiz çalışırlar. Ancak, termik verimleri daha düşük, ilk harekete geçirilmeleri daha zordur (ısıtma bujisi kullanılır). Bölüntüsüz (direkt püskürtmeli) yanma odalarında daha çok çok delikli enjektörler kullanılır ve enjektör genellikle yanma odasının tam ortasına yerleştirilir. Karışımın oluşturulmasında, emme kanal ve supaplarının uygun tasarımı ile, primer türbülanstan yararlanılmaktadır. Türbülans için, emme kanalları, silindir çapı doğrultusuna göre kadar yönlendirilmektedir. Egzoz kanalları da yine havanın kısa devre olmasını engellemek amacıyla kadar yukarıya doğru eğimli yapılırlar. Emme kanal ve supaplarının uygun tasarımı ile sağlanan türbülans, MAN modelinde olduğu gibi, piston ve yanma odasına verilecek uygun biçimlerle güçlendirilebilir. Direkt püskürtmeli diesel motorları daha sert çalışırlar ancak, termik verimleri ve maksimum basınçlan, diğerlerine oranla daha yüksektir. Bu nedenle yüksek enjeksiyon basınçlan (175 bar kadar) gereklidir. İlk harekete geçirilmeleri de daha kolaydır.

53 8.1.1 YANMA ODASI TASARIMINI ETKĠLEYEN FAKTÖRLER Uygun bir yanma odası tasarımında, tasarımcının çözümlemesi gereken özel koşullara ek olarak, sıkıştırma oranı, silindir çapı, türbülans, ezilme (bazı tip yanma odalarında pistonun, sıkıştırmanın sonuna doğru bir kısım karışımı ezmesi), söndürme, volumetrik verim, supapların yeri ve boyutları, bujinin yeri ve yüzey/hacim oranı gibi temel etkenler bulunmaktadır. Yanma odasını tasarımında aşağıdaki faktörler dikkate alınmalıdır TÜRBÜLANS Türbülans, silindire dolmakta olan çalışma maddesinin, silindir içerisindeki dönme hareketidir. Şekil 8.3. Türbülansın etkisi, çayınıza şeker attığınızda, şekerin çayla çabukça karışması için kaşıkla çevirmenizin yaptığı etkiye benzemektedir. Şekil 8.3 Türbülans. Benzer şekilde, karışıma türbülans verilmesiyle, yakıt ile havanın çok daha homojen karışması ve yanmanın da üniform olması sağlanmaktadır. Türbülans aynı zamanda, alev cephesinin karışımı daha çabuk katetmesini sağlamakta ve böylece vuruntu ihtimalini de azaltmaktadır. Türbülans, emme supabının yanma odasının ortasında değil de kenara doğru kaçık yapılmasıyla veya supabın üzerine yönlendirme çıkıntısı eklenerek (bu durumda supabın dönmemesi sağlanmalıdır) sağlanabilir. Böylelikle, çalışma maddesi silindirin içine doğru, Şekil 8.3 'te görülen kırmızı oklarla gösterildiği gibi dönerek ilerleyecektir.

54 EZĠLME Ezilme, bazı tip yanma odalarında pistonun, sıkıştırmanın sonuna doğru bir kısım karışımı sıkmasını, ezmesini ifade etmektedir. Şekil 8.1 'deki kama tipi yanma odasında, ezilme alanı görülmektedir. Piston ÜÖN' ya yaklaşırken karışımın ezilme bölgesinden sıkılıp dışarıya itilmesi, bir türbülans veya düz kaynatma hareketi oluşturarak karışımın daha da iyi karışmasına sebep olur SÖNDÜRME Bilindiği gibi vuruntu, alev cephesi ulaşmadan karışımın sonunun sıcaklığının çok artması nedeniyle kendiliğinden ateşlenmesi ve patlamasına bağlı olarak duyulan sestir. Ancak bazı motorlarda, ısı kaybına bağlı olarak, karışımın sonu soğumakta ve alev cephesi ulaştığında dahi tutuşma sıcaklığına ulaşamamaktadır. Şekil 8.1 'de görülen ezilme alanı, aynı zamanda söndürme alanıdır. Zira bu bölgede silindir ve piston birbirine çok yakın bulunmakta, bu metal yüzeylerin nispeten soğuk olması nedeniyle karışımın sonundan ısı çekilmektedir VOLUMETRĠK VERĠM Motor torku veya gücünün artırılabilmesi, silindire bir çevrimde veya birim zamanda daha fazla hava ve yakıtın alınması ve yakılmasına yani volumetrik veriminin yüksek olmasına bağlıdır. Yanma odasının biçimi,volumetrik verimi etkileyen birçok faktörden bir tanesidir. Diğerleri, manifold ve supap-port düzenlemeleri, supapların boyutu, biçimi, ve yeri, karışım hazırlama ve hava filtresi tasarımı ile egzoz borusu ve susturucudur YANMA ODASININ BĠÇĠMĠ Yarı küresel yanma odalarının volumetrik verimi, geniş supapları ve ezilme veya söndürme alanının yokluğu nedeniyle daha yüksek, ancak türbülansları daha düşüktür. Buji, yanma odasının orta kısmına yerleştirilebilmekte ve böylece alev cephesinin kat edeceği mesafe azalmaktadır. Bütün bunlar, yüksek hızlarda yüksek performans sağlamaktadır. Ancak, yan küresel yanma odalarının' düşük hızlarda sert çalışma ve vuruntu eğilimleri artmakta, tam gaz çalışmaları, supap mekanizması düzenlemesi de kama tipi yanma odalarına göre daha karmaşık olmaktadır. Vuruntu, Şekil 8.4 'te açıklanmıştır. - Kama tipi yanma odaları, ezilme veya söndürme nedeniyle daha yüksek, türbülans sağlamaktadır. Buji, yanma odasının bir tarafına yerleştirildiğinden, alev cephesinin kat edeceği mesafe daha fazladır. Ancak, ezilme veya söndürme alanlarının son karışımı soğutma etkisi ve yüksek türbülans, vuruntu ihtimalini azaltmaktadır. Bu

55 yüzden, kama tıpı yanma odalarındaki basınç artışı daha yavaş ve maksimum basınçlar, yarı küresel yanma odalarındakinden daha düşük olmaktadır. Bu ise, motorun daha düzgün çalışmasını sağlamaktadır SUPAPLARIN BİÇİMİ VE YERİ Supaplar yanma odasına, iyi soğutma, iyi yağlanma ve yeterli kalkma yüksekliği sağlayacak konumda yerleştirilmelidir. Daha yüksek hacimsel verim için geniş olmalıdırlar. Ancak, iyi türbülans için, karışımın silindire yüksek hızla girmesi gerekmekte ve bu da supap portunun daraltılmasını, supapların daha küçük yapılmasını gerektirmektedir BUJİNİN YERİ Buji, yanma odasının orta kısmına yerleştirilmeli, alev cephesinin katedeceği mesafe fazla olmamalıdır. İyi soğutma için, bujinin bağlandığı kısım su ceketlerine yakın olmalıdır. Eğer buji giren dolgunun akış hattına yerleştirilirse, ilave soğutma sağlanabilir YÜZEY/HACİM ORANI Yüzey/hacim oranı, karışımın iyi yanması için önemli bir faktördür. Yüksek yüzey/hacim oranı, dumanlı yanmayı yanı egzoz gazlarındaki yanmamış hidrokarbonların miktarım artırmaktadır. Şekil 8.5 'te görüldüğü gibi, küresel yanma odaları, uygulanabilir en yüksek yüzey/hacim oranına sahiptir ve bu nedenle egzoz gazlarındaki yanmamış hidrokarbon miktarı en düşük yanma odası tipidir.

56 MOTOR PARÇALARININ TASARIM HESAPLARI 8.1 GĠRĠġ Geliştirilen motorun kağıt üzerinde fonksiyonel olması, tüm tasarım çalışmasının sadece bir bölümüdür. Tasarımcının çalışmaları, ancak imal edilebilir olduğu zaman anlam kazanmaktadır. İmalatın buradaki anlamı, parçaların, rekabet edebilir bir maliyetle imal ve montajıdır. İmalat maliyetinin tahmini, sadece tasarım ayrıntılarına değil, aynı zamanda imalatın hızı ve metoduna da bağlıdır. Bu nedenle tasarımcının, imalat yöntem ve makinelerini da iyi tanıyor olması şarttır. Ancak böyle bir tasarımcı uygun tasarım yapabilir, malzeme seçebilir, toleransları belirtebilir, montaj işlemlerini vb. dikkate alabilir. Montaj çizimleri yapıldıktan sonra, deneyimli imalatçılar imalat maliyetini oldukça doğru olarak tahmin edebilmektedirler. Rekabet değerlendirmesi açısından, "Satın alabiliyorsanız imal etmeyiniz" sözünün geçerlilik payı oldukça yüksektir. Bu nedenle, yeni bir tasarım çalışmasına başlamadan önce, halen imal edilmekte olan ucuz motorlar, çok ciddi olarak dikkate alınmalı, tasarıma karar verildiğinde ise, piyasadan temin edilebilecek Standard motor parçalarının yeniden tasarlanması ve imalinden kaçınılmalıdır. İçten yanmalı motorlar, Çeşitli alanlarda kullanılacak motorların seçiminde, bu motorların, iki veya dört zamanlı, benzinli veya diesel, normal emişli veya süperşarjlı olmaları gibi önemli seçenekler, hâlâ geçerlidir. Öyleyse, başarılı bir içten yanmalı motor tasarımı. sahip olduğu ve çoğu günümüzde de tam olarak cevaplanmamış veya anlaşılmamış problemlerinin çözümüyle yakından ilgilidir. 8.2 SĠLĠNDĠR BLOĞU Silindir bloğu, piston-biyel-krank milinden oluşan mekanizma ile alternatör, marş motoru ve ateşleme sistemi gibi elemanları üzerinde taşıyan ana parçadır. Silindir bloklarının tasarımında, tasarlanan motorların güçleri ve kullanım yerleri dikkate alınır. Örneğin, sabit tesis veya büyük gemi motorlarının silindirleri tek tek, ikişer veya üçerli bloklar halinde imal edilirler. Zamanlarına göre de motor silindirleri de

57 farklılıklar gösterirler. İki zamanlı motorların egzoz ve emme portları silindir bloğu üzerindedir. Dört zamanlı motorlarda supaplar silindir bloğunda veya kapakta olabilir. Otomotiv motorları genellikle tek blok olarak, gri dökme demir (ör. GG 25). dökme demir alaşımı veya alüminyum alaşımından, döküm veya basınçlı döküm yöntemiyle yapılmaktadır. Kamyon motorlarının silindir blokları çoğunlukla gri dökme demirden yapılırken, özellikle küçük hacimli ve az zorlanan otomobil motorlarının silindir blokları, daha hafif, işlenmesi kolay ve ısı iletkenliği fazla olan alüminyum alaşımından yapılmaktadır. Alüminyumun sıcaklığa, basınca ve titreşimlere karşı dayanımını artırmak için içerisine nikel, magnezyum, dökme demir ve silikon katılmaktadır. Alüminyum alaşımlı bloklara çelik, dökme demir, kuru ve yaş gömlek takılarak, dayanımı yüksek silindir elde edilmektedir. Küçük hacimli motorlarda alüminyum bloklar gömleksiz olarak kullanılırlar. Şekil 8.1'de bir motorun blok resmi görülmektedir. Şekil 8.1 Sıra tipi silindir bloğu SĠLĠNDĠR GÖMLEKLERĠ Silindir, pistona yataklık eden ve çalışma maddesinin çevrim boyunca olan değişikliklerinin yer aldığı ortamdır. Pistonlu motorlarda, güç elde edilen yer silindirler olduğundan, silindir boyutları ve sayısı motor gücüne direkt olarak etki etmektedir. Şilindirler çok değişken şartlarda, karışık gerilme ve sürtünme kuvvetleri altında çalışmak zorundadırlar. Yüksek basınç, sıcaklık, aşınma ve paslanmadan etkilenmemesi veya en az seviyede etkilenmesi için, çalışma ortamlarına göre ideal boyutlarda ve uygun malzemelerden imal edilmeleri gerekir. Motor bloklarının ömrünü uzatmak, imalini basitleştirmek ve maliyetini düşürmek için, bloklar üzerine aynı silindir gömlekleri geçirilmesi yaygın bir

58 uygulamadır. Bu sayede blok ve silindirin farklı malzemelerden yapılabilmesi sonucunda, silindirin aşırı zorlanmaya karşı dayanımı artırılmıştır. Ayrıca, herhangi bir arıza durumunda bloğun komple değiştirilmesi yerine, sadece gömleğin değiştirilmesiyle, motorun revizyonunun daha basit ve ucuz olarak yapılması sağlanmıştır. Buji ile ateşlemeli motorlarda daha çok, blokla birlikte dökülen kuru gömlekler kullanılırken, diesel motorlarında, ayrı parça olarak yapılan ve silindir bloğuna pres edilen kuru veya aşıntıya dayanıklı özel yaş gömlekler kullanılmaktadır. Silindir gömlekleri, aşıntı ve paslanmaları önlemek amacıyla, çelikten ve çoğunlukla gri dökme demirden (% Ni, % 6-7 Cu, % 2-4 Cr) santrifüj dökümle imal edilmektedir. Kuru gömlekler, boruya benzeyen ve motor bloğundaki silindirik yuvalarına sıkı geçirilerek veya döküm sırasında bloğa yerleştirilerek yerine sabitleştirilen elemanlardır. Kuru gömlek bloktaki yerine takılınca soğutma suyu ile temas etmez, ısı akışı gömlekten bloğun silindir duvarına ve oradan soğutma suyuna geçer. Aşınmaya, ısıya ve basınca dayanımını artırmak için, silindir bloğunda belirtilen katkı maddeleri ilave edilmekte ve tav fırınlarında ısıl işlemle sertleştirilmektedir. Böylece, komple blok yerine, sadece gömlekler daha kaliteli malzemeden imal edilerek, dayanımları yükseltilmiş olur. Kuru gömlek takılan bloktaki silindirik yuvalar gömlek çapından mm daha küçük yapılır. Bu ölçüye sıkılık payı denir. Kuru gömleklerin üst tarafından 5-8 mm yüksekliğinde ve gömlek dış çapından 2-4 mm daha büyük bir fatura vardır. Blokta da buna uygun yuva bulunur. Şekil 8.2'de kuru gömlek kesit resmi görülmektedir. Gömlekler büyüklüklerine göre 1-5 tonluk basınçla yerine çakılır. Kuru gömleğin üst yüzeyi, blok yüzeyi ile aynı hizada veya gömlek yüzeyi blok yüzeyinden 0.02 mm yüksek olmalıdır. Silindirlerde aşınmanın en aza indirilebilmesi için genellikle izlenen yol, silindir yüzeylerinin sertleştirilmesidir. Pres blok imalatından sonra sertleştirilme işlemi yapılır ve gömlekler yerine takıldıktan sonra Standard ölçüsüne göre torna edilir ve/veya honlanırlar.

59 Şekil 8.3 te ise bir yaş gömlek kesiti görülmektedir. Yaş gömlekler, silindir bloğundaki yuvasına kolayca takılacak şekilde imal edilmiştir. Yaş gömleğin dış yüzeyi soğutma suyu ile temas halindedir. Isı akışı direkt olarak gömlekten soğutma suyuna geçer. Yaş gömlekler genellikle, aşınmaya, ısıya ve basınca dayanıklı malzemelerden püskürtme döküm olarak imal edilirler. Motorun çalışması sırasında yaş gömleğin aşağı yukarı kaymasını önlemek ve sızdırmazlığı sağlamak için gömlekteki faturaya silindir kapağı tarafından basma kuvveti uygulanır. Alt kısımda ise, sızdırmazlık contaları bulunmaktadır. Bu nedenle gömlek yüzeyleri blok yüzeyi ile aynı düzlemde olmalı veya kapağın daha iyi basması için gömlek yüzeyleri blok yüzeyine göre mm daha yüksek olmalıdır. Ayrıca, bloktaki bütün gömlek yüzeyleri aynı hizada olmalıdır SĠLĠNDĠRLERĠN BOYUTLANDIRILMASI Motor torku veya gücünün artırılabilmesi, silindire bir çevrimde veya birim zamanda daha fazla hava ve yakıtın alınması ve yakılmasına bağlıdır. Silindire alınan yakıt-hava karışımının miktarı, emme ve egzoz işlemlerinin veriminin yanı sıra, silindirin büyüklüğüne ve motorun devrine de bağlı olduğundan, motorun silindir hacmi ya da devri arttıkça motorun gücü de artacaktır. Bu nedenle, daha önce de belirtildiği gibi, silindir tasarımı yapılmadan önce, bir motorun nerede kullanılacağı, gücünün ne olması gerektiği, maksimum devri belirlenir. Diğer bazı değerler de tablo ve grafiklerden alınarak, önceden bulunmuş formüller yardımıyla silindir boyutları hesaplanır.

60 Toplam silindir uzunluğunun hesaplanabilmesi için, benzinli veya dizel motorlarında piston ve silindir blok ölçüleri dikkate alınmalıdır. Çünkü, piston alt ölü noktada iken. piston gövdesi silindir içinde kalmaktadır. Toplam silindir boyu: L S = H + L P (8.1) Burada; L s : Toplam silindir boyu. mm. H : Kurs, mm. L p : Piston boyu. mm dir SĠLĠNDĠR KALINLIĞININ HESAPLANMASI Silindirlerin aşınmaya, yüksek basınca ve sıcaklığa dayanabilmesi, ayrıca silindir duvarından soğutma suyuna ısı akışının ideal olması için, silindir duvarı uygun malzemeden ve uygun kalınlıkta imal edilmelidir. Silindir malzemelerinin seçiminde, mekanik ve ısıl yüklenmelere dayanma özelliği ile. o malzemenin ısı iletkenliği dikkate alınır. Silindir kalınlığı, bütün bu koşullar göz önünde bulundurularak hesap edilir. Silindir duvar kalınlığının hesaplanması için, maksimum yanma sonu basıncının ve silindir malzemesinin emniyet gerilmesinin bilinmesi gerekir. Silindirler, uzunlamasına çatlaklar oluşturan çevresel gerilmeye maruzdur. Silindir kalınlığının belirlenmesinde; (8.2) eşitliği kullanılabilir. Burada; dir. Silindir ölçüleri. Şekil 8.4 'de verilmiştir. Silindir gömleklerinde müsaade edilen emniyet gerilmeleri ( o s ); Çelik malzeme için : N/mm 2 Dökme demir malzeme için : N/mm 2 kadardır. Çelik gömlek kullanıldığında, kalınlığı 2 mm 'den az olmamalıdır.

61 Faturaların yüksekliği, silindirlerin büyüklüğüne göre değişir. Fatura yüksekliği 5-8 mm ve genişliği 2-4 mm arasındadır. ÖRNEK PROBLEM 8.1 Dökme demir silindir için, ilave ısıl gerilmeler de dikkate alınarak, emniyet gerilmesi 25 N/mm 2 alınırsa, maksimum yanma basıncı. 5,85 N/mm ise, 115 mm silindir çapı için. silindir kalınlığı; olmalıdır. Bu durumda, silindir gömleğinin kalınlığı 4 mm ise, bloktaki silindir kalınlığı 10 mm olacaktır.

62 8.2.4 SĠLĠNDĠR KAPAĞI Silindir kapakları, yanma odasının bir bölümünü oluşturmakta, dört zamanlı motorlarda, supapları. enjektörleri, bujileri, emme ve egzoz kanallarını ve soğutma suyu kanallarını üzerinde bulundurmaktadır. Şekil 8.5. Günümüzde, iyi ısıl iletkenlik ve hafiflik avantajları nedeniyle, hemen hemen bütün benzinli ve diesel otomobil motorlarının ve hava ile soğutulan bütün motorların silindir kapakları alüminyum alaşımından (ör. % 4 Cu, % 2 Ni, % 1,5 Mg, % 92,5 Al) yapılmaktadır. Su ile soğutmalı diesel kamyon motorlarının silindir kapaklan ise, gri dökme demirden yapılmaktadır. İyi yorulma dayanımı özelliği için. dökme demir alaşımları, nikel, krom ve molibden katkılardan en az ikisini içermelidir. Küçük motorlar için silindir kapak kalınlığı 5 mm. 'den az olmamalıdır. Düzgün bir plakaya benzetilerek, silindir kapağının kalınlığı hesaplanabilir. (8.3) Burada; dir. Silindir çapı 150 mm 'ye kadar olan motorların kapak kalınlığının belirlenmesinde aşağıdaki yaklaşık eşitlikler de kullanılabilir:

63 benzin motorları için; t cb =0,9 Diesel motorları için; t ch = 1,5 + 0,09 D Su ceketi kalınlığı ise, her tür motor için; t chj = 2,2 + 0,03 D Alüminyum alaşımı kullanıldığında, yukarıda belirlenen kalınlıklara 2-3 mm ilave edilmelidir. ÖRNEK PROBLEM 8.2 Bir motorda; D =115 mm P max = 5,85 N/mm 2, b = 130 N/mm 2, olduğuna göre, silindir kapağının kalınlığım belirleyiniz. ÇÖZÜM t ch = 0,434D = x SĠLĠNDĠR KAPAK CIVATALARI Silindir kapak cıvataları (veya saplamaları) genellikle krom nikelli çelikten yapılmaktadır. Silindir kapak cıvatalarına gelen kuvvet; Fb = F gmax /n b (8.4) dir. Burada; Fb : bir cıvataya gelen eksenel kuvvet, N, F g max : silindirdeki maksimum gaz kuvveti, N nb : bir silindire düşen cıvata sayısı.

64 olur. Buna göre silindir kapak cıvatasının anma çapı; dır. Bir cıvatanın eksenel çekme gerilmesi; (8.5) ve diş dibi kesit alanı; (8.6) olduğundan, bu eşitliklerden yararlanarak diş dibi çapı ve anma çapı (d b ) belirlenebilir: (8.7) (8.8) d b d br Burada; dbr: diş dibi çapı, mm, db: anma çapi. mm, dir. ÖRNEK PROBLEM 8.3 Bir motorda; D =115 mm, P max = 5,85 N/mm 2, ab= 130 N/mm 2 = 6 olduğuna göre, silindir kapak cıvatasının anma çapını belirleyiniz. n b ÇÖZÜM: Bir civataya gelen gaz kuvveti ;

65 b = 1,2 bulunur. M12 civata kullanılabilir. 8.3 PĠSTONLAR Piston, silindir içinde iki ölü nokta arasında hareket ederek zamanları meydana getiren ve çalışma maddesinin silindire alınmasını, sıkıştırılmasını, yanma sonucunda silindirde meydana gelen gaz kuvvetini biyel yardımı ile krank miline ileterek gücün oluşmasını ve arık gazların silindirden atılmasını sağlayan önemli bir parçadır. Piston, yanma zamanında meydana gelen yüksek sıcaklığa dayanabilmek' ve bu sıcaklık karşısında şekil değiştirmeden, sıkışıp kaynamadan görevine devam edebilmelidir. Ayrıca piston, yanma sonunda meydana gelen yüksek basınca da dayanabilmeli, uzun süre sıcaklık ve basınç altında normal şeklini koruyabilmelidir. Bunun için, pistonun yeteri kadar kaim ve ısı iletimi iyi malzemeden yapılması gerekmektedir. Bununla birlikte, atalet kuvvetlerini yenerek, ölü noktalan kolayca aşabilmesi için mümkün olduğu kadar hafif olmalıdır. Birbirine zıt bu özelliklerin piston üzerinde toplanabilmesi için. piston malzemelerinin özenle seçilip şekillendirilmesi gerekir. Motorlu araçlarda kullanılan pistonlar; a. Gri dökme demir b. Yumuşak dökme çelik c. Alüminyum alaşım d. Krom nikelli çelik gibi malzemelerden, genellikle döküm veya pres döküm yöntemiyle imal edilmektedir. Gri dökme demirden yapılan pistonlar aşınmaya dayanıklı olmakla beraber, gri dökme demire az miktarda çelik katıldığı zaman, dökme yumuşak çelik elde edilir ki, dayanıklılığı, aşınmaya karşı direnci ve nispeten hafifliği nedeniyle, piston yapımında tercih edilmektedir. Alüminyum alaşımdan yapılan pistonlar hafif olduklarından bu pistonlarla motor daha dengeli çalışmaktadır. Ayrıca alüminyumun ısı iletme yeteneği fazla olduğu için, ısıyı bünyelerinde tutmadan geçirirler, bu nedenle daha düşük sıcaklıklarda çalışırlar. Alüminyum alaşımdan yapılan pistonların genleşme katsayısı fazla olduğu için, bu tip pistonlarda, silindirle piston arasında, dökme demir pistonlara nazaran daha fazla boşluk verilir. Alüminyum alaşımdan yapılan pistonlar termik işlemlere tabi tutulduktan sonra elektrolitik işlemler uygulanarak piston yüzeyinde mm kalınlığında alüminyum oksit tabakası meydana getirilir. Bu tabaka pistonun aşınmaya karşı direncini artırdığı gibi, piston yüzeyinin daha iyi yağlanmasını da sağlar. Piston yüzeyinin aşınmaya karşı direncinin artmlması için

66 uygulanan diğer bir yöntem ise, piston yüzeyinin kalay veya benzeri yumuşak malzemelerle kaplanmasıdır. Piston yapımında genellikle iki değişik alüminyum alaşım kullanılmaktadır. Bunlar; 1. Alaşım Alüminyum % Silisyum % Nikel % Demir (en fazla) % 1.30 Bakır % Magnezyum % II. Alaşım dır. Alüminyum % Bakır % Nikel % Magnezyum % Demir (en fazla) % 1.00 Silisyum (en fazla) % 0.70 Diğer katkılar (en fazla) % 0: PĠSTONUN YAPISI Piston başlan genellikle düz, bombeli ve bazı dizel motorlannda çanak biçiminde yapılmaktadır. Aynca piston başını takviye etmek, gaz basıncına karşı direnci artırmak için. pistonun iç kısmına takviye kollan yapılmıştır. Bu takviye kollan, piston başmdaki ısmm segmaniar yoluyla silindir cidarma ve soğutma suyuna iletilmesine de yardım eder. Piston etek başlangıcının hemen altında bulunan piston pim yuvalan piston pimine yataklık eder. Alüminyum alaşımdan yapılan pistonlarda, pime dik eksende, mümkün olduğu kadar boşaltılmış ve motorun çalışması sırasında pistonun pim yönünde genleşip büzülmesi sağlanmıştır. Piston başında segman yuvalan bulunmaktadır. Kompresyon segman yuvalan düz olduğu halde, yağ segman yuvalannda yağ akıtma delikleri mevcuttur.

67 Pistonun tepesi yanan karışımın yüksek sıcaklıklarıyla karşı karşıyadır. Bu sıcaklıklar. Şekil 8.6 'daki grafikte de görüldüğü gibi, motorun tasarım özellikleri ve çalışma koşullanna bağlı olarak, piston tepesinin ortasında C, etek kısmında ise, C 'ye kadar ulaşmaktadır. Bu nedenle, pistonun segman bölgesi, etek kısmından daha küçük çaplı yapılırlar. Şekil 8.6 Hafif metal pistonda çalışma sırasındaki sıcaklık dağılımı. Piston eteğinin yüksek sıcaklıklar karşısında genleşmesini azaltmak, dayanımını artırmak ve deformasyonunu önlemek için, segman bölgesinin hemen alt iç kısmına, Şekil 8.7, Şekil 8.8 ve Şekil'8.9 'da, görüldüğü gibi, döküm sırasında bir takviye ve denge şeridi yerleştirilmektedir.

68 Piston tepesinden piston eteğine ısı iletimini azaltmak ve eteğin ısıl genleşmeler sonunda silindirde sıkışmasını önlemek amacıyla, etek kısmına Şekil 8.10 da görüldüğü gibi. T veya nvtersusd biçiminde bir yarık açılmaktadır.

69 Şekil "de. buji ile ateşlemeli motorlara ait. çeşitli piston tasanmlan görülmektedir. Şekil 8.11 Tipik buji ile ateşlemeli motor pistonları PĠSTON ÖLÇÜLERĠNĠN BELĠRLENMESĠ Pistonlar, üst yüzeyi ile yanma odasının bir yüzeyini oluşturmakta ve pistonlardan çok güç mekanik ve ısıl koşullarda aşağıdaki görevleri yerine getirmesi beklenmektedir: 1. Basınç enerjisini mekanik enerjiye çevirmek, 2. Silindirin krank haznesi tarafındaki yüzeyini oluşturmak, 3. İki zamanlı motorlarda emme ve egzoz portlarmın açılış ve kapanışlarını kontrol etmek Pistonlann, bu görevleri üstlenebilmesi için, aşağıdaki özelliklere sahip olması gerekir: 1. Salınım yapan kütle atalet kuvvetlerinin az olması için, hafif olmalıdır, 6?

70 2. Piston tepesi rıjit, piston pimi yuvası yumuşak, etek kısmı elastik olmalıdır, 3. Segman bölgesinde, segmanların çarpmasıyla kırılmalara engel olmak için, dayanıklı olmalıdır, 4. Özellikle piston tepesinde, ısıl dayanımı yüksek olmalıdır, 5. Aşırı sıcaklık farklarını önlemek üzere ısı iletimi iyi olmalıdır. 6. Küçük boşluk toleransları için ısıl genleşmeler az olmalıdır. Pistonlar genellikle dökme demir veya alüminyum alaşımlarından yapılmaktadır. Otomobil motorlarının pistonları genellikle alüminyum-silisyum alaşımlarından yapılmaktadır. En çok kullanılan piston alaşımı. Al Si 12 Cu Ni dir. Piston ölçülerine ilişkin notasyon. Şekil 8.12 'de verilmiştir. Radyal eğilme gerilmesi (ob r ) 'nin belirlenmesinde; (8.9)

71 eşitliği kullanılabilir. Burada; dır. D i Piston tepesinin iç çapı. mm. P max : Maksimum yanma basıncı. N/mm' t t : Piston tepesinin kalınlığı, mm. Piston yükü ile ilgili bir değer de özgül piston tepesine etki eden güçtür. (8.10) Burada; dir. Pratik olarak, özgül piston tepesi gücü, 0, ,0045 kw/mm 2 arasında alınmaktadır. Piston ölçülerinin ortalama değerleri. Çizelge 8. Tde verilmiştir. Çizelge 8.1 Piston ölçülerinin ortalama değerleri.

72 8.4 SEGMANLAR Pistonla silindir arasında boşluk bulunması zorunlu olduğundan, pistonlar gazları silindirde yalıtamazlar. Segmanların görevi, silindirdeki basınçlı gazların kartere kaçmasını engellemek ve piston başındaki ısıyı silindir gömleğine iletmektir. Segmanlar yüksek sıcaklıklarda ve oldukça değişen yükler altında çalışırlar. Segmanlar aşınma kalitesinin iyiliği ve yaylanma özelliklerini çalışmaları sırasında karşılaştıkları sıcaklıklarda korumaları nedeniyle, dökme demir, dökme demir alaşımı veya alaşımlı çelik malzemelerden imal edilirler. Segmanlar o şekilde imal edilirler ki. gerilimsiz yani serbest durumda iken dairesel değildirler. Görev yapacak konumda iken, silindir yüzeyine Şekil te görülen radyal basınçları uygularlar. Segmanlar, Şekil 8.14 'de görüldüğü gibi, kompresyon segmanı ve yağ segmanı olmak üzere iki grupta sınıflandırılırlar. Segmanların temel imalat ölçüleri, silindir çapının radyal segman kalınlığına oranı, serbest durumdaki segman ağız aralığının radyal segman kalınlığına oranı ve segman genişliğidir. Segman tasarımı; Segmanlarla silindir yüzeyi arasındaki sürtünmeyi ölçülebilir düzeyde artırmadan silindir yüzeyine uygulanacak ortalama segman basıncının belirlenmesi. Segmanın çevresel basınç eğrisinin çizilmesi, Pistona takılı ve çalışma durumunda iken, segman ağzının karşısındaki kesitte meydana gelen gerilmenin belirlenmesi, Montaj boşluklarının tanımlanması. konularını içermektedir.

73 Segman ağız aralığı, genellikle 0.010, 0,015 D kadar alınır. Segman yuvası aksiyal boşluk 0.05 mm kadardır. Kompresyon segmanlarının sayısı ve aksiyal yükseklikleri Çizelge 8.2 'de verilmiştir. Çizelge 8.2 Kompresyon segmanlarının sayısı ve aksiyal yükseklikleri. Motor tipi Taşıt benzin motorları Taşıt diesel motorları Segman adedi Aksiyal yükseklik (mm) , PĠSTON PĠMLERĠ Piston pimleri, piston kuvvetini biyele aktaran elemandır. Piston pimleri nitrürlü çelikten sertleştirilerek yüzeyi düzgün işlenmiştir. Piston pimlerinin boyutlandırılmasında kullanılan notasyon, Şekil 8.15 'te verilmiştir. Pimlerin boyutlandırılmasında aşağıdaki yaklaşık değerler kullanılabilir:

74 DıĢ çap; Benzin motorları için Diesel motorları için d 0 d 0 0,28 D 0.4 D Pim boyu (her iki tip motor için) L 0.85 D Piston pimlerinin dış çap hesabında yeni bir yaklaşım, müsaade edilen basıncının dikkate alınmasıdır. Burada; Fmax- Yanmaya bağlı maksimum gaz kuvveti, N, P max : Silindirdeki maksimum gaz basıncı. N/mm' D : Piston çapı, mm, c : Pistondaki pim yatağı uzunluğu, mm dir. Bu durumda piston piminin dış çapı; (8.11) (8.12)

75 (8.13) olacaktır. Pistonda iki adet pim yatağı bulunduğundan; (8.14) alınabilir. Piston pimi yüzey basıncı N/mm" arasında olmalıdır. Eğilme kontrolü: (8.15) olmalıdır. Burada; f : eğilme miktarı, mm, fmax : maksimum eğilme miktarı, mm, (Şekil 8.16 'den alınacaktır), a : gaz kuvvetlerinin etki noktaları arasındaki mesafe, mm, E : çeliğin elastikiyet modülü, I : pimin düzlemsel atalet momenti, k : düzeltme faktörü, dır. b : biyel pim yatağının genişliği, ( L/2), Ovallik kontrolü: (8.16 Ortalama pim yarıçapı : r = İ L : pimin uzunlamasına kesitinde düzlemsel atalet momenti, (8.17)

76 Şekil 8.16 Piston pimleri için müsaade edilen maksimum eğilme ve ovallik değerleri. Eğilme gerilimi; (8.İ8) Ovalleşme ile ilgili eğilme gerilimi: (8.19) Her iki gerilme birlikte tek bir gerilme ile ifade edilebilir: (8.20)

77 ÖRNEK PROBLEM 8.4 Bir benzin motoru ile ilgili olarak aşağıdaki değerler verilmiştir. P = max 50bar = 5 N/mm 2, D = 80 mm Bu motorda kullanılabilecek piston piminin boyutlarını belirleyiniz. ÇÖZÜM:" 1. Pim çapı d o = 0, = 22,4 mm 2. Pim boyu L = 0, mm Pim çapı diğer yoldan, 40 N/mm 2 yüzey basıncı için; 2c = 69/2 = 34,5 mm Eğilme kontrolü: = 0,04 mm Şekil 'da, f max = 0 ; 045 mm olduğundan, f f max

78 'tır. Ovallik kontrolü:

79 Şekil 8.16 dan, Δd max = mm olduğundan, bulunan değer fazladır (Δd durumda, iç çap 15 mm yerine 14 mm alınmalıdır. Δd max ). Bu 8.6 BĠYELLER Biyel, pistonu kranka bağlar ve piston üzerine gelen gaz kuvvetini krank miline iletmeye yarar. Pistonun doğrusal hareketini, ana milde dairesel harekete dönüştürür. Biyele piston kolu da denmektedir. Genellikle bugünkü motorlarda piston kollan ( I ) şeklinde yapılmıştır. Biyeller gerilme dayanımları N/mm 2 olan yan sert karbonlu çelikten veya krom-nikelli çelikten yapılmaktadır. Ani darbeler karşısında eğilmeye, burulmaya dayanıklıdır. Pres altında, kalıp içinde dövülerek yapılırlar. Şekil 8.17 'de, piston-biyel mekanizması görülmektedir. Şekil 8.17 Pistonlu, pimli, segmanlı ve kusinetli komple biyel (piston kolu).

80 8.6.1 BĠYEL AYAĞI Biyel ayağı (küçük taraf) genellikle Şekil 8.18 'de de görüldüğü gibi iki tiptir: 1. Biyel piston pimi üzerinde serbest: Biyel ayağı içerisine preste sıkı olarak bronz bir burç geçirilir. 2. Piston pimi biyel ayağında sabit: Pim, yatak içinde dönemeyecek şekilde biyele sıkı geçirilir. Bazılarında ise bir cıvata ile sabitleştirilmiştir. Bu durumda, pime pistondaki pim yuvası yataklık eder. Biyel ayağında piston pimi ve burcu motor çalışırken sıçrayan yağlarla ve biyeldeki yağ deliğinden gelen yağla yağlanır. Biyel ayağı deliği ile burç deliğinin aynı hizada olmasına önem verilmelidir. Burçlarda yağ boşluğu mm mm arasında olmalıdır. Şekil 8.18 Biyel ayağı tipleri BĠYEL BAġI Biyel başı (büyük taraf) genellikle iki parçadan ibarettir ve içerisinde kusinet adı verilen iki parçalı yatak bulunur, Şekil Biyel başı krank muylusu üzerinde çalışır. Krank muylusuna biyel başının çeliği temas etmez. Biyel başı yuvasındaki iki parçalı yatak temas eder. Yatak yumuşak malzemelerden yapılmıştır. Biyel başı yatağını sıkan cıvata ve somunları yüksek dayanıklı çelikten yapılmıştır. Gerilmelere dayanıklıdır, uzama katsayısı yüksek olan çeliktir. Cıvata somunları uygun torkta sıkılmalıdır.

81 Şekil 8.19 Komple biyel kesiti Biyel başı yatak yuvalan oval ve konik olmamalı silindirik olmalıdır. Ovallik ve koniklik miktarı 0.05 mm 'yi geçmiş ise mutlaka kep ağızlarından alınarak yuvalar standart ölçüde taşlanmalıdır. Biyel başı ile krank muylusu arasındaki gezinti boşluğu motorun çalışmasına çok fazla etki eder. Motorun sıkışmasına sebep olabilir. Bu nedenle gezinti miktarı sentille kontrol edilmeli, gerekirse yatak veya biyel kolu değiştirilmelidir BĠYELĠN BOYUTLANDIRILMASI Biyel boyu, krank biyel oranı (X) ile belirlenebilir. Günümüz motorlarında bu oran λ 1/3,4 kadardır. Biyel, çekme, basma ve eğilme gibi farklı zorlamalarla karşılaştığından, Şekil 8.20 'de de görüldüğü gibi, dört kesitte incelenecektir. Biyel başındaki A - A kesitinde, çekme gerilmesi;

82 Şekil 8.20 Biyel boyutlarının belirlenmesi. (8.21) B - B kesitindeki eğilme gerilmesi; (8.22) Biyelin en dar yeri olan C - C kesitindeki basma gerilmesi; (8.23) Biyel başındaki D - D kesitindeki eğilme gerilmesi de;

83 bd (8-24) Burada; F 04 : Pistonun ÜÖN'da oluşan maksimum atalet kuvveti, N, F 0 4 = m 4 r 2 (l+ ), F BJ : Piston ve biyelin O.Ö.N.'da oluşan maksimum atalet kuvveti, N, F BJ = (m 4 + m 3 )r 2 (l+ ), A A : A-A kesitinin alanı, mm 2, r s, r b : Küçük ve büyük taraftaki.kuvvet aralıkları, mm, M bb : B-B kesitinin eğilme kesit modülü mm 3, M b i): D-D kesitinin eğilme kesit modülü mm 3 dir. Biyel başındaki E - E kesitinde iki adet biyel cıvatasına uygulanan çekme gerilmesi; ve diş dibi kesit alanı; (8.25) (8.26) olduğundan, bu eşitliklerden yararlanarak diş dibi çapı (db r ) ve anma çapı (db) belirlenebilir: (8.27)

84 Burada; d br diş dibi çapı, mm, d b : anma çapı, mm, dir. Çekme gerilmesi ( t ), yüksek hızlı motorlar için müsaade edilen 50 N/mm 2 değerinden fazla olmamalıdır.

85 Biyel burcunun kalınlığı; (8.28) kadardır. Şekil 8.21.Bulunan değere en yakın ölçüdeki Standard burç seçilir. Şekil 8.21 Biyel burcunun kalınlığı. 8.7 KRANK MĠLLERĠ Motorun ana milidir, Şekil Krank milleri, gerilme dayanımları N/mm' olan ıslah çeliğinden dövülerek yapılırlar. Bir seri tornalama işlemleriyle biçimlendirildikten sonra aşınma, burulma ve eğilmeye karşı dayanıklılığını artırmak amacıyla ısıl işlemler uygulanarak muylu yüzeyleri sertleştirilir. Son olarak muylular taşlanıp parlatılarak Standard ölçülerine getirilir. Şekil 8.22 Dört silindirli bir motorun krank mili.

86 Krank milinin görevleri şunlardır: 1. Pistondan biyel yardımıyla aldığı doğrusal hareketi dairesel harekete çevirir ve arka acuna flanş yardımıyla bağlanan volan aracılığıyla motor gücünü kavramaya verir. 2. Güç zamanı dışında, biyel ve pistona hareket verir. 3. Üzerindeki kasnak ve/veya dişli yardımıyla su pompasına ve kam miline hareket verir. Bir krank milinde en az iki ana muylu ile bir veya iki krank bulunur, biyeller krank kollan arasında bulunan muylulara bağlanır. Biyel muylularının karşısına yerleştirilen karşı ağırlıklar biyel muylularında meydana gelen merkezkaç kuvvetleri dengelemek içindir. Bazı krank millerinin biyel muylularında oyuklar vardır. Bu sayede muylu ağırlığı düşürülerek merkezkaç kuvvetler de o oranda azaltılır. Krank milleri blokta bulunan ana yataklara ana muylular yardımıyla bağlanır. Esas olarak krank milinin iki ucunda ana muylu olmakla beraber motorun silindir sayısına ve modeline göre orta kısmında da bir veya daha fazla ana muylu bulunabilir. Krank mili ana muylularından birinin iki yan yüzü temiz işlenmiştir. Kılavuz muylu denilen bu muyluya yaslanma yüzeyli kılavuz yatak kusinetleri takılır ve krank milinin eksenel gezintisi bu yatak yardımıyla sınırlandırılır. Biyel yatakları basınçlı yağ ile yağlanan motorlarda ana muylulardan biyel muylularına Şekil 8.23'de görüldüğü gibi çapraz yağ delikleri açılmıştır. Şekil 8.23 Krank mili.

87 Bir krank milindeki ana muylularla biyel muyluları, muylu çapları ve genişlikleri, motorun silindir sayısına, motorun gücüne ve modeline göre değişik biçim ve ölçülerde yapılabilir KRANKTA MEYDANA GELEN GERĠLMELER ve BOYUTLANDIRILMASl Krank milinin boyutlandırılmasına ilişkin notasyon Şekil 8.24 'de verilmiştir. Şekillerde, a: ana muylular arasındaki mesafeyi, a/2: ana muylu ile kol muylusu arasındaki mesafeyi, w x : krank kolu eksenel kalınlığı, w y : krank kolu genişliğini, d: ana muylu çapını ve j x 'te ana muylu boyunu göstermektedir. Şekil 8.25 Krank miline gelen yükler.

88 Krank mili ölçülerinin ortalama değerleri. Çizelge 8.3"te verilmiştir. Çizelge 8.3 Krank mili ölçülerinin ortalama değerleri. Boyutlar Benzin motorları Diesel motorları Kol muylusu çapı (d) 0,6 D 0,7 D Ana muylu çapı (d) 0,68 D 0,75 D Kol muylusu uzunluğu (j cx )' 0.3 D 0,3 D Ana muylu uzunluğu (j mx ) 0,32 D 0,35 D Krank kolu kalınlığı (w x ) 0,28 D 0,3 D Krank kolu genişliği 0,72D 0.79D Muylu çapı. (8.29) Burada; d : Ana muylu ve kol muylusu çapı, M d : Maksimum ortalama döndürme momenti, cm: Burulma emniyet gerilmesi (kırılma dayanımı 500 N/mm" olan çelik için, s, = 30 N/mm" alınır), dır. Kol muylusundaki eğilme gerilmesi: (8.30) yazılırsa; (8.31) olur. Burada; F G : Maksimum gaz kuvveti, N, a : Ana muylular arasındaki mesafe, mm, d : Kol muylusunun çapı, mm, dir. Krank kolundaki eğilme gerilmesi;

89 (8.32) yazılırsa; (8.33) olur. Burada; F (; : Maksimum gaz kuvveti, N, j x : Kol muylusunun uzunlusu, mm, w x : Krank kolunun eksenel kalınlığı mm, w y : Krank kolunun genişliği, mm, dir. 8.8 SUPAP MEKANĠZMASI VE SUPAPLAR Supap mekanizmasının parçalan şunlardır, Şekil 8.26;

90 1. Supaplar 2. İtici çubuklar 3. İticiler 3.1 Mekanik iticiler 3.2 Hidrolik iticiler 4. Supap yaylan 5. Külbütör tertibatı 6. Kam mili 7. Kam mili hareket mekanizması SUPAPLAR Motorlarda her silindir için biri emme, diğeri de egzoz olmak üzere en az iki supap bulunur. Ancak, Şekil 8.27 'de görüldüğü gibi, günümüzde dört supap uygulaması yaygınlaşmaktadır. Emme supapları, emme zamanında açılarak, taze karışım veya havanın silindire alınmasını, egzoz supapları ise, egzoz zamanında açılarak, yanmış egzoz gazlarının silindirden atılmasını sağlarlar. Supaplar, yay tablası ve supap başı bakımından değişik şekillerde yapılırlar. Günümüzde en çok kullanılan supap tipi, mantar başlı ve tırnaklı olandır. Supapların darbe tesirlerini azaltmak için, supap tablası oyularak hafifletilir. Büyük çaplı supapların içerisi oyularak sodyum doldurulmuştur. Supap otuma yüzeyleri, 30, 45, 60 derece olarak taşlanır. Gaz akışının çok önemli olduğu uygulamalarda, otuma yüzeyi açılan 30 hatta 15 derece olabilir. 60 derecelik oturma yüzeylerinde daha az karbon birikintisi görülür, ancak, yeterli gaz geçiş yüksekliğini sağlayabilmek için, supapların daha fazla kalkması gerekir. 45 derece oturma yüzeyinin özellikleri 30 ve 60 derecelerdeki özelliklerin arasında yer almaktadır. Bu nedenle, otomotiv uygulamalarınnda çoğunlukla her iki supabın yüzey açıları da 45 derecedir. 45 derecenin bir avantajı da işleme kolaylığıdır. Şekil 8.27 Dört silindirli ve 16 supaplı bir motorun silindir kapağının alttan görünüşü.

91 Supaplar genellikle austenitik çelikten dövülerek yapılır. Bazı yüksek performanslı motorların egzoz supapları ise, yüksek kromlu ve manganezli paslanmaz çelikten yapılarak, oturma yüzeyleri tungsten-kobalt kaplanır. Tam yükteki çalışmalarda, supap tablasında sıcaklıklar egzoz supaplarında 800 C 'ye, emme supaplarında 500 C 'ye kadar yükselebilmektedir. Bu nedenle, genel olarak, kullanılacak çeliğin kopma geriliminin 800 C 'de 20 kg/mm" den aşağı düşmemesi istenir. Ayrıca egzoz gazlarının etkisi altında paslanmamalıdır. Egzoz supapları krom-kobaltlı özel çelikten, silisyum volframlı özel çelik ya da krom-nikelli çeliklerden yapılırlar. Supap tablasından sapa doğru ısı iletimini iyileştirmek amacıyla, tabladan itibaren sapın içerisine açılan oyuğa, 2/3 oranında metalik sodyum doldurulur. Sodyum yaklaşık olarak 98 C'de erimektedir. Çalışma sıcaklıklarında sıvılaşan sodyum, boşluk içerisinde aşağı yukarı akarak, ısıyı sıcak supap başından daha soğuk olan sap bölgesine taşır. Supap sapının kılavuz içerisinde yapışmasını önlemek üzere, sap üzerine karbon kazıyıcı çevresel bir oyuk açılır. Bir başka yöntem de supapların yuvasında dönmeleri sağlanır SUPAP YUVASI (BAĞA) Egzoz supabı gibi, egzoz supabının yuvası da, egzoz portundan geçen egzoz gazlarının yüksek sıcaklıklarının etkisi altındadır. Bu nedenle, genellikle ısı direnci yüksek alaşımlı çeliklerden yüzük biçiminde yapılarak, yuvalarına sıkı geçirilirler. Sert ve ısı dirençlerinin yüksek olması nedeniyle, blok veya silindir kapağı malzemelerine oranla daha uzun ömürlü olurlar. Aşındıklarında veya biçimleri bozulduğunda, değiştirilebilirler. Supabın bağaya oturduğu yüzeyler, bazı motorlarda, oturmayı iyileştirmek amacıyla supap yüzey açısından Î4...1 derece daha büyük açılı, yani 45 derece için, derece yapılır.iyi bir tasarımda baga yükseklikleri 1,5...2,5 mm kadar küçük olabilir GAZ KANALLARI (PORTLAR) VE SUPAP ÖLÇÜLERİ Port tasarımı, supap boyutlan ve açılma miktarı, silindir kapağı ve manifold konfigürasyonları gibi faktörlere bağımlıdır. Şekil 8.28'de, iyi bir örnek görülmektedir. Gazların geçişi için yeterli alarmı bulunmasının gerekliliği yanında, supap sapının sıcak egzoz gazlan ile temas yüzeyini azaltmak üzere, boğaz derinliği port çapının 0,75 'inden fazla olmamalıdır. Akışa direnç göstermemesi için, akış kanalı da en az port kadar geniş olmalıdır. Paralel konumlu supaplarda supap tablası çaplan;

92 Şekil 8.28 İyi bir port tasarımı. Supap sapı çaplan; Yüksek hızlı motorlarda: d st Düşük hızlı motorlarda: d st 0,25...0,35 d 0,15...0,25 d Supap oturma yüzeyinin genişliği: 1,5...2,5 mm kadardır. Supap tablası çapının port çapma oranı: 1,15/1 Supabın maksimum kalkma yüksekliği, geçiş kesit alanının port alanına eşit olması gerektiği düşüncesinden hareketle, Şekil 8.29'un yardımıyla; ve alınarak; h max d 0 / 4... d 0 / 6 (8.34) eşitliğiyle belirlenebilir. Pratikte, maksimum kalkma yükseklikleri, h max = do/6... do/4 arasındadır. Ortalama gaz hızı (c gm ), silindirdeki hacimsel debi ile supap geçiş kesitindeki hacimsel debinin eşit olması gerektiği ilkesinden yararlanılarak;

93 Şekil 8.29 Supap ölçüleri. c gm Cos γ d o h max = c m D2/4 ve buradan elde edilen; (8.35) eşitliğiyle hesaplanabilir. Burada; c gm.: Supap aralığındaki gaz hızı, m/s, γ : Oturma yüzeyinin eğimi,, h max -Supap kalkma yüksekliği, m, c m : ortalama piston hızı(c m = H n / 30), m/s, H : Strok, m, D : Silindir çapı, m. dir. c gm değerleri; arasındadır. Emme supaplarında m/s Egzoz supaplarında m/s Ortalama gaz hızı eşitliği sadeleştirilerek, supap açılma alanı için;

94 A v = d o h Cos γ eşitliği yazılabilir KAMLAR Kam. dönme hareketini doğrusal harekete çeviren bir makina elemanıdır. Kam üzerinde bir veya daha fazla yüksek nokta bulunur ve kendisi ile sürekli temas halindeki itici, kam döndükçe kendisinden uzaklaşır ve kendisine yaklaşır. Esas olarak kamlardan oluşan mile kam mili denmektedir. Otomotiv kam milleri, krank milinin yansı hızda dönerler ve emme ve egzoz supaplarının açılıp kapanmalarını kontrol etmek üzere kullanılırlar. Kam mili üzerinde ayrıca, besleme pompasına, yağ pompasına, distribütöre veya yakıt enjeksiyon pompasına hareket veren eksantrik ve dişliler de bulunmaktadır. Kam milleri, üst kartere veya silindir kapağının üstüne yerleştirilmektedir. Şekil Supap mekanizmasındaki elemanların hareketi, kamın çevresel yüzeyi, yay taşanını ve hız olmak üzere, üç faktöre bağımlıdır. İdeal olarak, supap çabuk açılmalı, yeterli derecede açık kalmalı ve çabucak kapanmalıdır. Ancak, açılma sırasında supap mekanizması elemanlarının aşın yüklenmelerinden kaçınmak için, fazla ivmeden kaçınılmalıdır. Aynı zamanda, supap tam açık konuma yaklaşırken de aşın yavaşlamadan kaçınılmalıdır. Ayrıca, kapanma konumuna yaklaşırken, kolay kapanmayı sağlamak için, yavaşlama ivmesi yeterince fazla olmalıdır. Gürültüsüz çalışma da bir başka beklentidir. Hızlanma ve yavaşlama ivmeleri kam profilinin fonksiyonudur. Düzgün supap hareketi için, ivme eğrisinde keskin değişimler olmamalıdır. Keskin değişimler, darbe yüklerinin oluşmasına sebep olmaktadır. Günümüzün yüksek hızlı motorlarında. Şekil 8.3 'de görülen harmonik kam diyagramlarından (yer değiştirme, hız ve ivme) yararlanılmaktadır ĠTĠCĠNĠN KALKMA EġĠTLĠKLERĠ İtici, 1. daire yayma teğet iken; kam açısı ı = O dan, ımax' a değişir. İticinin bu bölgedeki yer değiştirme miktarı; S f1 =b ı (1 -Cos ı ) (8.37) eşitliğiyle hesaplanabilir. İtici, 2. daire yayma teğet iken; kam açısı 2 = ı max 'tan, 0 'a değişir. İticinin bu bölgedeki yer değiştirme miktarı; (8.38)

95 Şekil 8.30 Harmonik kam eğrileri. olur. (8.37) ve (8.38) no'lu eşitliklerin yardımıyla. Şekil 8.30'dagörülen harmonik kam yolu eğrisi çizilebilir. İtici hızlan ise, yer değiştirme eşitliklerinin zamana göre birinci türevleridir. Buradan: (8.39) (8.40) c : Kam milinin açsal hızı ( ), b 1, b 2 : merkezler arası mesafeleri Şekil 8.31 de dir.