OTEKON Otomotiv Teknolojileri Kongresi May s 2014, BURSA. Mehmet Yener Akdo an , Emre Esener , Süphan Ercan , Mehmet F rat *

Transkript

1 OTEKON Otomotiv Teknolojileri Kongresi May s 2014, BURSA SK T B R JANTIN KÖ ELEME YORULMA DAVRANI ININ SONLU ELEMANLAR ANAL LE NCELENMES Mehmet Yener Akdo an *, Emre Esener **, Süphan Ercan ***, Mehmet F rat * * Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl., SAKARYA ** Bilecik.E. Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine ve malat Müh. Böl., B LEC K *** Ege Vitrifiye, Tool Design and Manufacturing Dept., ZM R ÖZET Jant üretimi ve testleri otomotiv yan sanayinde önemli yer tutan üzerine çal lmas gereken konular n ba nda gelir. Nitekim jant üretimi, içinde birden fazla üretim yöntemi ve mühendislik problemi bar nd ran, yenilikçi çözümlere ihtiyac olan bir konudur. Jantlar kullan m ömürleri boyunca yorulma yüklerine maruz kald klar için, yorulma testleri büyük önem arz etmektedir. Ancak günümüz teknolojisinde fiziksel testlerin yan s ra sonlu elemanlar analizleri de üretimde önemli yer tutmaya ba lam r. Bu çal mada, 17,5 tubeless bir jant n kö eleme yorulma testleri ve sonlu elemanlar analizleri gerçekle tirilmi tir. Yap lan simülasyonlar sonucunda jant n kö eleme yorulma dayan n yakla k çevrim oldu u görülmü tür. Yap lan fiziksel testlerde jant n ayn yüklemeyle çevrimde düzlem bölgesinden çatlad tespit edilmi tir. Anahtar kelimeler: Yorulma analizi, sonlu elemanlar yöntemi, jant. INVESTIGATION OF CORNERING FATIGUE BEHAVIOUR OF DISC TYPE WHEEL RIM WITH FINITE ELEMENT ANALYSIS ABSTRACT Wheel rim manufacturing and experiments are extremely important in automotive industry. However, wheel rim manufacturing has incremental processes and engineering problems. Fatigue loading is critical for wheel rims therefore experiments and finite element analysis are also important to determine the fatigue behaviour of the rim. In this study, a 17,5 wheel rim is investigated by cornering fatigue tests and finite element analysis. As a result of finite element analysis cycles are determined as the cornering fatigue strength of the rim and experiments are reached up to cycles. Keywords: Fatigue analysis, finite element method, wheel rim. 1. G Dünyada otomotiv endüstrisi ve yan sanayi, üretimin lokomotifi görevini üstlenmi tir. Türkiye de de otomotiv yan sanayi konusunda önemli faaliyetler yürütülmektedir. Jant konusu da, otomotiv yan sanayinde önemli yer tutan üzerine çal lmas gereken konular n ba nda gelir. Nitekim jant üretimi, içinde birden fazla üretim yöntemi ve mühendislik problemi bar nd ran, yenilikçi çözümlere ihtiyac olan bir konudur. Her geçen gün daha fazla arac n piyasaya ç kt dü ünülürse, artan rekabette mücadele etmenin yolu, yenilikçi çözümlerden geçer. Günümüz artlar nda en kaliteliyi, en ucuza ve en h zl ekilde üretmek önem kazanm r. Jantlar yap itibariyle farkl kuvvetlere maruz kalan, arac n en önemli parçalar ndand r. Jantlar kullan m amaçlar na ve estetik kayg lara göre farkl yöntemlerle üretilebilirler. Döküm ve sac ekillendirme yöntemleriyle üretilen jantlarda, ek olarak tala imalat; kaynak, e mebükme gibi sac i leme yöntemleriyle ekstra i lemler yap labilir. Jant n üretim yöntemi ne olursa olsun, maruz kald klar kuvvetler ayn r. Bu parçalar hareket halindeyken arac n seyrini ve can güvenli ini etkileyen elemanlar olduklar için, üretimlerine daha fazla dikkat 1

2 edilmesi gerekir. Bu nedenle jantlara çe itli testler uygulan r. Ba ca uygulanan jant testleri u ekilde s ralanabilir [1]; Radyal yorulma testi Kö eleme yorulma testi Darbe testi ki eksenli yorulma testi Jantlar kullan m ömürleri boyunca yorulma yüklerine maruz kald klar için, yorulma testleri büyük önem arz etmektedir. Bu testler d nda, jant malzemelerine çekme deneyi, sertlik deneyi gibi temel malzeme testleri de uygulanabilir. Uygulanan testler, ürünün kalite ve geli imini art raca gibi, ürün maliyetini de dü ürecektir. Ancak günümüz teknolojisinde fiziksel testlerin yan s ra sonlu elemanlar analizleri de üretimde önemli yer tutmaya ba lam r. Sonlu elemanlar metodu k saca, karma k geometrilere sahip lineer veya nonlineer cisimlerin, basit yap lar na bölünerek, tan mlanan yükler alt ndaki davran lar n çözümlendi i yöntemdir [2]. Jant analizlerinde sonlu elemanlar simülasyonlar tercih edilen yöntemlerin ba nda gelir. X. Wang ve X. Zhang yapt klar çal mada, çelik bir janta dinamik kö eleme testi uygulam ve bu testin sonlu elemanlar analizini gerçekle tirmi lerdir. Bunun sonucunda jant n disk bölümünde k lma veya hasar n beklenenden daha önce olu abilece i öngörmü lerdir [3]. Y. Liu ve arkada lar yapt klar çal mada bir tren tekeri için çok eksenli yorulma analizlerini incelemi lerdir. Deneysel yöntemler, sonlu elemanlar yöntemleri ve bir yan t yüzey yöntemi olan Monte Carlo yöntemiyle çözüm yapm lard r. Monte Carlo yönteminin deneysel verilere %90 s nda yakla görmü lerdir [4]. Jant analizi için analitik çal malar da yap lm r [5, 6]. U. Kocab çak ve M. F rat yapt klar çal mada jant kö eleme testi için matematiksel model olu turmu, olu turduklar model için lineer elastik sonlu elemanlar analizi ve elasto-plastik sonlu elemanlar analizi kullanm lard r. Lineer elastik sonlu elemanlar analizinde jant n havaland rma deliklerinin kö elerinde, ba radüs kö e noktas nda ve bijon bölüm dairesi kenarlar nda incelemeler yapm lard r. Sonuçta fiziksel test sonuçlar ile analiz sonuçlar aras nda %11 lik bir sapma oldu u tespit etmi lerdir [5]. Jantlar n maruz kald yüklerden birisi de darbedir. C.L. Chang ve S.H. Yang, jant için darbe testinin sonlu elemanlar modelini olu turmu lard r. Ayn jant n darbe testini ve testin sonlu elemanlar analizini gerçekle tirmi lerdir. Sonuç olarak sonlu elemanlar analizinin fiziksel testle örtü tü ü tespit edilmi tir [7]. Yorulma, jantlar n maruz kald en önemli zorlanmalardand r. M.M. Topaç ve arkada lar yapt klar çal mada a r vas talarda kullan lan bir jant n yorulma ömrünü sonlu elemanlar analiziyle tespit etmeye çal lard r. Gerilmelerin olu tu u bölgeler, fiziksel testlerde ve sonlu elemanlar yönteminde benzerlik göstermi tir. Havaland rma kanallar n kö elerinde ve bijon deliklerinin kö elerinde gerilme y lmalar olu mu tur. Öte yandan sonlu elemanlar analizi ile elde edilen sonuçlar n fiziksel test sonuçlar na %75 oran nda yakla klar görülmü tür [8]. Y. L. Hsu ve M.S. Hsu yapt klar çal mada, disk tipi alüminyum bir jant için kö eleme yorulma s r artlar alt nda a rl k azaltma problemini incelemi lerdir. Bunun için ard k sinir a yap yakla kullanm lard r. Sonuç olarak a rl k azaltma deliklerinin yerini bu yöntemle tespit ederek, bu yöntemin türev tabanl nümerik yakla m algoritmalar ndan daha pratik ve etkili olma potansiyelinde oldu u sonucuna varm lard r. [9] M. Carboni ve di erleri yapt klar çal mada, kamyon jant nda üretim prosesinin ve servis yüklerinin yorulma ömrüne etkisini incelemi lerdir. Yapt klar deneysel ve nümerik çal malar kar la rm lar, deneysel verilerin çatlak derinli i artt kça farkl k gösterdi ini tespit etmi lerdir. Çatlak derinli i artt kça, kulland klar Nasgro yaz n ön gördü ü ömrün deneysel verilerden daha az oldu u tespit edilmi tir.[10] L. Wang, Y. Chen, C. Wang ve Q. Wang, dönel yorulma testinin simülasyonunu yapt klar çal malar nda, alüminyum bir jant incelemi lerdir. Abaqus yaz yla sonlu elemanlar metodu modeli olu turulmu, hasar bölgelerinin fiziksel testlerdekiyle benzerlik gösterdi i tespit edilmi tir. [11] N. Satyanarayana ve C. Sambaiah, radyal yükleme alt nda alüminyum ala m jantlar n statik analizini ve yorulma analizini yapm lard r. Sonuç olarak ad geçen janta ait gerilme-çevrim e risi ve yüklemenin de mesinin çevrim say na etkisini incelemi lerdir. Hasar bölgelerinin jant havaland rma kanallar nda meydana geldi ini tespit etmi lerdir. [12] Literatürde yine jantlarla ilgili yap lm deneysel çal malar da mevcuttur. P. Li, D. M. Maijer, T.C. Lindley ve P.D. Lee yapt klar çal mada alüminyum döküm jant n üretim proseslerini ve tekrarl çevrimlerdeki yorulma dayan incelemi lerdir. [13]. Bu çal mada, 17,5 tubeless minibüs jant n kö eleme yorulma testleri ve sonlu elemanlar analizleri gerçekle tirilmi tir. 2. MALZEME ve YÖNTEM ncelenen jant iki parçadan olu maktad r. Her iki parça MAG-135 kaynakla birle tirilmi tir. Jant n ematik gösterimi ve kat tasar ekil 1 ve ekil 2 de görülmektedir. 2

3 ekil 1: ncelenen janta ait gösterim. Lasti in sar ld çember k sm 6 mm kal nl nda EN-S275JR çelik sacdan yap lm r. Jant çelikleri, yap sal çelikler s nda incelenmektedir. Poyran n ba land disk k sm ise 10 mm kal nl nda S275JR sacdan yap lm r. Sac malzemenin v-çentik eksenel darbe testi de eri 27 J (200 o C) dür [14]. Disk ve çember 4.5x4.5mm boyutunda MAG 135 kalite gaz alt kaynakla birle tirilmi tir. Ø1,6, SG-2 kalite kaynak teli kullan lm r. S275JR sac n ve kaynak telinin mekanik özellikleri Tablo 1 de verilmi tir. Tablo 1: Kullan lan malzemelerin mekanik özellikleri [14-15] a Uzama v E k (%) (GPa) (MPa) (MPa) K.T S275J RC ,3 200 a :Akma gerilmesi k : Kopma gerilmesi v: Poisson oran E: Elastisite modülü K.T. : Kaynak teli ekil 1: Poyra tasar. Sonlu elemanlar yaz na jant ve poyra montaj edilmi halde aktar ld. Aktar lan geometrilerin ba lant noktalar ve malzeme özellikleri her bir geometri için yaz ma tan mland. Aktar lan montaj sistemi için a yap olu turuldu. Olu turulan a yap nda toplamda eleman ve dü üm noktas elde edildi. Eleman boyutlar bijon deli i kenarlar, sibop deli i kenar, jant kö e radüsü gibi hassas noktalarda daha küçük olacak ekilde tan mland. ekil 6 da sistemin a yap görülmektedir. ekil 2: Jant ve poyra için olu turulan a yap. Daha sonra s r ko ullar belirlendi. Jant tasar m ve testlerinde Avrupa Jant Üreticileri Birli i (EUWA) nin istedi i kriterler dikkate al nd. Test standard olarak EUWA ES-3.11 kriterleri [16] izlendi. Kö eleme yorulma testinin ematik gösterimi ekil 5 te verilmi tir. ekil 2: ncelenen jant n kat tasar. 3. SONLU ELEMANLAR ANAL ZLER Kat tasar gerçekle tirilen jant n sonlu elemanlar analizleri Ansys Workbench yaz nda gerçekle tirilmi tir. Kullan lan tubeless jant için 250 mm uzunlu unda bir poyra tasarland. Tasar yap lan poyra ekil 3 te görülmektedir. 3

4 Olu turulan model için statik analiz gerçekle tirilmi, toplam deformasyon ve e de er gerilme de erleri incelenmi tir. ekil 5: Disk tipi jantlar n dinamik kö eleme yorulma testi için yükleme ve ba lama durumlar n ematik gösterimi [16] Kö eleme testi için jant n ön yüzeyi sabit tutuldu ve poyran n en uç noktas ndan, jant n tasar nda esas al nan, 1800 kg l k yük uyguland. Bunun için EUWA standard ndaki bükme momenti de eri hesapland. Hesaplamalarda kullan lan e itlik; M R d F (1) S dyn Burada; M: Bükme momenti, µ: lastik ile yol aras ndaki sürtünme katsay, R dyn : jant n dinamik yar çap, d: jant merkezi ile disk aras ndaki ofset mesafesi, F v : Jant yükleme oran (dü ey kuvvet) ve S: Test ivme faktörüdür. Dinamik kö eleme yorulma testinde, hesaplanan bükme momentinin tamam uygulanmamaktad r. Jant diskinin tipine göre ve üreticinin iste ine göre hesaplanan momentin %50-%75 i veya %40-%60 uygulan r. Bu çal mada, ise hesaplanan momentin %71 i uygulanm r. Bu moment 9.76 knm lik bir de ere kar k gelmektedir. Bu momenti sa layacak kuvvet u ekilde bulunabilir; M F l (2) Burada; M: Bükme momenti, F: Uygulanacak kuvvet ve l: Kuvvetin moment noktas na uzakl r. Poyra uzunlu u 0.25 m olarak tasarland ndan, istenen bükme momentini sa layacak kuvvet, Denklem (2) den 36,21 kn olarak hesaplanm r. ekil 6 da A noktas ile gösterilen yüzeyden sabitlenen janta B noktas nda kuvvet uygulanm r. v 4. SONUÇLAR Sonlu elemanlar analizleri sonuçlar na göre en yüksek gerilme yakla k MPa olarak belirlenmi ve maksimum gerilmenin jant havaland rma kanal kö elerinde ortaya ç kt tespit edilmi tir. Bunun yan nda jant düzlem bölgesi ve diskin çembere temas etti i bölümlerde de gerilmenin yakla k 45 MPa gibi ortalama de erlerin üzerinde gerilme gösterdi i tespit edilmi tir. ekil 7 de jant üzerinde olu an e de er gerilme da görülmektedir. ekil 7: Jant üzerinde olu an e de er gerilme da. Statik simülasyonlardan sonra jant n yorulma ömrü incelenmi tir. Yorulma için belirlenen yük, tam de ken olarak uygulanm r. Yorulma ömrü Goodman gerilme teorisinde, von-mises e de er gerilmesine göre incelenmi tir. Jant n yorulma ömrünü, havaland rma kanallar n kö elerindeki gerilmeler belirlemektedir. Statik yükleme sonucundan da görüldü ü gibi bu bölgede gerilme oldukça fazlad r. Sonlu elemanlar analizi sonras nda, bu bölgenin yakla k çevrime dayand, çemberin ise çevrime dayand görülmü tür. ekil 8 de yorulma yüklemesi için sonlu elemanlar analizi sonucu görülmektedir. ekil 8: Jant n yorulma yüklemesi alt nda sonlu elemanlar analizi. ekil 6: Janta uygulanan s r ko ullar ve yüklemenin gösterimi. 4

5 4. TARTI MA Yap lan simülasyonlar sonucunda jant n kö eleme yorulma dayan n yakla k çevrim oldu u görülmü tür. Bu jant için deneysel çal mada esas al nan ömür, %71 lik bükme momentinde çevrimdir. Aradaki fark, seçilen yorulma hasar teorilerinden kaynakland tahmin edilmektedir. Fiziksel testte bijonlar n elastikiyeti sayesinde kuvvetin bir bölümünün absorbe edildi i dü ünülmektedir. Ancak sonlu elemanlar analizinde kuvvetin jant diskine iletilmesinde hiçbir kay p yoktur. 13. P. Li, D. M. Maijer, T.C. Lindley, P.D. Lee, A Through Process Model of The Impact of In- Service Loading, Residual Stress, and Microstructure on The Final Fatigue Life Of an A356 Automotive Wheel, Materials Science and Engineering A, v , pp:20 30, Tata Steel Europe Ürün Katalo u; Gedik Kaynak Ürün Katalo u; EUWA Standards, Test Requirements for Truck Steel Wheels, E S 3.11, p:6, May KAYNAKLAR 1. nternet; M. Topçu, S. Ta getiren, Mühendisler çin Sonlu Elemanlar Metodu, Birsen Yay, X. Wang, X. Zhang, Simulation of Dynamic Cornering Fatigue Test of a Steel Passenger Car Wheel, International Journal of Fatigue, v.32, pp , Y. Liu, L. Liu, B. Stratman, S. Mahadevan, Multiaxial Fatigue Reliability Analysis of Railroad Wheels, Reliability Engineering and System Safety, v.93, pp: , U. Kocabicak, M. Firat, A Simple Approach for Multiaxial Fatigue Damage Prediction Based on FEM Post-Processing, Materials and Design, v.25, pp:73 82, U. Kocab çak, M. F rat, Numerical Analysis of Wheel Cornering Fatigue Tests, Engineering Failure Analysis, v.8, pp , C.L. Chang, S. H. Yang, Simulation of Wheel Impact Test Using Finite Element Method; Engineering Failure Analysis, v.16, pp , M.M. Topaç, S. Ercan, N.S. Kuralay, Fatigue Life Prediction of a Heavy Vehicle Steel Wheel Under Radial Loads by Using Finite Element Analysis, Engineering Failure Analysis, v.20, pp , Y.L. Hsu, M.S. Hsu, Weight Reduction of Aluminum Disc Wheels Under Fatigue Constraints Using a Sequential Neural Network Approximation Method, Computers in Industry, v.46, pp , M. Carboni, S. Beretta, A. Finzi, Defects and Service Fatigue Life of Truck Wheels, Engineering Failure Analysis, v.10, pp , L. Wang, Y. Chen, C. Wang, Q. Wang, Fatigue Life Analysis of Aluminum Wheels by Simulation of Rotary Fatigue Test, Journal of Mechanical Engineering, v.57, pp , N. Satyanarayana, Ch. Sambaiah, Fatigue Analysis of Aluminum Alloy Wheel Under Radial Load, International Journal of Mechanical and Industrial Engineering, v.2, pp. 1-6,

6 6