TAŞITLARDA KULLANILAN FREN KOMPRESÖRLERİNİN DİNAMİK VE AKUSTİK ANALİZİ

Transkript

1 TAŞITLARDA KULLANILAN FREN KOMPRESÖRLERİNİN DİNAMİK ÖZET. VE AKUSTİK ANALİZİ H. EROL (1), M.KABASAKAL (2), Y.KARAMAN (2) Kamyon, kamyonet ve otobüs gibi taşıtlarda, frenlemeye yardımcı sistemin bir elemanı olarak kullanılan kompresörler, titreşim ve gürültünün önemli kaynaklarından birisidir. Bu bakımdan, daha sessiz kompresörlerin geliştirilmesi için titreşim ve gürültü özelliklerinin iyi anlaşılmasına ihtiyaç vardır. Bu çalışmada, Türkiye de üretilen ve taşıtlarda kullanılan tek silindirli pistonlu kompresörlerin dinamik ve akustik davranışları incelenmektedir. Bu çalışma kapsamında bir akustik ölçüm odası tasarlanmış ve inşa edilmiştir. Mevcut ürüne yönelik titreşim ve ses ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Bu ölçümlerden faydalanılarak titreşim ve gürültü kaynakları tayin edilmiştir. Bu çalışmalar ile elde edilen bilgiler göz önünde bulundurularak daha az titreşen ve daha sessiz yeni bir kompresörün tasarımının gerçekleştirilmesi hedeflenmektedir. ABSTRACT. Recently, the traffic density and the mean power of vehicles are getting higher. So that the ever growing disturbance caused by traffic noise is one of the most important environmental health problem. Furthermore, the impact of European noise directivities and standards makes the machine manufacturers active participants in low noise designing and noise control. Reciprocating compressors which are commonly found in break systems of trucks and busses are one of the major sources of noise and vibrations. As a result, there is an increased need for the purpose of noise control. In this study, the dynamical and acoustical characteristics of a single cylinder, reciprocating compressor which is found in 1 İstanbul Teknik Üniversitesi, Makina Fakültesi, Gümüşsuyu-İstanbul. 2 Arıkan Makina Sanayi ve Tic.A.Ş., AR-GE Merkezi, Ümraniye-İstanbul.

2 break systems of heavy-vehicles will be investigated. An acoustical room will be designed. The vibration and sound power measurements will be made in order to find possible noise and vibration sources in the system. 1. GİRİŞ. Her geçen gün karayolları üzerindeki trafik yoğunluğu ve taşıtların sahip oldukları güçler artmaktadır. Bunlara bağlı olarak, taşıtların sahip olduğu gürültü düzeyleri insan sağlığını etkiler duruma gelmektedir. Çevre bilinci, taşıtların sebep olduğu gürültünün kontrol altına alınmasını gerektirir. Bu noktadan hareket eden kanun koyucular, gürültüyü çevre kirliliğinin bir parçası olarak ele almakta ve insanları bu kirliliğe karşı korumak amacıyla yasal düzenlemeler getirmektedir. Bu düzenlemeler, üreticileri çeşitli yaptırımlarla karşı karşıya bırakmaktadır. Bu çalışmalardan bazıları, Türkiye de, sanayi Genel Müdürlüğü Tebliği No. 92/ , Avrupa topluluğuna üye ülkelerde 92/97/EEC yönetmelikleridir. Avrupa topluluğunun kabul ettiği benzer nitelikteki yönergesi de 89/392/EEC gürültü düzeylerinin açıklanmasını zorunlu kılmaktadır [1]. Buna bağlı olarak, bir ürünün ses gücü ve titreşim düzeyleri, ürün kalitesini belirleyen önemli özelliklerden birisi olarak kabul edilmekte ve ses gücü düzeyinin, ürünün kataloglarında ve etiketinde belirtilmesi istenmektedir. Buna göre, tüketicinin ürün seçimindeki önemli kıstaslardan birinin, ses gücü düzeyi olacağı açıktır. Fog C.L. [2] çalışmasında, Avrupa Topluluğu bünyesinde uygulanan makinaların ürettiği titreşim ve gürültü ile ilgili yasal düzenlemeleri özetlemektedir. Kamyon, kamyonet ve otobüs gibi taşıtlarda, frenlemeye yardımcı sistemin bir elemanı olarak kullanılan kompresörler, titreşim ve gürültünün önemli kaynaklarından birisidir. Bu bakımdan, daha sessiz kompresörlerin geliştirilmesi için titreşim ve gürültü özelliklerinin iyi anlaşılmasına ihtiyaç vardır. Bu çalışmada Şekil 1 de şematik olarak gösterilen ve taşıtlarda kullanılan tek silindirli pistonlu kompresörler incelenmektedir. Kompresörlerde titreşim ve gürültü kontrolu konusunda yapılan çalışmaların çoğu, özel tip kompresörlerdeki titreşim ve gürültü problemlerinin incelenmesi veya olası gürültü kaynakları ve

3 kontrol yöntemlerinin değerlendirilmesi şeklindedir. Kompresörlerde titreşim ve gürültünün kontrol edilmesine yönelik çalışmalarda karşılaşılan en önemli güçlük, uygulamada halen çeşitli tiplerde kompresörlerin kullanılıyor olması nedeniyle elde edilen sonuçların genelleştirilmesinin mümkün olamamasıdır. Şekil 1. Taşıtlarda kullanılan tek silindirli pistonlu kompresör. 2. ÇALIŞMANIN AMACI. Bu çalışmada, Türkiye de üretilen ve taşıtlarda kullanılan tek silindirli pistonlu kompresörlerin dinamik ve akustik davranışları incelenmektedir. Bu çalışma kapsamında bir akustik ölçüm odası tasarlanmış ve inşa edilmiştir. Mevcut ürüne yönelik titreşim ve ses ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Bu ölçümlerden faydalanılarak titreşim ve gürültü kaynakları tayin edilmiştir. Bu çalışmalar ile elde edilen bilgiler göz önünde bulundurularak daha az titreşen ve daha sessiz yeni bir kompresörün tasarımının gerçekleştirilmesi hedeflenmektedir. 3. AKUSTİK ANALİZ ÇALIŞMALARI. Taşıtlarda kullanılan fren kompresörlerinin akustik analizleri ancak taşıt üzerindeki çalışma koşullarını sağlayan bir deney düzeneğinde gerçekleştirilebilir.

4 Bu koşullar, çalışma hızlarında, çalışma sıcaklıklarında, yağlama ve soğutma sistemlerinde ortaya çıkmaktadır. Bu parametrelerin kompresörün titreşim ve akustik davranışlarını etkileyeceği açıktır. Bu bakımdan, tasarlanan ölçüm düzeneği bu tür ihtiyaçlara cevap verebilecek düzeyde gerçekleştirilmiştir ÖLÇÜM DÜZENEĞİ. Şekil 2 de kompresör akustik ve titreşim ölçüm düzeni gösterilmiştir. Buna göre ölçümlerin yapıldığı ortam, iki bölümden oluşmaktadır. Birinci bölmede, tahrik ünitesi, yağlama ve soğutma suyu sistemleri bulunmaktadır. İkinci bölmede ise ölçümler yapılmaktadır. Ölçüm ortamının dış duvarları ve bölmeleri birbirinden ayıran duvar, alçı bloklardan imal edilmiştir. Alçı blokların arasına ve bölmelerin yüzeylerine ses izolasyonu uygulanmıştır. Bölmeleri ayıran yüzeyde, tahrik milinin geçebileceği büyüklükte bir boşluk bırakılmıştır. Ölçüm ortamı, iki bölmeden oluşturulmuştur. Bunun nedeni, ölçümlerin gerçeğe uygunluğunu ve güvenilirliğini sağlamaktır. Böylece ölçümler, tahrik ünitesinden, yağlama ve soğutma suyu sistemlerinden kaynaklanan gürültülerden etkilenmemektedir. Şekil 2. Kompresör akustik ve titreşim ölçüm düzeni.

5 Kompresörün soğutulması için gereken su, yağlanması için ihtiyaç duyulan yağ, emme ve basma bağlantıları, kompresörün taşıt üzerindeki montaj koşullarına uygun olarak gerçekleştirilmiştir. Bu bağlantılar ölçüm ortamı ile diğer bölmeyi birbirine bağlayan 6 adet ½ boru ile sağlanmaktadır. Kompresörün çalışma devir sayısını kontrol etmek amacıyla ölçüm ortamının dışında, kompresörü tahrik eden elektrik motorunu kontrol eden elektronik bir AC motor sürücüsü bulunmaktadır. Bu kontrol ünitesi yardımıyla taşıt üzerindeki çalışma koşulları simüle edilmektedir. Kompresör emme ve basma basınçları muhtelif valfler yardımıyla kontrol edilmektedir. Kompresör soğutma suyu sıcaklığı da kontrol edilmektedir. Kompresöre ait ses basıncı düzeyi ve ses gücü ölçümleri, yukarıda tarif edilen ortamda gerçekleştirilmiştir. Ses gücü ölçümleri, ISO uluslararası standartına uygun olarak gerçekleştirilmiştir [3]. Ses gücünü tayin etmek amacıyla yapılan ses şiddeti ölçümleri, dikdörgen prizma şeklinde tanımlanmış bir yüzey üzerinde ve 145 noktada gerçekleştirilmiştir. Ölçümlerde, iki kanallı bir sinyal analizörü kullanılmıştır. Kullanılan analizör ile 1/1, 1/3, 1/12 ve 1/24 oktav bantlarında analiz yapmak mümkün olmaktadır. Analizörün maksimum çalışma frekansı, tek kanal kullanılması durumunda 22.4 khz., iki kanal kullanılması durumunda 11.2 khz. dir. Ölçmelerde kullanılan mikrofonların hassasiyeti 50 mv/pa, frekans ölçüm aralığı serbest alanda 2.6 Hz.- 20 khz. dir. Mikrofonların çapı ½ dir ÖLÇÜM SONUÇLARI. Kompresörde yapılan ses gücü ölçüm sonuçları Şekil 3 de gösterilmiştir. Bu ölçümler, kompresör rejim durumuna ulaştıktan sonra gerçekleştirilmiştir. Ölçümler, farklı devir sayıları ve farklı basınç değerleri için gerçekleştirilmiştir. Kompresör sıcaklığı, taşıt üzerindeki sıcaklığında ve rejim halinde tutulmuştur.

6 Sound Power Spectrum x: L-Column y: 83.2 db (a) Kompresör basıncı 1 bar ve devir sayısı 1354 d/d. Sound Power Spectrum x: A-Column y: 82.8 db (b) Kompresör basıncı 6 bar ve devir sayısı 2000 d/d. Sound Power Spectrum x: A-Column y: 86.5 db (c) Kompresör basıncı 9 bar ve devir sayısı 2000 d/d. Şekil 3. Kompresör ses gücü ölçüm sonuçları.

7 4. DİNAMİK ANALİZ ÇALIŞMALARI. Kompresöre ait dinamik analiz çalışmaları iki kısımdan oluşmaktadır. İlk olarak kompresörün dinamik davranışı sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak analiz edilmiştir. İkinci olarak, kompresör deney düzeneği üzerinde çalıştırılarak ölçümler yapılmıştır TEORİK ANALİZ SONUÇLARI. Kompresörün dinamik davranışına ait teorik çalışmalar çerçevesinde kompresörde krank milini taşıyan ve kompresörün taşıtla bağlantısını sağlayan karter bölümü, kompresörde dönme hareketini öteleme hareketine dönüştüren krank mili ve biyel kolu incelenmiştir. Kompresörün karteri, krank mili ve biyel kolu ANSYS 5.4 sonlu elemanlar paket programı kullanılarak modellenmiştir. Bu model kullanılarak karterin, krank milinin ve biyel kolunun serbest titreşimlerinin doğal frekansları ve bu doğal frekanslara karşı gelen doğal titreşim biçimleri elde edilmiştir. Kompresörün karteri, sistemin titreşim ve gürültü özelliklerini yansıtması bakımından kritik bir parça olarak değerlendirilmiştir. Bu sonuçlar değerlendirilirken, kompresörün çalışma devir sayıları ve bunların harmoniklerine karşı gelenlere özel bir ilgi gösterilmesi gerektiği açıktır. Bu çerçevede elde edilen sonuçlardan bazıları Şekil 4 de gösterilmiştir. Kompresörün krank mili ve biyel kolu, sistemin titreşim ve gürültü özellikleri bakımından kritik parçalardır. Dinamik analiz sonuçları değerlendirilirken, kompresörün çalışma devir sayıları ve bunların harmoniklerine karşı gelen krank milinin ve biyel kolunun doğal frekanslarına özel bir ilgi gösterilmiştir. Bu çerçevede elde edilen sonuçlardan bazıları Şekil 5 ve Şekil 6 da gösterilmiştir.

8 Şekil 4. Kompresörün karterine ait titreşimlerin doğal frekanslar ve titreşim biçimleri.

9 Şekil 4. Kompresörün karterine ait titreşimlerin doğal frekanslar ve titreşim biçimleri (devam).

10 Şekil 5. Kompresörün krank miline ait titreşimlerin doğal frekanslar ve titreşim biçimleri. Şekil 6. Kompresörün biyel koluna ait titreşimlerin doğal frekanslar ve titreşim biçimleri.

11 4.2. DENEYSEL ÖLÇÜM SONUÇLARI. Kompresörün dinamik davranışına ait deneysel çalışmalarda, kompresör Şekil 2 de gösterilen deney düzeneğine bağlanmıştır. Bu çalışmada, kompresör taşıt üzerindeki çalışma koşullarına benzeyen çalışma koşullarında çalıştırılarak, kompresörün üzerindeki değişik konumlardan titreşim ölçümleri yapılmıştır. Bu ölçümler, kompresör rejim durumuna ulaştıktan sonra gerçekleştirilmiştir. Ölçümler, farklı devir sayıları ve farklı basınç değerleri için gerçekleştirilmiştir. Kompresör sıcaklığı, taşıt üzerindeki sıcaklığında ve rejim halinde tutulmuştur. Kompresör titreşim ölçümleri için iki kanallı bir sinyal analizörü kullanılmıştır. Kullanılan analizör ile sabit bant genişlikli FFT analizi yapmak mümkündür. Deneylerde kullanılan ivme ölçerin hassasiyeti 1 pc/ms -2 dir. Şekil 7 de kompresörün muhtelif noktalarından alınan titreşim düzeyi ölçüm sonuçlarından bazıları gösterilmiştir. Bu ölçümler, farklı basınç ve farklı devir sayıları için tekrarlanmıştır. 5. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRMELER. Bu çalışmada, Türkiye de üretilen ve taşıtlarda kullanılan tek silindirli pistonlu kompresörlerin dinamik ve akustik davranışları incelenmiştir. Bu çalışma kapsamında bir akustik ölçüm odası tasarlanmış ve inşa edilmiştir. Mevcut ürüne yönelik titreşim ve ses ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Bu ölçümlerden faydalanılarak titreşim ve gürültü kaynakları tayin edilmiştir. Bu çalışmalar ile elde edilen bilgiler göz önünde bulundurularak daha az titreşen ve daha sessiz yeni bir kompresörün tasarımı gerçekleştirilmektedir. Yapılan teorik ve deneysel çalışmalar, krank-biyel mekanizmasından kaynaklanan atalet kuvvetlerin yeterince dengelendiğini göstermiştir.

12 Titreşim Düzeyi [db] Frekans [Hz] (a) Kompresörün kafasından alınan titreşim düzeyi frekans dağılımı (Devir sayısı 1400 d/d., Sıkıştırma basıncı 3 bar) Titreşim Düzeyi [db] Frekans [Hz] (b) Kompresörün kafasından alınan titreşim düzeyi frekans dağılımı (Devir sayısı 1354 d/d., Sıkıştırma basıncı 6 bar) Titreşim Düzeyi [db] Frekans [Hz] (c) Kompresörün yağ pompa flanşından alınan titreşim düzeyi frekans dağılımı (Devir sayısı 1354 d/d., Sıkıştırma basıncı 9 bar). Şekil 7. Kompresörün muhtelif noktalarından alınan titreşim düzeyi ölçüm sonuçları.

13 Ayrıca, kompresörün yapısal titreşimlerinin ve titreşim kaynaklı gürültünün azltılabilmesi için yeni tasarımlar üzerinde bazı önlemlerin gerçekleştirilmesi gerektiği sonucuna varılmıştır. Kompresörün gürültü düzeyinin azaltılması için, basma kanalları incelenmelidir. Yapılan ses ölçümleri, akış kaynaklı gürültünün, özellikle yüksek basınçlarda ön plana çıktığını göstermiştir. Bu amaçla, akış kanallarının yeniden tasarımı ve susturucu eklenmesi gibi önlemler üzerinde çalışılmalıdır. Kompresörün gürültü düzeyinin azaltılmasında göz önünde bulundurulması gereken diğer bir konu, valf çarpma gürültüsüdür. Valfler açılırken ve kapanırken oluşan çarpmanın etkisi sonucunda bir gürültü üretmektedir. Yeni kafa tasarımı yapılırken bu konunun da göz önünde bulundurulması, daha az titreşen ve daha sessiz yeni bir kompresörün tasarımında önemlidir. 6. KAYNAKLAR. [1] The Machinery Directive: 89/392/EEC [2] Fog, C.L., The European Machinery Directive-Its Impact On Product Noise and Vibration Control And Measurement, 2. Ulusal Akustik ve Gürültü Kongresi, Antalya, [3] ISO , Acoustics-Determination of sound power levels of noise sources using sound intensity-part 1: Measurement at discrete points, [4] Erol, H., Durakbaşa, T., Ev Tipi Soğutucu Kompresörlerinde Gürültü, I. Ulusal Gürültü Kongresi, Bursa, [5] Erol, H., Belek, T., Soğutucularda Kullanılan Tek Silindirli Pistonlu Kompresörlerin Dinamik Analizi, 8. Ulusal Makina Teorisi Sempozyumu, Elazığ, 1997.