6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey Otomotivlerde Kullanılan Termostat Yuvasının Farklı Malzemeler ve Yöntemlerle Üretimi ve Sıcaklık Analizi M. A. Erden 1, H. I. Demirci 1 1 University of Karabuk/Turkey, makiferden@karabuk.edu.tr,hdemirci@karabuk.edu.tr Manufacturing with Different Materials and Methods of Thermostat Housing Used in Automotive and Its Thermal Analysis into Ansys Abstract Part market is a branch of industry depending generally on the key industry in which they work. Many companies operating at this industry have the characteristics of KOBİ. Branches of industry such as vehicle fabrication, durable consumer goods, machine production on which parts shops depend are available. In this study, product development of thermostat housing used in automotives and whose origin is plastic has been done and analyzed before its production with different materials and methods. For this purpose, different types of thermostat housings produced with the methods of casting, plastic injection and machining are investigated. Average temperature values obtained from experiments are entered into the finite element program (ANSYS). The data obtained from finite element analysis and the experiments are compared. The parts investigated in terms of lightness, strength, heat conduction, and seam and material expansion. The results show that aluminum thermostat housing is most advantageous than plastic and metal. Keywords Cast, Plastic Injection, Welding, ANSYS Workbench I. GİRİŞ Otomotiv sektöründe, ekonomik ölçekte üretimin yapıldığı, yeni teknolojilerin uygulandığı, ihracata dayalı ve sürdürülebilir rekabet gücünün sağlandığı bir yapının oluşturulması hayati öneme sahiptir. Üretim yapan firmaların üreteceği ürünün tasarımını da yapmasının veya sektörde ortak ürün geliştirilmesinin özendirilmesi gerekir. Bu amaçla AR-GE destekleri ve danışmanlık hizmetlerinin etkin olarak kullanılmalıdır. Araç performansının korunması şartıyla ağırlık azaltımı sağlanarak, maliyet, kullanılabilirlik, dayanım gibi etkenler ön plana çıkarılmalıdır. Üretilecek bir parçanın malzemesi, üretim metotları, kalitesi kullanım ömrü firmanın piyasada rekabet gücünü artıracaktır [1]. Teknolojiye ayak uydurabilmek, rekabet üstünlüğünün sağlanabilmesinin ön koşullarından biridir. Her şeyden önce bu sektörde adapte edilmiş olan yeni bir teknoloji, maliyetlerden üretim standartlarına, güvenlikten pazarlamaya kadar birçok konuda köklü değişikliklere sebep olabilmektedir. Bu nedenle her türlü teknolojik değişikliğe esnek tepki verebilecek, teknolojiyi üreten olmasa bile değişikliğe hızla ayak uydurabilen bir otomotiv sanayinin oluşturulması temel hedeflerden biridir. Artan rekabet ortamında giderek önem kazanan sürekli iyileştirme, müşteri tatminini, müşterilerin aradıklarından daha iyisini bulabilmeleri sektörü sürekli daha iyiyi üretmeye zorlamaktadır. Bu nedenle, tüm üretim süreçlerinin sistematik bir yaklaşımla ve çeşitli organizasyonel birimleri kapsayacak şekilde ele alınmasını, iyileştirilmesini, performanslarının daha iyi seviyelere çıkartılmasını gerektirmektedir [2]. Yapılan market araştırmasında, bazı otomotivlerde kullanılan termostat yuvasının yan sanayi olarak üretildiği fakat bu üretimde maliyet ve kullanışlık yönünden yeterli kalitenin sağlanamadığı saptanmıştır. Makine elemanlarının zamanla yıpranması, özelliğini kaybetmesi, verimden düşmesi, ekonomik olmaktan çıkması sebebiyle malzemesi ve üretim yöntemi değiştirilerek daha dayanıklı ve işlevini yapabilen ve ekonomik olarak daha ucuza üretilen bir ürün olması istenmektedir [3]. Bu bağlamda ürünün yenileştirilmesi farklı malzeme ve yöntemlerle üretilerek istenen kaliteye ulaşılması gerekmektedir. Orjinali plastik olan termostat yuvası iç yüzeyinden sıcaklığı ortalama 93ºC olan sıcak su geçtiği için zamanla deforme olmaktadır. Plastiğin alüminyum ve çeliği göre ısı iletim kat sayısı düşük olduğu için ısı iletimi az olmakta fanın, daha uzun surede açılacağı tahmin edilmektedir. Motordaki ısınan suyun devir daimi yeterli olmadığı için hararet yükselmektedir. Bu da motor ömrüne etki etmekte performansı azaltmaktadır. Bu çalışmada motorlardaki hareret olayını engellemede hayati öneme sahip olan otomotivlerde kullanılan termostat yuvasının farklı yöntem ve malzemerle daha kaliteli ve ucuza üretimi amaçlanmaktadır. Bunun için ısıya karşı duyarlı, kolay üretilebilen, üretim maliyeti düşük, geri dönüşümü ve dolayısıyla çevreye karşı duyarlılığı olan, montajı kolay, hafif, sıcaklığa karşı tepkileri hassas ve yüzeydeki hasar olma olasılığı düşük olması göz önünde bulundurularak Al alaşımı ve düşük karbonlu çelik malzeme olarak tercih edilmiştir. Üç farklı malzemeden plastik, çelik ve alüminyumdan üretilmiş olan termostat yuvaları bağlı olduğu sistemde deneye tabi tutulmuş termostat açma sıcaklığı ile kapama sıcaklığı arasındaki farklar incelenmiştir. 122
H. İ. Demirci, M. A. Erdem II. MALZEME VE METOT 2.1. Termostat Yuvasının Farklı Malzeme ve Yöntemlerle Üretimi 2.1.1. Döküm Yöntemiyle Üretimi Üretilecek parça kum kalıba döküm yöntemiyle üretilmiştir. Döküm yönteminde Al-Si alaşımı kullanılmıştır. Tablo 1 de alaşımın kimyasal kompozisyonu verilmiştir. Ergitme işlemi elektirik direnç ocağında yapılmıştır. Ergitilen alaşım 715º C de kum kalıba dökülerek parça üretimi gerçekleştirilmiştir. Şekil 1 de üretilecek parçanın modeli dökümden çıkmış hali ve parçanın işlendikten sonraki hali verilmiştir. 2.2. Parçaların Soğutma Sisteminde Sıcaklık Ölçümlerinin Yapılması Farklı malzeme ve yöntemlerle üretilen parçalar sıcaklık deneyleri için Renault Clio marka otomobilin soğutma sistemine sırasıyla plastik, çelik ve alüminyum termostat yuvaları takılarak 1 er saat sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Her bir parça için sabit halde çalıştırılan motorun kaç defa fan açtığı ve kaç derecede fanı açtığı belirlenmiştir. Her parça için beş farklı zamanda beş farklı yerden ölçümler yapılmıştır. Ayrıca ANSYS WORKBENCH programına sıcaklık değerleri girilerek parçaların analizleri yapılmıştır. Şekil 3 te test edilen motordan sıcaklık ölçümü yapılan bölgeler görülmektedir. Şekil 1: Parçanın modeli, dökümden çıkmış hali ve son hali Tablo 1. Deney çalışmalarında kullanılan Alüminyum alaşımının kimyasal bileşimi (%) [4]. Al Cu Fe Sl Zn Mn Mg Ni Ti 93.7 0.1 0,5 6 0,1 0,20 0,1 0,1 0,2 2.1.2. Talaşlı İmalat Yöntemi İle Üretimi Termostat yuvasını talaşlı üretim yöntemiyle üretmek için SAE-AISI 1513 çelik külçeden Şekil 2 de gösterilen 4 parça tornada üretilip kaynakla birleştirilmiştir. Şekil 2: Termostat yuvasının talaşlı üretim yöntemi ile üretilmiş hali Tablo 2: Düşük Karbonlu Çelik Malzemenin Kimyasal Bileşimi [4]. C Mn Mg Phosphorus Sulfur 0,1-0,16 0,1-0,15 0,1 0,04 0,05 2.1.3. Plastik Enjeksiyon Yöntemi Plastik enjeksiyon, sıcaklık yardımı ile eritilmiş plastik hammaddenin bir kalıp içine enjekte edilerek şekillendirilmesi ve soğutularak kalıptan çıkarılmasını içeren bir imalat yöntemidir. Parça piyasada var olduğu için hazır olarak temin edilmiştir. Şekil 3: Deney yapılan aracın motor kısmı ve sıcaklık ölçümü alınan yerler.(1. Motor gövdesi, 2. Termostat yuvasının bağlı olduğu parça, 3. Termostat yuvası, 4. Boru 1, 5. Boru 2) 2.3. Sonlu Eleman Analizi Ansys sonlu elemanlar yöntemiyle analizi yapılacak termostat yuvası Solid Works programında modellenerek ANSYS WORKBENCH programına parça aktarılmıştır. Sıcaklığın değişik malzemeler kullanılarak çoklu varyans analizi ile elde edilen verileri Ansys programına uygulanarak analizler elde edilmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Malzemesi ETİAL 120 Al alaşımı olan termostat yuvası, SAE- AISI 1513 düşük karbonlu çelikten üretilen termostat yuvasının ve polietilen malzemeden üretilen termostat yuvasının analizleri yapılmıştır. Termostat kapalı olduğu durumda alüminyum parça içinde 76.5 ºC sıcaklıktaki su bulunduğu için iç yüzey sıcaklığı 76.5 ºC olarak programa girilmiştir. Parçanın bağlandığı diğer yüzeyden yapılan çoklu varyans verilerinin ortalaması alınarak 93ºC sıcaklık aldığı kabul edilmiş ve bu değer ANSYS programına girilmiştir. Ortam sıcaklığı 15ºC olduğu kabul edilerek ANSYS programına aktarılmıştır. Bu sınırlamalar yapıldıktan sonra termostat yuvasının ANSYS programı içinde tanımlı olan plastik, alüminyum ve çelik malzemeleri seçilmiş olup sıcaklık analizleri yapılmıştır. III. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Bu çalışmada, farklı malzeme ve üretim yöntemiyle üretilen termostat yuvasının üzerinde oluşan sıcaklık değişimi deneysel ve sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmiştir. ANSYS programına deneylerden elde edilen ortalama sıcaklık değerleri girilmiştir. Sonlu eleman analizinden elde edilen verilerle deneylerden elde edilen değerler karşılaştırılmıştır. 123
Otomotivlerde Kullanılan Termostat Yuvasının Farklı Malzemeler ve Yöntemlerle Üretimi ve Sıcaklık Analizi Otomotiv soğutma sistemine termostat yuvalarının montaj edilmesiyle Şekil 3 de gösterilen noktalardan termokopul ile sıcaklık ölçümleri alınmıştır. Deneyler yapılırken ortam sıcaklığı 15 ºC dir. Plastik malzeme 1 saat içinde 24 defa fan açmış ve termostat yuvasından su geçişi sağlanmıştır. Ölçüm sonuçları Tablo 3 te verilmiştir. Tablo 3: Deneysel çalışmalar sonucu plastik malzeme için elde edilen çoklu varyans analiz ölçüm değerleri PLASTİK Fan Kapalı 95 92 72 84 80 Fan Açık 90 85 75 75 65 Fan Kapalı 95 92 74 85 81 Fan Açık 91 83 77 77 66 Fan Kapalı 95 93 74 85 82 Fan Açık 90 83 78 78 67 Fan Kapalı 95 92 72 84 78 Fan Açık 91 84 77 77 68 Fan Kapalı 95 90 73 83 78 Fan Açık 90 86 73 78 67 Ort. Fan Kapalı 90.4 84.2 77 77 66.6 Ort. Fan Açık 95 92 73 84.2 79.8 Çelik malzemeden yapılan termostat yuvası otomotive monte edilmiştir. 1 saat içinde 30 kez fan açılmış olup ölçüm sıcaklık değerleri Tablo 4 te verilmiştir. Tablo 4: Deneysel çalışmalar sonucu çelik malzeme için elde edilen çoklu varyans analiz ölçüm değerleri ÇELİK Fan Kapalı 95 90 80 84 80 Fan Açık 90 84 74 75 65 Fan Kapalı 95 93 84 85 81 Fan Açık 91 85 76 77 66 Fan Kapalı 95 92 82 85 82 Fan Açık 90 86 76 77 66 Fan Kapalı 95 93 82 84 78 Fan Açık 91 85 77 77 68 Fan Kapalı 95 95 82 83 78 Fan Açık 90 85 76 78 67 Ort. Fan Kapalı 90.4 85 81,5 76 66 Ort. Fan Açık 95 92 75.5 83 79 Son olarak Alümünyum termostat yuvası otomotive monte edilerek. 1 saat içinde 36 kez fan açtığı tespit edilmiştir. Ölçüm sıcaklık değerleri Tablo 5 te verilmiştir. Fan Kapalı 95 93 82 84 78 Fan Açık 91 86 77 77 68 Fan Kapalı 95 95 82 83 78 Fan Açık 90 85 77 78 67 Ort. Fan Kapalı 90.4 85.16 82 77 66.6 Ort. Fan Açık 95 92.83 76 84.2 79.8 Motor gövdesi, boru 1 ve boru 2 de alınan sıcaklık değerlerinin aynı olduğu Tablo 3, Tablo 4 ve Tablo 5 de görülmektedir. Sıcaklık farklarının ise termostat yuvası ve bağlı olduğu parçada olduğu görülmüş ve bunlar Tablo 6 da gösterilmiştir. Sıcaklığın değişik malzemeler kullanılarak çoklu varyans analizi ile elde edilen verileri ANSYS e uygulanarak analizler elde edilmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Tablo 6 da görüldüğü gibi deney ölçümlerinde alüminyum malzeme için 92,83 ºC ve termostat yuvası gövdesi 76 ºC sıcaklık elde edilmiştir. ANSYS analizlerinde ise alüminyum için Max.sıcaklık 93,11 ºC ve termostat gövdesi sıcaklığı 76,05 ºC çıkmıştır (Şekil 4). Tablo 9: Deney Çalışmalarda Kullanılan Malzemelerin Fiziksel Özellikleri [9]. Deney Malzemelerinin Fiziksel Özellikleri Polietilen Çelik Alüminyum Yogunluk (kg/m 3 ) 0,968 7,84172 2,710 Isı iletim katsayısı (W/mK) 0.543 46,7 231 Poison Oranı 0.38 0,3 0.33 Isı genleşme katsayısı (1/ 0 85x10 6 C) 10.8x10-6 23.6x10-6 Şekil 4: ANSYS programında alüminyum parçanın sıcaklık analizi Şekil 4 de de görüldüğü üzere ANSYS analizlerinde ise Max.sıcaklık 93.11 ºC ve termostat gövdesi sıcaklığı 76.05 ºC çıkmıştır. Aynı işlemler çelik ve plastik malzemeler içinde yapılmıştır. Tablo 5: Deneysel çalışmalar sonucu alüminyum malzeme için elde edilen çoklu varyans analiz ölçüm değerleri ALÜMİNYUM Fan Kapalı 95 90 82 84 80 Fan Açık 90 84 74 75 65 Fan Kapalı 95 93 84 85 81 Fan Açık 91 85 76 77 66 Fan Kapalı 95 92 82 85 82 Fan Açık 90 86 76 78 67 Şekil 5: ANSYS programında çelik parçanın sıcaklık analizi 124
H. İ. Demirci, M. A. Erdem Şekil 5 de de görüldüğü üzere çelik malzeme için ANSYS analizlerinde ise Max. sıcaklık 92.10 ºC ve termostat gövdesi sıcaklığı 75.54 ºC çıkmıştır. daha avantajlıdır. Sıcaklığa karşı dayanımı incelendiğinde alümünyum ve çelik termostat yuvaları plastik termostat yuvasına göre daha avantajlıdır. Geri dönüştürülebilme yönünden incelendiğinde plastik malzemenin geri dönüşümü sınırlıdır. Fakat alümünyum ve çeliğin geri dönüşümü plastiğe göre daha avantajlıdır. Dolayısıyla alümünyum ve çelik çevreye karşı duyarlı, plastik malzemeye göre sıcaklığa karşı daha dayanıklıdırlar. Böylece daha uzun süre kullanılabilirler. 96 93 Alümünyum Çelik Plastik Şekil 6: ANSYS programında plastik parçanın sıcaklık analizi Şekil 6 te görüldüğü gibi ANSYS analizlerinde plastik malzemede oluşan maksimum. sıcaklık 92.12 ºC ve termostat gövdesi sıcaklığı 72.45 ºC çıkmıştır. Bu verilerde sonlu elemanlar yöntemiyle elde edilen analizin gerçeğe çok yakın değerleri verdiği görülmektedir. Tablo 8: ANSYS ve Deneysel Sonuçların Karşılaştırılması Tablo 8 de ANSYS ve deneysel sonuçların karşılaştırılması görülmektedir. Burada alüminyum malzemenin ısı iletim katsayısının daha iyi olmasından dolayı sıcaklığı daha çabuk aldığı ve ilettiği görülmektedir. Fakat Çelik ve plastik malzeme 92 ºC termostatı açarken alüminyum 92.83 ºC de termostatı açmaktadır. Malzemelerin termostat yuvasının bağlı olduğu parça ve termostat yuvası sıcaklıkları karşılaştırıldığında alüminyumda 3,16 ºC, Çelikte 4.5 ºC ve plastikte 7,2 ºC fark olduğu görülmektedir. Bunun nedeni ısı iletim katsayılarının farklı olmasıdır. Termostat 93 ºC de açılmaya planlanmıştır. Deneysel metotla elde edilen veriler ile sonlu elemanlar yöntemiyle yapılan analizler malzemelere göre yaklaşık aynı sonuçları vermiştir. Bu bulgular daha önce yapılan çalışmalarla benzerlik göstermektedir [5-8]. Üretilen parçalar malzeme yönünden değerlendirildiğinde Tablo 9 da görüldüğü gibi yoğunluklarına bakıldığı zaman plastik termostat yuvası alümünyum termostat yuvasına göre daha hafif iken Alüminyum termostat yuvası çeliğe göre hafiftir. Hafiflik makine elemanlarında istenen bir durumdur. Plastik ve alümünyum termostat yuvası çeliğe göre bu açıdan Sıcaklık C 90 87 84 81 78 75 72 6 7 8 9 10 Yayılım Değerleri Şekil 7: Termostat Yuvasının Farklı Malzemelerde ANSYS sıcaklık değişim grafiği Isı iletimi yönünden incelendiğinde alümünyum, çelik ve plastiğe göre Tablo 9 da da görüldüğü gibi çok daha fazladır. Şekil 7 deki grafikte Ansys de ısı yaylımı incelenmiş ve Alüminyum malzemenin parça üzerindeki sıcaklık yayılımının daha fazla olduğu görülmüştür. Aynı zamanda alüminyum parça deneyler esnasında termostatı diğer malzemelere göre daha fazla açmıştır. Alüminyum 36, çelik 30, plastik malzeme 24 kez fanı açmıştır. Buda motorun soğutulması açısından alüminyum parçanın daha avantajlı olduğunu ortaya koymaktadır. Bağlantı yeri ve bağlandiğı parçanın malzemesi yönünden incelendiğinde, bağlandığı parçanın alümünyum olması genleşme katsayısının çelik ve plastik malzemelere göre farklı olmasına yol açmaktadır. Isınma esnasında farklı genişleme ve soğuduğunda farklı daralma oranlarına sahip oldukları için Çelik malzemenin kullanılması için sızdırmazlığın sağlanması gerekmektedir. Plastik malzeme yumuşak olduğun içi yüzeye uyum sağlamaktadır. Alüminyum malzemede bu durum söz konusu değildir. IV. SONUÇLAR Isı makine elemanlarında istenmeyen bir durum olduğu için özellikle motor bloğunda zararlara yol açmakta, zamanında soğutulmassa motor hararet yapmakta, ömrü azalmaktadır. Motor ısısını dengede tutmak için daha fazla termostat açılıp kapanması istenen bir durumdur ve motor için daha faydalıdır. Deneysel metotla elde edilen veriler ile sonlu elemanlar yöntemiyle yapılan analizlerde alüminyum malzemeyi öne çıkarmıştır. Alüminyum malzeme diğer iki malzemeye göre daha avantajlı olup termostatı en kısa sürede ve en fazla sayıda açması, sistemi daha çok soğutması bakımından tercih 125
Otomotivlerde Kullanılan Termostat Yuvasının Farklı Malzemeler ve Yöntemlerle Üretimi ve Sıcaklık Analizi edilmelidir. Ayrıca sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak deneysel çalışmaya gerek olmadan daha kısa sürede sonuçları elde etmek mümkündür. Böylece zaman ve işçilikten tasarruf sağlanabilir. KAYNAKLAR [1] Anon, http:// www.taysad.org.tr, ulaşım tarihi, (2010). [2] M. C. Arabacı, Dünya otomotiv sanayinde yaşanan gelişmeler çerçevesinde Türkiye deki otomotiv ana ve yan sanayi ilişkileri, Uzmanlık Tezi Teşvik ve Uygulama Genel Müdürlüğü Hazine Müsteşarlığı ANKARA (2006). [3] A. Bayram, S. Sayarca, Debriyajlardaki histerezis rondelası için yeni bir malzeme kullanımı ve parça geometrisinin değiştirilmesi,uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 13, Sayı 1, (2008). [4] M. A. Erden, Otomotivlerde kullanılan termostat yuvasının farklı malzemeler ve yöntemlerle üretimi ve Ansys de sıcaklık analizi Karabük Üniv. Fen Bilimleri Ens. KARABÜK, (2011). [5] M. Belevi, G. Turgay, Alüminyum ve kompozit dizaltı protezlerin uygunluğunun deneysel ve nümerik olarak belirlenmesi Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2009,6(1) 55-69 [6] U. Bekçi, R. Varol, F. Taylan, Farklı Malzemelerden İmal Edilmiş Modüler Dişli Çarkların ANSYS ile Gerilme Analizi Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2006 (2) 19-26 [7] H. İ. Demirci, A. GÖK, K. GÖK, Applıcatıon of fınıte elements method on ındustrıal genuıne blank,5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09),, Karabük, Türkiye(2009). [8] M. Kocatürk, M. S. Salman, Otomobil Klima Sisteminde Fan Devri ve Giriş Havası Sıcaklığının Performansa Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi Politeknik Dergisi Cilt: 9 Sayı: 1 s. 7-12, 2006 [9] O. Ö. Nalçacı, Kompozit malzemelerin termal analizi Dokuz Eylül Ünv. Mühendislik Fak. Makine Mü. Böl. İZMİR 2005. 126