i AFYON KOCATEPE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ TRAKTÖR AKS MİLİNİN YORULMA ANALİZİ MUSTAFA PERÇİN 120712010 YALÇIN DEMİRER 120712021 DANIŞMAN PROF. DR. SÜLEYMAN TAŞGETİREN Afyon - 2012
1 Özet Taşıtların güç aktarma organlarından biri olan aks milleri değişik yüklere maruz kalmakta ve bu yüzden aks millerinde bazı hasar ve arızalar meydana gelebilmektedir. Bu çalışmada 1972 model Fiat 480 traktöre ait kırılmış bir aks üzerinde incelemeler yapılmıştır. Aks milinin ve kırık yüzeylerin makroskopik fotoğrafları çekilmiş daha sonra mil üzerinde statik analizler yapılmıştır. Analizlerde von-misses gerilme değerleri ölçüt alınmıştır. Burada kritik gerilme değerleri tespit edilmeye çalışılmıştır. Analizlerde; üç boyutlu olarak ele alınıp, Solidworks2012 SimulationXpress programı kullanılmıştır. 1. GİRİŞ Aks milleri taşıt hareketi süresince çalışan parçalardandır. Bu nedenle sürekli üzerinde değişken yüklere maruz kalmaktadırlar. Akslar hem burulmaya hem de eğilme gerilmelerine maruz kalırlar. Bu nedenle taşıtın en fazla yorulan parçalarındandır. Oto endüstrisinde 40XX ve 41XX serilerinin düşük alaşımlı çelikleri karbürleme sınıfları olarak kullanılmaktadır. Bu çelikler çoğunlukla olarak oto arka aks ve dişlilerinde kullanılmaktadır[1]. Üzerinde çalışılan aks milinin mikro yapı fotoğrafları metalografi laboratuarında oluşturulmuş, ıslah çeliğinin von misses gerilme değerleri ölçülmüş, çalışma süresince iş parçası malzemesi ıslah çeliği olarak değerlendirilerek bir çalışma yapılmıştır. 2.Hasarlı Aks Milin İncelenmesi Akslar taşıtlarda, diferansiyelden gelen hareketi tekerleklere iletmek amacıyla kullanılır. Aks milleri taşıt hareketi süresince çalışan parçalardandır. Bu nedenle sürekli üzerinde değişken yüklere maruz kalmaktadırlar. Akslar hem burulmaya hem de eğilme gerilmelerine maruz kalırlar. Şekil 2.1. de aks milinin geometrik modeli görülmektedir. Hasarlı aks mili üzerinde yapılan ilk incelemelerde hasarın geçiş bölgesi olan vida dibinde meydana geldiği görülmüştür. Aks milinin kırık yüzeyi Şekil 2.2 'de görülmektedir. Çatlak başlangıcının A noktasında oluştuğu tahmin edilmektedir.
2 Şekil 2.1. Aks milinin geometrik modeli Şekil 2.2. Aks milinin kırık yüzeyi
3 Aks mili üzerindeki incelemelerde gerilme konsantrasyonunu azaltmak için kama kanalının yarımay kama kanalı şeklinde açıldığı fakat diğer bir gerilme konsantrasyonuna neden olan vida bitimine konsantrasyon azaltıcı kanalın açılmadığı ve geçiş bölgesi olan bu noktanın aynı zamanda konik başlangıç noktası olduğu gözlenmiştir. Yapılan analiz çalışmalarında da aks milinin maksimum von misses gerilmesi bu noktada oluştuğu tespit edilmiştir. 2.1 Aks Milin Mekanik Özellikleri Aks milinin kimyasal özelliklerini ve malzeme standardını belirlemek amacıyla spektral analiz yapılmak istenmiş ve kosgeb bürosuyla irtibata geçilmiştir. Görüşmeler sonucunda yılsonunun geldiğini ve büroda deneylerin yılbaşından önce yapılamayacağı yılbaşından sonra resmi işlemlerin sonucunda verilebilecek randevu tarihinde yapılacak deney sonuçlarının dönem sonuna yetişemeyeceği anlaşılmış ve literatür taraması yapılmıştır. Otomobil ve uçak yapımında, krank mili, aks mili ve kovanı, yivli mil ve benzeri sünekliği yüksek parçalar, ayrıca dişli ve çark yapımında Ç 4140 ıslah çeliği kullanılmaktadır[2]. Literatür taraması sonucunda aks mili malzemesinin Ç 4140 alaşımlı çeliği olduğu tespit edilmiştir. Alaşımlı çelik varsayılarak yapılan metalografik çalışma da malzemenin alaşımlı bir çelik olduğunu göstermiştir. Aks milinin kimyasal bileşimi ve mekanik özellikleri sırasıyla Tablo 2.1 ve Tablo 2.2 de görülmektedir. C Si Mn Pmax Smax Cr Mo V 0,38 0,15 0,50 0,035 0,035 0,90 0,15-0,45 0,40 0,80 1,20 0,30 Tablo 2.1 Ç4140 Kimyasal Bileşimi Elastisite Modülü Yoğunluk (kg/m 3 ) Kopma Sınırı Akma Sınırı Poisson oranı (GPa) (Mpa) (Mpa) 190-210 7,7-8,03 1772 1641 0,27-0,30 Tablo 2.2 Ç4140 Mekanik Özellikleri[3]
4 Aks milinin sertliği Rockwell cinsinden ölçülerek Tablo 2.3 te gösterilmiştir. Ölçümler sonucu aks milinin ısıl işleme tabi tutulduğu dış yüzeyinin daha sert çekirdeğinin ise dış yüzeye göre daha yumuşak olduğu anlaşılmıştır. Ölçümler dış çaptan merkeze doğru 5 er mm aralıklarla yapılmıştır. Ölçüm çapı 40mm 35mm 30mm 25mm 20mm 15mm 10mm merkez HRC 55 53,5 50,9 40,4 38,3 35,8 33,1 30,9 Tablo 2.3 Ölçülen sertlik değerleri 2.2 Metalografik inceleme Kırılmış olan aks mili üzerinden çapı15 uzunluğu20 mm olan mikro yapı numunesi tornalanarak elde edilmiştir. Numune sırasıyla 120, 240, 400, 600, 800, 1000, 1200 numaralı zımpara kademelerinden geçirilerek son işlem olarak çuha üzerinde alümina-saf su solüsyonu dökülerek parlatılmıştır. Parlatma sonunda optik mikroskop kullanılarak akstan 50 mikron ve 100 mikron büyütmelerde fotoğraflar alınmıştır. Şekil 2.3 te ki mikroyapı fotoğrafları incelendiğinde; siyah kısımlar perlit (ferrit + sementit) beyaz kısımlar ise tane sınırlarında oluşan ferrit ağları görülmektedir. Sementit; Fe3C metaller arası bileşiği sementit olarak adlandırılır. Sementit sert ve gevrek bir bileşiktir[4]. Aks milinin yüksek mukavemetli bir çelik olduğu perlit fazının yoğunluğundan anlaşılmaktadır. a b Şekil 2.3 Aks milinin 50 mikron(a) ve 100 mikron(b) büyütmeli mikro yapıları
5 2.3 Nümerik Analiz Aks mili modellemesi için Solid Works 2012 programı kullanılmıştır. Aks milinin katı modeli oluşturularak Solidworks2012 SimulationXpress modülü ile belirlenen mekanik özellikler ışığında statik analiz yapılmıştır. Aks mili traktörün kuyruk mili hareketini sağlayan eleman olduğu için aks miline etki eden kuvvetlerin tespiti neredeyse imkansızdır, çünkü kuyruk mili ucuna ne tür bir tarım aleti takıldığı ve ya bu mile kaç değişik tarım aleti takıldığı bilinmediği için varsayım yoluyla nümerik analizler yapılmıştır. Traktörün toplam ağırlığı 20kN olarak varsayılmış her bir aksa gelebilecek kuvvet ortalama 5 kn olarak ele alınmıştır. Solid Works programında iş parçası malzemesi olarak Ç4140 çeliğinin karşılığı olan 1.7225 (42CrMo4) çeliği seçilmiştir. Şekil 2.4 Aks milinin meshli modeli Şekil 2.5 Aksın sabitlenmesi Şekil2.6 Yük uygulanması
6 Aks milinin toplam hücre sayısı 21781, toplam eleman sayısı 12988 olan meshli modeli Şekil 2.4 te görülmektedir. Şekil 2.5 te aks milinin sabitlendiği kısım ve Şekil 2.6 da 5kN uygulanan kısımlar görülmektedir. Şekil 2.7 Von Misses gerilmesi Yapılan nümerik çalışma sonucunda max 727Mpa gerilme vida dibinde olduğu görülmektedir. Nümerik çalışmayla aks milinin gerçekte olduğu gibi ani geçiş bölgesinde kırılma meydana gelebileceği görülmektedir. 3 Sonuç ve Öneriler Aks üretimi sırasında parçalar dış yüzeyleri indüksiyon ile yüksek sıcaklığa kadar (yaklaşık 900 C) ısıtılır ve püskürtülen su ile hızlı bir şekilde soğutulup sertleştirme sağlanır. Bu sertleştirme işleminin ardında temperleme yapılarak gerilmeler azaltılır. Bu işlem sırasında yüzeydeki C nin azalması yani dekarbürizasyon oldukça sık görülen bir olaydır[1]. Isıl işlemin sonucunda parça yüzeyinde çeki artık gerilmeler oluşmakta ve gerilme konsantrasyonunun olduğu bölgelerde yorulma çatlağı başlangıcı oluşmaktadır. Bu çatlaklardan yorulma sonucu kırılmalar meydana gelir. İncelenen aks mili üzerinde tasarım hatasından kaynaklanan geçiş bölgesinde çeki artık gerilmelerin de etkisiyle yorulma kırığı meydana gelmiştir. Kama kanalı diplerinde oluşabilecek gerilmeleri bertaraf etmek için yarımay kama kanalı açılmış fakat vida dibine
7 gerilmeleri azaltmak için kanal açılmamış bu noktalardaki artık gerilmeler yorulma çatlaklarına neden olmuştur. Kırılmanın oluştuğu nokta ayrıca konik başlangıcı olup çap farklılığının başladığı yerdedir. Aks mili 1972 model traktörde 40 yılda yorulma çatlağı ile kırılmıştır. Geçen süre aks malzemesinin oldukça mukavim bir malzeme olduğunu ifade eder. Aks üzerinde yapılacak olan tasarım değişimiyle yorulma çatlağı başlangıcı engellenebilir. Çap farkı başlangıcı olan konik kısım üzerinde çalışmalar yapılarak mümkün olduğunca koniklik giderilmelidir. Vida dibine uygun kanal açılarak aks mili sonsuz ömürlü hale getirilebilir.
8 6. KAYNAKLAR [1] YAVUZ,İ. TAŞITLARDA GÜÇ AKTARMA ORGANLARINDA HASAR ANALİZİ. AFYON KOCATEPE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ [2]www.ayhandemir.com.tr/Urunler/Islah-Celikleri/17225-(4140)-(42crmo4) [3] www.efunda.com [4]SMİTH, W. F. MALZEME BİLİMİ ve MÜHENDİSLİĞİ (ÇEVİREN: NİHAT G. KINIKOĞLU)