TMMOB Makina Mühendisleri Odası Makina İmalat Teknolojileri Kongresi 06-07 Aralık 2013 YOLCU KOLTUĞUNDA HAFİFLETME ÜZERİNE BİR ÇALIŞMA Celalettin YÜCE 1, Fatih KARPAT 1, Nurettin YAVUZ 1, Gökhan ŞENDENİZ 2, Mustafa AKSOY 2 1 Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle BURSA 2 Grammer Koltuk Sistemleri San. Ve Tic. A.Ş. DOSAB Mustafa Karaer Caddesi BURSA Tel: 0 224 2941919 E-Posta: cyuce@uludag.edu.tr ÖZET Sürdürülebilir çevre kavramının öne çıktığı günümüzde enerji verimliliği tüm sektörler için önem kazanmıştır. Bu doğrultuda otomotiv sektöründeki firmalar da taşıtlarda yakıt tüketimini azaltacak, enerji verimliliğini arttıracak teknolojilere yatırım yapmaya başlamışlardır. Araçların yakıt tüketimini ve buna bağlı olarak emisyon oranlarını azaltmada en etkili çözümlerden biri taşıt ağırlığında hafifletmedir. Yolcu koltukları toplu taşıma araçlarında sayıları itibariyle hafifletme açısından önemli bir seçenektir. Uluslararası standartlarla belirlenmiş güvenlik kriterlerine uyum sağlaması gereken bu yapı aynı zamanda seyahat konforunun da en temel unsurudur. Bu çalışmada inovatif tasarımlar eşliğinde yüksek mukavemetli çelik malzemeden üretilmiş boru ve profillerin kullanılması ile güvenlik, performans ve konfordan ödün vermeden yolcu koltuğunun hafifletilmesi anlatılmıştır. Anahtar Sözcükler: Otobüs, Yolcu koltuğu, Sonlu elemanlar analizi, Yüksek mukavemetli çelik GİRİŞ Araştırma kuruluşları 2008-2035 yılları arasında küresel enerji ihtiyacının %53 oranında artacağını öngörmektedirler. Enerji ihtiyacı bakımından ikinci büyük sektör olan ulaştırma sektörü, bu artışta önemli bir rol oynamaktadır. 2009 yılında bu sektör, Amerika Birleşik Devletleri ndeki (ABD) enerji tüketiminin %29 unu, Avrupa Birliği ndeki (AB) tüketimin yaklaşık olarak üçte birini ve toplamda dünyadaki enerji tüketiminin %27 sini gerçekleştirmiştir. Ulaştırma sektöründeki enerji ihtiyacının %81 lik kısmı karayolu taşımacılığından kaynaklanmaktadır. 2008-2035 yılları arasında taşıt sayısının artması sonucunda bu tüketimde yıllık %1,4 oranında bir büyüme öngörülmektedir [1]. Enerji ihtiyacının büyük bölümü petrol ve sıvı yakıtların tüketimi ile karşılanmaktadır. 2008 yılında günlük 85,7 milyon varil sıvı yakıt kullanılırken, 2020 yılında ise tüketimin 97,6 milyon varil olacağı öngörülmektedir. Sıvı yakıt tüketimindeki bu artış, hızlı ekonomik kalkınma ile birlikte dünya üzerindeki enerji tüketiminden kaynaklı karbondioksit (CO 2 ) emisyonunun 2008 yılında 30,2 milyar ton olmasına yol açmıştır. 2035 yılı için ise bu emisyonun 43,2 milyar ton olacağı öngörülmektedir [2]. Atabani ve ark. (2011) 2008 yılında ulaştırma sektörünün dünyadaki CO 2 emisyonunun yaklaşık olarak %22 sine neden olduğunu ve bu sektör içerisinde karayolu taşımacılığının dünya üzerindeki toplam sera gazı emisyonunun %10 luk kısmından sorumlu olduğunu belirtmişlerdir [3]. Tüketilen yakıt miktarının ve buna bağlı olarak ta salgılanan CO 2 emisyonlarının azaltılmasına yönelik çeşitli standartlar ve yasal zorunluluklar oluşturulmaktadır. Emisyon oranlarına getirilen yasal zorunluluklar otomotiv sektörünü yeni arayışlara itmiştir. Sektördeki firmalar çeşitli teknolojilere yatırım yaparak projeler geliştirmekte ve değişen pazardan pay sahibi olmak için çalışmaktadırlar. Bu doğrultuda enerji verimliliği yüksek, çevreye daha duyarlı araçların üretilmesi hedeflenmektedir. Birçok araştırmacı taşıtlara uygulanabilecek olan teknolojilerin yakıt tüketimine olan etkisini incelemiştir. Bu doğrultuda güç aktarma organlarının geliştirilmesi, taşıt ağırlığında hafifletme, aerodinamik tasarımların geliştirilmesi, küçük hacimli motor kullanılması gibi teknolojiler öne çıkmaktadır. Bu teknolojilerin her biri farklı oranlarda taşıtın enerji verimliliğini ve yakıt tüketimini etkilemektedir [4]. Taşıtlardaki enerji tüketiminin yaklaşık %70 i ağırlık ile ilgili sebeplerden kaynaklandığı için enerji verimliliğini arttıran bu teknolojilerin arasında taşıt ağırlığında hafifletme en verimli ve en hızlı geri dönüş sağlayan teknolojilerden biridir[5]. Hafifletme ile aracın yol tutuşu
artmakta frenlemesi ve hızlanması için gerekli kuvvetler azalmaktadır. Toplu taşıma araçlarında hafifletme ise taşıtların ağırlıkları ve yılda kat ettikleri mesafeler göz önünde bulundurulduğunda oldukça önemlidir. Ayrıca ülkemiz otobüs ile yapılan seyahat mesafesi açısından AB ve komşu 13 ülke arasında lider konumdadır. Toplam seyahat edilen kilometrenin taşıtlara göre sınıflandırılmasında vatandaşlarımızın yaklaşık %45 inin otobüsler ile seyahat ettiği ortaya çıkmıştır [6]. Yasal zorunluluklar da toplu taşıma araçlarının hafifletilmesini zorunlu hale getirmiştir. Emisyon standartları nedeniyle EURO 5 motora geçilecek olması taşıtta ekstra bir yük oluşturmaktadır. Bu yükü ana sanayiler diğer parçaların hafifletilmesi ile elimine etmeyi hedeflemekte ve bu doğrultuda talepte bulunmaktadırlar. Taşıt ağırlığında hafifletmenin yakıt tüketimine ve emisyon salınımına olan etkisi üzerine yapılan araştırmalarda araç tipine ve kullanım şekline bağlı olarak %10 oranında bir hafifletmenin yakıt tüketiminde %6-8 oranında tasarruf sağlayacağı belirtilmiştir[7]. Taşıtların ağırlığında hafifletme üzerinde bir çok çalışma yapılmıştır. Cheah et al. [8], Bjelkengren [9], çalışmalarında hafifletmenin optimizasyon teknikleri ve kullanılan geleneksel malzemelerin yerine yüksek mukavemetli çelik, alüminyum, kompozit gibi alternatif malzemelerin kullanılması ile mümkün olacağını belirtmişlerdir. Ayrıca kullanılan malzemeye uygun tasarım ve üretim tekniğinin seçilmesi gerektiğine vurgu yapmışlardır. Yüksek mukavemetli çelik, kompozit, alüminyum malzemelerinin kullanılması ile araçların farklı parçalarında farklı oranlarda hafifletmeler sağlanmıştır. Bu çalışmalarda kısa vadede bu malzemelerin kullanılması ile yaklaşık %20 oranında bir hafifletmenin mümkün olacağı vurgulanmıştır[10]. Araçlarda seyahat konforunun en önemli unsurlarından olan koltukların hafifletilmesi son yıllarda ön plana çıkmıştır. Özellikle toplu taşıma araçlarında sayıları itibariyle önemli yer tutan yolcu koltukları yeni malzemeler ve optimizasyon tekniklerinin kullanımı için oldukça uygundur. Polavarapu [11], Chelikani [12] otomobil koltuklarında yeni malzeme kullanımı ve topoloji optimizasyonu ile %13-20 oranında hafifletme elde etmişlerdir. Gleich ve ark.[13], Bartus ve ark.[14] yolcu koltuklarında kompozit malzeme kullanımı sayesinde %40 a yakın bir hafifletme sağlamışlardır. Ayrıca temiz yüzeyler ve azalan parça sayısı ile de maliyetlerde azalma olduğu belirtilmiştir. Bu çalışmada kısa mesafe ve seyahat otobüslerinde kullanılan yolcu koltuklarının yüksek mukavemetli çelik malzeme kullanılarak herhangi bir güvenlik kriterinden ödün vermeden hafifletilmesi incelenmiştir. Tasarım süreci tamamlanan koltuğun, analizi ve uluslararası test standartlarına uygun olarak gerçek testleri yapılarak doğrulaması yapılmıştır. YOLCU KOLTUKLARI Yolcu koltuklarının araç içerisindeki konumu ve sayısı taşıt sınıfına ve müşteri isteğine bağlı olarak değişmekle birlikte M2 sınıfı olarak bilinen minibüs ve hafif ticari araçlarda 10-18 adet, M3 sınıfı olarak bilinen otobüslerde ise 30-55 adet yolcu koltuğu bulunmaktadır. Tüm araçlarda çeşitli sayılarda bulunan ve seyahat konforu ile güvenliğinin en önemli unsuru olan yolcu koltukları genel olarak Şekil 1 de görüldüğü gibi ayak yapılarıyla şaseye bağlanarak üzerlerinde oturak, arkalık, kolçak, arka kapak, ayak dayama, tutamak, emniyet kemeri ve servis tablası gibi temel unsurları taşırlar. Yolcu koltukları dâhil olduğu sınıfa göre yönetmeliklerle belirlenmiş boyut ve güvenlik koşullarına uygun olarak üretilirler. Koltuklar ayak, oturak şasesi ve arkalık iskeleti olmak üzere temel olarak 3 ana parçadan meydana gelmektedirler. Şekil 1. İki kişilik otobüs yolcu koltuğu Geleneksel koltuklarda ayak St-37 çelik sactan üretilmiş olup koltuğun araç tabanı ile bağlantısını sağlar (Şekil 2). Şekil 2. Şaseye kaynatılmış koltuk ayağı
Koltuğun şase grubu rijitliği sağlayan ve üzerine oturak eklenerek seyahatte yolcunun oturacağı kısım oluşturan ve üzerinde yana açma mekanizması, arkalık yatırma mekanizması, kol ve ayak dayama ile sele parçalarını taşıyan kısımdır (Şekil 3). Ayrıca yolcu güvenliği açısından en önemli donanımlardan olan emniyet kemerinin bağlantı noktaları da şase yapısı üzerindedir. Emniyet kemerleri aracın içerisinde koltuğun konumuna ve taşıtın sınıfına bağlı olarak iki nokta (bel) veya üç nokta (bel ve omuz) olmak üzere iki çeşittir. KOLTUK DOĞRULAMA TESTLERİ Ticari araçların sınıfları temel olarak M2 (minibüs) ve M3 (otobüs) olarak iki ana gruba ayrılabilir. Yolcu koltukları kullanılacağı aracın sınıfına göre doğrulama testlerine tabi tutulur. Üretilen her bir koltuğun onay alabilmesi için standartlarla belirlenmiş olan testleri başarı ile geçebilmesi gerekmektedir. Bu testlerde olası bir kaza anında koltukların bağlantı yerleri, aksesuarları ve ana iskeletinin davranışları ile yolcu üzerinde oluşacak olan kuvvetler incelenir. Aşağıda bu regülasyonlara göre yapılan bazı önemli testler açıklanmıştır. Çarpışma (Crash) Testi (ECE R80) Aracın ani frenleme ya da çarpışma anında koltuklarda ve bağlantılarında ortaya çıkacak kuvvetlerin yolcuya ve koltuğa etkisini incelemek için yapılan bir testtir (Şekil 5). Şekil 3. Koltuk şase grubu Koltuğu oluşturan bir diğer temel kısım ise Şekil 4 te görülen arkalık yapısıdır. Bu yapı bazı koltuklarda borulardan bazılarında ise profillerden meydana gelmektedir. Üç nokta emniyet kemerli koltuklarda yani önünde başka bir koltuk olmayan koltuklarda arkalık iskeleti emniyet kemer bağlantı sacını da üzerinde taşır. Koltuğun arkalık kısmındaki iskelet yapısı da bazı koltuklarda tamamen şaseye bağlı iken bazı koltuklarda ise kısmen bağlıdır. Şekil 5. Dinamik Çarpışma Testi Arkalık İtme Testi (74/408/AT) Bu test ile koltukta oturanların kaza anında önlerindeki koltuklar ile uygun bir şekilde korunup korunmadığı, yolcunun yaralanma durumu ve koltuk bağlantılarının dayanıklılığı test edilir (Şekil 6). Eğer dinamik çarpışma testi yapılmıyor ise bu test yapılır. Şekil 4. Koltuk arkalık yapısının iç iskeleti Ortalama bir yolcu koltuğunun ağırlığı yaklaşık 40 kg dır. Bu ağırlığın büyük bir kısmı iskelet ve mekanizmalardan oluşmakta olup bunu trim, sünger ve plastik aksam takip etmektedir. Şekil 6. Arkalık İtme Testi
Emniyet Kemer Çekme Testi (ECE R14) Koltuk doğrulama testleri içerisindeki en önemli testlerden biri emniyet kemer çekme testidir (Şekil 7). Bu test ile aracın çarpışma anında yolcu tarafından emniyet kemerine uygulanan yükler incelenir. modeli oluşturulmuş ve bu analizler sonucunda ortaya çıkan gerilme değerleri verilmiştir. Analizler incelenerek yapının hasara uğrayacak yerleri tespit edilir ve tasarımlarda bu bölgeler için önlemler alınır. Şekil 8. Emniyet kemeri çekme testi analizi ve gerilme değerleri Şekil 7. Emniyet Kemer Çekme Testi Tüm bu testlerin içerisinde emniyet kemer çekme testi koltuğun doğrulanması aşamasında ilk uygulanan testtir. Bu testi başarı ile geçen koltuk yapısının diğer testleri de geçme ihtimali yüksektir. TASARIM VE DOĞRULAMA AŞAMALARI Koltuğun tasarımına hedef pazarın analizi ve müşteri istekleri doğrultusunda başlanır. Üzerinde çeşitli fonksiyonları barındırabilen, yapısal değişikliklere imkân veren, modüler bir yapı olması istenir. Ayrıca kullanılacağı aracın gerektirdiği güvenlik regülasyonlarına da uygun olması gerekmektedir. Tüm bu kriterler göz önünde bulundurularak koltuğun katı modeli oluşturulur. Katı modelin oluşturulmasından sonra sonlu elemanlar metodu ile bilgisayar destekli analizlerde fiziki test koşulları bilgisayar ortamında kurgulanarak koltuğun doğrulaması yapılır. Böylece tasarımlarda ortaya çıkabilecek problemler üretim aşamasından önce tespit edilerek müdahale edilebilir. Bu sayede tasarım süreci hızlanırken aynı zamanda prototip ve test maliyetleri azaltılmış olur. Tasarım aşamasında koltuğun doğrulaması için regülasyonlardaki en önemli testler olan emniyet kemer çekme testi ve statik çarpışma testlerinin analizleri yapılmaktadır. Analizler sayesinde değişik zorlama koşullarındaki davranışlarının incelenmesi mümkün olmaktadır. Şekil 8 ve 9 da emniyet kemer çekme testinin ve statik çarpışma testinin analizinin sonlu elemanlar Şekil 9. Statik çarpışma testi analizi ve gerilme değerleri Bu çalışmada CATIA V5 programında katı modeli oluşturulan koltuğun analizleri için HyperMesh programı ile her bir komponenti için sonlu elemanlar modeli oluşturulmuş ve birleştirilmiştir. Bağlantı kısımları türüne göre tanımlanmıştır. Eleman tipi olarak kabuk (shell) tipi seçilmiştir ve kenar, köşe ve deliklerin bulunduğu yerlerde de mesh yoğunluğunun yeterli olabilmesi için karışık mesh atılmıştır. Sonlu elemanlar analizinde koltuk yapısında kullanılan malzemenin gerilme yüzde uzama miktarı, elastisite modülü, poisson oranı ve yoğunluk değerleri sisteme girilmiştir. Yüksek mukavemetli çeliğin mekanik özelliklerinin belirlenmesi için standartlara uygun çekme numuneleri üretilmiş ve çekme deneyleri yapılmıştır. Koltuğun doğrulanması modelin oluşturulup analizin sınır şartlarının belirlenmesi ile sağlanmıştır. Yapılacak olan analiz zamana bağlı explicit non-lineer olarak seçilmiştir. Emniyet kemer çekme testinde insan yapısını temsil eden bloklar oluşturulmuş ve sisteme tanımlanmıştır. Sonlu elemanlar modeli kurgulandıktan sonra solver için inputlar
yazdırılmış ve RADIOSS çözücüsüyle analiz koşturulurmuştur ve HyperView programı ile koltuk üzerindeki deformasyonlar incelenmiştir. BULGULAR Koltuk yapısında yüksek mukavemetli çelik malzemeden üretilmiş boru ve sacların kullanılması ile farklı bölgelerinde çeşitli oranlarda hafifletmeler sağlanmıştır. Koltuk ayağının ECE R14 normuna göre sonlu elemanlar analizi yapılmış ve bu yapıda meydana gelen gerilme değerleri ve kritik bölgeler belirlenmiştir (Şekil 10). Analizleri geçen ayağın yüksek mukavemetli çelik sac malzemeden üretilmiş prototipi koltuk yapısıyla birlikte teste tabi tutulmuştur. Analiz ve test sonuçlarının uyumlu olduğu, aynı bölgelerde deformasyonların oluştuğu görülmüştür (Şekil 11). Koltuğun ayak kısmına topoloji optimizasyonu uygulanmış ve sonuç olarak yaklaşık %17 oranında hafifletme sağlanmıştır. statik çarpışma testi içinde belirli bir oranda esnemesi istenmektedir. Emniyet kemer çekme testi analizlerinde arkalık iskeletindeki gerilme değerleri 520 Mpa a kadar çıkmıştır (Şekil 12). Bu gerilme değerlerinin sırtlık kısmının kenar borularında yoğunlaştığı görülmüştür. Yapılan fiziki testlerde de aynı bölgelerde deformasyonların olduğu görülmüştür (Şekil 13). Şekil 12. Koltuk arkalık iskeletinde oluşan gerilmeler Şekil 10. Koltuk ayağında oluşan gerilme değerleri Şekil 13. Prototip koltuğun arkalık iskeletinin test sonrası görüntüsü SONUÇLAR Şekil 11. Prototip koltuğun ayağının test sonrası görüntüsü Koltuğun arkalık iskeletinin çekme testi için belirli bir mukavemet değerine sahip olması istenirken aynı zamanda Bu çalışmada M3 sınıfı yolcu otobüslerinde kullanılan yolcu koltuklarının yüksek mukavemetli çelik malzeme kullanılarak hafifletilmesi anlatılmıştır. Bu doğrultuda tasarlanan koltukların sonlu elemanlar metodu yardımıyla analizleri yapılmış, gerilme ve deformasyon miktarlarına göre tasarıma müdahale edilmiştir. Analizleri geçen koltuk yapısının prototip imalatı gerçekleştirilmiş ve ECE normlarına uygun olarak güvenlik testlerine tabi tutulmuştur.
Analizlerde koltuk yapısındaki emniyet kemer bağlantı noktaları ve boruların büküm yerleri gibi bazı kısımlarda yüksek gerilme değerleri görülmüş fakat bu değerler malzemenin akma noktasından düşük olduğu için göz ardı edilmiştir. Ayrıca yapılan fiziki testlerin sonucunda oluşan deformasyonların analizlerde öne çıkan kısımlarda oluştuğu görülmüştür. Yüksek mukavemetli çelik boru ve profillerin kullanılması sonucunda geleneksel koltuk yapısına göre yaklaşık olarak 12 mm daha ince bir yapı elde edilmiştir. Arkalık iskeletinde 2 farklı yapı kullanılmış olup farklı hafifletmeler elde edilmiştir. Referans alınan 2 nokta emniyet kemerli koltuğa göre yeni yapı yaklaşık %15 hafifletilmiştir. 3 nokta emniyet kemerli koltuklarda ise emniyet kemer bağlantı noktasının etkisi nedeniyle belirgin bir hafifletme sağlanamamıştır. Koltuğun geneli göz önüne alındığında yaklaşık %20 oranında bir hafifletme sağlanmıştır. Sonuç olarak ortaya çıkan prototip hafifletilmiş yolcu koltuğu M2 (minibüs) ve M3 (otobüs) sınıfı için 2 Nokta emniyet kemer çekme testi ile M3 sınıfı 3 Nokta emniyet kemer çekme testini başarı ile geçmiştir. Ayrıca enerji dağılım ve statik çarpışma testlerini de standartlara uygun olarak geçmiş ve üretim için onay almıştır. REFERANSLAR [1]U.S. Energy Information Administration, International Energy Outlook 2011, Report Number: DOE/EIA- 0484(2011) USA. [2]U.S. Energy Information Administration, Annual Energy Outlook 2013, Report Number: DOE/EIA-0383(2013) USA. [3]Atabani, A.E., Badruddin, I.A., Mekhilef, S. 2011. A review on global fuel economy standards, labels and technologies in the transportation sector. Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011) 4586 4610 [4]King, J., 2007. The King Review of low-carbon cars - Part I: the potential for CO2 reduction, London [5]BCC Research, 2011, Lightweight Materials in Transportation (AVM056B) [6] Steer Davies Gleave, 2009, European Commission - Study of passenger transport by coach, http://ec.europa.eu/transport/modes/road/studies/doc/2009_ 06_ passenger_transport_by_coach.pdf standards for light vehicles Energy Policy 37(2009)3843 3853 [7]Lutsey, N., 2010, Review of technical literature and trends related to automobile mass-reduction technology, Institute of Transportation Studies UCD-ITS-RR-10-10, University of California [8]Cheah, L., Evans, C., Bandivadekar, A., Heywood, J., 2007, Factor of Two: Halving the Fuel Consumption of New U.S. Automobiles by 2035 Laboratory for Energy and Environment, Massachusetts Institute of Technology Publication No. LFEE 2007-04 RP [9]Bjelkengren, C., 2008, The Impact of Mass Decompounding on Assessing the Value of Vehicle Lightweighting M.Sc. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, USA [10]U.S Department of Energy, 2010, Lightweighting Material 2010 Annual Progress Report, [11]Polavarapu, S., 2008, Topology And Free-Size Optimization With Multiple Loading Conditions For Lightweight Design of Die Cast Automotive Backrest Frame, M.Sc. Thesis, Clemson University, USA [12]Chelikani, A., 2007, Simulation of a Backrest Moment Test for an Automotive Front Seat Using Nonlinear Contact Finite Element Analysis, M.Sc. Thesis, Clemson University, USA [13]Gleich, K., Jackson, T., Vaidya, U., 2002, Development of a Long Fiber Reinforced Thermoplastic Composites Bus Seat, Composites 2002 Convention and Trade Show Composites Fabricators Association September 25-27, 2002 Atlanta, Georgia USA [14]Bartus, S.D., Vaidya, U.K., Ulven, C.A., 2006, Design and Development of a Long Fiber Thermoplastic Bus Seat, Journal of Thermoplastic Composite Materials 2006 19: 131