SOĞUK ŞEKĐLLENDĐRĐLMĐŞ ÖN AKS GÖVDESĐNĐN SONLU ELEMANLAR ANALĐZĐ YARDIMIYLA MEKANĐK TASARIMI

OTEKON 2010 5. Otootiv Tenolojileri Kongresi 07 08 Haziran 2010, BURSA SOĞUK ŞEKĐLLENDĐRĐLMĐŞ ÖN AKS GÖVDESĐNĐN SONLU ELEMANLAR ANALĐZĐ YARDIMIYLA MEKANĐK TASARIMI Hasan Günal *, N. Sefa Kuralay **, M. Murat Topaç ** * Otoar Otobüs Karoseri Sanayi A.Ş., Atatür Caddesi No:9, 54580 Arifiye, Saarya ** Douz Eylül Üniversitesi Mühendisli Faültesi, Maine Mühendisliği Bölüü, Otootiv Anabili Dalı, 35100 Bornova, Đzir ÖZET Bir çeici taşıtın ön ası için hava yaylı süspansiyon sistei tasarlanıştır. Yaylandırılaış ütlenin azaltılası aacıyla, siste içindei ana yü taşıyıcı parça olan ön as gövdesinin, sac alzeeden, soğu şeillendire ve aynalı ialat ile üretilesi planlanıştır. Bu çalışada, söz onusu as gövdesinin tasarı sürecinde sonlu eleanlar yöntei ullanılara yapılan stati uaveet ve yorula uaveeti inceleeleri ile tasarı iyileştire çalışaları özetleniştir. Anahtar elieler: Sabit as, Ön as gövdesi, Yorula uaveeti, Sonlu eleanlar analizi MECHANICAL DESIGN OF A COLD FORMED FRONT AXLE BEAM BY USING FINITE ELEMENT ANALYSIS ABSTRACT An air spring suspension syste for a tractor truc is designed. To reduce the unsprung ass, it s decided to anufacture the front axle bea which is the ain load carrying part, by using cold foring and welding procedures. In this study, static and fatigue strength investigations and the design enhanceent studies which were carried out by using finite eleent analysis during the design process of the axle bea are suarised. Keywords: Rigid axle, Front axle bea, Fatigue strength, Finite eleent analysis 1. GĐRĐŞ Üleizde taşıacılı setörü süreli olara gelişete, ullanıcıların belentileri süreli olara artatadır. Bu belentilerin başında taşıt ile taşınan faydalı yüün arttırılası geletedir. Bu aaçla lasi ayon ullanıı artı gidere azalata ve yerini çeici tipi taşıtlara bıraatadır. Diğer taraftan, artan yü taşıa enzili talebi, ullanıcıların taşıt onforu ve stabilitesi açısından yüselen belentilerini de beraberinde getiretedir. Bu aaçla üleizde üretilen bir çeici taşıt için hava örülü ön süspansiyon sistei tasarlanıştır. Tasarlanan süspansiyon sistei sayesinde taşıt üzerinde halihazırda bulunan yapra yaylı süspansiyon sisteine oranla daha yüse onfor seviyelerine ulaşılıştır. Tasarlanan süspasiyon sisteinin ana taşıyıcı parçası olan as gövdesi ise sacdan aynalı olara ial edilebilece şeilde tasarlanıştır ediliştir. Şeil 1 de taşıt için tasarıı yapılan süspansiyon sistei görületedir. Çalışanın bütününde Şeil1 de görülen süspansiyon sistei yönlendire sistei ile birlite tasarlanıştır. Bu tasarı çalışasında sistei oluşturan süspansiyon eleanlarının teori hesapları ve seçileri yapılış, süspansiyon sistei onseptine arar veriliş, elean yerleşileri yapılış ve siste 3 boyutlu olara odelleniştir. Daha sonra, süspansiyon sisteinin 1

uygulanacağı taşıtın odeli uruluş ve belirlenen yol şartları altında belirli siülasyonlar yapılıştır. Bu siülasyonlarda ortaya çıan uvvetler uyarınca sistei oluşturan parçaların sonlu eleanlar analizleri yapılış ve parçalar üzerinde iyileştireye gidiliştir. Bu bildiride ise sadece asın stati uaveet ve yorula uaveeti analizlerine değinilecetir. Ön as apasitesi: 7100 g Ara as apasitesi: 11500 g Tasarlanaca as gövdesinin taşıa apasitesi 7100 g dır. Anca bu değer asın stati taşıa yüüdür. Dinai olara sistein hangi yülere aruz alacağının belirlenesi gereir. Bu aaçla 3. bölüde detayları verilen taşıt dinaiği odeli oluşturuluş ve çeşitli yol şartlarında siule ediliştir. 3. TAŞIT MODELĐ Şeil 1. Çeici taşıtın ön süspansiyon sistei 2. TAŞIT ÖZELLĐKLERĐ Taşıt odelinin hazırlanasındai aaç öncelili olara siste onfor ve sürüş dinaiği paraetrelerinin dinai şartlar altında ontrol edilesidir. Süspasiyon sisteinin bu paraetreleri aynı odel ile standartlarda belirtilen çeşitli senaryolarda ontrol ediliş ve abul sınırları içerisinde aldığı görülüştür. Modelin bir başa aacı ise sistei oluşturan parçaların bağlantı notalarına eti eden dinai uvvetlerin bulunası ve detay parça tasarılarının bu uvvetler uyarınca yapılasıdır. Taşıtın dinai odeli içn RecurDyn prograı ullanılıştır. Taşıtın ön asında tasarıı yapılan ii örülü hava süspansiyonu sistei, ara asında ise boyuna yönvericili hava örülü süspansiyon sistei bulunatadır. Model Şeil 3 de görületedir. Süspansiyon sisteinin uygulanacağı taşıta ait teel ölçüler Şeil 2. de veriliştir. Şeil 3. Taşıt odeli Şeil 2. Tasarıda ullanılan geoetri boyutlar Taşıta ait diğer bazı teni değerler aşağıda veriliştir. Taşıtın boş ağırlığı: 7160 g Ön izgenişliği: 2076 Ara izgenişiliği: 1830 Taşıtta ullanılan lastiler: 295/80 R22,5 Tasarı için bir çeici taşıt referans alınıştır. Bu nedenle dinai odelde yü, beşinci teer bağlantı eseninden uygulanıştır. Yüün ağırlı erezi yerden 1800 yüselitedir. Ayrıca odelde taşıtın şasi, otor-atara organlarının ütleleri ve aslara ait stati yü değerleri de tanılanıştır. 4. YOL SĐMÜLASYONLARI Süspansiyon sistei bağlantı notalarına eti eden uvvetleri tespit edebile için çeşitli yol şartlarında siülasyonlar yapılıştır. Sabit as üzerinde asiu 2

uvvetlerin oluştuğu sürüş senaryoları Şeil 4 te ölçüleri verilen trapez engel geçişi siülasyonu ve asiu frenlee siülasyonudur. Şeil 4. Trapez engel geçişi siulasyonunda ullanılan engel boyutları Taşıt şeil 4 te verilen engel üzerinden 40 /h sabit hızla geçiriliş ve siülasyon sonucunda as üzerine bağlanış hava örüğüne eti eden uvvetin zaana bağlı olara değişii Şeil 5 de veriliştir. çıan asiu uvvet 61500 N dur. Aracın çalışa şartları gözönüne alındığında bu duruun engel geçişine göre daha düşü sılıta ortaya çıacağı düşünülüş ve tasarıda uaveet riteri olara trapez engel geçişinde ortaya çıan asiu uvvet olan 57112 N referans olara alınıştır. Anca tasarı sonlandırıldıtan sonra ontrol aacı ile frenlee duruda ortaya çıan uvvetler ile de uaveet ontrolü yapılıştır. Stati duruda örü üzerindei uvvet 33700 N dur. 5. AKS GÖVDESI TASARIM DETAYLARI Taşıt üzerinde halihazırda ullanılan as gövdesi döve yönteiyle üretiliştir. Bu tip onvansiyonel bir as gövdesinin resi Şeil 7 de görületedir. Şeil 7. Döve etodu ile üretiliş bir ön as gövdesi Şeil 5. Trapez engel geçişinde hava örüğü uvveti değişii Şeil 5 de verilen yü değişiinde ortaya çıan asiu uvvet değeri 57112 N dur. Şeil 6 da ise taşıt hızının 40 /h ten 5 s içinde 0 a düşesi duruunda hava örüğü üzerinde oluşan uvvetin zaana bağlı olara değişii veriliştir. Böyle bir as gövdesi uaveet açısından tü isteleri arşılaala birlite aliyet ve ağırlı açısından bazı dezavantajları da beraberinde getiretedir [1,2]. Taşıt üzerinde halihazırda ullanılan döve as 95 g ien taşıt için tasarlanış ve Şeil 8 de görülen ön as 71 g dır. Tasarlanan asın uaveet istelerini yerine getirdiği düşünüldüğünde taşıt üzerinde 24 g lı bir ağırlı azancı eydana gelecetir. Ağırlı azancı as yorula analizi sonucunda ortaya çıaca nihai tasarıın ağırlığına göre netleşetedir. Şeil 8. Taşıt için tasarlanan sac ön as Şeil 6. Frenlee duruunda ortaya çıan uvvet değişii Şeil 6 da verilen frenlee duruunda ise ortaya Şeil 8 de görülen as sacdan aynalı olara ial ediliştir. Abnatta büülere ial ediliş U gövde ve alt gövde birbirine A ayna bölgesinden aynatılış, preste soğu şeillendire yönteiyle ial edilen boyun ve U gövde ise C ayna bölgesinden aynala 3

birleştiriliştir. Bu parçalara ing-pin yatağı ve aas tablasının aynatılasıyla as gövdesi ialatı taalanış olatadır. Böyle bir as gövdesinin döve ile ial ediliş bir gövdeye ıyasla avantajları aşağıdai gibidir: 1. Döve as alıbı ialatı olduça aliyetli bir yatırıdır. Bu yüzden ialat için gereli il yatırı aliyeti yüse olacatır. Sac as gövdesinde ise sadece boyun ialatı için sac alıbına geresini olacatır ve bu alıbın aliyeti döve as alıbı ile uayese edileyece derecede düşü olacatır. 2. As gövdesinde herhangi bir ölçü değişiliği geretiğinde döve iali as ile bunu gerçeleştire için ilave alıp yatırıı gereecetir. Anca sac as gövdesinde böyle bir aliyet söz onusu değildir. esenine göre sietri olduğundan işle zaanından azana için yarı odel ullanılıştır. Şeil 10 da gösterilen test düzeneği uyarınca as, izgenişliğinden endi eseni erafında dönebilen silindirler üzerine yatalanış ve test yüü aas tablasından basınç olara eti ettiriliştir. Şeil 11 de ANSYS ortaındai yülee ve sınır şartları görületedir. Şeil 11 de görülen yüleenin ardından ortaya çıan von-mises gerile dağılıı şeil 12 de veriliştir. Đz genişliği Yay bağlantıları Yanal denge çubuğu 3. As esitinin içi boş olduğundan döve asa oranla her duruda daha hafif olacatır. Yü Teel Yü Şeil 9 da sac as gövdesinin esit resileri görületedir. Şeil 10. Ön as yorula test düzeneği Şeil 11. ANSYS ortaındai yülee ve sınır şartları Şeil 9. Sac önas esit resileri 6. AKS GÖVDESĐNĐN STATĐK ANALĐZĐ 6.1 TEST DÜZENEĞĐ Şeil 10 da bir ön as yorula test düzeneği veriliştir. Burada ön as grubu düzeneğe şeildei gibi yerleştirilir. As gövdesi iz genişliğinden, endi eseni etrafında dönebilir şeilde yatalanış silindirler üzerine oturtuluştur. Maas tablası eseninden ise test yüü sinüs dalgası şelinde çevrisel olara uygulanır. 6.2 AKS GÖVDESĐNĐN SONLU ELEMANLAR ANALĐZĐ Asın sonlu eleanlar yöntei ile analizi için ANSYS Worbench yazılıı ullanılıştır. As taşıt orta Şeil 12. Đl tasarıda gerile dağılıı Şeil 12 de görülen il tasarıda ortaya çıan asiu gerile değeri 1940 MPa gibi olduça yüse bir değerdir. Bu gerile değeri as alzeesi olara ullanılan yüse uaveetli sac alzeenin uaveet sınırı olan 700 MPa değerinin olduça üzerindedir. Gerile yığılası özellile boyun ve U gövdenin birleşi bölgesinde eydana geliştir. Şeil 4

13 te gerile yığılasının eydana geldiği boyun iç bölgesine ait detay veriliştir. Bu gerile yığılasını azalta, gerile yığılasının eydana geldiği bölgeyi ayna bölgesinden uzalaştıra için boyun-u gövde ayna şeli değiştiriliş ve yeni tasarı asta bu ayna bölgesi Şeil 14 tei hale getiriliştir. Tablo 1. Gövde alzeesi eani özellileri Aa sınırı R eh N/ 2 Çee dayanıı R N/ 2 Kopa uzaası A % (<3 ) Min. Min. Mas. Min. 700 750 950 10 Tablo 2. As gövdesi iyileştire sonuçları Tasarı No Masiu von-misses gerilesi Masiu gerilenin oluştuğu parça 1 1664 MPa Boyun 2 827 MPa Alt gövde 3 1070 MPa Boyun 4 864 MPa Boyun 5 1505 MPa Boyun 6 678 MPa Boyun 7 773 MPa U Gövde 8 486 MPa Boyun aynağı Şeil 13. Gerile yığılasının eydana geldiği boyun iç bölgesi Şeil 15. Đyileştire sonucu elde edilen as gerile dağılıı Şeil 14. Yeni boyun-u gövde birleşi aynağı (B aynağı.) Şeil 14 tei gibi bir tasarıla he boyun daha uavi hale getiriliş he de B ayna bölgesi gerile yığılasının daha az olduğu bir bölgeye taşınıştır. Kayna bölgesinin değiştirilesinden sonra parça üzerinde iyileştireye gidiliş ve pe ço yeni analiz yapılara sonuçları arşılaştırılıştır. Ortaya çıan sonuçlar Tablo 2 de görületedir. Đyileştire çalışaları sonucunda 8 nuaralı tasarıda ortaya çıan 486 MPa gerile değeri as stati analizlerini sonlandıra için yeterli görülüştür. 8 nuaralı tasarıda ortaya çıan von-misses gerile dağılıı şeil 15 te gösteriliştir. Đyileştiriliş as tasarıında da ortaya çıan asiu gerile boyun ile alt gövdenin ayna bölgesinde ortaya çııştır. Şeil 16 da bu asiu gerile bölgesi görületedir. Şeil 16. Đyileştire sonucunda asiu gerilenin oluştuğu bölge. Đl tasarı as ağırlığı 71 g ien iyileştiriliş as ütlesi 72,8 g olara elde ediliştir. Yani yalaşı 2 g ütle artışı ile gerilede 4 at azala eydana getiriliştir. As üzerindei aynaların uaveetinin as alzeesi uaveeti ile aynı olduğu varsayıı ile as üzerinde eydana gelen iniu eniyet atsayısı değeri alzeinin aa uaveeti referans alınırsa (700 MPa) 1,44 olara bulunur. Bu değer stati duru için olduça uygundur. Anca yorula duruu için de ontrol edilesi gereir [3]. 5

7 AKS GÖVDESĐNĐN YORULMA ANALĐZĐ bağıntısı ile hesaplanır. 7.1 TEKRARLI YÜKLEME SENARYOSUNUN BELĐRLENMESĐ Stati analizler yapılıren, trapez engel geçişi siulasyonunda elde edilen asiu yü değeri olan 57112 g ullanılıştı. Bu yü değeri asın yorula analizinde de asiu yü değeri olara ullanılacatır. Anca terarlı yülee senaryosunda yüün alt sınırının da belirlenesi gereetedir. Yülee alt sınırı ise aracın boş duruunda hava örüğüne isabet eden yütür. Yani as üzerindei hava örüğünde bulunan iniu yü değeri aracın boş ve stati duruunda hava örüğüne eti eden yütür. Bu yü, dinai siulasyon yardııyla 25400 N olara belirleniştir. Yorula analizlerinde ullanılaca yülee tipi Şeil 17 de veriliştir. Yü, (N) 2 3 Zaan, (s) Şeil 17. Yorula yüleesi yü çevrii 7.2 GÖVDE MALZEMESĐ WÖHLER DĐYAGRAMININ ELDE EDĐLMESĐ Asın ialatında ullanılaca sac alzeenin Wöhler diyagraı alzeeye ait çee testi sonuçlarını ullanara yalaşı olara elde ediliştir. Bunun için literatürde verilen ve Şeil 18 de özetleniş bir yönte ullanılıştır. Yalaşı Wöhler diyagraının çizilebilesi için Şeil 18 de görülen A ve B notalarına ait gerile değerlerinin bilinesi gerelidir. Şeil 18 de görülen A notası N alt çevri sayısına arşılı gelen uaveet sınırını gösteretedir. N alt öür değeri 100 yü terarı için verilir. Bu notaya ait uaveet sınırı ise S a = S ut (1) 1 Bağıntısı ile hesaplanır. Bu bağıntıdai S ut değeri alzeeye ait çee uaveetidir ve as alzeesi için bu değer 850 MPa olara şeil 13 de görületedir. ise ortalaa gerile olup; = a + 2 in (2) Şeil 18. Wöhler diyagraının yalaşı çizii [4,5] Buradai değeri çevriinde oluşan asiu a gerile değeri, ise çevride oluşan iniu in gerile değeridir. değeri 57112 N yü için 486 a MPa olara stati analiz sonucu elde edilişti. Yapılan stati analiz lineer olduğundan yü çevriinde oluşaca iniu gerile değeri asiu ve iniu yülerin oranından: 25400 in = 486= 216MPa dır. 57112 Dolayısıyla bulunaca değeri: 486+ 216 = = 351MPa 2 Bulunan değeri 1 denleinde yerine oyulursa S a1 değeri: S a = 850 351 499MPa 1 = Olara hesaplanır. Şeil 19 dai B notası ise N üst çevri sayısına arşılı gelen uaveet sınırını gösterir. Bu notadai N üst değeri çeliler için süreli öür uaveeti olara abul edilen 10 6 çevridir ve bu notaya ait uaveet sınırı olara verilen S e değeri de; S = 0, 504 (3) e S ut olara verilir. Bu değer 850 MPa çee uaveeti için S e = 0,504 850= 428, 4MPa olara bulunur. Bu değerler yardııyal elde edilen Wöhler eğrisi laboratuvar şartlarındai ideal deney nuunesi için geçerilidir. Bu eğrinin as gövdesinde ullanılabilesi için yorula düzelte fatörlerinin belirlenesi gerelidir. Bu fatörlerinde dahil edilesiyle S e değeri: 6

' S = (4) e S e haline gelir. Buradai fatörü ise birço fatörün bileşii olara: = (5) a b c d e şelinde bulunur [6,7]. Burada, a yüzey fatörüdür ve b a = as ut (6) bağıntısı ile bulunur. a ve b Sabitleri ialat şeline bağlı olara belirlenete olup, incelenen as gövdesinin ialat şeli olan soğu şeillendire için a=4,51 ve b=- 0,265 değerlerini alır. Böylece a ; a = 4,51 850 0,265 = 0,755 olara bulunur. b büyülü fatörüdür ve esit ölçülerine göre belirlenir. Anca dairesel olayan şeiller için esit yüseliğinin 50 den büyü olası duruunda b =0,75 alınası tavsiye edilir. c yülee fatörüdür ve asın aruz aldığı eğile zorlaası için 1 alınır. d sıcalı fatörüdür ve 250 C den üçü sıcalılarda 1 alınası öngörülüştür. Doalyısıyla asın çalışa ve test şartları için bu değer de 1 alınabilir. e gerile yığılası fatörüdür, bu düzelte fatörünün hesaplanası için e 1 = (7) f bağıntısı verilir. Güvenliğin ön planda tutulduğu tasarılarda f fatörünün t stati gerile yığılası fatörüne eşit alınası tavsiye edilir. As gibi araşı şeilli bir parça için bu fatörün literatürden bulunası olduça güçtür. Bu yüzden gerile yığılasının tanıından hareetle t ; p t = n ve böylece e ; e 486 = = 1,26 386,3 1 1 = = = f t 1 1,26 = 0,794 olara hesaplanır. Bu değerin de bulunasıyla as için fatörü: = abcde olara elde edilir. = 0,755 0,75 1 1 0,794= 0,45 7.4 YORULMA ANALĐZĐ SONUÇLARI Oluşturulan yalaşı Wöhler eğrisi ve yorula fatörlerinin ANSYS Worbench ortaında tanılanasının ardından, yorula analizi yapılış ve trapez engel geçişi için öür dağılıı Şeil 19 dai gibi elde ediliştir. Asın tü notaları 10 6 çevri üzerinde yorula dayanıına (sonsuz öüre) sahiptir. Şeil 19. Trapez engel geçişi yorula öür dağılıı Bu senaryo için elde edilen Goodan fatörüne dayalı eniyet atsayısı dağılıı Şeil 20 de görületedir.. t p = (8) n şelinde hesaplanıştır [3,8,9]. Buradai p değeri gerile yığılası altındai gerile değeri ien, n değeri gerile yığılasını oluşturan etenin ortadan aldırılası duruunda oluşaca gerile değeridir. As için p değeri stati analizler sonucunda bulunan asiu von-misses gerilesidir ve değeri 486 MPa dır. n değeri ise asın esas zorlanasını oluşturan eğile gerilesidir. Masiu Von-Misses gerilesinin oluştuğu notadai eğile gerilesi ise 386,3 Mpa olara tespit ediliştir. Dolayısıyla as için bulunaca t fatörü: Şeil 20. Trapez engel geçişi eniyet atsayısı dağılıı As gövdesi üzerinde elde edilen iniu eniyet atsayısı 1,1 civarındadır. Frenlee duruu için ise elde edilen iniu eniyet atsayısı değeri 1,03 seviyesine gerileiş, anca yine de eniyetli bölgede alınıştır. 7

SONUÇ Şeil 21. Frenlee duruu yorula eniyet atsayısı dağılıı Bir çeici taşıta uygulanası düşünülen hava yaylı süspansiyon sistei için sac ön as gövdesi tasarlanıştır. Oluşturulan tasarıın, belirlenen yülee senaryolarında istenen stati uaveete ve yorula örüne sahip olduğu görülüştür. Bu tasarı sayesinde, taşıt üzerinde halihazırda bulunan döve as gövdesine göre yalaşı %25 oranında ağırlı azancı sağlanıştır. Ayrıca evcut asa oranla il yatırı aliyeti öneli ölçüde azaltılış ve üreti esneliği sağlanıştır. KAYNAKÇA [1] Kuralay NS. Motorlu Taşıtlar; Teel ve Tasarı Esasları, Yapı Eleanları, Cilt 1; Tahri ve Sürüş Sisteleri. Đzir: TMMOB Maina Mühendisleri Odası, Yayın No: MMO/2008/484; 2008. s.258. [2] Reipell J, Stoll H, Betzler JW. The Autootive Chassis: Engineering Principles, Society of Autootive Engineers, Inc., Warrenale, 2001, s.56 [3] Topaç MM, Günal H, Kuralay NS. Fatigue failure prediction of a rear axle housing prototype by using finite eleent analysis. Eng Fail Anal 2009;16:1474-1482. [4] Schijve J. Fatigue of Structures and Materials. Dordrecht, Netherlands: Kluwer Acadeic Publishers; 2001. s. 45-172. [5] Topaç MM, Günal H, Kuralay NS. Kayon ara as gövdesinde oluşan yorula hasarının sonlu eleanlar yönteiyle incelenesi. Mühendis ve Maina 2008; 49(583); 3-10. [6] Shigley JE. Mechanical Engineering Design. Toyo: McGraw-Hill Kogausha, Ltd.; 1977. s. 196. [7] Shigley JE, Mische C. Mechanical Engineering Design. New Yor: McGraw-Hill, Inc.; 1989. s. 286-288. [8] Piley WD, Piley DF. Peterson s Stress Concentration Factors, 3rd. Ed. New Yor: John Wiley & Sons, Inc.; 2008. s. 159. [9] Topaç MM, Günal H, Kuralay NS. Ağır ticari taşıt ara as gövdesinin terarlı düşey yülee altında yorula davranışının sonlu eleanlar analizi yardııyla iyileştirilesi. 11.Otootiv Sepozyuu Kalıpçılı ve Tasarı, Bildiriler itabı. Bursa: TMMOB Maina Mühendisleri Odası, MMO Yayın No:E/2009/496-1; 2009. s.173 182. 8