MAKALE TİCARİ TAŞIT AKSLARININ DAYANIM TESTLERİNDE KULLANILACAK YÜKLERİN MÜŞTERİ ÇEVRİMİNDEKİ TAŞIT ÖLÇÜMLERİNDEN ELDE EDİLMESİ Metn Toprak * Man Truck & Bus Ag - Dachauer Strasse 667 80995 München, Deutschland mtoprak23@ahoo.com Murat Ereke Prof. Dr., İstanbul Teknk Ünverstes, Makna Fakültes, Makna Mühendslğ Bölümü, İstanbul ereke@tu.edu.tr ÖZET Günümüzde otomotv üretclernn, tasarımı btmş parçaların taşıta serbest bırakablmes (parçaa ona verlme şlem, dğer br deşle ser üretme geçeblmes çn daanım (ömür testlernn gerçekleştrlmes gerekmektedr. Bu çalışmada, aksların tcar taşıtlar üzernde ona verleblmes çn gerekl daanım testlernde ugulanacak üklern belrlenmes çn br öntemn oluşturulması amaçlanmaktadır. Gelştrlen bu öntem le müşter çevrmndek, dğer br deşle şletme şartlarındak taşıt ölçümler, hızlandırılmış laboratuvar orulma testlerne doğru şeklde aktarılmıştır. Anahtar Kelmeler: Yorulma ömrü, ükleme brkm eğrs, test spektrumu 1. GİRİŞ Pazarlama İmalat Br taşıt tasarımının gerçekleştrlmes brçok etkene bağlı olmaktadır. Şekl 1 (a da tasarımın gelştrleblmes ve bunun sonucunda ürünün kullanıcıı tatmn edeblmes çn, gerekl olan parametreler görülmektedr [1]. Bu etkenler çerçevesnde ürün sürekl olarak br değşme maruz kalmaktadır. Br taşıt modelnn, gerek laboratuvar ortamındak testlerde, gerekse gerçek çalışma koşullarındak verler hesap değerlerle denk düştüğünde, malata ve bunun sonrası ürünün pazarlanmasına geçlmektedr. Kullanıcı le malatçı arasındak blg transfernn sağlandığı servs noktaları, ürünün farklı kullanıcılar çn ver bankaları olduğundan, tasarımın gelştrlmes açısından oldukça öneml br nokta teşkl etmektedr [2]. Ortaa çıkarılacak ürünün çalışma daanımının tespt edlmes gerekmektedr. Şekl 1 (b de br taşıtın vea parçanın çalışma daanımının saptanablmes çn gerekl olan dört ana parametre gösterlmştr [3]. Bunlar çevre koşullarının da dâhl olduğu ükleme durumu, ürünün geometrs, malzemes ve malat özellklerdr. Ugun br tasarımın gerçekleştrleblmes çn de, çalışma sırasında karşılaşılan dış üklern, ürünün krtk bölümlerne etken bölgesel gerlmelern, malzemenn orulma davranışıla lgl özellklernn blnmes gerekldr. Bu şeklde, taşıt vea taşıta br parça çn gerekl olan güvenrllk ve emnet faktörler saptanmış olacaktır. Dolaısıla aşırı ükleme gb özel durumlarda ürünün mnmum ömrünün saptanması bu açıdan önem kazanmaktadır. Ürün ömrünün belrlenmes vea bçlen ömür çersnde bütün fonksonlarını erne getrmes üründen stenen temel özellktr. Bu sebeple günümüz ürün gelştrme kavramında, taşıt, aks ve bleşenlernn orulma ve ömür kavramları ön plana çıkmış bulunmaktadır. 2. DAYANIM TESTLERİNİN OTOMOTİVDE ARAŞTIRMA GELİŞTİRME FAALİYETLERİNDEKİ ÖNEMİ Taşıtların orulmadan kanaklanan ömürlernn saptanması Yükleme (çevre koşulları da dahl DERIVATION OF THE LOAD SPECTRUM FROM CUSTOMER-USAGE MEASUREMENTS FOR THE DURABILITY APPROVAL OF THE COMMERCIAL VEHICLE AXLES ABSTRACT The assessment of the durablt of components becomes more mportant n dfferent techncal areas lke commercal vehcles wth regard to the ncreasng trend towards lght-weght constructons, reducton of tme-to-market perods and relablt. For those reasons, the automotve manufacturers have to perform the durablt tests n order to release the components consderng ther operatonal condtons, on the other words; the durablt tests of the components must be realzed n order to start the seral producton. In ths stud, t s amed to determne a necessar durablt methodolog n order to release the commercal vehcle axles. These durablt tests must be executed through transfer of the customer-usage measurements to the accelerated laborator durablt tests wth the help of ths methodolog. Analz ve smülason Servs TASARIM Şekl 1.a Tasarımın Blg Transfer, b Daanıma Etken Parametreler a Satış Laboratuvar vea Gerçek Şartlarda Test Malzeme Malet Höcker kavşağı Ölçüm hattı 07 Tek engell ol Su geçş Kötü otool Tümsekl ol Cezar tren olu kavşağı DAYANIM İmalat b Ürünün geometrs Kewords: Servce fatgue lfe, load spectrum, test spectrum İ otool Kaldırma köprüsü * İletşm azarı Taşıt bekleme er Gelş tarh : 20.01.2014 Kabul tarh : 14.03.2014 Toprak, M., Ereke, M. 2014. Tcar Taşıt Akslarının Daanım Testlernde Kullanılacak Yüklern Müşter Çevrmndek Taşıt Ölçümlernden Elde Edlmes, Mühends ve Makna, clt 55, saı 651, s. 26-42. Dern çukurlu ol Büük snüs olu / farklı fazlı Frenleme Yolu Belçka kaldırımı Küçük snüs olu / farklı fazlı Kötü otool Şekl 2. Tcar Taşıt Üretcsndek Test Merkezndek Hızlandırılmış Test Yolu Parkuru Bükme engell ol 26 Mühends ve Makna Mühends ve Makna 27
amacına önelk çeştl öntemler gelştrlmştr. Bu öntemlern en bast, taşıtı belrlenen ol güzergâhlarında (müşter odaklı testler öngörülen klometre kadar ol kat edlmes le gerçekleştrlen testlerdr. Taşıtın karaollarında test edlmes, bast olmasına rağmen oldukça zaman alıcı, pahalı ve tekrarlanablrlğ hemen hemen mkânsız br süreçtr. Dğer br test öntem, belrl ol kaltelernden medana gelen özel pstlerde taşıtın test edlmesdr. Bu şeklde zaman sürec bell ölçülerde azaltılmış olmakta, ancak bu öntemde de gzllk sorunu aşılamamaktadır (Şekl 2 [4]. Mevcut son öntem gerçek ol vers kullanmak suretle aracın laboratuvar ortamında test edlmesdr (Şekl 3. Günümüz otomotv sanande gerçek ol verler kullanılarak hızlandırılmış orulma Arka aks Yanal kuvvet Tekerlek tutucusu Dke kuvvet Ön hava körükler Frenleme kuvvet Süspanson rodu tutucusu Bolamsal kuvvet Arka aks test standı Taşıt gövdes Süspanson kolu Şekl 3. Tcar Taşıt Üretcsndek Test Merkezndek Hızlandırılmış Laboratuvar Test ömrü testler ürün gelştrme aşamasında agın olarak ugulanmaa başlamıştır. Ancak gerçek ol versnn elde edlmes ve buna at teknk özellklern belrlenmes hal karmaşık ve ölçüm hatalarını da çeren br faalettr. Yol kaplamalarının hem saısal olarak fade edleblmes ve bell standartlara göre tanımlanablmes hem de bazı bağıntılar ardımı le fade edleblmes [5], ol snalnn teork olarak üretmn de mümkün kılmaktadır. Taşıt br bütün olarak düşünülmekte ve stenlen ömür doğrultusunda hareket edlerek hesaplamalar apılmaktadır. Örneğn br bnek otosu çn 300.000 km br orulma ömrü otomotv üretcler çn global hale gelmş br değerdr. Bu değer, tcar 22.5" Tekerlek kuvvet ölçer kamon arka ve lave aks F x [kn] F [kn] F z [kn] zaman [s] Test standında br çevrme karşılık gelen tekerlek kuvvetler 22.5" Tekerlek kuvvet ölçer otobüs ön aks vasıtalarda 1.000.000 km vea daha üksek değerlere çıkablmektedr. Br taşıtın ömrünü belrleeblmek çn, o taşıttan beklenen özellkler öneml br er tutmaktadır. Bu taşıt br araz aracısa, dağlık arazlerde ve düz ollarda gdecek şeklde tasarımın oluşturulması gerekecektr. Dolaısıla ömür hesaplamasında araca gelen üklern bu şartlar düşünülerek hesap edlmes gerekecektr. Önceden de söz edldğ üzere; br taşıtın gelştrme sürecndek öneml br kısmını oluşturan daanım test sürec, söz konusu taşıtın kullanım şartları ve anı zamanda o bölgede vea ülkedek ol şartlarına göre, genel olarak 3 farklı şeklde gerçekleştrlmektedr (Şekl 4: 1. Müşter odaklı testler (Müşter çevrmndek taşıt testler 2. Kötü ol test pstndek testler (Hızlandırılmış test parkuru 3. Laboratuvar testler (Hdrolk sarsıcılarda hızlandırılmış ömür test Şekl 4. Hızlandırılmış Ömür Test Yöntemler Müşter odaklı testler genelde br tcar taşıt üretcs çn 1 mlon klometredr. Bu değer, tcar taşıt üretcsnn söz konusu taşıt çn belrledğ ömürdür. Hedef, taşıtın güvenlk açısından öneml olan süspanson ve aks elemanlarının, bu süre çersnde kırılmaması vea hasarlanmamasıdır. Genelde, bu elemanlarda çalışma şartları altında gerçekleşen kırılmalar orulma hasarlarından kanaklı orulma kırılmalarıdır. Yorulma, br makna parçasının, tekrarlı dnamk üklern etksle statk daanım sınırlarının çok altındak zorlama koşullarında hasarlanmasıdır. Makna parçasının orulma ömrünü, hasarlanmaa neden olan dnamk üklern tekrar saısı ve genlk şddetler belrler. Yorulma ömrü se, belrl şddettek dnamk ük genlklernn tekrar saısıdır [6]. Kötü ol test pstndek testlerde se esas hedef, test süresn kısaltmaktır. Yukarıda söz edldğ gb müşter odaklı testlerdek 1 mlon hedef klometresne ulaşılablmes çn gerekl süre, genelde br vea k ıl olabldğnden, kötü ol test pstlernde bu süre altı aa kadar düşüreblmek mümkündür. Elde edlen en öneml kazanç se, test süresnn kısaltılmasıdır. Laboratuvar testlernde se amaç, en kısa zamanda en doğru şeklde kıaslanablr ve tekrarlanablr verler vea sonuçlar elde edeblmektr. Örnek olarak burada sözü geçen daanım test süres 3-5 hafta arasında değşeblmektedr. Özetle, ömür testlernde öngörülen; kullanım ömrü bounca taşıt akslarının şletme şartları altındak daanıklılığın belrlenmes ve orulma açısından ncelemesne htaç duulmaktadır. 3. DAYANIM TEST YÖNTEMİNİN OLUŞTURULMASI Günümüzde daha konforlu, daha estetk, daha haff, daha az akıt tüketen, çevrele daha barışık ve daha daanıklı taşıtlar tasarlaablmek çn kapsamlı ve en teknoloj de çeren öntemler kullanılmaa başlanmıştır. Taşıt aks ve süspanson parçalarının tasarımında orulma ve ömür kavramları günümüz ürün gelştrme kavramında ön plana çıkmış bulunmaktadır. Zra taşıtlar olda ser halnde ken aks ve dğer elemanları dnamk üklere maruz kalmakta, bunun sonucunda da bazen orulmaa bağlı hasarlar, öngörülen kullanım ömründen daha önce ortaa çıkablmektedr. Bu amaçla, taşıt aks ve dğer süspanson elemanlarının günümüze ugun tasarımında ol verlernn kullanıldığı ncelemelere, testlere htaç vardır. Br taşıt aksının orulmadan kanaklanan ömrünün hesaplanablmes amacıla lk önce taşıtın normal şletme koşullarını tanımlaarak tasarım spektrumunun oluşturulması gerekldr. Söz konusu makna parçasına etk eden kuvvet, moment, vme vea deplasman genlklernn belrl br zaman süresne göre statstksel dağılımı Yükleme Kolektf olarak adlandırılır. Yorulma ömrü bounca ükleme kolektf az vea çok saıda tekrarlanır. Bell br zaman dlm çn elde edlmş ükleme grafğnden ararlanarak ükleme brkm eğrs elde edlr. Bu eğr, ele alınan şletme zamanı çnde belrl br sevedek üklemenn, kendsnden üksek olanlarla brlkte ne kadar sürdüğünü gösterr. Tasarım spektrumu se, taşıt üretcsnn şletme koşullarını tanımladığı parçaa bell br zaman dlm çn elde edlmş br ükleme brkm eğrsdr. Dğer öneml br tanım se test spektrumudur. Test spektrumu, ukarıda belrtlen tasarım spektrumunun laboratuvar testlerne aktarılmasıdır. Bu şlemde, küçük üklern hmal edlmes le brlkte orta büüklüktek üklern çevrm saısının arttırılmasıdır (Şekl 5. 28 Mühends ve Makna Mühends ve Makna 29
Eksenel tekerlek kuvvet (Fx Gerlme Genlğ (doğrusal Yükleme brkm eğrs (750 km otoban ölçümü Tasarım spektrumu Test spektrumu 750 km otoban ölçümü Toplam tekrar saısı (log Şekl 5. Tasarım ve Test Spektrumu Yükleme Brkm Eğrler Taşıtların ömürler bounca, farklı şartlarda kullanılanlar da olmakla brlkte, statstkî olarak ortalama %60, %40 kötü ol şartlarına maruz kaldığı kabul edleblr. Bu aklaşım taşıt malatı açısından genel br aklaşım olup, malatçının vea tasarımcının o araçtan stedğ özellklere göre bu oranları değştrmes vea sınıflandırmaı çoğaltması mümkündür. Bu çalışmada tasarım spektrumu verler Tablo 1 dek gb kabul edlmştr. Tablo 1. Tasarım Spektrumunu Oluşturan Verler Yol Sınıflandırması, Farklı Yol Kategorler Tasarım Spektrumu [%] 1-P Otool 10 2-PF Çok Şertl Yollar 20 2-PN Asfalt Yollar 30 3-P Stablze Yollar 20 4-P Şehr ç Ulaşım Yolları 15 5-P Şehr dışı Bağlantı Yolları 5 Toplam 100 3.1 Ölçme Donanımının Kurulması ve Ölçüm Planı Yukarıdak tabloda belrtlen tasarım spektrumu verlerne göre müşter odaklı testler gerçekleştrlmştr. Müşter çevrmndek taşıt testlernde toplamda 3664 km lk kuvvet, moment, vme ve er değştrme genlkler ölçülmüştür. Ölçümler gerçekleştreblmek çn ölçüm donanımlarının kalbrasonu ve taşıta erleştrlmes gerekmektedr. Bu ölçüm donanımları arasında brçok algılaıcılar bulunmaktadır. Kuvvet algılaıcıları (ük hücreler, brm şekl değşmlern ölçmek çn gerekl algılaıcılar (Stran-Gage, mesafe algılaıcıları, vme-ölçerler gb algılaıcılar aşağıdak tablodak (Tablo 2 verlmştr. Taşıta erleştrlmş bu algılaıcılar ve bunları taşıttak erleşm planı Şekl 6-10 da görmek mümkündür. Tablo 2. Taşıta Yerleştrlen Algılaıcılar ÖN AKS ARKA AKS PARÇA Süspanson Kolları SİNYAL KOŞULLAMA ADET ÖLÇME BİRİMİ Tam Köprü 12 kn Amortsör Tam Köprü 2 kn Körük Taşııcısı Kuvvetler Tekerlek Yer değştrmes Tam Köprü 2 kn Analog 2 mm Stablzatör Tam Köprü 1 kn Aks İvmes Analog 6 g Tekerlekten Yük Ölçer Süspanson Kolları Analog 12 kn, knm Tam Köprü 4 kn Amortsör Tam Köprü 4 kn Körük Taşııcısı Kuvvetler Tekerlek Yer değştrmes Tam Köprü 4 kn Analog 2 mm Aks İvmes Analog 6 g Tekerlekten Yük Ölçer Analog 12 kn, knm ŞASİ İvme Analog 12 g GÖVDE Stran Gage`ler (SG Tam Köprü 15 µm/m Dğerler Yere Göre Hız Analog 1 km/h Stran-Gage gb algılaıcıların özel br snal koşullamaa gereksnm vardır. Ölçülecek bölgee göre değşklk gösteren düzlemsel gerlme-şekl değştrme bağlantılarını elde edeblmek çn, snal koşullamada değşk köprü-kablo bağlantılarına htaç vardır (örneğn; çerek, arım vea tam köprü kablo bağlantıları. Süspanson elemanlarında, özellkle süspanson kollarında, Stran-Gage (SG (brm uzama-şekl değştrme elemanı ugulamasından sonra ka- Şekl 6. Kuvvet Kalbrel Süspanson Kolları Şekl 7. Tekerlekten Yük Ölçerler (Ön ve Arka Aks Şekl 8. Amortsörler (Kuvvet Kalbrel, Körük Taşııcısı Kuvvetler (Blezk Tpl Yük Hücres lbrason şlem gerçekleştrlerek parça üzerne gelen kuvvetler ölçülmüştür. Tekerlekten ük ölçerler ardımıla eksenel, anal ve dke kuvvetler (F x, F, F z ve bunlara karşılık gelen momentler (M x, M, M z elde edlmştr. Malzemede oluşan ç gerlmeler bulmak çn malzeme üzelerndek stran (brm uzama-şekl değştrme değerler ölçülmüştür. Genelde malzeme üzendek, denesel gerlme ncelemelernde kullanılan noktasal ölçüm chazına Stran-Gage adı verlr. Tekerlekten kuvvet-ölçerler, aralarında belrl açı bulunan 6 adet ük ölçerden oluşmaktadır. Tekerleğe gelen ükler, ük hücrelernn aralarındak açılar ardımıla aşağıdak Şekl 10 dak gb gösterlr ve aşağıdak denklemler le hesaplanır. Aşağıdak denklemlerde α le belrtlen tekerlekten kuvvet-ölçerler üzerndek ük hücreler arasındak açıı tanımlar. Bununla brlkte d uzunluğu se tekerlek arıçapını belrtr [7]. Her br ük hücresne at kuvvet ve moment bleşenlernn hesaplanması (Denklem 1-9; Amortsör Süspanson kolları Şekl 9. Arka Aksa At Ölçüm Kanallarının Şematk Gösterm Körük taşııcısı kuvvetler Taşıtın gdş önü 30 Mühends ve Makna Mühends ve Makna 31
Yanal önde etken tekerlek moment (α açısından bağımsız, M Eksenel öndek tekerlek moment F ve F z tekerlek kuvvetlernn fonksonuna bağlı olarak, M r = M x = f( F, Fz Yanal öndek toplam tekerlek momentnn F x tekerlek kuvvetne göre değşm, (7 (8 M = k = 6 α= 1 F. d x Bu teork hesaplar, tekerlekten kuvvet-ölçer çersndek ver toplama chazına bütünleştrlmştr. Bölelkle ölçümlerdek ham verlere herhang br ver-manpülason şlem gerçekleştrmeden, kuvvet ve momentler elde edleblmektedr. 3.2 Müşter Çevrm Ölçümler Türke Ölçümü Tasarım spektrumu verlerne göre müşter odaklı testler ger- (9 Şekl 11. Türke Ölçümü Referans Müşter Çevrm Şekl 10. Tekerlekten Yük Ölçer (Kuvvetler ve Hesaplanan Momentler Yük hücresne etken eksenel tekerlek kuvvet, Toplam anal tekerlek kuvvet, F = F.cosα+ F.sn α rx x z Yük hücresne etken dke tekerlek kuvvet, F = F.cos α F.sn α rz z x (1 (2 F = k = 6 α= 1 F Eksenel önde etken tekerlek moment, (4 Yük hücresne etken anal tekerlek kuvvet (α açısından bağımsız, M = M.cos α+ M.sn α rx x z Dke önde etken tekerlek moment, (5 F r = F (3 M = M.cos α M.sn α rz z x (6 Şekl 12. İstanbul Şehr İç Ölçümü 32 Mühends ve Makna Mühends ve Makna 33
çekleştrlmştr. Müşter çevrmndek taşıt testlernde toplamda 3664 km lk kuvvet, moment, vme ve er-değştrme genlkler ölçülmüştür. Her taşıt üretcs tarafından belrlenen referans müşter, taşıtın vea parçanın ömrü bounca maruz kaldığı en üksek dnamk üklern gerçekleştğ ol şartı ve kullanım koşuludur. Bu çalışmadak referans müşter, söz konusu tcar taşıtın ser halnde en üksek gerlme genlklernn gerçekleştğ Türke müştersdr. Taşıt üretcler tarafından referans müşternn belrlenmesndek 3 öneml parametre aşağıdak gb sıralanmıştır: 1. Taşıtın üklenmes (olcu ve ükleme durumu 2. Yol kaltes 3. Ser ve sürüş bcm Türke Karaolları Genel Müdürlüğü nden alınan taşıt oğunluk hartalarındak blgler ve satış sonrası hzmetlern Tablo 3. Müşter Çevrmndek Ölçüm Yollarının Dağılımı Sınıflandırma Yol Tp Uzunluk [km] Oran [%] 1-P Otool 732 20% 2-PF Çok Şertl Yollar 2165 59% 2-PN Asfalt Yollar 406 11% 3-P Stablze Yollar 258 7% 4-P Şehr İç Ulaşım Yolları 76 2% 5-P Şehr Dışı Bağlantı Yolları 27 1% Toplam 3664 100% verler netcesnde Türke ölçümü k akslı br şehrler arası otobüsü le Şekl 11 dek gb belrl ol güzergâhlarında gerçekleştrlmştr. Taşıt zn verlen maksmum aks üklernde üklenmştr. İk akslı br şehrler arası otobüsünün ön aksı bağımsız, arka aksı se katı (rjt br akstır. Müşter güzergâhında alınan ölçümlerde, aşağıdak tabloda da (Tablo 3 görüleceğ üzere ollar belrl sınıflara arılmıştır. Bu sınıflandırmaa göre, şehr ç ol tpne at ölçümler İstanbul da gerçekleştrlmştr. İstanbul şehr ç ölçüm güzergâhları da Şekl 12 de gösterlmştr. Farklı karakterdek ollardan alınan ölçümler sonrasında söz konusu tcar taşıt aksının ükleme brkm eğrs oluşturulacaktır. 3.3 Yol Versn İnceleme Yöntem Elde edlen ölçümler netcesnde, verler Şekl 13 tek akış dagramında belrtlen öntemler le analz edlmştr. Tüm ol tp, lgl şletme şartları ve ükleme genlklernn belrlenmes çn zaman bazındak verlern tek parametrel sama öntemlernden Range-Par le kısm ükleme brkm eğrs (HB oluşturmuştur. Şekl 14 te se Range-Par sama öntem (Genlk Çft le oluşturulmuş ön sol tekerleğe at eksenel öndek ükleme brkm eğrs gösterlmektedr. Range-par br sama öntem olup, bu öntem le salınım bölgelernn frekansını tespt edlr. Br salınım bölges eşdeğer boutlu poztf ve negatf dönüşlere sahptr. Eşdeğer salınımlar toplanıp, sonuç kümülatf frekans değşm olarak temsl edlr. Elde edlen kısm ükleme brkm eğrlernden tasarım spektrumunu oluşturablmek çn doğrusal ekstrapolason (mate- Aralık çftlernn saımı range - par Eksenel tekerlek ükü ön sol tekerlk (n Saımın hazırlanması Saımın apılışı Çft genlk Zaman (s Sıklık dağılımı Toplam sıklık Çft genlk Yorum Farkı genlkl salınım genşlğ saısı Şekl 14. Range-Par Sama Yöntem le Yükleme Brkm Eğrsnn Oluşturulması Şekl 13. Yol Versnn İncelenmesnde Akış Dagramı matkte dış değer bçmek ve süperpozson matematksel şlemlernn gerçekleştrlmes gerekmektedr. Doğrusal ektrapolason, blnen br ükleme brkm eğrsnn br teğet doğrusunu oluşturup bu doğruu bu sınırdan daha lere uzatmak suretle elde edlr. Doğrusal ektrapolasonun sonuçlar vermes şartları blnen ükleme brkm eğrsnn aklaşık olarak doğrusal değşmeler ve ektrapolasonun blnen verlerden çok daha uzak olmamasıdır [8]. Süperpozson lkes, k vea daha fazla doğrusal ekstrapolasonu gerçekleştrlmş ükleme brkm eğrlernn artmetk toplamı olarak fade edlr. Ölçülen ol verlerne bu matematksel şlemler ugulanarak parçaa at tasarım spektrumu oluşturulur. Yol versnn ncelenmesnde oluşturulan akış dagramında da görüleceğ üzere düzeltme faktörlernn de hesaplanması gerekmektedr. Düzeltme faktörler, farklı tekerlek kuvvetlerne at tasarım spektrumlarının arasındak matematksel oran olarak tanımlanablr. Bu saede, dke tekerlek kuvvetlerne at ükleme brkm eğrsne göre değşken bağıl tekerlek kuvvetler ükleme brkm eğrs elde edlr. Tüm ükleme brkm eğrler dke tekerlek kuvvetne at eğre göre arıştırılmıştır (Normalzason [9]. Doğrusal ekstrapolason ve süperpozson sonucunda elde edlen ükleme brkm eğrlernn hesaplanması le normalzason şlem (Denklem 10-14; 34 Mühends ve Makna Mühends ve Makna 35
A a Ekstrapolason Faktörler a A (10 (11 Farklı ol tplerne at ükleme brkm eğrler, toplam (kümülatf tekrar saısının anı ol tpne at ekstrapolason faktörü le çarpımıla elde edlr (Denklem 12, (12 Tasarım spektrumu, farklı ol tplerne at ükleme brkm eğrlernn süperpozsonu le elde edlr (Denklem 13, k H( Bt, = H( Bt, (13 Tekerlek kuvvetne at brkm eğrlernn düzeltme faktörü, farklı tekerlek kuvvet genlğ çftne at tasarım spektrumunun maksmum dke tekerlek kuvvet genlğ çftne at tasarım spektrumu oranı le elde edlr (Denklem 14, burada; a A t N = 1 H ( B, t H ( B, t Hedef Müşter Kullan m [ km] MüşterÇevrmÖlçümü [ km ] Toplam Hedef Müşter Kullan m [ km] Toplam MüşterÇevrmÖlçümü [ km ] ( H Bt,, t = at. N N FL, N Fzmax = f FL (14 : Ekstrapolason faktörler : Toplam ekstrapolason faktörü : Farklı ol tplerne at ükleme brkm eğrlernn toplam (kümülatf tekrar saısı t N : Toplam (Kümülatf tekrar saısı B : Uarı snalne at genlk çftler (tekerlek kuvvetlerne at genlk çftlernn değer k : Toplam ol tp H (B, t : Farklı ol tplerne at ükleme brkm eğrler : Tasarım spektrumu FL, : Farklı tekerlek kuvvet genlğ çftne at tasarım spektrumu Fzmax : Maksmum dke tekerlek kuvvet genlğ çftne at tasarım spektrumu f FL : Tekerlek kuvvetne at brkm eğrsnn düzeltme faktörü Aşağıdak Tablo 4 te ekstrapolason faktörler (a bulunmaktadır. Doğrusal ekstrapolason ve süperpozson sonucunda elde edlen ve düzeltme faktörler le brlkte arıştırılmış (normalzason ön sol tekerleğe at ükleme brkm eğrler Şekl 15'te görülmektedr. Grafkte ön sol tekerlek çn bağıl tekerlek kuvvetlerne at ükleme brkm eğrler görülmektedr. Buna göre, ön sol tekerlek göbeğ üzernden aksa gelen zorlamaların dağılımı blnmektedr. Zorlanmalara at bu dağılım, laboratuvar ortamında hdrolk sarsıcılar ardımıla parça üzernde de elde edlmee çalışılacaktır. Bu verler le brlkte, test spektrumunu oluşturmak çn faz açısı (Φ da hesaplanmalıdır. Bağıl tekerlek ükler [F/F max ] Şekl 16. Snüs Uarı Snallernde Faz Farkı F L,XYZ - Tekerlek kuvvetler - ön sol tekerlek Toplam tekrar saısı Şekl 15. Bağıl Tekerlek Kuvvetlerne At Yükleme Brkm Eğrler Ön Sol Tekerlek Faz açısı, brbrle anı dalga şekl ve peroda sahp k dalga arasındak zaman farkına geckme zamanı (τ denlrse bu k dalga arasındak faz farkı (Φ; Φ = τ.ω olarak fade edleblr. Söz konusu faz farkı netcesnde, parça üzernde farklı genlkte zorlanmalar medana geleblmektedr (Şekl 16-17. Ancak otomotvdek tekerleğe gelen ükler netcesndek aks ve aks elemanları üzerndek dnamk, tekrarlı vea sürekl olmaan (rastlantısal zorlamalarda faz farkını elde etmek çn lteratürde br çözüm oktur. Bunun erne bazı aklaşımlar gelştrlmştr. Tekerlek kuvvetler arasındak faz açısının ncelenmes daanım testler açısından önemldr. Yorulma teorsnde, br makna parçasına etken maksmum gerlme genlğnn artması parça ömrünü azaltmaktadır. Ölçülen tekerlek kuvvetler laboratuvar ortamındak hdrolk sarsıcılarda aks üzerne ugulanacağından, kuvvetlern aks vea tekerlek göbeğ üzerne eş a da farklı zaman sürelernde etkmes farklı test sonuçlarına sebebet verecektr. Bu nedenle faz lşksnn de ncelenme- Faz farkının önem Faz farkı 45 olan k snüs dalgası Tablo 4. Ekstrapolason Faktörler Yol Sınıflandırması, Farklı Yol Kategorler Hedef Müşter Çevrm [%] Hedef Müşter Kullanımı [km] Müşter Çevrm Ölçümü [km] Ekstrapolason Faktörler (a 1-P Otool 10 100000 732 137 2-PF Çok Şertl Yollar 20 200000 2165 92 2-PN Asfalt Yollar 30 300000 406 739 3-P Stablze Yollar 20 200000 258 775 4-P Şehr İç Ulaşım Yolları 15 150000 76 1974 5-P Şehr Dışı Bağlantı Yolları 5 50000 27 1852 Toplam 100 1000000 3664 A = 273 zaman Faz farkı 90 olan k snüs dalgası zaman Şekl 17. Faz Farkının Önem İk Snüs Dalgası 36 Mühends ve Makna Mühends ve Makna 37
s gerekmektedr. Buna örnek olarak, Şekl 17 de k farklı faz açısına sahp zaman snalnn anı zaman süresndek genlk değerlernn faz açısına göre değşm görülmektedr [10]. Grafkte de görüldüğü üzere, farklı faz açılarına at eş genlkl snüs eğrlernn an zaman dlmnde arattığı genlk değerler brbrnden farklıdır. Söz konusu faz lşknn ncelenmes çn korelason analz öntem gelştrlmştr. Korelason analz; dnamk, tekrarlı vea sürekl olmaan (rastlantısal zorlamalarda tekerlek üzernden ölçülen kuvvetler arasındak lşk tanımlar. Korelason, k rastlantısal değşken arasındak doğrusal lşknn önünü ve gücünü belrtr. Genel olarak ver analz kullanımda korelason, bağımsızlık durumundan ne kadar uzaklaşıldığını gösterr [11]. Anı frekans ve eş genlğe sahp, fakat faz farkı olan k zaman snalnn lşksnn faz açısına göre hesaplanması (Denklem 15-16; ( x = Asn at +δ, = Bsn( bt (15 sn ( Φ =± Y H Burada; A ve B: Genlk (16 a/b =1 se elps, a/b=2 se parabol, Şekl 18 de farklı a ve b değerlerne karşılık gelen grafkler gösterlmştr. t: Zaman δ: Faz farkı H: Elpsn maksmum dke ükseklğ Y: Elpsn eksenn kestğ nokta Buna göre, tüm ol tplernde elde edlen tekerlek üklerne at korelason analzler gerçekleştrlmştr. Tekerlek kuvvetler arasındak lşk tam olarak tanımlanamaması le brlkte, faz açılarının rastlantısal olarak oluştuğu an belrgn br faz açısının olmadığı tespt edlmştr (Şekl 20. Açıklama F L,Z-Y -5-P (şehr dışı bağlantı olları] F L,Z-Y -4-P (şehr ç ulaşım olları] R L,Z-Y -5-P (şehr dışı bağlantı olları] R L,Z-Y -4-P (şehr ç ulaşım olları] F 2 [dke tekerlek kuvvet ön & arka sol teker] F Y [anal tekerlek kuvvet ön & arka sol teker] Açıklama F R,Z-Y -5-P (şehr dışı bağlantı olları] F R,Z-Y -4-P (şehr ç ulaşım olları] R R,Z-Y -5-P (şehr dışı bağlantı olları] R R,Z-Y -4-P (şehr ç ulaşım olları] Şekl 20. Korelason Analz Sonuçları Müşter Çevrm Ölçümlernde Faz Farkı Ölçümler Burada; : ölçüm sırası n: toplam ölçüm saısı F 2 [dke tekerlek kuvvet ön & arka sol teker] F Y [anal tekerlek kuvvet ön & arka sol teker] Logartmk ortalama değerlernn (logx max ve standart sapma versnn (s (Denklem 18-19 hesaplanması; n 1 log X max = log X n = 1 max, (18 Şekl 18. Farklı a ve b Değerler Şekl 19. Korelason Grafkler (a Faz farkı = 0, (b Faz farkı = 45, (c Faz farkı = 90, (d Faz farkı = 135, (e Faz farkı = 180, (f Faz farkı = 315 Şekl 21. Uç Değer Olasılık Dağılımı (Örnek Müşter çevrmndek ölçüm aklaşık 3000 km lk br ölçümdür. Bu ölçümde tekerleğe etken maksmum kuvvet genlkler taşıtın ön görülen 1.000.000 km çnde etken maksmum genlklerden büük olasılıkla düşük olacaktır. Taşıtın daha uzun kullanımında karşılaşablecek kötü ol karakterlernde oluşan bu kuvvet genlklern Gumbel uç değer teors öntem le statstk olarak modellep hesaplamak mümkündür. Gumbel uç değer teors, tekrarlanan örneklemelerdek en küçük vea en büük değerlerden oluşan rastgele değşkenlern olasılık dağılımlarını göz önüne alan br teordr [12]. Müşter çevrm ölçümü süresnde her 100 km de ölçüm durdurulup, kaıt altına alınmıştır. Her 100 km sonundak ölçümlerde elde edlen maksmum genlkler aşağıdak gb sıralanmıştır [13] (Şekl 21. P, her br ölçüm değerne at olasılık değernn hesaplanması (Denklem 17; 3 1 P = 3n + 1 (17 1 = log, log 1 n s Xmax X n = 1 (19 Taşıtın ön görülen 1.000.000 km çnde oluşması beklenen maksmum kuvvet genlklernn hesaplanması çn önce olasılık değernn bulunması gerekr (Denklem 6; 1 P = % 1 0 0 2 A max (20 Hesaplanan olasılık değer, brkml normal dağılım grafğ üzernden okunablr. Burada A Tablo 4 te de belrtlen toplam ekstrapolason faktörüdür. Elde edlen verler olasılık kâğıdına aktarılıp brkml normal dağılım oluşturulur [14] (Şekl 22, bu dağılım, örnek olarak ön sol tekerlekte ölçülen kuvvet genlklernn uç değerlernn olasılık dağılımını vermektedr. Grafkte de görüleceğ üzere, 3000 km lk ölçüm netcesnde elde edlen ön tekere at eksenel kuvvetn genlğ 21,9 kn ken, 1.000.000 km lk kullanım vea ömür çersnde taşıtın aksına etkmes beklenen maksmum genlk, Gumbel uç değer teors öntemne göre 29,3 kn olacaktır. Bu değer, tekrarlı dnamk üklemee göre tasarım kavramında oluşturulması gereken test spektrumunu belrleen dğer br parametre olacaktır. 1/2 2 38 Mühends ve Makna Mühends ve Makna 39
Tablo 5. Test Spektrumuna At Yükleme Brkm Eğrs Parametreler Aks Ön Aks Arka Aks Tekerlek Yüklernn Koordnat Sstem Yol verlernn ncelenmes netcesnde elde edlen ükleme brkm eğrler ve bunlara at parametreler Tablo 5 te gösterlmştr. Laboratuvarda taşıt testlernn gerçekleştrleblmes çn elde edlen bu parametrelern, hdrolk test standındak ssteme grlmes gerekmektedr. Bunun netcesnde; ol ölçümünde elde edlen aks üzerndek zorlanmalar, hdrolk Test Spektrumu - Yükleme Brkm Eğrs Parametreler Maksmum Yükleme Genlkler (F max Müşter Çevrm Yükleme Genlklernn Tekrar Saıları (H Müşter Çevrm Kolektfnn Şekl vea Form Parametres (ν Müşter Çevrm Test Pst (PG Dke 1,20 x F Fz,max(PG 20 x H PG,Fz 0,57 1,55 Tekerlek Kuvvetlernn Faz Açısı (φ Müşter Çevrm Test Pst (PG Düzeltme Faktörler (f Müşter Çevrm Test Pst (PG 1,00 1,00 Eksenel 0,86 x F Fx,max(PG 20 x H PG,Fx 0,53 1,20 0,28 0,41 Yanal Dke 1,11 x F F,max(PG 0,83 x F Rz,max(PG 14 x H PG,F 20 x H PG,Rz 0,55 0,53-1,45 Tekerlek kuvvetler arasında herhang br baskın faz açısı bulunmamaktadır. 0,31 1,00-1,00 Eksenel 0,98 x F Rx,max(PG 20 x. H PG,Rx - 1,10 0,40 0,43 Yanal 1,35 x F R,max(PG 15 x H PG,R - 1,10 0,30 0,28 PG: Test pstndek referans değerlerdr. Şekl 22. Brkml Normal Dağılım Ön Sol Tekerdek Eksenel Kuvvet (Örnek sarsıcılar tarafından test standında tekrar oluşturulablmektedr. Elde edlen sonuçlar ışığında, tekerlek kuvvetlernden ola çıkarak oluşturulan test spektrumuna at ükleme brkm eğrsnn parametreler ardımıla laboratuvarda taşıt testler gerçekleştrlr. 4. SONUÇ Günümüzde taşıtların gelştrme faaletlernde üksek daanımlı parçaların anı sıra, hafflk ve konfor gb dğer parametrelern de gttkçe önem kazanması le brlkte, taşıt üretcler de bu talepler karşılaacak en öntemlern gelştrlmesne çalışmaktadır. Ürün gelştrme sürecndek öntemler sürekl bu değşen talepler karşılaacak şeklde gelştrlmes de bazı çalışmaların apılmasına olanak sağlamaktadır. Bu çalışmada da tcar taşıtlarda kullanılan aksların şletme şartları altındak üklemelern sstematk br bçmde ncelenp, orulma daanımını belrleen parametreler açısından değerlendrlerek daanım test öntemnn belrlenmes ve leştrmes amaçlanmıştır. Taşıt aks ve süspanson parçalarının, günümüzde tekrarlı dnamk üklemee göre tasarımına ugun ol verlernn kullanıldığı ncelemelere ve araştırmalara htaç vardır. Ömür le lgl daanımının belrlenmes amacıla apılacak araştırmalarda kullanılacak ükleme değerlernn belrlenmes çn gerçek ol ve kullanım şartlarında parçaa etk eden üklemelern blnmes gerekldr. Söz konusu olan bu üklemeler, üklemelern tekrar saısı ve salınımların genlk çftlernn belrlenmes le brlkte, ükleme brkm eğrler elde edlr ve laboratuvar ortamında da bu üklemeler hdrolk sarsıcılar ardımıla parça üzernde tekrar oluşturularak ömür testler gerçekleştrlr. Müşter odaklı ve kötü ol test pstndek ölçümlerde akslar üzernden elde edlen verler, sstematk olarak orulma daanımı açısından ncelenmştr. Bu çalışmada oluşturulan ver nceleme öntem sonucunda, ükleme brkm eğrlerne at parametreler hesaplanmıştır. Hesaplanan parametreler; maksmum ükleme genlkler (F max, ükleme genlklernn tekrar saıları (H,tekerlek kuvvetlernn faz açısı (φ ve düzeltme faktörler (f olarak özetleneblnr. Hesaplanan düzeltme faktörler ncelenecek olursa, ön ve arka akstak eksenel ve dke tekerlek kuvvetler arasında 2,5 oranında br değern olduğu görülmektedr. Aks gövdesne etken dke tekerlek kuvvetlernn %40 ı eksenel kuvvet olarak aks gövdesne de etk etmektedr. Bununla brlkte ne anı şeklde, anal ve dke tekerlek kuvvetler arasında 3,3 oranında br değer hesaplanmıştır. Bu da, dke tekerlek kuvvetlernn %30 unun anal tekerlek kuvvet olarak aks gövdes üzernde zorlanmalara neden olduğu şeklnde orumlanablnr. Gumbel uç değer teors öntemne göre, müşter çevrm ölçümü netcesnde her br tekerlekten elde edlen maksmum ükleme genlkler, test pst referans değerlernden çok farklılık göstermemektedr. Faz farkının ncelenmesne önelk çalışmalar netcesnde se, tekerlek kuvvetler arasında herhang br baskın faz açısı bulunmamaktadır. Aks gövdes üzerndek zorlanmaların, tekerlekten gelen uarı snaller arasındak lşkden bağımsız olduğu belrlenmştr. Sonuç olarak, aksların çalışma koşulları altında elde edlen ol verlernn (müşter çevrm ölçümler ncelenp br daanım test öntem oluşturulmaa çalışılmıştır. Bu çalışmada hesaplanan parametrelern, hdrolk test standındak ssteme grlmes le brlkte aksların laboratuvar ortamında hızlandırılmış ömür testlernn gerçekleştrlmes amaçlanmıştır. TEŞEKKÜR MAN Truck & Bus AG nn AR-GE Projes kapsamında çalışmaı apan azar, her aşamasında verdğ destek ve aktardığı tecrübeler çn Prof. Dr. Murat Ereke, Prof. Dr. Ahmet Güne, Prof. Dr. İrfan Yavaşlıol, MAN Truck & Bus AG Daanım Test Merkez Brm Yönetcs Dpl.-Ing. Manfred Strecher e ve Laboratuvar sorumlusu Dr. Martn Küppers e teşekkürlern sunar. a A A B d f f FL F max F x F F z H (B, t FL, SEMBOLLER Ekstrapolason faktörler Toplam ekstrapolason faktörü Snüs dalga genlğ bou Uarı snalne at genlk çftler (tekerlek kuvvetlerne at genlk çftlernn değer Tekerlek arıçapı Düzeltme faktörü Tekerlek kuvvetne at brkm eğrsnn düzeltme faktörü Maksmm ükleme genlkler Eksenel tekerlek kuvvet Yanal tekerlek kuvvet Dke tekerlek kuvvet Farklı ol tplerne at ükleme brkm eğrler Tasarım spektrumu Farklı tekerlek kuvvet genlğ çftne at tasarım spektrumu Fzmax Maksmum dke tekerlek kuvvet genlğ çftne at tasarım spektrumu H H k log X max M x Yükleme genlklernn tekrar saıları Elpsn maksmum dke ükseklğ Ölçüm sırası Toplam ol tp Logartmk ortalama değer Eksenel öndek tekerlek moment 40 Mühends ve Makna Mühends ve Makna 41
M M z n P PG s s SG t t N Y α τ δ Φ ν Yanal öndek tekerlek moment Dke öndek tekerlek moment Toplam ölçüm saısı Olasılık değer Test pst Sane Standart sapma vers Stran-Gage (brm şekl değştrme elemanı Farklı ol tplerne at ükleme brkm eğrlernn toplam (kümülatf tekrar saısı Toplam (kümülatf tekrar saısı Elpsn eksenn kestğ nokta Tekerlektek ük hücreler arasındak açı Geckme zamanı Faz farkı Tekerlek kuvvetler arasındak faz açısı Yükleme brkm eğrs şekl parametres KAYNAKÇA 1. Grubsc, V. 1994. Determnaton of Load Spectra for Desgn and Testng, Internatonal Journal of Vehcle Desgn, vol.15, ½, p.8-26. 2. Ya, K., Ereke M. 2003. Hızlandırılmış Taşıt Ömür Testlernde Yol Vers Kullanımına Yen Br Yaklaşım, İTÜ, clt 2, saı 5, s.61-73. 3. Hausen. 2005. Gesamtfahrzeug-Rüttelerprobung, Fahrer probung, MAN Truck & Bus AG, Zentralberech Erprobung, TE0037-01 Prüfvorgabe. 4. Sonsno, C.M. 2007. Fatgue Testng Under Varable Ampltude Loadng, Internatonal Journal of Fatgue, vol. 29, p.1080 1089. 5. Mtschke, M. 1997. Dnamk der Kraftfahrzeuge Band B: Schwngungen, Sprnger-Verlag Berln. 6. Ereke, M. 2009. Taşıtlarda Ömür Testler Ders Notu, Istanbul Teknk Ünverstes. 7. Rupp, A., Defenbach, W., Grubsc, V. 1994. Erfasssung der Mehraxalen Fahrbetrebsbelastungen mt dem Messrad VELOS, Bercht aus dem Fraunhofer-Insttut für Betrebsfestgket - LBF Darmstadt, Sonderdruck aus ATZ Automobltechnsche Zetschrft 96, nr.12, s.764-768. 8. Breznsk, C., Redvo Zagla, M. 1991. Extrapolaton Methods-Theor and Practce, ISBN 0-444-88814-4, North- Holland. 9. Neugebauer, J.R., Grubsc, V., Fscher, G. 1989. Procedure for Desgn Optmzaton and Durablt Lfe Approval of Truck Axles and Axle Assembles, SAE Techncal Paper Seres 892535, Erşm Adres http://papers. sae.org/892535/, son erşm tarh: 26.01.2014. 10. Buxbaum, O. 1992. Betrebsfestgket, Schere und Wrtschaftlche Bemessung Schwngbruchgefährdeter Bautele (Durablt, Safe and Economc Desgn of Fatgueloaded Components," Verlag Stahlesen mbh, Düsseldorf, 2. Auflage, Deutschland. 11. Cohen, J. 1988. Statstcal Power Analss for The Behavoral Scences, (2nd ed. Hllsdale, ISBN-10: 0805802835, NJ: Lawrence Erlbaum Assocates. 12. Gumbel, E. J. 1954. Statstcal Theor of Extreme Values And Some Practcal Applcatons, Appled Mathematcs Seres, 33 (1st ed., U.S. Department of Commerce, Natonal Bureau of Standards. ASIN B0007DSHG4. 13. Karsten, H., Müller, C., Masendorf, R., Esderts A. 2002. Extrapolaton von Beanspruchungskollektven, Techncal Report Seres, Clausthal Unverst of Technolog. 14. Zenner, H. 2001. Betrebfestgket, Clausthal Unverst of Technolog, German. 42 Mühends ve Makna