OTEKON 2013
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
YÜKSEK PERFORMANSLI YENİ BİR ARAÇ ÖN GÖVDESİNİN
GELİŞTİRİLMESİ
Tayfun Sığırtmaç*, Gökhan Tekin*, Metin Çallı*, Emre Demirci**, Ali R. Yıldız**
*
**
Çoşkunöz Holding Ar-Ge Merkezi, BURSA
Bursa Teknik Üniversitesi, Doğa Bilimleri Mimarlık ve Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl., BURSA
ÖZET
Ülkemizde kara yolu ulaşımı, diğer ulaşım türlerine göre daha yoğun olarak kullanılmakta ve kara yolu taşıtlarının
sayısı artmaktadır. Trafik kazalarındaki artış otomotiv tasarımcılarını daha güvenli araçlar geliştirmeye yönlendirmiştir.
Trafikte en çok karşılaşılan taşıt kaza türlerinden biri önden çarpışmalı kazalardır. Önden çarpışmalı kazaların
önlenebilmesi için değişik güvenlik sistemleri geliştirilmiştir. Bu güvenlik sistemlerinden en önemlileri tampon ve
darbe sönümleyiciden oluşan güvenlik sistemleridir. Tampon ve darbe sönümleyiciler kaza anında ortaya çıkan
çarpışma enerjisini sönümleyerek aracın, sürücünün ve yolcuların zarar görmesini önlemek için tasarlanmış yapısal
elemanlardır. Bu çalışmada tampon ve darbe sönümleyicilerin alüminyum ve yüksek mukavemetli yeni nesil çelikler
kullanılarak geliştirilmesi çalışması yapılmıştır.
Anahtar kelimeler: Çift fazlı çelik, Twip, tampon, darbe sönümleyici, ön gövde, araç güvenliği,
DEVELOPMENT OF A NEW VEHICLE FRONTAL BODY
ABSTRACT
When traffic accidents are analyzed, it can be seen that the frontal crash accidents constitute an important part of the
whole accidents. In case of a frontal crash accident, the vehicle front body is exposed to serious amounts of crash
energy. As a consequence of this energy, the vehicle structure deforms and more importantly, the driver and the crew
may seriously get injured.
In this study, a vehicle frontal body including bumper and crash box structures were analyzed numerically in the case of
a frontal crash accident. Numerical studies include the analyses of the whole vehicle structure and the investigation of
energy absorption characteristics of the energy absorbers and bumpers having different cross-sections. In this research,
optimization of the frontal body structures was made considering different types of materials like aluminium, twip, trip
and DP steels used in automotive industry.
Keywords: Dual-Phase steel, Twip, Bumper beam, crash-box, frontal body, vehicle safety,
1.
karşılıklı önden çarpışması olabileceği gibi bir aracın
duran bir cisme veya araca çarpması şeklinde
gerçekleşmektedir. Türkiye İstatistik Kurumu tarafından
yayınlanan 2011 kaza istatistik raporuna göre ülkemizde
meydana gelen toplam 110.803 adet trafik kazasından
karşılıklı çarpışma sonucu meydana gelen kaza sayısı
6.539, arkadan çarpma sonucu meydana gelen kaza sayısı
12.033, duran bir cisme yada araca çarpma sonucu
meydana gelen kaza sayısı ise 14.649’dur [1].
Taşıtlarda çarpışma güvenliğini sağlamak amacıyla farklı
türlerde güvenlik sistemleri kullanılmaktadır. Bu
GİRİŞ
Ülkemizde kara yolu ulaşımı, diğer ulaşım türlerine göre
çok daha yaygın şekilde kullanılmakta ve kara yolu
taşıtlarının sayısı da her geçen gün artmaktadır. Artan
taşıt sayısına bağlı olarak meydana gelen çok sayıda
trafik kazası otomotiv tasarımcılarını daha güvenli araçlar
geliştirmeye yönlendirmiştir.
Trafikte en çok karşılaşılan taşıt kaza türlerinden biri
önden çarpışmalı kazalardır. Bu kazalar iki aracın
1
güvenlik
sistemlerinden
birisi
pasif
güvenlik
sistemleridir. Pasif araç güvenliği denildiği zaman aktif
güvenlik sistemlerinin tam manasıyla işlevlerini yerine
getiremedikleri durumlarda devreye girerek kazaların
hem maddi hem de insan sağlığı bakımından yol açacağı
hasarları önlemek ya da mümkün olduğu kadar aza
indirmek için kullanılan sistemlerdir. Şekil 1.1 de % 40
kaydrılmış çarpışma sonrası tampon ve darbe
sönümleyicinin aldığı yapı gösterilmiştir.
Şekil 2.1. Tampon ve darbe sönümleyici
Şekil 2.1 de görüldüğü gibi bir tampon ve darbe
sönümleyici tasarlanacağı zaman, çarpma enerjisinin
çoğu tampon ve darbe sönümleyicinin kendi içerisinde ve
geri dönüşümsüz tarzda sönümlenmesi istenmektedir.
Böylece insan yaralanmaları en aza indirgenir. Kinetik
enerjinin plastik şekil verme enerjisine dönüşümü
uygulanan yükün şiddetine, metoduna ve malzeme
özellikleri gibi parametrelere bağlıdır [2-10]. Şekil 2.2 de
bir araca ait iskelet yapı ve bu araç kullanılan tampon ve
darbe sönümleyiciler gösterilmiştir.
Şekil 1.1 % 40 kaydrılmış çarpışma sonrası ön gövde
enerji sönümleyiciler
Pasif güvenlik sistemlerinden en bilinenleri sürücü ya da
yolcunun hareketini sınırlayarak çarpışmanın etkilerini
azaltan emniyet kemeri, çarpışma anında şişerek sürücü
ya da yolcunun araç içerisindeki parçalara çarparak
yaralanmasını engelleyen hava yastıkları, çarpışma
esnasında parçalanmayarak araç içerisindeki insanların
cam parçaları ile yaralanmasını engelleyen havalı ön
camlardır. Bu sistemler yanında ön ve arka tamponlar,
yan darbe çubukları ve darbe sönümleyiciler araç
güvenliğinin sağlanmasında önemli yere sahip yapılardır.
Bu çalışma kapsamında, taşıt ön gövdesinin önemli
elemanlarından olan tampon ve darbe sönümleyicilerin
yüksek mukavemetli çelikler ile geliştirilmesi çalışması
yapılmıştır.
Şekil 2.2. Bir araca ait iskelet yapısı ve ön gövde enerji
sönümleme elemanları [5].
3. ÇARPMA MEKANİĞİNDE BAZI PERFORMANS
BÜYÜKLÜKLERİ
2. TAMPON VE DARBE SÖNÜMLEYİCİLER
Literatürde tampon ve darbe sönümleyicilerin enerji
sönümleme kapasitelerini değerlendirmek için pek çok
performans büyüklüğü önerilmiştir. Bu büyüklükler
genellikle enerji yutucularının başlangıç dizayn
aşamasında kullanılır. Bu tez çalışmasında bazılarına yer
verilen çarpma performans büyüklüklerinden aşağıda
bahsedilecektir
Tampon ve darbe sönümleyiciler kinetik enerjiyi,
enerjinin başka bir formuna dönüştüren sistemlerdir.
Dönüştürülen enerji, örneğin katılardaki elastik şekil
değiştirme enerjisi ve sıkıştırılabilir sıvılardaki basınç
enerjisi gibi geri dönüşebilir veya plastik şekil değiştirme
enerjisi gibi geri dönüşümsüz olabilir.
2
3.1. Birim Kütle Başına Yutulan Enerji
Birim kütle başına yutulan enerji değeri;
Yolcu güvenliğinin önemli olduğu durumlarda bu oranın
maksimum olması arzulanır. Burada amaç genellikle
çarpmanın başlangıcında meydana gelen maksimum (pik)
kuvvetin azaltılmasıdır.
bağıntısı ile verilir. Burada
toplam yutulan veya
sönümlenen enerji, m ise deformasyona uğramamış enerji
yutucunun kütlesidir. Bir enerji yutucunun birim kütle
başına sönümlediği enerji onun deformasyon moduna
bağlıdır. Örneğin, içi boş bir tüp eksenel çarpmada yanal
basmadan çok daha fazla enerji sönümler. Bu büyüklük,
verilen bir kütle için enerji sönümleme açısından hangi
sönümleme elemanının daha verimli olduğunu
belirlemeye yardımcı olur.
3.6. Strok Verimi
Bu değer sönüm elemanının gerçekte toplam
uzunluğunun ne kadarının kullanıldığının bir ölçüsüdür.
Alan ve yer sıkıntısı problemlerinin önem kazandığı
tasarımlarda yararlı bir parametredir. Maksimum çarpma
mesafesinin sönüm elemanının orijinal boyuna oranıdır.
3.2. Maksimum Ezilme Kuvveti
Maksimum ezilme kuvveti (
) ise, çarpışma anında
eksenel yönde gelebilecek en yüksek kuvvet olarak ifade
edilir [6]. Parça üzereine gelen yüksek kuvvetler direkt
olarak taşıt yolcu kabinine aktarıldığı için, maksimum
ezilme kuvvetinin oldukça düşük ve ortalama ezilme
kuvvetine yakın bir değerde olması istenir.
Burada
, maksimum çarpma veya çökme mesafesi,
, enerji yutucunun orijinal boyudur.
3.3. Ortalama Çarpma Kuvveti
4.1. Tampon ve Darbe Sönümleyici Modeli
Ortalama çarpma kuvveti, tampon ve enerji yutucunun
kararlı bir şekilde deforme olduğu ortalama kuvvettir.
Verilen bir yer değiştirme için sönümlenen enerjinin
çarpma mesafesine oranı olarak verilir. Yolculara ve
kargolara çarpma anında çok fazla sarsıntı gelmemesi
için, ortalama çarpma kuvveti eğrisinin mümkün olduğu
kadar düze yakın olması tercih edilir.
Bu çalışma kapsamında taşıtlarda kullanılan darbe
sönümleyici ve tampondan oluşan güvelik sistemi şekil
4.1 de görüldüğü gibi modellenmiştir.
4. YENİ BİR ÖN GÖVDENİN GELİŞTİRİLMESİ
VE ÇARPIŞMA ANALİZLERİ
3.4. Ortalama Çarpma Gerilmesi
Ortalama çarpma gerilmesi, ortalama çarpma kuvvetinin
(
), orijinal kesit alanına( ) bölümü olarak
tanımlanır.
Şekil 4.1. Tampon ve darbe sönümleyici geometrisi
4.2. Malzeme
4.2.1 Trip Çelikleri
3.5. Birim Çarpma Uzunluğu Başına Sönümlenen
Enerji
Çelikler üzerine yapılan çalışmalarda, karbon ve karbür
yapıcı alaşım elementleri içeren östenit fazının oda
sıcaklığının üzerinde fakat yeniden kristalleşme
sıcaklığının altında yapısal değişime uğrayabildikleri
belirlenmiştir[11-12].
Otomotiv endüstrisindeki uygulamalar için aranan yüksek
dayanım-uzama kombinasyonu sağlayan (800-1000 MPa
aralığında yüksek dayanım %30 dan fazla uzama) TRİP
çelikleri son 10-15 yıldır araştırmacıların büyük ilgisini
çekmektedir. TRİP çelikleri temelde farklı bir yüksek
dayanım çelik türü olup tipik kimyasal kompozisyonları
% ağırlıkça Fe, 0.2C, 1.7Mn, 1.5Si’ dir.
Çarpma enerjisi ya deforme olmamış uzunluğuna veya
ulaşılan maksimum çarpma mesafesine bölünerek
bulunur. Çarpma bölgesinin sınırlı olduğu durumlarda
yararlı bir parametredir.
3.5. Çarpma Kuvveti Verimi
Ortalama çarpma kuvvetinin maksimum çarpma
kuvvetine bölümüdür.
3
işlemleri gerçekleştirilmiş, farklı tipte bir çok tampon ve
darbe sönümleyici modellenmiştir.
CAD ortamında tasarlanan tampon ve darbe
sönümleyicilerin sonlu elemanlar modeli ve malzeme
tanımlamaları
Altair
HyperMesh
yazılımında
gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışmada şekil 4.2 de
verilen malzeme gerilme-uzama eğrileri kullanılmıştır.
Sınır şartları şekil 4.3 de görüldüğü gibi oluşturulmuştur.
4.2.2 TWIP Çelikleri
Yeni malzemelerin ortaya çıkarılması ya da kullanılan
malzemelerin iyileştirilmesi performans, korozyon, düşük
maliyetli kullanım, yakıt tasarrufu, emisyon, çevresel
düzenlemeler, kaza güvenliği gibi faktörlerden etkilenir.
Bu faktörler son yıllarda TWIP çeliklerin geliştirilmesine
yol açmıştır. Son yıllarda bu amaçlarla yapılan
araştırmalarda yüksek mukavemetli ve yüksek oranda
şekillendirilebilirliğe sahip yüksek manganlı (15-30
wt.%) östenitik çelikler geliştirilmiştir. Bunlar sahip
oldukları
yüksek
çekme
mukavemeti-süneklik
kombinasyonuyla çevre dostu ve daha güvenilir ürünleri
mümkün kılmaktadırlar. TWIP çeliklerinin plastik
deformasyonu dislokasyon kayması ve deformasyon
ikizlenmesi ile gerçekleşir [11].
4.2.3 Çift Fazlı (Dual Phase- DP) Çelikler
Çift fazlı çelikler, iyi şekillenme kabiliyetine sahip
ferritik ana yapı içinde martensitik adacıklar içeren bir
mikroyapıya sahip HSLA çeliklerin yeni bir sınıfıdır. Dp
çelikler aynı mukavemet seviyesindeki HSLA çeliklerine
oranla daha üstün süneklik göstermektedirler. Çok yüksek
enerji absorblama özelliğine sahip olup, yüksek
mukavemet
değerlerinde
iyi
izotropik
özellik
gösterirler[11-12].
Şekil 4.3. Sınır şartları
Tampon ve darbe sönümleyiciden oluşan güvenlik
sistemi % 40 ofsetli olacak şekilde 15 km/h hızla bir
çarpışmaya maruz bırakılmıştır. Sonlu elemanlar
modelleri Radioss yazılımında çözülmüş ve sonuçlar elde
edilmiştir. Bu çalışma kapsamında geliştirilen tampon ve
darbe sönümleyici modelinin NCAC (The National Crash
Analysis Center) [13]’den alınmış tüm araç sonlu
elemanlar modeline entegre edilmiş hali şekil 4.4 de
gösterilmiştir.
4.2.4 Yüksek Mukavemetli Düşük Alaşımlı Çelikler
(HSLA-High Strength Low Alloyed Steels)
Yüksek mukavemetli düşük alaşımlı (HSLA) çelik daha
iyi mekanik özellikler veya karbon çelikten daha
korozyona daha fazla direnç sağlar alaşımlı çelik
türüdür[11-12].
Şekil 4.2. Farklı malzemelere ait gerilme-birim uzama
grafiği
4.3. Sınır Şartları
Mevcut tampon ve darbe sönümleyicilerin enerji
emilimini arttırmak ve oluşan maksimum reaksiyon
kuvvetlerini düşürmek için CAD ortamında tasarım
Şekil 4.4. Yeni geliştirilen ön gövde elemanları
4
5. SONUÇ
4.
5.
Bu çalışma kapsamında şekil 4.2 de gerilme uzamaeğrileri verilen alüminyum, Docol 1300, Dp 1000, Twip
980, Trip 800, Dp 600, Fee 420, Trip 800 ve Twip 980
tipi malzemeler tampon ve darbe sönümleyici malzemesi
olarak değerlendirilmiştir. Çarpışma analizi tamamlanan
alternatif tampon ve darbe sönümleyiciler arasından
enerji emiliminin artırılması ve maksimum kuvvetlerin
minimize edilmesinin istendiği çarpışma performansı en
iyi olan Dp 1000 malzemeden yapılmış tampon ve FEE
420 malzemeden yapılmış darbe sönümleyiciden oluşan
pasif güvenlik sistemi tarafından sağlandığı ortaya
konulmuştur.
6.
7.
8.
Tablo 1: Farklı malzeme türleri için karşılaştırmalı
sonuçlar
9.
Enerji (J)
Maks.
Kuvvet (N)
Crash Box(Alüminyum)
+ Bumper(Alüminyum)
6794.04
82780
Crash Box(FEE 420)
+ Bumper(Twip 980)
8564.41
85441
11.
Crash Box(FEE 420)
+ Bumper(Trip 800)
8114.57
82060
12.
Crash Box(FEE 420)
+ Bumper(DP 1000)
8783.62
77258
10.
13.
Projede üretilecek olan tampon ve darbe sönümleyiciler
Bursa Teknik Üniversitesi bünyesinde bulunan ‘dinamik
darbe sistemi’’ cihazı ile deneysel olarak test edilecek ve
deneysel doğrulama işlemi gerçekleştirilecektir.
KAYNAKLAR
1.
2.
3.
Yildiz A.R., Solanki K.,
Multi-objective
optimization of vehicle crashworthiness using a
new particle swarm based approach, International
Journal of Advanced Manufacturing Technology,
59(1-4): 367-376,2012.
Yildiz A.R, Vehicle crashworthiness optimization
using
differential
evolution
approach,
1st International
Eurasian Conference
on
Mathematical
Sciences
and
Applications (IECMSA), September 03-07, 2012
Prishtine, Kosovo.
Kim, H., Hong, S.,&Huh, H., 2003, “ The
Evaluation of Crashworthiness of Vehicle with
Forming Effects”, 4st European LS-DYNA
Conference, Ulm
5
http://incar.thyssenkrupp.com/
Nagel, G., 2005, “Impact and Energy Absorption of
Straight and Tapered Rectangular Tubes”, PhD
Thesis, The School of Civil Engineering
Queensland University, Queensland.
Alghamdi A.A.A., “Collapsible Impact Energy
Absorbers: an overview”, Thin-Walled Structures,
Vol. 39, pp. 189-213.
Langseth, M., 2003 “Crashworthiness of Lightweight
Automotive
Structures
2001-2006”,
NorLight Conference, Tron
Ahmad, Z., Thambiratnam, D.P., Dynamic
Computer Simulation and Energy Absorption of
Foam-filled Conical Tubes Under Axial Impact
Loading, Computers and Structures, 87, 186-197,
2009.
Elgalai, A.M., Mahdi, E., Hamouda, A.M.S.,
Sahari, B.S., Crushing Response of Composite
Corrugated Tubes to Quasi-static Axial Loading,
Composite Structures, 66, 665-671, 2004.
Singace, A.A., El-Sobky, H., Behavior of Axially
Crushed Corrugated Tubes, International Journal of
Mechanical Sciences, 39(3), 249-268, 1997.
Hayat F., Trip çeliklerin otomotiv ondüstrisinde
kullanımının incelenmesi, Gazi Ünv. Müh. Mim. Fak.
Dergisi, 24, 4, 701-712, 2010
Öztürk F. ve Ark. Otomotiv Endüstrisinde Yüksek
Mukavemetli
Çeliklerin
Kullanımının
İncelenmesi, TMMOB Makina Mühendisleri Odası,
Mühendis ve Makine Dergisi, 50:596, 44-49, 2009.
http://www.ncac.gwu.edu
Download

Yüksek Performanslı Yeni Bir Araç Ön Gövdesinin