TMMOB Makina Mühendisleri Odası
Makina İmalat Teknolojileri Kongresi
06-07 Aralık 2013
YOLCU KOLTUĞUNDA HAFİFLETME ÜZERİNE BİR ÇALIŞMA
Celalettin YÜCE1, Fatih KARPAT1, Nurettin YAVUZ1, Gökhan ŞENDENİZ2, Mustafa AKSOY2
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: [email protected]
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 (CO2) 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 CO2 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 CO2 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 1018 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/EIA0484(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
Download

Matit_2013