OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
TRAKTÖR DEBRİYAJI PARMAK MEKANİZMASININ ANALİZİ
Fatih Karpat*, Oğuz Doğan*, Celalettin Yüce*, Necmettin Kaya*, Nurettin Yavuz*,
Göksel Cengiz**
*
Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl., Bursa
**
Valeo A.Ş, Bursa
ÖZET
Traktör, tarımsal mekanizasyon düzeyinin en önemli göstergelerinden birisidir. Üzerine bağlanan çeşitli tarım
makinalarını tahrik ederek zorlu koşullarda tarımsal faaliyetlerin gerçekleşmesine imkân sağlamaktadır. Traktör
motorundan üretilen güç, hem kuyruk mili (PTO) vasıtasıyla tarım aletine aktarılır, hem de şanzıman yardımıyla
traktörün hareketinde kullanılır. Bu aktarma sistemindeki en önemli eleman traktör debriyajıdır. Güç aktarımı esnasında
debriyaj elemanları üzerinde oluşan gerilmeler hasarlara neden olmaktadır. Arazi koşullarında traktör üzerinden veri
toplanarak işlenmesi planlanan bir projenin ilk çıktıları olan çalışmada debriyaj parmak mekanizmasında gücün
emniyetli bir şekilde aktarılması esnasında ortaya çıkan gerilme değerleri incelenmiştir. Farklı sac kalınlıklarındaki
parmakların sonlu elemanlar analizleri gerçekleştirilmiş ve ortaya çıkan gerilmeler değerlendirilmiştir.
Anahtar kelimeler: Traktör Debriyajı, Debriyaj PTO Parmağı, Sonu Elemanlar Analizi
ANALYSIS OF THE TRACTOR CLUTH FINGER MECHANISM
ABSTRACT
Tractor is one of the most important symbol of the agricultural mechanization. It provides agricultural activities in
challenging conditions by using various agricultural machines which are added on it. Power which is produced by
tractor engine not only transfers to agricultural tools via PTO but also ensures movement of the tractor with the help of
transmission system. Tractor clutch is the most crucial element in this system. During the power transmission, stresses
which are occur on the clutch cause damages. In this study, stress values which are occurring during the transfer of
power in a safe manner are investigated. Fingers of different thickness are analyzed by using finite element method and
stress results are evaluated.
Keywords: Tractor clutch, PTO Fingers, Finite Element Analysis
1.
GİRİŞ
Tarımsal üretimde birim alandan yüksek verim elde
edilmesi günümüzün başlıca amaçlarındandır. Ancak,
yoğun tarımsal faaliyetler sonucunda, özellikle
gelişmekte olan ülkelerde, toprak erozyonu, tuzlanma,
toprak sıkışması, küresel ısınmadan dolayı oluşan
kuraklık gibi önemli sorunlar ortaya çıkmaktadır. Bu gibi
olumsuz sonuçlar nedeniyle tarımsal üretimde birim
alandan elde edilen verimin arttırılması ve teknolojinin
tarımsal
üretimin
içerisinde
kullanılması
gerekmektedir[1].
Tarımsal üretimde dünyada kendi kendine yetebilen
ülkeler arasında sayılan ülkemiz mevcut tarımsal
potansiyelini sanayisine paralel olarak geliştirmeye
çalışmaktadır. Coğrafi konumundan dolayı değişik mikro
klimalara sahip olan ülkemiz iklimi, güneşlenme süresi,
toprak yapısı ve varlığı gibi özellikleri ile bir kısım tropik
tarımsal ürünler dışında bütün ürünlerin yetiştirilebildiği
sayılı ülkelerden biridir. Bu nedenle Türkiye, dünyanın 8.
büyük tarımsal ekonomisine sahip olup, 20’den fazla
ürünün üretiminde dünyada ilk 5’te yer almaktadır.
1
Tarımda mekanizasyon düzeyinin ve buna bağlı olarak
makineleşmenin artması ile birlikte tarımsal işlemler
makine ve enerji kullanımıyla gerçekleştirilmeye
başlanmıştır. Bu yolla daha hızlı ve daha büyük
kapasitede üretimler mümkün olmaktadır. Tarımda
makine
kullanımı,
diğer
tarım
teknolojisi
uygulamalarından farklı olarak, verim artışını doğrudan
etkilemekle beraber, kırsal kesimde yeni üretim
yöntemlerinin uygulanmasına olanak sağlamaktadır. Bu
artması
diğer
yönüyle tarımsal mekanizasyonun
teknolojik uygulamaların etkinliğini ve ekonomikliğini
arttırmakta ve çalışma koşullarını iyileştirmektedir.
Böylece, uygun teknolojilerin kullanımına olanak
sağlayarak üretim alanlarından daha fazla verimin
alınmasına yardımcı olmaktadır[2].
2004 yılından itibaren genel olarak yıllık 8–11 bin adet
seviyelerinde traktör ihracatı gerçekleşmiştir. İmal edilen
traktörlerin %93’ü 50 beygir gücü ve üstündedir. 2012
yılına ait son resmi istatistiklere göre tarım makineleri
sektörü Türkiye makine ihracatında 6. sırada, en fazla
değer artış oranı bakımından 3. sırada yer almıştır[3].
Traktörler temel olarak çeşitli tarımsal faaliyetlerde
kullanılmaktadırlar. Tarımsal mekanizasyona yardımcı
olması
amacıyla
traktörlere
iş
makinalarının
bağlanabildiği bağlantı üniteleri ve güç çıkış üniteleri
eklenmiştir. Boyutları ve işlevleri standartlarla
belirlenmiş bu üniteler yardımıyla traktörler ve tarım
makinaları koordineli bir şekilde çalışabilmektedirler. Bu
eklenen sistemlerden en önemlileri üç nokta bağlantı
düzeni, çekme düzeni, kuyruk mili (PTO) ve mafsallı
mildir[1].
Tarım sektöründeki en önemli teknolojik yatırım olan
mekanizasyon için kullanılan araçları kuvvet ve iş
makineleri olarak iki ana gruba ayırabiliriz [1]. Tarımsal
mekanizasyon sistemi içerisinde kuvvet makinesi olarak
traktör en temel unsurdur. Tarım alet ve makineleri imalat
sektörünün temelini oluşturan traktörün üretimi ve
kullanımı ülkemizdeki tarım sektöründeki gelişmelere
paralel olarak son yıllarda katlanarak artmaktadır.
Traktörde son 50 yılın imalat ortalaması yıllık yaklaşık
29 bin adettir. 2011 yılı ise yaklaşık 63 bin adet üretimin
gerçekleştirilerek imalat rekorunun kırıldığı yıl olarak
kayıtlara geçmiştir (Şekil 1). 2011 yılında fabrikaların
kurulu kapasitesi, talebi karşılamakta zorlanmış, ek
kapasiteler oluşturulmuştur. Bu dönemde yan sanayinin
ana sanayiye parça tedarikinde talebi karşılayamadığı da
görülmüştür. Üretim adetleri bakımından Avrupa Birliği
(AB) ile mukayese ettiğimizde AB traktör üretiminin
yaklaşık %30’u
mertebesinde traktör ülkemizde
üretilmektedir. Bu anlamda ülkemiz Avrupa’nın 3. büyük
traktör üreticisidir[3].
Son yıllarda literatürde traktörler üzerine çalışmalar
çoğalmış ve traktör motor gücünün tarımsal
mekanizasyon düzeyi ile birlikte arttığı vurgulanmıştır.
Traktörlerin ortaya çıkardığı bu gücün debriyajlar vasıtası
ile
emniyetle
aktarılmasının
önemli
olduğu
vurgulanmıştır. Tanelli ve ark. (2011) tarım makinalarını
diğer araçlardan ayıran en önemli özelliğin çok değişik
koşullarda çalışmaları olarak göstermişlerdir. Traktörlerin
düşük hızda çok yüksek çeki kuvveti sağlayacak şekilde
tasarlandıklarını ve bu özelliğin her vites değerinde
maksimum motor
gücünden faydalanılması ile
oluşacağını belirtmişlerdir. Günümüz traktörlerinin
birçoğunda powershift şanzıman olduğunu ve bu tip
şanzımanların 9-30 arası vites seçenekleri bulunduğunu,
böylece motor
gücünden
en verimli şekilde
faydalanıldığını açıklamışlardır[7]
Freitag ve ark. (2010) son yıllarda enerji verimliliği ve
düşük karbon emisyonu amacıyla araçların ve iş
makinelerinin
motorlarında
teknolojik
gelişmeler
yaşandığını belirtmişlerdir. Yüksek tork üreten motor
teknolojilere geçişle birlikte hala pistonlar için ayrılan
yerin değişmemesi sonucunda debriyaj sistemlerinin
öneminin arttığını vurgulamışlardır. Tork kapasitesinin
son 15 yılda %50 artmasına rağmen debriyajların
boyutlarının aynı kaldığını bununda kavramanın görevini
yaparken yüksek torkların aktarılmasını sağlayacak
kapasiteye
getirilmesi
ile
mümkün
olacağını
belirtmişlerdir[8].
Traktör debriyajlarındaki parçaların çalışma ömrünün
garanti edilmesi istenmektedir. Fakat bu zorlu arazi
şartlarında aşırı yüklemelere maruz kalan parçalarda
yorulma ve kırılmalar meydana gelmektedir.
Bu
çalışmada traktör debriyajının PTO kısmına güç aktaran
parmağın statik sonlu elemanlar analizi yapılmıştır. Farklı
sac kalınlıklarında sonlu elemanlar modeli oluşturulan
parmağın gerilmeleri incelenmiştir. Yüzde olarak kalınlık
artışına karşılık gelen yüzde gerilme değerleri
karşılaştırılmıştır.
Şekil 1. Yıllara Göre Türkiye Traktör Üretim Artış
Grafiği[4]
Uluslararası arenada traktör satış adetleri dikkate
alındığında ülkemiz 2011 yılında dördüncü, 2012 yılında
beşinci büyük pazar olarak önemli bir konuma gelmiştir.
Traktörler en fazla ihraç edilen tarım makinesi olmuştur.
2
sürülerek yay basıncını yener ve baskı plakası üzerindeki
kuvveti kaldırır. Dolayısı ile debriyaj diskine etki eden
kuvvet ortadan kalkar ve diskle dönen elemanların
bağlantısı kalmaz. Bu durumda motor ile güç aktarma
organlarının bağlantısı kesilmiş olur.
2. MATERYAL YÖNTEM
2.1. Traktör Debriyajı ve Çalışma Prensibi
Traktör motorundan ortaya çıkan güç, aktarma organları
ile tekerleklere ve diğer ünitelere aktarılmaktadır. Motor
ile aktarma organları arasında hareket iletimini sağlayan
ve kesen debriyajın görevlerini şu şekilde özetleyebiliriz.
•
•
•
Motor çalışır durumda iken kavrama olursa hareket
motordan vites kutusuna iletilir. Aynı anda vites kutusu
vites durumunda ise motorun hareketi tekerleklere kadar
iletilir ve taşıt harekete geçer. Debriyaj hareket iletmez
durumda olduğu zaman motorun hareketi vites kutusuna
geçemez ve vites kutusu boş durumda olmasa bile
motorun hareketi vites kutusuna iletilmediğinden taşıtın
hareketi mümkün olmaz.
İlk hareket
sırasında motorun hareketini
tekerleklere sınırlı seviyede ileterek traktörün
sarsıntısız olarak harekete geçişini sağlamak,
Traktör hareket hâlinde iken vites durumlarını
değiştirmek için motordan vites kutusuna doğru
olan hareket iletimini geçici olarak kesmek,
Gerekli hâllerde motorla güç aktarma organlarının
bağlantısını kesmek
Traktör debriyajlarında, diğer taşıt debriyajlarından farklı
olarak,
ayırma
işlemi
rulmanların
parmak
mekanizmalarına kurs vermesi ile gerçekleşmektedir.
Traktörlerde motordan elde edilen tork hem şanzıman
vasıtasıyla aracın hareket ettirilmesi, hem de kuyruk mili
vasıtasıyla ziraat makinesinin çalıştırılması için
kullanılmaktadır. Bu yüzden aynı ünite içerisinde
birbirinden bağımsız olarak veya aynı anda çalışabilen 2
adet debriyaj sistemi kullanılmaktadır. Genelde iç
kısımda bulunan ve şanzımana tork aktarımı yapan disk
sürüş diski, dış tarafta bulunan ve kuyruk miline tork
aktarımı yapan disk de PTO (kuyruk mili) diski olarak
adlandırılır (Şekil 3).
Şekil 2. Tek Plakalı Debriyaj Şematik Görünümü
Traktör debriyajının ana bileşenleri gövde, baskı
plakaları, diyafram, diskler (balatalar) ve parmak
mekanizmalarını oluşturan parçalardır. Gövde, döküm
malzeme olup mekanizmayı bir arada tutmakta, iç disk
için sürtünme yüzeyi oluşturmakta ve kavrama anında
açığa çıkan enerjinin ısı olarak ortama atılmasını
sağlamaktadır. İç ve dış baskı plakaları döküm malzeme
olup sürtünme ve basınç yüzeyi oluşturmakta, aynı
zamanda
ısının absorbe
edilmesinde
de
rol
oynamaktadırlar (Şekil 2).
Şekil 3. Traktör Debriyajı Bileşenleri
Debriyajı oluşturan en önemli elemanlardan biri
parmaklardır. Debriyaj parmakları kavrama anında hangi
diskin temas edeceğini belirleyen elemanlar olup kritik
öneme sahiptirler. Şekil 4’te kesit görüntüsü verilen
traktör debriyajının çalışma prensibi açıklanmıştır. 1
numara ile gösterilen harekette rulmanın kurs vermesi
gerçekleşmekte ve 2 numara ile gösterilen ayar cıvatası
sayesinde 3 numaralı baskı plakası yukarı yönde hareket
etmektedir. Böylece ayar cıvatasına sabitlenmiş olan
baskı plakası da yukarı hareket ederek PTO diski
üzerindeki baskıyı kaldırarak tork
aktarımını
kesmektedir.
Debriyaj sisteminde hareket iletimi, döndüren elemanı
teşkil eden düzgün işlenmiş iki madenî yüzeyle (volanbaskı plakası) bunların arasına sıkışmış olan döndürülen
disk arasındaki sıkışma kuvveti ile olur. Motor çalışır ve
debriyaj pedalı serbest durumda iken baskı yayları, baskı
plakasını volana doğru büyük bir hızla iter. Bu kuvvetin
debriyaj diski ile volan ve diskle baskı plakası arasında
meydana getirdiği sürtünme kuvveti, debriyaj diskinin
volan ve baskı plakası ile tek parça hâlinde dönmesini
sağlar. Pedala basıldığı takdirde baskı bilyası ileri
3
Şekil 4. PTO Parmağının Çalışma Prensibi
Şekil 6. Debriyaj PTO Parmağının Sonu Elemanlar
Modeli
2.2. Parmağın CAD Tasarımı ve Sonlu Elemanlar
Modelinin Oluşturulması
2.3 Parmak Analizinin Kurgulanması
Bu çalışmada kullanılacak olan parmağın modeli CATIA
programında oluşturulmuştur. Yaklaşık olarak boyu 13
cm ve yüksekliği de 2,5 cm olarak belirlenmiştir. Parmak
elemanı sabit kalınlıktaki saç malzemeden, bükme
yöntemi ile imal edilmektedir. Bu ölçüler göz önünde
bulundurularak parmağın katı modeli oluşturulmuştur
(Şekil 5).
Debriyajda kullanılan parmağın üzerine gelecek yükler ve
sınır şartları ANSYS programına tanımlanmıştır. Sınır
şartları
tanımlanırken
diyafram
yayın
çalışma
karakteristiğini temsil eden helisel yay elemanı
kullanılmış ve yay karakteristiğini temsil edebilmesi için
2 farklı yay rijitliği tanımı yapılmıştır. Parmağın kapağa
bağlantı noktasında tüm hareketler sınırlandırılmış ve
sadece kendi ekseni etrafında dönüşe izin verilmiştir.
Rulman basma noktasından parmak ucuna kurs verilerek
sınırı şartları tanımlanmıştır (Şekil 7).
Şekil 5. Debriyaj PTO Parmağı Katı Modeli
Katı Modeli oluşturulan PTO parmağı analizin yapılacağı
ANSYS Programına aktarılarak, elemanlara ayrıma
işlemi gerçekleştirilmiştir. Eleman model tipi olarak
Tetrahedral 3D seçilmiş ve yaklaşık 350.000 eleman ve
530.000 düğüm noktasından oluşturulmuştur. (Şekil 6).
Şekil 7. Debriyaj PTO Parmağının Statik Analiz Modeli
4
3. SONLU ELEMANLAR ANALİZİ SONUÇLARI
Analize tabi tutulan parmak yapısı için iki farklı kalınlık
(3,5 mm ve 4 mm) seçilmiştir. Analizde rulman basma
noktasından parmağa 0-8 mm arasından 0.2 mm adımlar
ile kurs verilmiş ve bu kursa bağlı olarak parmak
üzerinde oluşan maksimum gerilme değerleri, maksimum
şekil değiştirme ve rulman basma noktasında oluşan
reaksiyon kuvveti hesaplanmıştır. Ayrıca
analiz
sonucunda ortaya çıkan rulman baskı kuvveti ile deneysel
olarak elde edilen baskı kuvveti karşılaştırılmıştır.
1.Durum: t=3,5 mm Et Kalınlığı İçin Sonuçlar
Debriyaj parmağına 3 mm kurs verilmesi ile parmak
üzerinde meydana gelen gerilme değerleri Şekil 8’de
görülmektedir. Şekilde görüldüğü üzere maksimum
gerilme değerleri parmak ile ayar cıvatasının birbirine
bağlandı pim deliği üzerinde oluşmaktadır. Maksimum
gerilme değerini 180 MPa civarında olduğu
görülmektedir.
Şekil 9. Parmak Üzerindeki Toplam Yer Değiştirme
2.Durum: t=4 mm Et Kalınlığı İçin Sonuçlar
Sadece parmak sac kalınlığının 4 mm'ye çıkarılması
sonucunda aynı sınır şartlarında uygulanan analizde
maksimum gerilme değerinin 150 MPa kadar düştüğü
görülmüştür (Şekil 10). Yine aynı şekilde toplam yer
değiştirme de incelenmiş ve benzer noktalarda yer
değiştirmelerin olduğu görülmüştür.
Şekil 8. Parmaktaki Gerilme Dağılımı (3,5 mm)
Yine 3 mm kurs verilmesi sonucunda parmak üzerindeki
yer değiştirmeler incelendiğinde maksimum değerin
rulman basma noktasında oluştuğu görülmektedir. En az
yer değiştirme ise parmağın bağlı olduğu mesnet
noktasında görülmüştür (Şekil 9).
Şekil 10. Parmaktaki Gerilme Dağılımı (4 mm)
Sonuç olarak İki farklı et kalınlığı için yapılan statik
analizlerde, 0-8 mm parmak kursu aralığındaki
maksimum gerilmenin kursa bağlı değişimi Şekil 11’de
verilmiştir. Bu şekilden de görülebileceği gibi kurs
miktarının artması ile hızlı bir şekilde artan gerilme
değerleri belirli bir noktadan sonra azalma göstermiştir.
Parmağın kalınlığının artması sonucunda gerilme
değerlerinin azaldığı da görülmektedir.
5
Von-Mises Eş Değer Gerilme Değeri (MPa)
220
1200
200
1000
180
160
800
140
120
600
100
80
400
60
40
200
20
0
0
0
2
4
6
8
10
0
Parmak Kursu (mm)
2
4
6
8
10
Parmak Kursu (mm)
t= 3.5 mm
t= 4 mm
Deneysel Reaksiyon Kuvveti
Sonlu Elemanlar Analizi ile Elde Edilen Reaksiyon Kuvveti
Şekil 11. 0-8 mm Kurs Aralığındaki Parmak Sac
Kalınlığına bağlı olarak Maksimum Gerilme Değişimi
Şekil 12. 0-8 mm Kurs Aralığında Tek Parmakta Oluşan
Reaksiyon Kuvveti (Rulman Basma Kuvveti)
Diyafram yay karakteristiğine bağlı olarak parmak
üzerine gelen maksimum kuvvetler 3 mm'lik kursta
etkimektedir. Bundan dolayı da parmak üzerindeki
maksimum gerilmeler 3 mm'lik kursta görülmektedir.
Benzer şekilde, 4 mm parmak kalınlığı içinde üzerine
etkiyen kuvvetler aynı olduğu için gerilme-kurs grafiği
3 mm parmak kalınlığı ile benzer çıkmıştır. Ancak
kalınlık artışından dolayı gerilmelerde %5-12 arasında
değişen düşüş görülmektedir. 0.5 mm'lik kalınlık artışı
parça genelinde %15'lik bir ağırlık artışına ve kalınlık
artışına neden olurken maksimum gerilmelerdeki düşüş
%12'de kalmıştır (Şekil 11).
4. SONUÇ VE ÖNERİLER
Bu çalışmada, traktör debriyajı PTO Parmağı çalışması
sistemi modellenmiştir. Validasyon testlerinde ölçülen
rulman basma kuvveti ile sayısal yöntemle elde edilen
rulman basma kuvveti karşılaştırılmıştır. İki farklı et
kalınlığı için ANSYS programında statik analizler
yapılmıştır. 0,5 mm et kalınlığı artımı için maksimum
gerilmelerde %12-%15 arası düşüş sağlanmıştır. Bu
çalışmanın sonrasında debriyaj parmakları üzerine
yerleştirilen strain-gaugelerden alınacak olan verilerin
analiz sonuçları ile karşılaştırılması yapılacaktır. Ayrıca
istenen çevrim sayılarında emniyetli olarak çalışabilecek
optimum kalınlıktaki parmak geometrisi boyut
optimizasyonu ile belirlenecektir. Arazi koşullarında
traktör üzerinden verilerin toplanıp işlenmesi ile debriyaj
üzerinde oluşan gerilme ve termal etkilerin incelenerek,
yüksek tork aktarımına sahip uzun ömürlü bir ürün ortaya
çıkarmayı hedefleyen bir projenin ilk çıktılarını sunan bu
çalışmanın ardından ürün tasarım ve doğrulama
aşamalarındaki bilgilerin güncellenmesi planlanmaktadır.
Analiz sonuçlarının gerçek deney sonuçları ile
karşılaştırılması da yapılmıştır. Şekil 12’den de
görüleceği gibi bu kuvvetler de gerilmelerle benzer bir
yapıya sahiptir. 0-3mm aralığında reaksiyon kuvvetinin
artığı gözlenmektir. 3mm'den sonra ise diyafram
karakteristiğine bağlı olarak bu kuvvetlerinden azaldığı
görülmektedir (Şekil 12).
6. KAYNAKLAR
[1] Çakır, E. 2005. “Tarımsal Aletler Ve Makineler
Sektör Profil Araştırması”, İstanbul Ticaret Odası
Yayınları
[2] Anonim, 2013. “Türkiye Tarım Makineleri Sektörü
Sektör Tanıtımı ve Ticari Değerler”, TARMAKBİR Türk
Tarım Alet ve Makinaları İmalatçıları Birliği Yayınları
[3] İleri, M.S. 2013. “Türkiye Tarım Makinaları Sektör
Raporu”, Türk tarım alet ve makinaları imalatçıları birliği
(TARMAKBİR)
6
[4] İleri, M.S. 2012. “Tarım Makinaları Sektörü, Sektör
İstatistik Raporu”, TARMAKBİR Sektörel Raporları
2012
[5] Acar, A.İ. Öztürk, R. Güner, M. 2011. “Tarım Alet
ve Makinaları”, T.C Anadolu Üniversitesi Yayın No:
2354
[6] Anonim, 2005. “Traktör ve Yardımcı Ekipmanların
Kullanımı
ve
Bakımı”
Tarım
Akademisi,
http://www.tarimakademisi.com.tr
[7] Tanelli, A. Panzani, G, Savaresi. S, Pirola, C. 2011.
“Transmission control for power-shift agricultural
tractors” Design and end-of-line automatic tuning.
Mechatronics 21 (2011) 285–297
[8] Freitag, J. Gerhardt, F. Hausner, M. Wittmann, C.
2010. “The clutch system of the future More than
disconnecting and connecting” Schaeffler SYMPOSIUM
2010
7
8
Download

traktör debriyajı parmak mekanizmasının analizi