OTEKON 2014
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 - 27 Mayıs 2014, BURSA
ÖN MENTEŞE TASARIMLARININ SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİ
VE DİNAMİK TESTLER İLE DOĞRULANMASI
Hande Şengünalp*, Serdar Doğan*
*
Rollmech Automotive San. ve Tic A.Ş, Bursa
ÖZET
Günümüzde doğru ve güvenilir tasarımları daha kısa sürede ve daha düşük maliyetlerde yapabilmek önem
kazanmıştır. Bu konuda son zamanlarda önemli ölçüde tercih sebebi olan sonlu elemanlar yöntemi, yaygın olarak
kullanılmaya başlanmıştır. Bu yöntem ile karmaşık mühendislik problemleri hassas bir şekilde çözülebilmekte,
tasarımcıya optimum tasarıma ulaşması konusunda yardımcı olabilmektedir. Buna ek olarak test için üretilen
prototip maliyetlerinin de düşürülmesine neden olmaktadır. Bu çalışmada otomotiv ve müşteri standartlarına
uygun olarak ön meteşe tasarımı sırasında yapılan sonlu elemanlar analizleri ve doğrulama amaçlı yapılan statik
ve dinamik testlerden bahsedilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Ön menteşe Tasarımı,Sonlu elemanlar analizi, Statik&Dinamik Testler
ABSTRACT
Nowadays, accurate and reliable designs has become more important to do in less time and at lower costs. In this
regard recently, finite element method is significantly preferred and it has been used widely. With this method,
complex engineering problems can be solved precisely also the designer can achieve the optimum design. In
addition to, produced test prototypes costs reduced. In this study, performed analysis, static and dynamic tests are
mentioned according to done automotive and customer specifications during front hinge design.
Keywords: Front Hinge Design Finite Element Analysis, Static&Dynamic Tests
1.GİRİŞ
Menteşeler araç kapılarını gövdeye bağlayan
mekanizmalardır. Birincil fonksiyonları araç içinden
dışına ya da dışından içine ulaşım imkanı
sağlamaktır. İkincil fonksiyonları ise araç seyir
halindeyken kapının kapalı konumunu korumak
suretiyle araç içindeki yolcunun, yükün vb.
güvenliğini sağlamaktır. Menteşeler bu 2
fonksiyonunu araç ömrü boyunca kaybetmemelidir.
Aksi taktirde kapı gövde bütünlüğü bozularak insan
hayatını tehlikeye atan ciddi kazaların meydana
gelmesine sebep olacaktır.
Standart bir binek araç üzerinde 4 adet yolcu kapı
menteşesi ile 2 adet kaput menteşesi (Bagaj kapısı,
Motor kaputu) bulunur. Bu çalışmada ön yolcu kapı
menteşeleri incelenmiştir.
Şekil 1: Ön Menteşelerin Gövde Üzerindeki Yeri
2. MENTEŞE TASARIM GEREKLİLİKLERİ
Bir menteşe tasarımı sırasında menteşelerin
karşılaması gereken başlıca gereklilikler şunlardır;
1)
Menteşe Dayanım (FMVSS206): Manteşe
dayanım analiz ve testi, menteşeler tam kapalı
pozisyonda iken FMVSS206 talimatına göre araç
eksenlerinde, belirtilen kuvvet değerlerinin
uygularak menteşelerin ayrılmaya zorlanmasına
dayanır. Sonuç olarak menteşelerde herhangi bir
ayrılma gözlenmemelidir. [1]
Şekil 2: Araç Eksenleri
•
•
Uzunlamasına Çekme( x yönünde) : 11000 N
Enine Çekme (y yönünde)
: 8900 N
2)K a pı Sa rkma sı (Rollmech G.): Kapı
sarkma analiz ve testinde, menteşeler tam açık
pozisyonda iken, araç kapısına aracın kilit
noktasından 1000 N kuvvet dikey doğrultuda (z
yönünde) uygulanır. Uygulanan bu kuvvet
sonrasında yerdeğiştirme miktarı, elastik bölgede
38mm’yi plastik bölgede ise 3mm’yi geçmemeli,
menteşeler üzerinde yapısal herhangi bir hata,
kırık,
çatlak
ve
ayrılma görülmemelidir.
Analiz sonrası bu yerdeğiştirme miktarı kapının
alt noktasından ölçülür.
3. ÖN MENTEŞE TASARIM DOĞRULAMA
ÇALIŞMALARI
Sonlu Elemanlar Yöntemi ile bir parçanın
mukavemet
gereksinimlerini
sağlayıp
sağlayamacağı, en zayıf yerinin neresi olduğu gibi
kritik bilgiler belirlenerek tasarım iyileştirilebilir.
Ayrıca bu şekilde parçanın maruz kalacağı yüklere
dayanabilmesi sağlanabileceği gibi aynı zamanda
gereksiz miktarda malzeme kullanımı da
engellenmiş olur. Bu nedenle Sonlu Elemanlar
Yöntemi, menteşelerin geliştirilmesi sürecindeki
olası mühendislik problemlerinin öngörülmesi,
önceden çözüm üretilebilmesi açısından tasarım
süreçlerinde önemli bir yere sahiptir. Ancak sonlu
elemanlar yönteninde kullanılan kabuller nedeniyle
sonuçlar analiz yöntemi ile optimum olarak elde
edildikten sonra, testler ve deneysel yöntemler ile
doğrulanmalı ve gerçek durumdaki davranışlar da
incelenmelidir.CatiaV5R19 programı kullanılarak
menteşe tasarımları tamamlandıktan sonra öncelikle
bu çalışmalara sonlu elemanlar analizleri yapılarak
müşteri gerekliliklerini ne ölçüde karşıladıkları
kontrol edilir.[2] Mesh model HyperMesh
v11,çözümler ise Radioss v11 programlarında
gerçekleştirilir.[3,4] Buradan çıkan sonuçlara göre
ya tasarımda değişiklikler yapılır ya da sonuçlar
uygun ise prototipler üretilerek gerçek ortamda da
analiz koşulları ile aynı olacak şekilde parçalar test
edilir.
3.1 SONLU ELEMANLAR ANALİZLERİ
Menteşe Dayanım Analizi : Sonlu elemanlar
yöntemi ile modellenen menteşeler, bir taraflarından
sabitlenir ve hareketli taraflarından tutularak,
menteşeleri birbirinden ayrıma yönünde çekilir.(x ve
y doğrultularında)Bu analiz sonucunda kontrol
edilen, menteşelerde herhangi bir kırılma, parçalar
arası ayrılma olup olmamasıdır.
3)K a pı Düş me si (Rollmech G.): Araç
kapısı yalnızca
kendi
ağırlığında
serbest
bırakıldığında kalıcı yerdeğiştirme 1 mm ‘yi
geçmemelidir.
4)Ya t ay Aşırı Yü kle me (Rollmech G.): Araç
kapısı tamamen açık pozisyonda iken kilit
noktasından, kapıyı açmaya yönelik yatay
doğrultuda 333 N kuvvet uygulanır. Bu kuvvet
altında menteşelerdeki yer değiştirme 5 dereceyi
aşmamalıdır. Menteşeler uygulanan bu kuvvete
dayanabilmelidir. Kuvvet kaldırıldıktan
sonra
kapı
sistemi
tamamen işlevselliğini
korumalıdır.
Şekil 3: Ön Menteşe Mesh Model
•
Uzunlamasına Çekme (x yönünde) Sonuçları
•
Kapı Sarkması Analiz Sonuçları
1000N’luk kuvvet kilit noktasının üzerinde iken
maksimum yerdeğiştirme miktarı 5mm olarak
ölçüldü.Kuvvet kaldırıldığında ise bu değer 0,7mm
olarak belirlerndir. Sonuçlar, Rollmech gerekliliğine
göre uygundur.
Kapı Düşmesi Analizi : Araç kapısı yalnızca kendi
ağırlığında
serbest
bırakıldığında
kalıcı
yerdeğiştirme 1 mm ‘yi geçmemelidir.
•
Şekil 4: Gerilme ve Kalıcı Deformasyon Sonuçları
S355 malzemesi ile üretilen menteşelere yapılan x
yönünde çekme analizi sonrasında görülen
maksimum gerilme değeri 360 MPa’dır. Kalıcı
deformasyon ise ihmal edilebilir düzeydedir.
Menteşelerde herhangi bir kırılma,pimler arası
ayrılma gözlenmemiştir. Sonuçlar FMVSS206
normuna göre sonuçlar uygundur.[1]
•
Enine Çekme (y yönünde) Sonuçları
Kapı Düşmesi Analiz Sonuçları
Araç kapısı yalnızca kedi ağırlığı ile serbest
bırakıldığında maksimum yerdeğiştirme 0,51 mm
olarak belirlenmiştir.Bu değer 1mm’nin altında
olduğundan Rollmech gerekliliğine göre uygundur.
Yatay Aşırı Yükleme Analizi : Tamamen açık
pozisyonda olan menteşeler sonlu elemanlar modeli
ile modellenir. Araç kapısı ağırlık merkezinden kapı
ağırlığı uygulanır. Kilit noktasından ise kapıyı daha
da açmaya zorlayan 333N’luk bir kuvvet uygulanır.
•
Yatay Aşırı Yükleme Analiz Sonuçları :
333N’lu bu kuvvetin etkisi ile kapı açılmaya
zorlanır. Kilit noktasından rotasyonel displacement
değeri 3,67 derece olarak ölçülür. Bu değer 5
derecenin altında olduğu için sonuç Rollmech
gerekliliğine göre uygundur.
Şekil 5: Gerilme ve Kalıcı Deformasyon Sonuçları
S355 malzemesi ile üretilen menteşelere yapılan x
yönünde çekme analizi sonrasında görülen
maksimum gerilme değeri 355 MPa’dır. Kalıcı
deformasyon ise ihmal edilebilir düzeydedir.
Menteşelerde herhangi bir kırılma,pimler arası
ayrılma gözlenmemiştir. Sonuçlar FMVSS206
normuna göre sonuçlar uygundur.[1]
Kapı Sarkması Analizi: Sonlu elemenalar modeli
ile modellenen menteşeler bir taraflarından
sabitlenir. Araç kapısı ağırlık merkezinden kapı
ağırlığı uygulanır. Kilit noktasından ise z yönünde
1000N’luk kuvvet belirli bir süre uygulanır
sonrasında ise kalıcı deformasyonunda gözlenmek
istenmesi sebebiyle kaldırılır.
Şekil 6: Yatay Aşırı Yükleme Koşulları
Dönmeye Zorlayan Kuvvet
Menteşe oturma yüzeyi
Şekil 7: Yatay Aşırı Yükleme Koşulları
3.2 TEST İLE DOĞRULAMA
Menteşe Dayanım Testi : Menteşenin yük altındaki
davranışını gözlemek için menteşeler rijit bloklar
yardımı ile çekme makinasına bağlanır. Burada
menteşeler FMVSS206’da belirlenen yükler altında
uzunlamasına 11 kN ve enlemesine 8,9 kN ile
çekilir.
Kapı Düşmesi Testi: Test yapılacak menteşe rijit
banko üzerine bağlanır. Menteşenin vidaları
gevşetilerek kapı yükseltilir ve kapının ağırlığı
menteşe üzerinden alınır. Bu noktada kapının
tamamen kaldırma aparatı tarafından taşınması
gerekmektedir.
Sonrasında
menteşe
yerine
sabitlenir. İki adet kompratör (birisi kapının en uç
noktasına diğeri ise menteşeye en yakın noktaya)
ayarlanır ve yerinde sıfırlanır. Devamında kapının
ağırlığı yavaşça menteşeler üzerine bırakılır.
Kompratörlerden okunan değerler not edilerek
kapının kendi ağırlığında ne kadar düştüğü gözlenir.
Şekil 8: Uzunlamasına ve Enlemesine Çekme
Aparatları
Yapılan testler sonrasında menteşeler 2’şer adet
numune olarak uzunlamasına 11,05 ve 12 kN ile,
enlemesine ise 9kN ve 8,95 kN ile çekilmiştir ve
herha ng i bir a y rıl ma g ö rül
me mişt ir .
Kapı Sarkması Testi: Test yapılacak menteşe rijit
banko üzerine bağlanır. Kapı kolu hizasından kapı
çektirme aparatına bağlanır. İki adet kompratör
(birisi kapının en uç noktasına diğeri ise menteşeye
en yakın noktaya) ayarlanır ve yerinde sıfırlanır.
Çektirme aparatı ile kapı kademeli olarak (100N’luk
adımlarla)
1000N’a
çıkartılır.
Menteşenin
defleksiyonu kapı üzerinden ölçülerek her yükleme
sonrasında kaydedilir. Her adımdan sonra kapının
üzerindeki yük tamamen kaldıralarak menteşenin
plastik deformasyonu kaydedilir. Bu şekilde yapılan
testte kapının yük altında 38mm ve yük
kaldırıldığında 3mm maksimum esneme payı vardır.
Test sonuçlarında ise kapı yük altında maksimum
5,52mm ve yüksüz olarak 0,83mm esnemiştir.
Şekil 9: Kapı Sarkması Testi Rijit Bankosu
Şekil 10: Kapı Düşmesi Testi Rijit Bankosu
Bu test kapının tam açık pozisyonunda
gerçekleştirilir. Yapılan testte kapı tam açık
pozisyonda 0,62mm esnemiştir. Bu değer kapının
esneyebileceği maksimum değer olan 1mm’in
altındadır.
Yaty Aşırı Yükleme Testi: Windgust testi için
menteşeler rijit banko üzerine bağlanır. Bu sebeple
kapı üzerine yapılacak yüklemeler sonrasında sadece
menteşede gerçekleşecek defleksiyonların görülmesi
planlanmaktadır. Gövde üzerine bağlanan menteşe
üzerine eğer kapı limitörü (door check,check
arm,etc…) varsa 500N. Eğer yoksa sadece menteşe
üzerine gelecek yüklerin hesaplanabilmesi için
yükün 2/3’ü olan 333N uygulanır. Ön menteşe için
bu kuvvet değeri herhangi bir kapı limitörü
olmadığından 333N’dur.
belirlenmiştir.
5. KAYNAKLAR
[1]
Door
Locks
And
Door
Retention
Components_FMVSS206
[2] CatiaV5R19 Software.
Guide,2013
[3]
HyperMesh
User’s
C:\Altairwin64\hw10.1\help\hm\hmbat.htm
[4] Radioss User’s Guide,2013
C:\Altairwin64\hw10.1\help\hwsolvers\hwsolvers.h
tm
[5] Moaveni, S., 1999.Finite Element Analysis
Theory And Application With ANSYS.Prentice
Hall, Minnesota,USA, 527pp
Şekil 11: Yatay Aşırı Yükleme Rijit Bankosu
333N’luk
yükleme
sonrasında
menteşenin
rotasyonel yönde esnemesi 3,36 derece olarak
bulunmuştur.
4. SONUÇ
Ön menteşe tasarımı sırasında otomotiv ve müşteri
standartlarındaki gerekliliklere göre gerçekleştirilen
sonlu elemanlar analizleri ve doğrulama testlerinin
sonuçları aşağıdaki tabloda karşılaştırmalı olarak
gösterilmiştir. Sonuçlara göre analiz ve test sonuçları
ortalama %10’luk bir sapma ile birbirini
desteklemektedir. Elde edilen bu sonuçlar sonlu
elemanlar analizi ile gerçeğe ne kadar yakın sonuçlar
elde edilebildiğini göstermekte ve optimum tasarıma
ulaşma konusunda önemli bir yardımcı olarak
kullanılabileceğini doğrulamaktadır.
Tablo 1: Analiz ve Test Sonuçlarının
Karşılaştırılması
Doğrulama Çalışması Sonuçları
Test&Analizler
Analiz
Test
Ayrılma
Yok
Kuvvet
üzerinde
olduğunda:
5 mm
Kuvvet
kaldırılırsa:
0,7 mm
Ayrılma
Yok
Kuvvet
üzerinde
olduğunda:
5,52 mm
Kuvvet
kaldırılırsa:
0,83 mm
Ayrılma
Olmamalı
✔
˂ 38 mm
✔
˂ 3 mm
✔
Kapı Düşmesi
0,51 mm
0,62 mm
˂ 1 mm
✔
Yatay Aşırı
Yükleme
3,67°
3,36°
˂ 5°
✔
Menteşe
Dayanım
Kapı Sarması
Gereklilik Uygunluk
Elde edilen sonuçlara göre, tasarım aşamasından
sonra analiz ve testleri gerçekleştirilen ön
menteşelerin müşteri gerekliliklerini karşıladığı ve
üretime geçmesinde herhangi bir sıkıntı bulunmadığı
Download

ön menteşe tasarımlarının sonlu elemanlar yöntemi ve