OTEKON 2014
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27Mayıs 2014, BURSA
BİR DİŞLİ KUTUSUNUN SICAKLIK KONTROLÜNE YÖNELİK
KNOW-HOW ÇALIŞMASI
Hüseyin Bayram, Serap Karataş, Erdal Usta
Otokar Otomotiv ve Savunma Sanayi A.Ş., Sakarya
ÖZET
Dinamik yüklere maruz kalan makine parçalarında yorulma ve sıcaklığa bağlı olarak ciddi hasarlanmalar görülmektedir.
Özellikle dişli kutularında hem mekanizmanın işlevini uzun süre yerine getirebilmesini sağlamak, hem de mekanizma
içinde bulunan yağın yapısal özelliklerini kaybetmeden işlevini yerine getirebilmesini temin etmek amacı ile yağ
sıcaklığının belli bir seviyenin altında tutulması gerekmektedir. Bu bildiride, Otokar bünyesinde geliştirilen zırhlı askeri
araçlarda kullanılmak üzere bir dişli kutusunun yağ sıcaklığı optimize edilerek bu konudaki know-how çalışması
anlatılmıştır. Farklı hızlarda ve farklı yağ miktarları ile yüksüz olarak yapılan testler ile yağ seviyesinin ısı oluşumuna
etkisini incelenmiştir. Ayrıca yüksüz testlerdeki güç kaybının kaynağını belirlemek için sistemden helisel dişli grubu
sökülerek testler tekrarlanmıştır. Testler ile sistemdeki ısı kaynağı tespit edilmiş ve yağ miktarı optimize edilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Dişli kutusu, sıcaklık , yağ seviyesi, termal kamera, helisel dişli
ABSTRACT
Machine parts which are exposed to dynamic loads are damaged seriously due to fatigue and temperature effects.
Especially on gear boxes oil temperature must be kept under specific temperature level for long mechanism life and
protect oil characteristics. In this report, an Otokar’s tracked and armored military vehicle to be used in a gear box
temperature by optimizing know-how was performed to investigate. Gear box was tested at different speeds and oil
levels to see how the heat is effected by different oil level. Also unladen tests were repeated without helical gear group
to determine the main source of power loss. Using the test results, system heat source has been defined and oil level of
the system was optimized.
Keywords: Gear box, temperature , oil level, thermal camera, helical gear
yapılan dinamometre testlerinde dişli kutusu çıkışına
yük uygulanmamıştır.
1. GİRİŞ
Yapılan literatür araştırmasında yüksek hızla dönen
dişlilerde en önemli kayıpların dişli kutusu içerisindeki
yağın,
dişli
çarkın
dönmesi
esnasında
çalkalanmasından
kaynaklandığı
görülmüştür.
Çalkalanma kaybı (churning loss)
olarak
isimlendirilen bu kayıplar yükten bağımsız, dişli
hızının, yağ seviyesi ve özelliğinin bir fonksiyonudur
[1]. Dolayısı ile yağ seviyesi optimizasyonu için
Geliştirilen dişli kutularının, yüksek verimde
çalışabilmesi için güç kayıplarına neden olan faktörler
tespit edilerek en optimum tasarım belirlenmelidir.
Teknik olarak dişli kutularındaki kayıpların ortalama
%50’sinin giderilebilmesi mümkün olmaktadır[1]. Güç
kayıplarının ana sebepleri; sürtünme ve dişli kutusu
içerisindeki yağın çalkalanmasıdır. Bu kayıplar ısı
1
enerjisine dönüşerek dişli kutusu içerisindeki sıcaklığın
artmasına sebep olurlar[5].
kayıpları BS ISO/TR 14179 Part 1
ayrıntılı olarak açıklanmaktadır[7].
Dişli kutularındaki kayıplar yükten bağımsız ve yüke
bağımlı olarak iki alt grup içinde değerlendirilmektedir.
Yüke bağımlı güç kayıpları diş sürtünmesi ve
yataklamalardaki kayıplardır. Yükten bağımsız
kayıplar ise dişlilerin hareketi esnasında yağın
çalkalanması
ve
sızdırmazlık
elemanlarından
kaynaklanmaktadır [6]. Yükten bağımsız kayıplar boşta
çalışma güç kayıplarıdır ancak; kayıp miktarı dişlilerin
dönme hızına bağlıdır.
Prototip üretilen dişli kutusunun çalışması sırasında
yağ sıcaklığının hangi parametrelere bağlı olduğunu ve
bu parametrelerin ne kadarlık etkiye sahip olduğunu
görebilmek için dinamometreye bağlanarak testler
yapılmıştır.
Otokar bünyesinde yapılan testler sırasında kullanılmak
üzere propotipi yapılan dişli kutusunun tasarımı, farklı
devirlerdeki durumu ve yağ miktarı göz önüne alındı.
İlk olarak dinamometrede araç üzerinde bulunduğu gibi
helisel dişli yapıya sahip olan prototip numune-1
(PN-1) ile testler yapıldı. Daha sonra helisel dişli
bulunmayan prototip numune-2 (PN-2) test edilerek
helisel dişlinin yağ sıcaklığına etkisi incelendi.
Testlerden sonra dişli kutusunun içinde bulunan yağ
miktarının ve dönüş devrinin yağın ısınma süresini
nasıl etkilediğine bakıldı. Testler esnasında dişli
kutusunun belli noktalarındaki sıcaklık değerleri
dikkate alındı. Farklı koşullarda testler yapılarak
değişkenler birbirleriyle karşılaştırıldı.
Test koşulları ve sonuçlarının değerlendirilmesi için
bakılacak parametreler aşağıdaki gibidir.
Dişlilerde kullanılan yağlar sürtünmeyi azaltmakta ve
dişli elemanları korozyona karşı da korumaktadır. Dişli
kutularında kullanılan yağlar genellikle sentetik
yağlardır ve iyi stabilize edilmiş sentetik yağlar mineral
yağlara göre düşük temas sürtünmesi sağlar. Bu sayede
daha düşük yağ sıcaklıkları ve buna bağlı olarak da
daha düşük termal gerilme sağlanmış olur ancak; yağ
sıcaklığı ve dişlilerin verimi arasında basit bir
korelasyon yoktur. Bir yandan yüksek yağ sıcaklığı,
düşük viskozite ve yükten bağımsız kayıpların düşük
olması anlamına gelir. Diğer yandan dişlerin aşınması
ve mikro oyuntuların oluşumuna karşı korunması için
viskozite değerinin üstten sınırlandırılması gerekir.
Yüksek viskozite değeri yükten bağımsız kayıpların
artmasına sebep olmaktadır. Dişlilerin birbirine temas
eden yüzeyleri, yağ sayesinde birbirinden ayrılır ve
fazla olan yağ buradan uzaklaştırılır. Yüksek viskozite
değerine sahip yağların kullanımı, düşük viskoziteli
yağlara göre aynı yağ hacminde daha uzun süre çalışma
imkanı sağlamaktadır. Burada yapılması gereken; dişli
kutusunun çalışma yük ve hız profiline bağlı olarak
optimum yağ filmi kalınlığı ile minimum boşta çalışma
kaybının sağlanmasıdır. Yağ dışında yağlamanın formu
da dişli kutularını verimini büyük oranda
etkilemektedir. Genellikle dişlilerin bir yağ karteri
içinde hareket ettiği sıçratma yağlaması yöntemi
kullanılmaktadır[6].
standartında
Test koşulları;
•
Farklı yağ miktarları (2 lt, 4lt, 6lt, 8lt)
•
Farklı mekanizmalar (PN-1(helisel dişli var),
PN-2 (helisel dişli yok))
•
Farklı devirlerde hareket (1350 rpm, 2350
rpm)
Testler esnasında kontrol edilen sıcaklık noktaları;
•
Dişler, diş boşluklarındaki fazla yağı dişlerden diş
boşluklarına iterek dönüş hareketi yaparlar ve bu
proses esnasında dişli kutusu içerisindeki yağın
hareketi hızlanır, bu da güç kayıplarına neden olur.
Yağın çalkalanması ve bu sebeple ortaya çıkan kayıplar
kullanılan yağın hacmine, çalışma sıcaklığına ve
dişlilerin hareket hızına bağlıdır[2]. Dişlerin yağ içine
dalma derinliği, dişlilerin boyutuna ve maksimum
dönme hızına göre belirlenir[5]. Yağ çalkalanması
üst kapak, üst kapak yüzey, alt kapak yüzey,
karter içi, karter yüzeyi
2. DİŞLİ KUTUSU SICAKLIK OPTİMİZASYON
TESTLERİ
Testler kapalı ortamda dinamometre yardımı ile
yapıldı. Dişli kutusunun özel olarak hazırlanan test
düzeneğine montajı yapıldı. Aracın şanzıman
çıkışından hareketi alan dişli bir kardan şaft ile
dinamometreye bağlandı. Ortam sıcaklığı 30 °C’de
ayarlandı.
2
Şekil-1’de helisel dişliye sahip PN-1’in dinamometreye
bağlantısı görülmektedir.
Tablo 1. Test Koşulları
Dişli kutusunda bulunan yağ seviyesinin sıcaklık
artışıyla ilişkisini bulmak için değişik yağ
miktarlarında testler yapıldı. Farklı yağ miktarları
olarak 2lt, 4lt, 6lt, 8lt seçildi ve yağın cinsi
değiştirilmeden sadece yağ miktarları değiştirildi. Dişli
kutusunun dönüş devri 1350 rpm alındı. Test sonuçları
değerlerlendirilirken 60°C’den 90 °C’ye çıkma süreleri
karşılaştırıldı.
Şekil 1. PN-1 Dinamometre Bağlantısı
Şekil-2’de
helisel
dişlisi
olmayan
dinamometreye bağlantısı görülmektedir.
PN-2’nin
Şekil 3. Farklı Yağ Miktarlarında Ölçülen Sıcaklık
Artış Süreleri
Farklı yağ miktarlarının kullanımı ile yapılan testler
sonucunda, yağ miktarının artmasıyla sıcaklık artışı
daha hızlı oluştu. Şekil-3’te farklı yağ miktarlarında
dişli kutusu yağının 60°C’den 90 °C’ye çıkış sürelerini
göstermektedir.
Yağ miktarının azaltılması giriş mili üzerindeki
rulmanların
yağlanamama
riskini
beraberinde
getirmektedir. Testler sırasında ayrıca üst kapak
bölgesinden alınan sıcaklık değerleri de gözlenerek bu
bölgede rulmanların yağsız çalışmasından kaynaklanan
bir ısınmanın oluşmadığı tespit edildi.
Şekil 2. PN-2 Dinamometre Bağlantısı
Tablo-1’de dişli kutusu sıcaklık optimizasyonu için
yapılan testlerin değişkenleri bulunmaktadır.
Test No
Devir
(rpm)
Yağ Miktarı
(litre)
Dişli
Kutusu
Test_1
1350
2
PN-1
Test_2
1350
4
PN-1
Test_3
1350
6
PN-1
Test_4
1350
8
PN-1
Test_5
1350
8
PN-2
Test_6
2350
8
PN-1
3
Şekil 5. PN-2 Test Esnasında Termal Kamerayla
Görüntüsü
Şekil 4. PN-1 Test Esnasında Termal Kamerayla
Görüntüsü
Sıcaklığın hangi bölgelerde yoğunlaştığı tespit edildi.
Ayrıca mekanizma içindeki yağın nereye kadar
ilerlediği de gözlemlenmiş oldu. Sensörlerle alınan
sıcaklık
değerleri
termal
kamerada
da
görüntülenebilmekte olup testler esnasında hem
sensörlerden hem de termal kameradan sıcaklık
değerleri takip edildi. 5 farklı noktadan alınan sıcaklık
değerlerine
bakıldığında
PN-1’den
okunan
sıcaklıkların, PN-2’ye göre daha yüksek değerlerde
olduğu anlaşıldı. Bu tespitin termal kamera
görüntüleriyle de sağlaması yapılmış oldu. PN-1’de
bulunan helisel dişli grubunun altındaki dişli, kutunun
dibinde bulunan yağ karterinin içine dalmaktadır.
Yüksek hızla dönen bu dişli yağın çalkalanmasına ve
dolayısı ile ısınmasına sebep olmaktadır. PN-2’de ise
helisel dişli çıkartılarak planet mekanizması doğrudan
tahrik edildi. Planet mekanizmasının en yüksek hızla
dönen dişlisi olan güneş dişlisinin çapı helis dişliden
küçük olduğu için ve yağın içerisine daha az dalma
yapmasından dolayı daha az çalkalanmaya sebep
olmakta ve helis dişliye göre daha az ısı
oluşturmaktadır.
Dişli kutusu içerisinde iki farklı dişli grubu
bulunmaktadır. Giriş kısmında bulunan helisel dişli
grubu hareketin ofsetlenmesi için kullanılmakta ve 1:1
oranında hareketi iletmektedir. Planet dişli grubu ise
istenilen hız düşümünün sağlandığı dişli grubudur.
Helisel dişlinin yağ sıcaklığına etkisini görmek için iki
farklı tasarım olan PN-1 ve helisel dişli grubu olmayan
PN-2 ile aynı koşullarda testler yapıldı. 1350 rpm’de
yapılan testler esnasında PN-1 ve PN-2’den termal
kamera ile görüntü alındı.
4
Otokar bünyesinde geliştirilen zırhlı askeri araçlarda
kullanılmak üzere bir dişli kutusunun yağ seviyesi
optimize edilerek bu konuda know-how çalışması
yapılmıştır. Dişli kutusunun farklı şartlarda sıcaklık
artış süreleri ölçülmüştür. Isı kaynağının yüksek hızla
dönen helisel dişlinin yüksek yağ miktarı içerisinde
çalışması olduğu tespit edilmiştir. Isı oluşumun
azaltacak şekilde yağ miktarı optimize edilmiştir.
Şekil-6’da iki farklı tasarıma sahip dişli kutularının
60°C’den 90 °C’ye çıkış süreleri gösterilmektedir.
KAYNAKLAR
Şekil 6. Farklı Tasarımlarda Üretilen Dişli Kutusu
Kullanıldığında Ölçülen Sıcaklık Artış Süreleri
Helisel dişlinin sıcaklık artış hızına etkisini incelemek
için yapılan testler sonucunda, helisel dişliye sahip
olmayan PN-2’nin sıcaklık artış süresi helisel dişliye
sahip olan PN-1’e göre düşük seviyede kaldı.
Farklı devirlerde, dişli kutusunda bulunan yağın
sıcaklık artış hızını ölçebilmek için PN-1 ile testler
yapıldı. İki farklı devirde 1350 rpm ve 2350 rpm’de
yağ sıcaklığının 60 °C’den 90 °C’ye çıkış süreleri
kaydedildi. Sıcaklık artış sürelerine bakıldığında dönüş
hızının artması ile sıcaklık artış hızının da önemli
ölçüde arttığı tespit edildi. Şekil-7’de farklı devirlerde
dişli kutusu yağ sıcaklığının 60°C’den 90°C’ye çıkış
sürelerini göstermektedir.
1.
Höhn B. R., Michaelis K., Hinterstöisser M.
2009, "Optimization of Gearbox Efficiency"
Gear Research Centre
2.
Csoban A., Kozma M., 2010, "Influence of
the Oil Churning, the Bearing and the Tooth
Friction Losses on the Efficiency of Planetary
Gears" Budapest University of Tech and
Economy
3.
Bayram H., 2013, ”Dişli Kutusu Yağ Sıcaklığı
Test Raporu”, Otokar A.Ş. Rapor No:
PER/KB/TR/13/009
4.
Testo, Thermal Camera User’s Manual
5.
Dr. Müller H., 2010, Optimizing Operating
Efficiency
Noben P.F.M, 2005, Design Of A Test Bench
For Measuring Oil Churning Losses
P. Heingartner, Dr. D. Mba, 2005,
Determining Power Losses in the Helical Gear
Mesh
6.
7.
Şekil 7. Farklı Devirlerde Sıcaklık Artış Süreleri
3. SONUÇ
5
Download

bir dişli kutusunun sıcaklık kontrolüne yönelik know-how