close

Enter

Log in using OpenID

Ağır Ticari Araçlarda Hava Akış Hattinin Nümerik Analizi

embedDownload
OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
AĞIR TİCARİ ARAÇLARDA HAVA AKIŞ HATTININ NÜMERİK
ANALİZİ
İsmail Aykut Karamanlı*, Orkun Öztürk*, Ahmet H. Ertaş**
*
Karabük Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Otomotiv Mühendisliği Böl., Karabük
Karabük Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Biyomedikal Mühendisliği Böl., Karabük
**
ÖZET
Bu çalışmada özellikle ağır ticari araçlarda sorunlar teşkil edebilen hava akış hatları ele alınmış ve analizleri
yapılarak çözümler sunulmuştur. Bu doğrultuda günümüzde ağır ticari araçlarda kullanılan hava akış hattı ile
geliştirilen hava akış hattı - çelik koruyuculu poliamid hava akış hattı- birlikte değerlendirilerek güncel olarak
kullanılan hava akış hattının eksik ve geliştirilmesi gereken yanları belirlenmiştir. Yapılan analizler sonucunda
çelik koruyucu ile desteklenen poliamid hava akış hattının daha esnek ve dayanıklı olduğu tespit edilmiştir.
Anahtar kelimeler: Hava akış hattı, ANSYS, Nümerik analiz, Poliamid boru, SolidWorks, Gerilme analizi
ANALYSIS OF AIR FLOW LINE IN HEAVY COMMERCIAL VEHICLES
ABSTRACT
In this study the air flow lines which pose problems especially in heavy commercial vehicles have been
examined and then proposed solutions with the aid of numerical analyses. Accordingly the air flow line which is
used in heavy commercial vehicles at the present time has been compared with numerically developed air flow
line and the pros and con of the systems are specified. As a result of the numerical analyses, it has been
discovered that air flow lines supported by steel protective polyamide are more flexible and durable than the
ordinary air flow lines.
Keywords: Air flow line, ANSYS, Numerical analysis, Polyamide pipe, SolidWorks, Stress analysis
1. GİRİŞ
Dizel motorlu taşıtlarda hareket; sıkıştırılmış
havanın içerisine enjektör tarafından yakıtın
püskürtülmesi ile elde edilir [1]. Bu tip motorlarda
atmosferden alınan hava bir veya birden çok
kompresör yardımıyla sıkıştırılıp dağıtıcılara
gönderilir. Ağır ticari araçlarda (otobüs, kamyon
vb.) ise sıkıştırılan hava; hava tanklarında anlık
depolanır ve buradan dağıtıcılara gönderilir. Bu ise
dağıtıcılara gelen hava miktarındaki değişimin
önüne geçer [2]. Dizel motorlar ortalama 1/24
yakıt/hava oranıyla çalışmaktadırlar [3]. Sıkıştırma
oranı ve çalışma prensibi dikkate alındığında dizel
yakıtlarla çalışan taşıtlar için hava akış hatlarının
özellikle büyük öneme sahip olduğu söylenebilir.
Dağıtıcılara gelen hava; fren ve AdBlue sistemleri
başta olmak üzere, motor frenine, hava ventillerine,
şanzımana, silindirlere, süspansiyonlara, koltuklara,
dorse hareket sistemi ve kaldırıcı gibi sistemlere
dağıtılır (Şekil 1). Bahsi geçen bölgelere bu havanın
dağıtılabilmesi için DIN 74324 normuna uygun [4]
olarak imal edilen poliamid (PA 11) hortum sistemi
kullanılır [5]. Bu sistem ağır ticari araçlarda tüm
şasi bölgesini dolaşmaktadır (Şekil 1). Bu sistemin
tamamı araç hava akış hattı olarak adlandırılır [6].
Hava akış hatlarında oluşan sorunların iki temel
nedeni vardır. Bu nedenlerden ilki akış hatlarının
şasi üzerine monte edilmeleri yada sabitlenmeleri
esnasında kullanılan kelepçelerden kaynaklanan
ezilme yada kesilme problemleridir (Şekil 2). Diğer
neden ise hava akış hattının şasiye bağlantısının
gerçekleştirilmesi kaynaklıdır. Bu işlem esnasında
hava akış hattı özellikle şasi bölgesinde çok keskin
yüzeylerden geçmektedir. İçerisinden basınçlı
havanın geçmesine bağlı olarak hava akış hattının
özellikle keskin yüzeylerden geçen kısımlarında
yıpranmalar ve kesikler oluşmaktadır (Şekil 3). Bu
iki temel nedenin dışında da hava akış hatlarında
sorunlar vardır. Örneğin hava akış hatlarının taşıtlar
üzerine dağınık olarak monte edilmesi, kat edilen
mesafelerin optimum olmamalarına ve dolayısıyla
söz konusu hatların deformasyon ve kesik
risklerinin artmasına neden olmaktadır.
Bütün bu sebepler dikkate alındığında hava
hatlarında meydana gelen kesiklerin hava
kaçaklarına sebep olabileceği ve bunun sonucunda
birim zamanda sistemden araca dağıtılan hava
miktarında azalmalar olacağı söylenebilir. Bu
durum kaçan havanın yerine sisteme yeniden hava
basılmasını sağlamak amacıyla kompresörün daha
fazla çalışmasını gerektirecek ve dolayısıyla da
ekonomik kayıplara yol açacaktır. Olayın bir başka
boyutu da, sistemin tamamen kullanılamaz hale
geldiği hallerde karşılaşılabilecek ciddi durumlar
dikkate alınınca ortaya çıkmaktadır. Örneğin, hava
hattının yırtılması ile freni boşalan bir ticari aracın
duramaması neticesinde can ve mal kayıplarına yol
açabilmesi kaçınılmaz olabilmektedir.
Bu çalışmada yukarıda ana hatları ile önemi
vurgulanan hava hattı problemi ele alınmıştır. Söz
konusu problemleri gidermek ya da en azından
azaltmak amacıyla çelik türevinden üretilen bir
koruma sistemi kullanılmıştır. Çelik bazlı koruma
sistemi ile hava akış hattı muhafaza edilerek
oluşabilecek yıpranma, kesik ve kopmaların önüne
geçilebilecektir. Bunun dışında, tasarlanan özel
birleştirme aparatı ile de (Şekil 4) şasi bağlantı
hatalarının engellenmesi mümkün olabilecektir.
hattının konumu standart bir ticari araç için
gösterilmiştir.
Şekil 1. Standart bir ticari araçta hava akış hattının
konumu [7]
2.2. Hava Akış Hattı Problemleri
Ağır ticari araçlarda, (otobüs, kamyon vb.) hava
akış hatları tüm şasi bölgesini dolaşmaktadır. Bu
hat; özellikle şasi bölgesinde çok keskin
yüzeylerden geçmektedir.
Zamanla
hortum
sisteminin bu bölgelerden geçen kısımları başta
olmak üzere yıpranmalar ve kesikler oluşur (Şekil
3). Ayrıca hattın şasi üzerine monte edilen
kısımlarında montaj aparatlarından kaynaklanan
kesikler de oluşmaktadır (Şekil 2). Hattın tekerlek
bölgesinden geçen kısımlarında da yoldan
kaynaklanan problemlerden dolayı yabancı cisim
kesiklerine de sıklıkla rastlanılmaktadır.
Çalışmanın ilk aşamasının sonuçlarını içeren bu
makale de korumalı hava hatlarının nümerik
analizleri gerçekleştirilmiştir. SolidWorks programı
ile modelleme yapılıp; gerilme ve deformasyon
analizleri için ANSYS programı kullanılmıştır.
2. HAVA AKIŞ HATLARI
2.1. Genel Yapı
Hava akış hatlarını içine alan sistemin genel
çalışma yapısı aşağıdaki gibi özetlenebilir:
Kompresörde sıkıştırılarak basıncı arttırılan hava
ilk olarak hava tanklarında anlık depolanarak
dağıtıcılara gelir. Standart bir ağır ticari araçta
minimum 2 adet dağıtıcı bulunmaktadır ve her bir
dağıtıcı ana hava akış hattıyla bağlantılıdır.
Dağıtıcılara gelen basınçlı hava sonrasında ilgili
bölümlere (fren ve AdBlue sistemleri başta olmak
üzere, motor freni, hava ventilleri, şanzıman,
silindirler, süspansiyonlar, koltuklar, dorse hareket
sistemi ve benzeri sistemler) dağıtılır. Dağıtım işi
hava akış hatları ile gerçekleştirilir. Şekil 1’de hava
Şekil 2. Hortumlarda sabitleme
(kelepçe) kaynaklanan ezilme
parçasından
Kesikler tespit edildiği takdirde yama yapılarak
sorunun giderilmesine çalışılmaktadır. Hava akış
hattı kesiği ve yapılan yama Şekil 3’de
gösterilmiştir. Bu kesiklerin tespit edilememesi ya
da yapılan yamaların yetersiz olması durumlarında
hava hattının tamamen kopması kaçınılmaz
olacaktır. Bu hava hattı kesikleri ve kopmalar ise
kaçaklara ve gerekli bölgelere basınçlı havanın
ulaşamamasına neden olacaktır. Dahası kazalara ve
maddi ve manevi kayıplara yol açabilecektir.
Şekil 3. Hava hattı kesiği örneği ve kesiğin ısıl
işlemle yamalanması
Hava akış hatlarının bahsi geçen sorunları çok
ciddi sorunlara yol açar. Bu sorunlardan başlıcaları
aşağıda sıralanmıştır:
•
Sistemden geçen hava miktarındaki azalma veya
havanın frenlere
ulaşamaması
frenlerde
sertleşmeye ve frenlemenin gerçekleşmemesine
neden olacaktır. Bu durum kazalara neden
olmakta ve sürücü ve yolcuların can güvenliğini
tehlikeye atmaktadır.
•
Körüklere ulaşan hava miktarının herhangi bir
nedenle
azalması
balata
genişlemesini
engellemekte ve neticede frenlemeye engel
olmaktadır.
•
Diferansiyel, süspansiyonlar ve şanzımanda
yaşanılan pinömatik kaynaklı sorunlar da bir
diğer kaza nedenlerindendir.
Mali açıdan bakmak gerekirse;
• hava hattı kesikleri en çok karşılaşılan arızaların
başında gelmektedir,
Şekil 4. Birleştirme aparatı ve montaj şekli
Önerilen birleştirme aparatı (Şekil 4) iki hava
akış hattı hortumunu birbirine sıkı geçme yoluyla
bağlayan iki uçtan oluşmaktadır. Bu iki ucun
birleşim noktasında bulunan kanal iç çap olarak
hortum boyutlarında olup hava akışında herhangi
bir debi değişimine neden olmamaktadır, şasi
bağlantıları bu kanal üzerinden yapılmıştır. Hat
bağlantı noktalarından birleştirmeli bir yapıdadır;
böylece hava hattı arıza tespitinde bölgesel
çalışılabilecek, hem zamandan tasarruf hem de arıza
tespit kolaylığı sağlanacaktır.
3. NÜMERİK ANALİZ
3.1. Model
Analizi yapılan sistemde; standart PA 11 tipi
poliamid hava hattı, çelikten üretilmiş bir koruma
sistemiyle kaplanmıştır. Korumaya alınan hava hattı
sistemi özel bir aparat (Şekil 4) ile birleştirilmiştir.
Analizlerde kullanılan poliamid hava akış hattı
Şekil 5’te gösterilmiştir.
• kesik yeri ve boyutunun tespiti zor bir işlemdir,
• fazla iş gücü ve zaman sarfiyatına neden
olmaktadır,
• arızalı bölgenin tespiti söz konusu olması
durumunda bölge kesik tipi ve büyüklüğüne
göre yama yapılmakta ve ya değiştirilmektedir;
bu durum araç sahiplerine mali bir yük
getirirken; yine iş gücü ve zaman kaybına neden
olmaktadır.
Bu çalışma ile bahsi geçen sorunların ortadan
kaldırılmasının mümkün olacağı koruyucu kılıf
uygulaması önerilmiştir (Şekil 4). Böylece hava
akış hattı ve ekipmanlarının (dağıtıcı, hava tankları
vb.) çelik türevinden üretilen bir koruma sistemi
içine alınması ve kesik ve kopmaların önüne
geçilmesi mümkün olacaktır. Ayrıca tasarlanan özel
birleştirme aparatı ile de (Şekil 4) şasi bağlantı
hatalarının engellenerek birleştirme kaynaklı
sorunların çözümü sağlanmıştır.
Şekil 5. Hava akış hattı
3.2. Analiz
Poliamid boru sistemini korumaya almak için
kullanılan çelik kaplama ve birleştirme aparatlarının
tasarımı SolidWorks programında oluşturulmuş,
gerilme ve deformasyon analizleri ise ANSYS [8]
programında gerçekleştirilmiştir. Analizde model
üzerinde 80876 eleman ve 463618 düğüm noktası
oluşturulmuştur.
Yapı çeliğinden üretilen bir sistem ile koruma
sağlanmış poliamid bir borunun gerilme analizi
Şekil 8'de gösterilmiştir.
3.2.1. Hava akış hattı üzerine etki eden kuvvetler
Sisteme etki eden kuvvetler Tablo1’de
verilmiştir.
Tablo 1. Sisteme etki eden kuvvetler
Kuvvet
Doğrultusu
Kuvvet Yönü
Kuvvet Boyutu
(Newton)
X Ekseni
+X
100
X Ekseni
-X
100
Y Ekseni
-Y
100
Uygulanan kuvvetlerin doğrultu ve yönleri Şekil
6’da gösterilmiştir.
Şekil 8. Yapı çeliği ile korumaya alınmış bir
poliamid (PA 11) borunun kuvvet etkisinde gerilim
durumu (MPa).
Şekil 6. Analizde sisteme uygulanan kuvvetler
3.2.3. Deformasyon analizi
Standart poliamid (PA 11) bir borunun
deformasyon analizi Şekil 9'da gösterilmiştir.
3.2.2. Gerilme analizi
Standart poliamid (PA 11) bir borunun gerilme
analizi Şekil 7'de gösterilmiştir.
Şekil 9. Standart bir poliamid (PA 11) borunun
kuvvet etkisinde deformasyon durumu (mm).
Şekil 7. Standart bir poliamid (PA 11) borunun
kuvvet etkisinde gerilim durumu (MPa).
Yapı çeliğinden üretilen bir sistem ile koruma
sağlanmış poliamid bir borunun gerilme analizi
Şekil 10'da gösterilmiştir.
Şekil 10. Yapı çeliği ile korumaya alınmış bir
poliamid (PA 11) borunun kuvvet etkisinde
deformasyon durumu (mm).
4. SONUÇ
Bu çalışmada ağır ticari araçlarda hava akış hattı
sorunlarının önüne geçilmesi için koruyucu sistem
geliştirilmesi incelenmiştir.
Bir malzemenin dayanabileceği maksimum bir
mukavemet değeri vardır. Fakat gerilmenin bu
değere ulaşması istenmeyen bir durumdur.
Çalışmalarda bu değer emniyet katsayısı (EKS)
denilen bir sayıya bölünerek emniyet gerilmesi
bulunur. Analizler bulunan bu değer üzerinden
gerçekleştirilir. EKS ne kadar büyük ise sistem o
kadar emniyetlidir [9].
Sistemin analizi sonucunda elde edilen emniyet
katsayıları (EKS) Tablo 2’de gösterilmiştir. Bu
analiz sonucunda, oluşturulan sistemin mevcut
sistemden yaklaşık yedi kat daha emniyetli olduğu
ortaya konmuştur.
Tablo 2. Sistem tiplerine göre EKS değerleri
Sistem Tipi
Standart Sistem
Yapı Çeliği ile Kuvvetlendirilmiş Sistem
EKS
0,41928
3,1773
Yapılan analizlerde yapı çeliği ile korumaya
alınmış poliamid (PA 11) hava akış hattının;
araçlarda kullanılmakta olan standart poliamid (PA
11) hava akış hattına göre daha dayanıklı olduğu ve
deformasyon miktarının da daha az olduğu tespit
edilmiştir. Geliştirilen hava akış hattının kullanımı
ile hem ekonomiklik sağlanacak hem de trafik
kazalarına ve can kayıplarına sebebiyet veren hava
akış hatları sorunlarının giderilmesi sağlanacaktır.
KAYNAKLAR
1. Deniz, O., “İçten Yanmalı Motorlar Dersi”,
Yıldız
Teknik
Üniversitesi
Makine
Mühendisliği Dalı Otomotiv Anabilim Dalı
notları.
2. Musselman, B. A. , Kuder, C. G., 2007,
“Vehicle
Mounted
Compressed
Air
Distributed System”.
3. Parlak, A. , 2001, “Bir Dizel Motorda
Sıkıştırma Oranı Artışının Performansa
Etkisi”.
4. http://www.mebraplastik.com.
5. von Solms, N., Rubin, A., Andersen, S. I.,
Stenby, E. H., 2005, “Directs measurement of
high temperature/high pressure solubility of
methane and carbon dioxide in polyamide
(PA-11) using a high-pressure microbalance”,
International Journal of Thermophysics, Vol.
26, pp. 115-125.
6. Sakamoto, M., 1992, “Air pipe for a lighting
fixture for a vehicle".
7. http://www.busworld.org.
8. ANSYS R15.0 User's Manuel, Academic
Version. Canonsburg, PA; ANSYS Inc.
9. Beer, F.P., Johnston, E.R., and Dewolf, J.
T., 2002, Mechanics of Materials , 3rd ed.,
McGraw-Hill.
Author
Document
Category
Uncategorized
Views
0
File Size
464 KB
Tags
1/--pages
Report inappropriate content