özel araç tasarımı ve prototip imalatı

OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
ÖZEL ARAÇ TASARIMI VE PROTOTİP İMALATI
Kadir Çavdar*, Burak Altan**, F. Yıldız Çavdar**
Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği. Bölümü, Bursa
**
FCB Arge Mühendislik Hizm. Ltd. Şti., Bursa
*
ÖZET
Bu bildiride; prototip imalatı tamamlanmış olan hidrostatik tahrikli bir özel hizmet aracı örneğinde fikrin doğuşundan
gerçeklenme aşamalarına kadar geçen sürede kullanılan metodik konstrüksiyon işlem adımları açıklanmakta ve süreçte
kazanılan tecrübelerden örnekler verilmektedir. Son bölümde de metodik konstrüksiyon yaklaşımının özel araç tasarım
sürecindeki etkileri tartışılmaktadır.
Anahtar kelimeler: Metodik konstrüksiyon, özel taşıt, prototip imalat
DESIGN AND PROTOTYPE MANUFACTURING OF SPECIAL VEHICLES
ABSTRACT
In this paper, an example design process for a special vehicle with hydrostatic drive which is designed and prototyping
has been completed, is given. This design process named methodical construction or systematical design and is a
process from idea to product, used in the processing steps are described. In this process, the experiences gained from the
examples are also given. In the final section, the special tools of methodical approach to product design impacts are
discussed.
Keywords: Methodical design, special vehicle, prototype manufacturing
1. GİRİŞ
sonunda ortaya konmuş olan prototip iş makinesi Şekil 1
ve 2’de verilmiştir.
Mühendislik ürün ve süreçlerinin ortaya konmasında
kullanılan “Metodik Konstrüksiyon” yaklaşımı bir fikrin
doğuşundan ürünün yaşam döngüsünü tamamlayana
kadar geçen süreyi sistematik şekilde ele alarak önerilen
çeşitli metotlar ile destekler. Mühendislik probleminin
(ödevin) türü ne olursa olsun, kendinden bir çözüm
beklenen mühendis genellikle aşağıdaki adımları izler:
- Ödevin tüm ayrıntıları ile anlaşılması, ortaya konması
- Çözüm olasılıklarının mümkün olduğunca çok sayıda
bulunup kaydedilmesi
- Ortaya konan çözüm önerileri arasından en
uygununun seçilmesi
- Seçilen çözümün resimlerinin çizilip imalata
hazırlandığı detaylandırma aşaması
- Prototip imalatı, deneyler ve seri imalat izni
Bu adımların gerçekleştirilmesi için belirli sürelere
ihtiyaç vardır. Konstrüksiyon tarihi incelendiğinde
Özel araçlar genellikle iş makineleri grubuna giren,
trafiğe çıkma izni olmayıp ancak fabrika, çiftlik, köy gibi
ortamlarda kullanılan, yavaş ancak güçlü taşıtlardır. Bu
gruptaki araçlarda yürüyüş ve iş tahriklerinde genel
olarak hidrostatik tahrik kullanılır.
Bu çalışmada da özel ortamlarda; yükleme, taşıma,
süpürme, çekme, kaldırma gibi amaçları yerine getirmek
üzere üzerine çok farklı ataşmanlar takılabilen,
hidrostatik tahrikli bir araç yazarlarca tasarlanmış ve
prototip imalatı gerçekleştirilmiştir. Yazarlar bu bildiri ile
süreçteki tecrübelerini paylaşmak istemişlerdir. Fazla
sayıda özel parça içerdiğinden çok karmaşık bir süreç
olan araç tasarım sürecinde mevcutta az sayıda proje
çalışanı mühendis olduğu için başlangıçta sistematik
çalışmak için metodik konstrüksiyon işlem adımlarına
uyulacağı kabul edilerek proje sonuna kadar çalışılmış ve
proje başarı ile sonlandırılmıştır. Projelendirilen ve proje
1
başlarda çok uzun sayılabilecek sürelerin, günümüzde
geliştirilen ürünlerde oldukça kısaldığı gözlenmektedir.
Teknik ürünün, bir ihtiyaca (gereksinime) dayanılarak
fikir olarak ortaya çıkması ile mühendislere bu fikir
gerçekleştirmeleri için ödev şeklinde iletilir. Ürün
geliştirme süreci, tekniğin o andaki seviyesinin yanı sıra
ekonomiden, toplumun gelişmişlik seviyesine kadar çok
çeşitli ve karmaşık ilişkiler yumağından etkilenir [1].
kalmayıp, ekonomiklikten üretilebilirliğe, çevre dostu
olmadan yeniden değerlendirilebilmeye, belirli boyutlardan veya kütleden büyük ya da küçük olmamaya vb.
kadar daha pek çok isteğe cevap verebilmek zorundadır.
İsteklerin ve sınırların çokluğu, hatta bazen birbirine zıt
oluşları dikkate alınırsa, konstrüksiyon işlemini verilen
amaca yönelik optimizasyon işlemi olarak tanımlamak da
mümkündür. Ancak özellikle birbirine ters düşen
isteklerin varlığı ve çokluğu nedeniyle ulaşılan sonuç
izafi bir optimizasyon olacaktır [3].
Metodik konstrüksiyonda adımlardan ilki ve en
önemlisi olan “Ödev, İstek Listesi ve Ödevin Analizi”
konstrüktif faaliyetlerin temelidir. Zira konstrüktörler
arasında atasözü gibi tekrarlanan bir gerçek vardır:
Sonucun ne olacağını başlangıçta verilen karar belirler.
Ödevin analizi yapılırken sahip olunan bilgi birikimi ve
teknolojik olanaklarla ödevin ürün haline dönüşüp
dönüşemeyeceği anlaşılır; projenin geleceği, başarı şansı
bu aşamadan büyük ölçüde belli olur. Ödevin analizini
takip eden adımlar, hep bu ilk adımın izlerini taşırlar.
İstek listesinde, başta teknik yapıttan gerçekleştirmesi
istenen ana fonksiyon olmak üzere istenen diğer
özellikler de yer alır. Konstrüktör; fiziksel kurallar ve
teknolojik düzeyin sınırları arasında temel ve alt
fonksiyonları, teknik yapıtın asıl işlevini gerçekleştirecek
çözümleri arar. Bulduğu çözümleri değerlendirir,
karşılaştırır, çevre koşullarına göre optimum çözümü
belirler. Bu adımı şekillendirme, malzeme seçimi,
boyutlandırma, üretim yönteminin seçimi gibi diğer
adımlar takip eder. Bu adımlar, özellikle de çözüm arama
yöntemleri VDI 2222, Pahl/Beitz [2], Koller [4],
Rodenacker [5] tarafından verilmiş ve ilgili literatürde
geniş biçimde yer almıştır.
Şekil 1. Özel hizmet aracı 3D tasarım görünüşü
2. HİDROSTATİK TAHRİKLİ ÖZEL HİZMET
ARACI
Hidrostatik tahrik günümüzde özellikle iş makineleri
dediğimiz ağır hizmet araçlarında vazgeçilmez bir araç
yürüyüş sistemidir. Şekil 3’te içten yanmalı motor ile
tahrik edilen ve tekerin hidromotor ile döndürüldüğü bir
hidrostatik
tahrik
sisteminin
prensip
şeması
görülmektedir. Bu sistemde; içten yanmalı motor “1”;
mekanik gücü, devir ve moment olarak kullanıma
sunmaktadır. Tahrik pompası “2”; bunu hidrolik güce ya
da diğer bir deyişle basınç (p YB ) ve debiye (Q 1 )
dönüştürür.
Hidrolik motor “3” ise, bunu tekrar mekanik güce
çevirir. Basınç p YB (Yüksek Basınç) dan, p AB ’ye (Alçak
Basınç) düşer. Oluşan bu basınç farkına karşılık olarak
hidromotorda moment üretilir ve bu moment bir dişli
kutusu “4” yardımıyla (mesela diferansiyel, cer gibi)
tekerlekte çeki kuvveti olarak kullanıma sunulur.
Hidromotorun devri ise, Q 1 debisi ve hidromotorun
deplasmanı tarafınca belirlenir.
Hidrolik motordan pompaya geri dönen Q 2 debisi,
hidromotordaki sızıntı miktarı kadar düşüktür. Söz
Şekil 2. Özel hizmet aracının imal edilen prototipi
Son kırk yılda ödev ile ürün arasında hangi adımların
takip edilmesi gerektiği üzerinde yoğun çalışmalar
yapılmış, birbirlerinden çok da farklı olmayan ekoller
oluşmuştur. Metodik Konstrüksiyon ana başlığı altında
toplanan bu çalışmalardan en yaygın kabul görmüş olanı,
Pahl/Beitz'a göre metodik konstrüksiyon işlem
adımlarıdır [2]. Bu adımlar ödevin açıklanması ve istek
listesinin ortaya konması ile başlar, çözümlerin aranması
ve değerlendirilmesi aşaması ile devam edip imalat
izinlerinin verilmesi ile son bulur.
Konstrüksiyon işlemi; mühendisin, temel bilimlere,
mühendislik bilgi ve deneyimlerine dayanarak, kendisine
sorulan teknik bir probleme bir makine veya onun parçası
biçiminde çözüm bulabilmek için ortaya koyduğu yaratıcı
zihinsel faaliyetlerin tümüdür. Çözüm olarak önerilen
teknik yapıt sadece istenen fonksiyonu yerine getirmekle
2
konusu sızıntı yukardaki şemada gösterilmeyen bir şarj
sistemi ile sisteme eklenmektedir.
Fren yapıldığı sırada, hidromotor “3”, tekerlek “5”
tarafınca tahrik edilen bir pompaya dönüşür. Sistemin
düşük basınç tarafı yüksek basınç tarafı olur ve tahrik
pompası “2” üzerinden içten yanmalı motoru iter.
Böylelikle fren devresi elemanlarını aşındırmadan içten
yanmalı motor üzerinden frenleme (ya da hidrostatik
frenleme) yapılır. Diğer bir deyişle her iki yönde de
moment aktarımı gerçekleştirilebilmektedir.
Bu kararın ardından gerekli hesaplamalar yapılarak
motor ve pompa karakteristiklerine en uygun pompa,
kavrama ve hidromotor seçimleri gerçekleştirilmiştir.
Ana sistemlerin mekanik sistemler ile uyumuna dikkat
edilerek gerekli hesaplama ve sonlu elemanlar analizleri
yapılmış ve tasarım son haline getirilmiştir. Özel olarak
hazırlanan hidrolik devre şeması da Şekil 4’te
görülmektedir.
Gerekli malzemelerin temini, özel imalatların
yaptırılmasının ardından montaj planlarının yapılmış ve
montaj işlemi başlatılmıştır. Montaj işleminde kalite
kontrol işleminin yetersizliği ve kalitesiz imalatlar nedeni
ile yaşanan ilk bazı başarısızlıkların ardından montaj
işlemi de başarılı şekilde tamamlanmıştır. Burada
özellikle kalite kontrol tekniklerinin doğru kullanımına
vurgu yapmak gerekir. Ülkemizde mevcut bir çok talaşlı
ve kaynaklı imalat firmaları henüz beklenen kalite
seviyesine ulaşamadığından ana firmanın kalite kontrol
tekniklerini çok iyi bir şekilde kullanabilmesi ve
tedarikçileri kontrol etmesi gerekir.
Montaj işlemlerinin tamamlanmasının ardından da
prototip üzerinde deneme çalışmalarına başlanmıştır.
Daha önceden belirlenen bazı fonksiyon ve performans
testleri halen model üzerinde icra edilmektedir.
Şekil 3. Kapalı devre tipi bir hidrostatik tahrik devresinin
temel prensibi [6]. 1: Motor, 2: Tahrik pompası, 3: Tahrik
motoru-Hidromotor, 4: Dişli kutusu, 5: Tekerlek
Elektrik motorlarında yaşanan gelişmelere rağmen
yavaş yürüyen ancak yüksek tahrik momenti ihtiyacı olan
taşıtlarda hidrostatik tahriğin alternatifi yoktur.
Hidrostatik tahrik sisteminde ana güç sağlayıcı olarak bir
dizel/benzinli motor sistemi besleyecek olan hidrolik
pompayı tahrik eder. Pistonlu veya dişli tipte olabilecek
olan bu pompa da tekerleklere moment aktaracak olan
hidromotorlara yüksek basınçlı akışkanı gönderir. Tüm
sistem uygun şekilde tasarlanıp imal edildiğinde, yağ
kaçağı olmayan, güvenilir ve uzun ömürlü bir çalışma
imkanı sağlar.
Proje kapsamında tasarımı yapılan özel hizmet aracı
(Şekil 1 ve 2) için öncelikle tahrik sistemi seçimi yapılmıştır. Elektrik, dizel veya benzinli tahrik olasılıkları
arasından istekleri en iyi karşılayacak tahriğin bir dizel
yakıtlı motor olacağı kararına ulaşılmıştır.
3. METODİK KONSTRÜKSİYON YAKLAŞIMI İLE
PROJE ADIMLARI VE BAZI TECRÜBELER
Proje fikri, bu alanda ülkemizde bir açık olduğu ve ithalat
yolu ile büyük oranda döviz kaybedildiği fikri sonucu
ortaya atılmıştır. Ayrıca ithal edilen araçlarda ülkemize
özgü bazı nedenlerden dolayı eksiklikler olduğu ve
geliştirilebilecekleri görülmüştür. Bu fikirler geliştirilmiş
ve ürünün hedef kitleleri ile (tarım ile uğraşanlar,
turizmciler, çiftlik sahipleri, fabrikalar vb.) yüzyüze
görüşmeler yapılarak istekleri not edilmiştir. Bu
görüşmelerin ardından ürünün istek listesi ortaya
konmuştur. Bu istek listesi kolay kullanım amacı ile excel
dosyası şeklinde oluşturulmuş olup toplantılarda sürekli
güncel tutulmuştur.
İkinci adım olarak, özgün bir ürün amaçlanmasından
dolayı detaylı araştırmalara başlanmıştır. Araştırmalar
esnasında da motor ve hareket elemanları için ön
hesaplamaların yapılması gereği ortaya çıkmış ve bunlar
gerçekleştirilmiştir. Sistemdeki eleman sayısının çok
olması nedeni ile çeşitli güçlükler ile karşılaşılmış ve
bunların en iyi şekilde ortaya konabilmeleri için çeşitli
stratejiler geliştirilmiştir. Örneğin; halen satışta bulunan
ve sistemde kullanılabilecek olan ürünler kataloglardan
araştırılmış, servisler ve satış noktaları ile yüzyüze
görüşülerek öncelikle bunların kullanımına gidilmiştir.
Standart parça kullanım stratejisi uygulansa da
tasarımda birçok orijinal tasarımlı parçanın da
kullanılmak zorunda kalındığı söylenebilir. Bu nedenle de
hızlı ve hatasız çalışma amacı ile bilgisayar destekli
tasarım nesneleri, mühendislik hesaplamaları için
Şekil 4. Hidrolik devre şeması
3
kendimiz tarafından hazırlanan excel tablo yazılımları
(Ek 1’de aracın performans hesaplamalarında kullanılan
programa bir örnek verilmiştir) ve bilgisayarlar
kullanılarak hızlı şekilde tasarımlar ortaya konabilmiştir
(Şekil 5). Tasarımlar parça bazında ve montaj olarak
sonlu elemanlar yöntemi ile analiz edilmiş (Şekil 6) ve
son boyutlar verilmiştir. Bu esnada sürekli yapılan
toplantılar ve uygulanan tasarım ve süreç FMEA (Hata
modları ve etkileri analizleri) ile olası hatalar en aza
indirilmeye çalışılmıştır.
İmalat ve montaj aşamalarında dış destek alınmış olup
son montaj aşamalarında ortaya çıkan hatalara hızlı
şekilde müdahale edilerek sonuçta hedeflenen tasarım
tamamen ortaya konulmuş ve ön denemelerden başarı ile
geçmiştir. Prototip ürün artık endüstriyelleşme aşamasına
gelmiştir.
Şekil 6. Sonlu elemanlar analizi kullanılarak modellenen
şasi örneği
4. SONUÇLAR ve TARTIŞMA
Bu proje ile birlikte ülkemizde üretimi olmayan bir özel
araç için yeni bir ürün/süreç tasarımı yapılarak bilgi
birikimi sağlanmıştır. Mevcut araç teknolojileri ve imalat
süreçleri uygulanarak sonradan imalatı yapılabilecek
benzer araçlarda tasarım ve imalat süreçleri ile
tekniklerinde köklü yeniliklerin yapılmasına olanak
sağlanmıştır.
Kalite standardizasyonu, imalat süresi, maliyetleri ve
hataların iyileştirilmesi yönünde veriler uygulama
esnasında elde edilmiştir.
Aracın performans hesapları, güç değerleri ve
hidrostatik yürüyüş sistemi konularında çok değerli
bilgiler sahada uygulama ile kaydedilmiştir.
Standartlara ve teknik şartnamelere uygun, tasarımı
özgün araçların imal edilebileceği anlaşılmıştır.
Kullanım alanına motor performansı olarak en uygun,
daha çevreci, daha düşük maliyetli ve kullanışlı bir araç
geliştirilip üretilmiştir.
Mevcut araçlardan üretim maliyetleri %20 daha
düşük, yakıt tüketimi %10 daha az, %10 daha hafif,
mümkün olduğunca geri dönüşümlü ve çevreci
malzemelerin kullanıldığı bir araç ortaya konmuştur.
Araç teknolojilerinde halen gelişmekte olan
hidrostatik, elektrik ve hidrojen kullanımını uygun kılan
araçların tasarımı için yardımcı fikirler edinilmiştir.
Sonuç olarak; özgün tasarımlı ve ekonomik bir
ürünün ortaya konduğu ve ticari olarak ürünün başarılı
olabileceği anlaşılmıştır. Projenin devamı olarak bu araç
ve benzeri hidrostatik tahrikli yer özel taşıtların elektrik
ile tahrikli olanları da projelendirilmiş olup sağlanan bilgi
birikimi ile bu alanda yakın zamanda bir proje daha
üretilecektir.
Şekil 5. SolidWorks programı kullanılarak yapılan
tasarımlara örnekler, üst: Ana şasi tasarımı, alt: Hidrolik
boru tesisat geçiş güzergâhlarının tasarımı
TEŞEKKÜR
Bu proje, Bursa KOSGEB Küçük ve Orta Ölçekli
İşletmeleri Geliştirme ve Destekleme İdaresi Başkanlığı
AR-GE, İnovasyon ve Endüstriyel Uygulama Destek
Programı kapsamında 2012/09 kodu ile 18 ay süre ile
desteklenmiştir.
4
KAYNAKLAR
1. Çavdar, K., 2000, “Gürültüsü Az Konstrüksiyonlar”,
Doktora Tezi, Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri
Enstitüsü.
2. Pahl, G., Beitz, W., “Konstruktionslehre”, 4. Baskı,
Springer Verlag, 1993.
3. Babalık, F.C., Çavdar K., 2013, “Makine Elemanları
ve Konstrüksiyon Örnekleri”, 6. Baskı, Dora Yayınları.
4. Koller, R., “Konstruktionslehre für den Maschinenbau”, 2. Baskı, Springer Verlag, 1985.
5. Rodenacker, W.G., “Methodisches Konstruktruieren” 4. Baskı, Springer Verlag, 1991.
6. Kaplangı P., 2008, Hidrostatik Tahrikli Arazi
Araçları için Yüksek Verimli Tahrik Sistemleri, s. 99111, V. Ulusal Hidrolik Pnömatik Kongresi, İzmir.
Ek 1. Aracın performan değerlendirmesi için hazırlanan
programdan bir örnek görüntü
5
6

Download Report