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.