1500 D/D da 90 kw üretecek dört silindirli dizel motoru için krank-biyel-piston zinciri ve volan: Hesap, tasarım ve numune üretimi

Abstract

Bu yüksek lisans tezi çalışmasında maksimum devri 2250 devir / dakika ve senkron devirdeki güç üretimi 90 kW olması planlanmış 4 silindirli ve yerli tasarım bir dizel motoru için krank, biyel, piston ve volan elemanlarının dinamik ve statik hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Sözü geçen elemanların ve motorun tamamının ön tasarımı San-Tez projesi sanayi ortağı Şahin Metal İmalat A.Ş. Yönetim Kurulu Başkanı, Makine Mühendisi Mustafa ESER tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu ön tasarım sırasında Yıldız Teknik Üniversitesi Öğretim Üyesi Prof. Dr. Orhan DENİZ'in gerçekleştirmiş olduğu termodinamik hesaplamalardan faydalanılmıştır. Tez çalışması sırasında Yıldız Teknik Üniversitesi Öğretim Üyesi Prof. Necati TAHRALI danışmanlığında, ön tasarımı yapılmış olan motorun kinematik ve dinamik hesaplamaları Matlab programında m-file programı yazılarak gerçekleştirilmiştir. Bu hesaplamalar sonucu bulunan atalet kuvvetlerinin asgari seviyeye indirilebilmesi için gerekli denge ağırlıklılarının kütlesi ve yeri belirlenmiştir. Krank mili üzerinde piston biyel ve denge ağrılıkları kaynaklı toplam kuvvet belirlendikten sonra motorun devrinin düzgünlüğünü sağlamak ile görevli volan elemanın kütle atalet momentinin ne olması gerektiği hesaplanmıştır. Bulunan değer ön tasarım volanın kütle ataletinin uygun olduğunu göstermiştir. Ön tasarım volanın çevresel hızının da uygun olduğunun anlaşılmasından sonra volanın nihai tasarımı belirlenmiştir. Krank mili üzerinde diğer elemanlarca etkili olan kuvvetler elde edildikten sonra krank milinin mukavemet yönünden kontrolüne geçilmiştir. Mukavemet hesaplamaları karşılaştırma kolaylığı adına üç ana başlık altında incelenmiştir. Bu ana başlıklar sırasıyla burulma mukavemeti, eğilme mukavemeti ve birleşik mukavemet halinden oluşmaktadır. Her bir bölümde öncelikle analitik yöntemler ile kesit alanı üzerinde etkili olan kesme kuvveti, eğilme momenti ve burulma momenti değerleri klasik biçimde hesaplanmıştır. Eğilme mukavemeti ana başlığı altında Maxwell-Clapeyron denklemleri kullanılarak krank mili üzerindeki yatak kuvvet ve momentleri hesaplanmıştır. İkinci adımda MSC. Nastran sonlu elemanlar programında (1D) bir boyutlu modelleme yöntemleri ile krank eğilme ve burulma mukavemeti hesaplamalar tekrarlanmış ve bulunan sonuçlar analitik hesaplamalar ile karşılaştırılmıştır. Üçüncü adımda karmaşık bir geometriye sahip olan krank milinde şekil faktörünün de göz önüne alındığı (3D) üç boyutlu modelleme teknikleriyle yine MSC. Nastran programında eğilme mukavemeti, burulma mukavemeti ve birleşik mukavemet halleri için statik analizler gerçekleştirilmiştir. Buraya kadar gerçekleştirilen analitik ve bir boyutlu sonlu elemanlar hesaplamalarında gerilme değerlerinin mertebe olarak belirlenmiş, üç boyutlu hesaplamalarda krank milinin deformasyon şekli ve kritik gerilme bölgesi sonuçları ortaya konulmuşsa da, çok hızlı değişen dinamik etkiler altında çalışmakta olan krank mili için, milin doğal frekansına dayalı olarak dinamik gerilme simülasyonu gerçekleştiren MSC.Adams programında nihai sonuç elde edilmiştir. Dördüncü adımda MSC.Adams programında, piston, biyel, denge ağırlıkları ve volan elemanlarının tümünün dahil edildiği, yatak rijitliklerini göz önüne alan, uygun ateşleme zamanlaması ve ateşleme kuvveti altında çalışan krank mili için dinamik sonlu elemanlar modeli kurulmuştur. Bu model üzerinde eğilme, burulma ve birleşik mukavemet hallerinin her biri için ayrı ayrı simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Krank mili üzerinde etkili olan maksimum gerilme değerleri ve bu gerilmenin krank mili açısına bağlı değişimi MSC.Adams programından alınarak MSC. Fatigue programında yorulma hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Bu değerler hesapla çizilmiş Wöhler diyagramlarıyla karşılaştırılmıştır. Krank mili için gerçekleştirilen hesaplamalar sonucunda prototip motor için ana yatak muylusu çapının bir büyük segment çap ile değiştirilmesine karar verilmiştir. Ancak seri üretimde daha düşük ana yatak muylusu boyutlarıyla çalışılabileceği de sonuç bölümünde belirtilmiştir. Krank milinden sonra hesapları gerçekleştirilecek üçüncü eleman biyel koludur. Ön tasarım biyel kolu için gerçekleştirilen MSC. Nastran statik analizi sonucu ikinci revizyon bir biyel kolu tasarlanmış ve kritik gerilme %40 mertebesinde azaltılmıştır. MSC. Nastran ortamında elde edilen bu hesap MSC. Adams simülasyonuna biyel kolunun sonlu elemanlar modelinin eklenmesi sonucu gerçekleştirilen ikinci hesaplama ile doğrulanmıştır. Son olarak piston koneksi MSC. Nastran programında gaz kuvvetleri altında incelenmiş ve ön tasarım piston üzerindeki gerilme değerlerinin kabul edilebilir olduğu anlaşılmıştır. Sonuç olarak krank mili ve biyel kolunda revizyon teklifi yapılmak üzere piston ve volan ön tasarımlarının kabul edilmesinin uygun olacağı ve ilgili parçaların imalatlarının gerçekleştirilebileceği kanaatine varılmıştır.