Timuçin Bayram, Prototip ve Test Müdürü
Mustafa Latif Koyuncu, Test Uzmanı
Uzel Makine San. A.Ş.
Haziran 2008, İstanbul

Not: 01-04 Haziran 2008'de düzenlenen OTEKON'08 4. Otomotiv Teknolojileri Kongresi'nde sunulmuş bu çalışma, Eylül 2008'de TurkCADCAM.net Portalından yayınlanmaya başlamıştır.

Özet:

Bu çalışma, traktör saha testlerinin daha hızlı ve daha az maliyetle nasıl gerçekleştirilebileceğini araştırmak için yapılmıştır. Değişik yol ve tarla şartlarında traktör üzerinden toplanan verilerin laboratuar ortamında yapılacak teste aktarılması esas alınmıştır. Çalışmanın temeli olan birikimli hasar metotlarından Palmgren-Miner Teorisi ele alınarak proje konusu traktörün kullanım profiline bağlı olarak değişen çalışma şartlarının oranları belirlenmiştir ve traktör normal  çalıştırılarak yol verileri (maruz kalınan ivme değerleri) toplanmıştır. Veri toplama işleminin sonunda proje konusu traktörün nasıl bir yüklenmeye maruz kaldığı ortaya konulmuştur ve ömür değerleri hesaplanmıştır. Bulunan ömür değerlerinin yorumu yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara eşdeğer hasar etkisini proje konusu traktör üzerinde oluşturulacak test pisti kurularak Hızlandırılmış Ömür Testi Uzel'de uygulanmıştır.

Anahtar kelimeler: Traktör, kullanım profili, veri toplama, birikimli hasar, eşdeğer hasar

1. Giriş

Otomotiv endüstrisi, dünyada hızla gelişen ve değişen sektörlerden biridir ve ekonomik olarak birçok ülkede ilk sırada yer almaktadır. Otomobil üretmek artık sadece kullanıcıların ihtiyaçlarını karşılamak için olmamaktadır, bu sebeple üreticiler rakipleriyle boy ölçüşebilmek ve dahil oldukları pazardan daha büyük pay alabilmek için sahip oldukları parametreleri değiştirmek zorundadırlar. Bu parametreler şirketlerin kendi içlerinde oluşturdukları stratejiler ile birbirinden farklılık gösterse de sektörde ilk sıralara çıkabilmek için pazara hakim olabilmek gerekmektedir. İlk akla gelen ve en çok uygulanan yöntem maliyetlerin düşürülmesidir, önemli olan maliyetin nasıl düşürüldüğüdür. Maliyetleri düşürmek için parçaları daha ucuza temin etmek veya çalışanların ücretlerini daha düşük tutmak yeterli gibi gözükebilir, fakat bu yöntemler herkesin kolaylıkla başvurup, gerçekleştirebileceği  yöntemlerdir ve kalite problemleri yaşanması riski yüksektir.

Kullanıcılara daha kaliteli ve kullanım şartları daha iyi tanımlanabilen araçlar üretmek, otomotiv sektöründe üzerinde çalışılan konulardır. Üretilen araçların tasarım aşamaları uzun zaman almaktadır ve ürün tasarım onayı için yapılan testler hem yüksek maliyetli hem de uzun süreli olmaktadır. Test sürelerinin uzun olması sonuçların elde edilmesini geciktirir ve tabiî ki bu gecikme tasarım değişikliklerini de geciktirmektedir.

Bir araç için en önemli ömür testi aracın gerçek sahada, gerçek şartlarda test edilmesidir. Tahmin edilebileceği gibi bu şekilde bir ömür testinin yapılması süre olarak uzun olmasının yanında yüksek maliyet gerektirir.
Günümüz ürün geliştirme konseptinde araç, gövde ve bileşenlerinin yorulma ve ömür kavramları ön plana çıkmaktadır. Bir aracın tasarımının gerçekleştirilmesinde ürün ömrünün belirlenmesi veya biçilen ömür içerisinde bütün fonksiyonlarını yerine getirmesi o üründen istenen temel özelliktir. Ürün Geliştirme ve yeni ürün tasarım süreçlerinin kısaltılarak daha az maliyetle yapılması ancak hızlandırılmış ömür testleri ile gerçekleştirilebilir. Şekil 1'de "Hızlandırılmış Test Prosedürünü İçeren Ürün Geliştirme Süreci" ile "Genel Ürün Geliştirme Süreci" arasındaki zaman-maliyet eğrileri görülmektedir. [1]

Şekil 1. Ürün geliştirme süreci. Maliyet düşürme Ürün Geliştirme süreci ile ilişkilidir.
Tasarım değişikliklerinin en erken sürede yapılması Ürün geliştirme maliyetlerine olumlu yansımaktadır.

Proje konusu araç traktör olduğu için, kulanım amacı ve kullanım şartları göz önüne alınarak traktörün kullanıcı profili belirlenmiştir. Elde edilen kullanıcı profiline göre traktör gerçek sahada ve test pistinde test edilerek, traktör üzerinden ivme değerleri toplamıştır. Toplanan ivme değerleri yapılan kabuller ile gerilme gibi düşünülmüş ve GlyphWorks programında işlenerek rainflow matrisleri çıkarılmıştır. Rainflow, Gerçek saha ve test şartlarında elde edilen gerilme verilerinden çevrim sayılarının tespit edildiği sayma yöntemidir. Toplanan verilerdeki gerilme değerlerini süzerek düzensiz olan zaman serilerini düzenli çevrim sayılarına dönüştürür.

Farklı yüklere (gerilmelere) maruz kalınması durumunda, Wöhler diyagramı üzerinde eşdeğer ömrü bulmak için, çeşitli metotlar kullanılır. Bunların en çok kullanılanı Palmgren-Miner metodudur. Farklı yüklerdeki çalışma süreleri ve bunlara karşılık gelen ömürler Tablo 1'deki gibi olursa Palmgren-Miner denklemi (1) eşitliğindeki gibi olur.

(1)

Tablo 1. Farklı Yüklerdeki Çalışma süreleri ve Ömürler

Bir parçanın sadece gerilmesinde çalışması durumunda ömrü N1 olmaktadır. Fakat gerilmesinde kadar (belirli bir yük tekrarı) çalışmıştır. Diğer şartlarda aynı şekildedir. (1) eşitliğinin sağ tarafındaki K değeri, 0,7K2,2 arasındadır. Hesaplamalarda tavsiye edilen değer ise K=1'dir. [2]

Çalışma yüzdelerini göz önüne alarak (1) eşitliği tekrar yazılırsa;

Toplam ömür: N
Belli bir yükteki çalışma yüzdesi: C

olmaktadır. (1) eşitliğinde yerine yazılırsa, Palmgren-Miner denklemi (2) ve (3) eşitliklerindeki gibi olur (K=1). [2]

(2)

(3)

Palmgren-Miner metoduna göre eşdeğer test yükleri belirlenmiştir. Eşdeğer test yüklerinin hesaplanması ile test süresi kısaltılarak traktörün saha testi yerine laboratuarda - test pistinde - testi hızlandırılmış olarak gerçekleştirilmiştir.

2. Hızlandırılmış araç testi metotları

Hızla gelişen teknoloji ile otomotiv sanayinde müşteri memnuniyeti artmakta, kaliteli araçlar üretilmekte ve pazara çıkış süreleri kısaltılmaktadır. Saha testleri yerine yapılan hızlandırılmış ömür testleri ile test cevapları daha erken alınmakta ve ürün geliştirme süreçlerinde müdahale erken yapılmaktadır, bu sayede ürün geliştirme süreçleri kısalmakta ve ürün tasarımının onaylanması daha kısa sürede olmaktadır. Araç saha testleri Şekil 2'de görüldüğü gibi üç yöntem ile yapılabilir. [1]

 

Şekil 2. Hızlandırılmış Araç Testleri Yöntemleri

1. FEA Analiz
Aracın üç boyutlu modelinin bilgisayar ortamında Sonlu Elemanlar Yöntemiyle test edilmesi

2. Laboratuar ortamında veya Hızlandırılmış test pistinde test
Diğer bir test yöntemi, belirli yol kalitelerinden meydana gelmiş özel pistlerde (bumptrack/roughtrack) veya laboratuarda aracın test edilmesidir. Günümüz otomotiv sanayinde gerçek yol verileri kullanılarak hızlandırılmış yorulma ömrü testleri ürün geliştirme aşamasında yaygın olarak uygulanmaktadır. Bu şekilde zaman süreci belli ölçülerde azaltılmış olmaktadır.

3. Gerçek sahada test
Bu yöntemlerin en basiti, aracı belirlenen yol güzergahlarında öngörülen kilometre kadar kat ederek test etmektir. Aracın sahada test edilmesi basit olmasına nazaran oldukça zaman alıcı, pahalı ve tekrarlanabilirliği hemen hemen imkansız bir süreçtir.

Hızlandırılmış ömür testlerinde komple araç, komponent ve alt sistemlere uygunluk temel amaçlardır. Test, gerçek sahadaki hasarları oluşturabilmeli ve hızlandırılabilmelidir. Bir aracın ömrü boyunca maruz kalacağı çalışma şartları sonucunda oluşacak yorulma etkisinin saptanarak aynı etkiyi oluşturacak test şartlarının belirlenmesi suretiyle deney süresi istenilen oranda ayarlanabilmektedir.

Gerçek sahadan gelen yorulma etkisi "Dizayn Spektrumu" olarak ele alınır ve aynı yorulma özelliğini verecek hızlandırılmış sinyaller de "Test Spektrumu" olarak tanımlanır. "Dizayn spektrumu"nun hasar etkisi "Test Spekturmu"na eşit olmalıdır. Hızlandırılmış yol şartlarının (sinyalinin) üretilebilmesi için gerçek saha ve test sahası verilerine ihtiyaç vardır. [4]

"Dizayn spektrumu" aracın değişik kullanıcı bölgelerindeki saha kalitelerinde maruz kalacağı düzensiz saha titreşimleri sonucunda oluşan yorulmanın etkisinin saptanmasından meydana gelmektedir. "Test spektrumu" elde ederken, yüksek gerilme değerlerinin yoğunluğunun arttırılması veya başka bir deyişle, araca aynı hasar etkisini verecek daha yüksek gerilme genliği titreşimlerine maruz bırakılması gerekmektedir.

Örnek olarak Şekil 3'de Gerçek saha şartları ve hızlandırılmış test şartları sırasındaki maruz kalınan gerilme değerleri arasındaki fark görülmektedir. [4]

Şekil 3. Örnek Test Verileri. (a) Gerçek saha şartları ?-zaman sinyali (Saha şartlarından elde edilen gerilme genlik titreşimleri), (b) Hızlandırılmış saha şartları ?-zaman sinyali (Test süresini kısaltmak için daha yüksek gerilme genliği titreşimleri kullanılmış )

Hızlandırılmış sinyaldeki malzemenin sürekli mukavemet sınırına yakın bir gerilme değerinin sinyal içerisindeki miktarı, gerçek yol pürüzlülüğündekinden daha fazladır. Başka bir deyişle malzeme bu gerilme seviyesine daha fazla miktarda maruz kalmaktadır. Dolayısıyla yorulma hızı artmaktadır. Bu şekilde testin süresi kısalmakta ve aracın gerçek saha şartlarından meydana gelen ömrüne eşdeğer bir ömür elde edilmektedir (Şekil 4).[4] Test prosedürü oluşturma ve test uygulaması için genel olarak izlenmesi gereken yol Şekil 5'de görülmektedir.[3]

Şekil 4. Test spektrumunda gerilme değerleri yoğunluğu arttırılarak test süresi kısaltılmıştır.
DTest: Test spektrumu hasar etkisi, DDizayn: Dizayn spektrumu hasar etkisi.

Şekil 5. Hızlandırılmış Araç Testi Aşamaları