Manufacture and testing of a composite driveshaft for automotive applications

Kardan şaftı, arkadan itişli araçlarda torku şanzımandan arka aksa aktararak süspansiyonun bağıl hareketlerini kompanse eden sistemdir. Şaftın gövdesini meydana getiren tork tüpü, ağırlığı düşürmek ve eğilme/burulma rijitliği sağlamak açısından genellikle içi boş imal edilirken; tek, iki veya üç parçalı olabilir. Malzeme olarak çoğunlukla çelik veya alüminyum kullanılırken imalatta çeşitli kaynak teknikleri uygulanabilir. Kompozit malzemeler de tork tüpü için son dönemlerde yeni bir alternative olarak ortaya çıkmıştır. Tork tüpü için kompozit malzeme kullanmanın en temel avantajı, eğilme rezonansı tarafından kısıtlanmakta olan şaft boyunun uzatılabilmesine imkan vermesidir. Kompozit bir tork tüpü, daha yüksek elastisite modülü sayesinde, şaft boyunun uzamasıyla iki parçalı yapının tek parçaya indirilebilmesini sağlar. Bu durumda aracın sürüş karakterinde iyileştirmeler sağlanmasının yanı sıra, daha yalın bir yapıyla üretim zamanının kısalması, envanter maliyetlerinin düşürülmesi ve bakım kolaylığı sağlanır. Maliyet açısından bakıldığında ise; kompozit bir şaftın üretimi metal muadiline göre daha karmaşık ve pahalı gibi gözükse de, bir kompozit şaft ömür devri içerisinde metal bir şafttan daha ucuza malolacak şekilde tasarlanıp üretilebilir. Metalik malzemeler otomotiv uygulamaları için şaft tasarımında geleneksel bir seçim olmakla birlikte; ağırlık, yorulma dayanımı/ömrü ve kritik hız açısından teknolojik sınırlara ulaşmış durumdadır. Otomotiv şaftı tasarımlarını ileriye taşımak açısından çeşitli öneriler getirilmiş olsa da bunu şaft ağırlığını arttırmadan yapabilen bir çözüm henüz sunulamamıştır. Tork tüpü olarak elyaf takviyeli kompozit yapıların kullanılması performans limitlerinin ağırlık artışına sebep olmadan sağlanabilmesi potansiyelini taşımaktadır. Buradan hareketle tezin amacı; bir ağır ticari araç uygulamasında kullanılmak üzere, iki parçalı çelik bir şaftı değiştirecek tek parçalı kompozit bir şaftın tasarlanması, üretimi ve testidir. Mevcut tez çalışması; T.C. Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı ile Ford Otosan'ın desteklemiş olduğu 0529.STZ.2013-2 kodlu SAN-TEZ projesinin ürünüdür. Tasarım çalışmaları literatürden elde edilen malzeme verileriyle başlatılmış olup tork tüpü analitik olarak katman teorisi ve nümerik olarak da sonlu elemanlar analizi yoluyla modellenmiştir. Şaftın bir başlangıç modeli oluşturulmasının ardından, kupon üretimi ve testleri yoluyla üretim malzemesinin mekanik özellikleri belirlendikten sonra güncellenmiştir. Üretimi yapılan prototip şaftın burulma durumundaki statik ve yorulma mukavemetinin belirlenmesi amacıyla bir test düzeneği tasarlanmıştır. Şaftın dinamik karakteristikleri modal testler yoluyla belirlenecektir. Çalışmanın son adımı ise prototipi üretilip statik, yorulma ve modal davranışı düzenek üzerinde belirlenen şaftın araç üzerinde test edilmesi olacaktır. Otomotiv uygulamalarında kullanılacak bir şaftın temel performans isterleri, kritik hız, burulma ve burkulma dayanımı ile yorulma ömrü olarak belirtilebilir. Metal bir şaftın tasarımında şaft kesidi, üzerine gelen belirli bir tasarım torku ile malzemenin izin verilebilir kesme gerilmesine göre kolayca belirlenebilir. Metal şaftlardan farklı olarak kompozit şaftlarda değiştirilebilecek parametre sayısı daha fazla olması sonucunda elastik sabitlerin düzenlenebilmesi yoluyla performans isterlerini karşılayabilen, birden çok daha fazla sayıda şaft seçeneğinin tasarımı mümkün olabilmektedir. Temel tasarım hedefi; çalışma hızından daha yüksek bir kritik hız, azami torktan daha yüksek bir burkulma torku ve Tsai-Wu gibi bir hasar kriteri uygulandığında arzu edilen bir dayanım oranı sağlanırken ağırlığın minimumda tutulabilmesidir. Statik tork iletimi, burkulma yük katsayısı ve doğal eğilme frekansı mevcut tasarımda göz önüne alınan temel tasarım kriterleridir. Şafttan belirli bir yorulma ömrü de istenmekte olup bunun belirlenmesi tamamen deneysel yollarla gerçekleştirilecektir. Tasarım kriterleri; 17000Nm değerindeki bir azami torkun iletimi, burkulma kararlılığı, 130Hz değerindeki doğal eğilme frekansı ve ±6800Nm değerindeki değişken torkta 300.000 çevrimlik yorulma ömrü olarak özetlenebilir. Şaftın analitik modeli bir EXCEL dokümanı yardımıyla oluşturulmuştur. Katman teorisi ve Tsai-Wu hasar kriteri uygulanarak azami tork yüküne dayanım oranı bulunmuştur. Doğal eğilme frekansı ve kritik burkulma torku da çeşitli formüllerden yararlanılarak hesaplanmıştır. Şaft, nümerik olarak, sonlu elemanlar analizi yöntemiyle modellenmiştir. ANSYS ACP ve Mechanical APDL ortamında iki farklı yapı oluşturulmuş olup eleman ağları aynı olmakla birlikte sınır koşullarında çeşitli farklılıklar mevcuttur. Şaft, bir ucundan sabiltlenmişken diğer ucunda tanımlanmış bir merkezi düğüm noktası yardımıyla tork yükü uygulanmıştır. Yapı, toplamda 1650 SHELL181 elemanıyla modellenmiştir. Burkulma analizi, şaftın burkulma kararlılığını ortaya koymak üzere gerçekleştirilmiştir. Burkulma analizinde kullanılan model ve uygulanan sınır koşulları static analiz ile aynıdır. Modal analiz ise şaftın doğal frekansları ve mod şekillerinin tespit edilerek eğilme frekansları ve modlarının belirlenmesi amacıyla gerçekleştirilmiştir. Şaft tamamen serbest durumdayken incelenmiş olup modal analiz sırasında herhangi bir sınır koşulu veya yük uygulanmasına gerek bulunmamaktadır. İç çapı 120mm olan A modelleri ve 140mm olan B modelleri olmak üzere toplamda 10 farklı şaft modeli oluşturulup analitik ve nümerik modellerden elde edilen sonuçlar tasarım kriterleri ile karşılaştırılarak bir tablo halinde verilmiştir. Katman sayıları A1 ve B1 başlangıç modellerinden Tsai-Wu dayanım oranına göre itere edilmiş olup diğer tasarım kriterlerinin değerlerine göre de farklı katman dizilimleri oluşturulmuştur. Kompozit malzemelerin üretimi, birçok değişkene bağlı karmaşık bir konu olup literatürden alınan malzeme verileri ile atölyede üretilen malzemenin özellikleri birbirinden büyük farklılıklar gösterebilmektedir. Bu durumun yarattığı belirsizliğin giderilebilmesi amacıyla ISO 1268 standardı referans alınarak test plakaları üretilmiş, bu test plakalarından kesilen numuneler de ilgili ASTM standartlarına göre testlere tabi tutularak üretim malzemesinin mekanik özellikleri belirlenmiştir. Üretim malzemesinin mekanik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla test plakasından numuneler kesilerek MTS322.21 üniversal test cihazı üzerinde kupon testleri gerçekleştirilmiştir. Çekme testi için ASTM D3039, basma testi için ASTM D6641 ve kesme testi için de ASTM D3518 standartları referans alınmıştır. Modül ve Poisson Oranı gibi verilerin elde edilebilmesi için numuneler üzerine gerinim ölçerler yerleştirilmiştir. Mekanik özellikleri belirlenen üretim malzemesinin yoğunluğu da ASTM D792 standardı referans alınarak belirlenmiştir. Piyasadaki mevcut uygulamalar hakkında fikir vermesi amacıyla bazı örnek şaftlar temin edilmiş olup bunlardan alınan numunelere de yoğunluk testi uygulanmıştır. Örnek şaftlara yoğunluk testi uygulanmasının amacı, belirli bir elyaf ve matris yoğunluğu üzerinden elyaf hacim oranının tahmin edilebilmesidir. Üretim malzemesinin mekanik özelliklerinin belirlenmesinden sonra analitik ve nümerik şaft modellerinin buna göre güncellenmesi gerekliliği doğmuştur. Analizlerin güncellenmesinden sonra 120mm iç çaplı A modellerinden performans isterlerinin düşük değerleri nedeniyle vazgeçilmiştir. Bunu takiben 130mm iç çapa sahip C modeli şaftlar oluşturulmuş, katman sayısı ve dizilimi de performans isterlerine göre belirlenmiştir. Kompozit bir şaft tasarımının teknik açıdan en ilginç kısımlarından birini de kompozit boru ile şaft mafsallarının bağlantısı oluşturmaktadır. Literatürde farklı ifadeler mevcut olmakla birlikte, bu çalışmada "uç bağlantısı" ifadesi kullanılacaktır. Kompozit şaft uygulamalarındaki uç bağlantıları yapıştırmalı ve sıkı geçmeli bağlantı olmak üzere iki temel gruba ayrılabilir. GKN tarafından daha önce bu konu üzerinde çalışılmış olup çok düşük ağırlığa sahip bir kompozit şaft tasarımı ortaya konmuştur. Teufelberger GmbH şirketi de bu konu üzerinde T-IGEL adını verdiği ticari bir çözüm üretmiştir. Konu ile ilgili bir patent araştırması gerçekleştirilmiş olup, farklı tarihlere ait 111 adet patent derlenmiştir. Tedarik edilmiş olan örnek şaftların da uç bağlantıları tahribatlı muayene ile incelenerek mevcut diğer ticari uygulamalar hakkında bilgi edinilmiştir. Uç bağlantı parçalarının, C50 yapı çeliği blok malzemeden talaşlı işlemle imal edilmesi ve kompozit sargı ile birlikte fırında kürtlenirken yapıştırılması planlanmıştır. Bu durumda uç parçası ile kompozit sargı arasında bir yapıştırıcı katmanı oluşacaktır ve bu katmanın istenen torku güvenli bir şekilde iletebilmesi için mukavemeti açısından kontrol edilmesi gerekmektedir. Yapıştırıcının kesme modülü, yapıştırıcı katman kalınlığı ve yapışma uzunluğu gibi parametrelerin değişimi ile yapıştırıcı içerisindeki kayma gerilmesi dağılımının farklı tasarımlar içerisinde nasıl değiştiği çeşitli eğriler yardımıyla incelenebilmektedir. Eğrilerdeki gerilmelerin tepe noktaları yapıştırıcının kesme mukavemeti ile karşılaştırılarak uç parçası ve kompozit boru arasındaki ayrılmanın nereden ve nasıl başlayabileceği değerlendirilebilir. Bu hesabın yapılmasının temel sebebi yapıştırıcının kesme mukavemeti sınırları içerisinde kalabilmesini sağlayacak, güvenli bir yapıştırma boyunun belirlenebilmesidir. Bunun yanında yapıştırma boyu, uç parça geometrisini de belirleyen önemli etkenlerden biridir. Şekil bağı yardımıyla tasarım torkunun daha güvenli bir şekilde iletimini sağlamak açısından uç parçalarının altıgen bir keside sahip olması düşünülmüştür. Bunun yanında kompozit boru ile uç parçasının iç çapının dirseksiz bir şekilde birleşebilmesi, yapışma alanının arttırılıp kesme gerilimi dağılımının iyileştirilebilmesi için parçaya bir miktar koniklik de verilmiştir. İletmek istediğimiz tork değerinin yüksekliğinden dolayı parçanın tüm ayrıntıları buna göre şekillendirilmiştir. Üretilecek prototip şaftın düzenek ve araç üzerinde test edilecek iki farklı türevi olacaktır. Araç şaftında uç parçaları ile mafsallar bir yüzük yardımıyla kaynatılacak iken test şaftı üzerinde yuvalı ve flanşlı olmak üzere iki uçta da farklı birleştirme parçaları bulunacaktır. Bunlardan biri test düzeneği mili ile birlikte çalışabilmesi için yuvalı, diğeri de test düzeneği üzerindeki brakete bağlanabilmesi için flanşlı olacaktır. Uç bağlantı parçalarının tasarım ve imalatı süresince filaman sargı yöntemiyle imalata uygunluğunu sağlamak açısından prototip şaftları üretecek firma olan Adalar Makina'nın değerlendirmeleri ve onayı alınmıştır. Parçaların mukavemeti sonlu elemanlar analizi yoluyla kontrol edilmiş, uygun yerlerden sabitlenerek 35000Nm tasarım torku altıgen konik bağlantı geometrisi üzerinden uygulanmıştır. Sonlu elemanlar modelinin yakınsayabilmesi açısından eleman ağının oluşturulmasında iteratif seçenekler kullanılmıştır. Sarım konfigürasyonu mandrel gövdesi ve üzerine geçirilmiş bağlantı parçalarından oluşmaktadır. Mandrel yüzeylerine maskeleme bandı uygulanarak koruma sağlanması amaçlanmıştır. Uç bağlantı parçaları hariç tüm yüzeylere kalıp ayırıcı uygulanmaktadır. Reçine emdirilmiş karbon elyaf, belirlenen katman sayısı ve dizilimi dahilinde bu yapı üzerine sarılacak ve kürleme işlemi bittikten sonra mandrel flanşlı bağlantı parçası içerisinden çıkarılarak kompozit boru ve ona yapışmış uç bağlantı parçaları olarak test şaftı elde edilecektir. Prototip şaft imalatından önce deneme sarımları gerçekleştirilmiş ve bu deneme sarımları süresince çeşitli sorunlarla karşılaşılmıştır. Mandrelin dairesel yüzeyleri üzerine oldukça düzenli sarımlar yapılabilirken uç parçalarının altıgen konik geometrisi üzerinde elyaf bandının istenen konumdan kaydığı ve dağıldığı gözlemlenmiştir. Geometrinin burada esas problemi teşkil ettiği anlaşılmış, problemli ve uygun geometriler serim(draping) analizi yoluyla incelenmiştir. Serim analizinde incelenen geometri dörtgen elemanlarla kaplanmakta ve bu elemanların çarpılmasına göre elyafın arzu edilen yönden ne kadar sapacağı kestirilebilmektedir. Başta altıgen konik geometri olmak üzere çeşitli ihtimaller değerlendirilmiştir. Kolaylık için sarım yüzeylerinin çeyreği modellenmiş ve şekil bağı sağlayabilirken elyaf sarımına müsait bir poligon uç bağlantı geometrisi geliştirilmiştir. Üretilen prototip şaftın statik ve yorulma testleri de ayrıca planlanmıştır. İTÜ UUBF bünyesindeki Kompozit Yapı Laboratuvarı'nda mevcut MTS322.21 üniversal test cihazı üzerinde kullanılacak bir burulma test düzeneği tasarlanıp imal ettirilmiştir. MTS322.21 eksenel yönde ±100kN maksimum kuvvet sağlayabilen bir test cihazıdır ancak burulma testi için eksenel bir kuvvet tek başına yeterli değildir. Eksenel yükün tork yüküne dönüştürülebilmesi için bir kol tasarlanmış, cihaz ve masaları üzerinde uygun şekilde mafsallanmıştır. Test düzeneği parçaları ve montajı CATIA V5 ortamında tasarlanmış, deney torkuna dayanımı da ANSYS ortamında gerçekleştirilen sonlu elemanlar analizleriyle ortaya konmuştur. Mevcut durumda prototip şaftın imalatı tamamlanmış olup MTS322.21 cihazı üzerinde devam etmekte olan testlerden dolayı montajı mümkün olmamış, prototip şaftın testlerine başlanamamıştır. Sonuç olarak, 2 parçalı çelik malzemeli bir şaftı değiştirecek tek parçalı kompozit bir şaftın tasarımı ve prototip üretimi gerçekleştirilmiştir. Mevcut durumda yapının %35'ine denk gelen 28 kilogramlık bir ağırlık kazancı sağlanmıştır. Kritik hız dışındaki performans isterleri sağlanmış olup bu durumun sebebi de esas olarak üretim malzemesinin düşük modül değeridir. Kupon üretimi sırasında arzu edilen elyaf hacim oranı ve mekanik özelliklere sahip bir malzemenin elde edilememiş olduğunu da ayrıca eklemek gerekir. Filaman sargı üretim sürecinin daha iyi bir şekilde planlanması ve yönetimiyle daha iyi özelliklere sahip bir malzemenin üretilebilmesi mümkün olup, bu durumda hem daha fazla ağırlık kazancı sağlanabilir hem de kritik hızı daha yüksek olan bir şaft tasarımı ortaya konabilir.