Vites kablosu braketinin NVH ve yapısal analizi

İstenmeyen ses ve gürültünün tanımlanması, titreşim kaynaklı parçalarda meydana gelen dokunsal hissiyat ve bunların özel olarak kullanıcı tarafındaki subjektif algısı NVH (ses, gürültü ve sertlik) esaslarına göre belirlenmektedir. Her geçen gün daha sessiz ve ses kalitesi iyileştirilmiş araç dizaynlarının yaygınlaşmasıyla birlikte kullanıcının ses ve gürültü hassasiyeti artmaktadır. Hem kullanıcının ses hassasiyeti/algısına dayanarak ve regülasyonlara uygun, hem de günümüz şartlarında araç geliştirme süresince uygun fiyatla istenilen iyi derecedeki ses kalitesine sahip araç dizaynı birincil mühendislik problemlerinden biri haline gelmiştir. Örneğin; yeni geliştirilmiş bir güç aktarma organından kaynaklı ses ve gürültü probleminin değerlendirilmesi, ilgili güç aktarma organları NVH mühendisi tarafından sadece ses seviyesi incelemesi olarak değil ayrıca subjektif olarak ses kalitesinin kullanıcı (müşteri) gözüyle değerlendirmesi olarak yapılmaktadır. Ağır ticari kamyona yeni bir şanzıman aplikasyonu uygulandığından, bu çalışmada ilgili aplikasyonun uygulandığı bir test aracında motor ve güç aktarma organları kaynaklı ses ve gürültü değerlendirmesi bu kritere göre yapılmıştır. Bu değerlendirme de özellikle yeni şanzıman aplikasyonu ile birlikte değişen tüm parçalarda, kısacası şanzıman ve vites geçiş sistemine odaklanarak araç için önce subjektif değerlendirme ve sürüş sırasında toplanan ivmeölçer datalarıyla da objektif değerlendirme yapılmıştır. NVH subjektif ve objektif araç saha testinin nasıl yapıldığı, ivmeölçer ve mikrofon datasının toplanışı ile kullanılan araç gereçlerin konumlarıyla beraber spek detayları araç motor ve güç aktarma organları test prosedürü şeklinde çalışmada belirtilmiştir. Aracın ilk subjektif değerlendirmesinde sürücü ve mühendis tarafından "Özellikle 1100-1500rpm arasında vites mekanizmasından gelen ve kabin içinde duyulan vurma sesi" raporlanmıştır. İlgili NVH probleminin raporlanmasına nazaran ivmeölçer dataları yardımıyla ilgili ses ve gürültünün kaynağının bulunması amaçlanmıştır. Kabin içerindeki mikrofon datası frekans süzgeçleri konularak dinlendiğinde ilgili problemin 750Hz frekansında olduğu belirlenmiştir. Şanzıman, vites kulesi, vites levyesi, vites halatı braketi, vites mekanizması ve vites mekanizması levyesi üzerine takılan ivmeölçerler sayesinde objektif data üç eksenli grafikler (colourmap) üzerinden kontrol edilmiştir. Kontroller sırasında şanzıman, vites kulesi ve vites levyesi datalarında bu rezonans bandı ses ve gürültü izine rastlanmamıştır. Fakat vites halatı braketi, vites mekanizması ve vites mekanizması levyesinde bu sesin izleri üç eksenli grafiklerde (colourmap) yardımıyla doğrulanmıştır. İvme tahrik miktarlarına bakıldığında ve ilgili izin görüldüğü kaynakların sesleri dinlendiğinde vites halat braketinin ses ve gürültünün kaynağı olduğunu gözlenmiştir. Vites halatı üzerinden patika yolu izleyerek vites mekanizması, vites mekanizmasının levyesi ve kabin içinde ses problemimi oluşturduğu da kanıtlanmıştır. Dolayısıyla ilgili ses yapısal yolla braketten kabin içine kadar taşınan bir ses ve gürültü problemi olarak sınıflandırılmıştır. Ses ve gürültünün kaynağı olan vites halatı braketinin NVH ve yapısal karakteristliğini detaylı bir şekilde incelemek için deneysel modal analiz (çekiç testi) ITU Otomotiv Laboratuvarında yapılmıştır. Deneysel modal analiz tamamen aynı dizayna sahip fakat imalatı farklı zamanda yapılmış iki adet şahit numuneye yapılmıştır. Kullanılan üç eksenli ivmeölçerin ve çekicin spekleri verilmiştir. İlgili test serbest koşullu bağlantıyı simule edebilmesi için bağlantı delik lokasyonundan sadece misine yardımıyla askı aparatına bağlanmıştır. Vites halatı braketine evrensel bir koordinat sistemi ve orjin tanımlanmıştır. Yapılan ölçümler sırasında ivmeölçerin lokasyonları ve ivmeölçerlerin eksen takımları evrensel koordinat sistemi ve tanımlanan orjine uygun yapılmıştır. Toplam 22 farklı noktadan ölçüm (ivmeölçer datası) alınmıştır ve çekiç her seferinde aynı noktadan uygulanarak tahrik verilmiştir. Analizör ile toplanan datalardan FRF (Frequency Response Function) ve coherence (tutarlılık) fonksiyonları MATLAB'a aktarılıp incelenmesi amacıyla 22 farklı ivmeölçer lokasyonu için 3 tekrarlı olarak kaydedilmiştir. MATLAB programı yardımıyla öncelikle tanımlamalar (ivmeölçer pozisyonları, eksenlerin girilmesi, grafiklerin çizilmesi vb.) yapılmıştır. Tanımlamalar sırasında braketin şekli nedeniyle bazı ivmeölçer pozisyonları için rotasyon matrisleri kullanılmıştır. Sonuç olarak FRF (Frequency Response Function) grafikleri lineer ve logaritmik çizilerek mod frekans aralıkları belirlenmiştir. Tanımlamalar sayesinde ilgili noktalar arası çizgiler çizdirilerek mod frekans aralıklarında mod şekilleri belirlenmiştir. İki şahit numunenin deneysel modal analiz sonuçlarının farklı olması ve ilk testte düşük frekansta bir mod olması nedeniyle parçalar detaylı olarak tekrardan kontrol edilmiştir. Parçalar arasında kaynak miktarı ve slot bağlantı civatasının torkunun farklı olması nedeniyle bağlantı sertliği farkının mod frekanslarını öne çekme ve ya öteleme oluşturabileceği hipotezi ortaya atılmıştır. Hipotezin doğrulanabilmesi için bilgisayar ortamında da modal analizi yapılarak sonuçların korelasyonu sağlanmıştır. Altair Hypermesh programı kullanılarak sonlu elemanlar modeli kurulmuştur. Hypermesh üzerinde mesh edilen modele malzeme, özellik ve mod frekanslarını bulmak için fonksiyon tanımlanarak model ABAQUS Solver'a aktarılarak çözümlenmiştir. Çözüm sonucunda ilk dört frekans alınarak deneysel modal analiz ile karşılaştırılmış ve ikinci yapılan deneysel modal analiz ile kurulan sonlu elemanlar modal analizinin %0,15-%5,41 arasında hata paylarıyla doğruluğu gösterilmiştir. İlk braket ile yapılan deneysel modal analizin mod frekanslarının neden ötelenmiş olduğunu sonlu elemanlar modelinde göstermek ve kurulan hipotezi desteklemek için Hypermesh modelinde farklı sertlikte bağlantılarla iterasyonlar yapılmıştır. Vites halatının klips ile bağlandığı üst kısım ile ana bağlantı parçası arasında slot bağlantılardan birinin gevşek olmasının üst parçanın görülen mod şekillerinden birini düşük frekansa doğru öne çektiği doğrulanmıştır. Braket kaynaklı NVH problemini kaynakta çözmek için braketin ilk dizaynında ana parçanın altına bir kaburga (bayrak) destek parçası eklenmesi ön görülmüştür. Bu dizayn ile parçanın sertlik (stiffness) değerinin arttırılması sağlanılarak kafa vurma, eğilme gibi mod şekillerindeki tahrik kaynaklı hareket miktarını azaltacağı düşünülmüştür. Bu tasarım için de sonlu elemanlar modal analizi ile mod frekansları ve mod şekilleri incelemesi yapılmıştır. Bu analizin sonucunda özellikle ilk dizaynda görülen ilk modun (587Hz) yukarı frekansları ötelendiği ve diğer modların frekanslarının da bir miktar yukarı ötelendiği görülmüştür. Ayrıca deplasman değerlerinde de azalmalar olduğu da saptanmıştır. Bilgisayar ortamında doğrulanan çözüm tasarımın prototip numunesi alınarak araç aplikasyonunda subjektif ve objektif olarak değerlendirmesi yapılmıştır. Subjektif değerlendirme sonucunda kabin içerisinde ilgili şikayet tekrarlanmamıştır. Aynı araç testi konfigürasyonu ve bayraklı braket tasarımıyla alınan objektif datalarla ilk durumun karşılaştırılması sonucunda ilgili frekans bandı etrafında düşük deplasmanlı mod frekansları görülmüş ve bunların ses ve gürültü şikayeti oluşturmadığı gözlenmiştir. Çalışmanın son kısmında braketin ilk ve bayraklı tasarımı dayanımsal olarak yorulma analizine tabi tutulmuştur. Analizde yük olarak vites geçiş kuvveti ilgili araç konfigürasyonunun mekanik oranına nazaran teorik olarak hesaplanmıştır. Analiz sonucunda gerilim değerlerine bakıldığında her iki tasarımın da güvenli bölgede sonsuz ömürlü olduğu açıkça görülmekte ve her iki tasarım arasında kaburga (bayrak) eklenerek tasarımın gerilimde etkisi nerdeyse hiç (0,29%) olmamaktadır. Fakat deplasman değerleri karşılaştırıldığında bayraklı tasarımın etkisinin daha yüksek olduğu ve deplasmanın azaltılmasında ciddi katkı sağladığı (%8,46) raporlanmıştır. Ek olarak, deplasman karşılaştırması braketler üzerinden toplanan ivmeölçer dataları yardımıyla da yapılmış, gerçek iyileşmenin bilgisayar analiziyle sadece %0,77 oranında farklılıkta (%7,69) olduğu raporlanmıştır. İlgili tasarımın hem NVH problemini çözümleyerek hem de yapısal olarak deplasman miktarını azaltarak iyileştirme sağladığı doğrulanmıştır.