Traktör saha testinin laboratuarda hızlandırılmış olarak gerçekleştirilmesi

Traktör saha testinin laboratuarda hızlandırılmış olarak gerçekleştirilmesi

Bu konu Okkangal ' ın isteği üzerine açılmıştır...

Traktör saha testinin laboratuarda hızlandırılmış olarak gerçekleştirilmesi:
Timuçin Bayram, Prototip ve Test Müdürü
Mustafa Latif Koyuncu, Test Uzmanı
UZEL Grup
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 Uzelde uygulanmıştır.
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]
01.gif

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.
f1.gif
(1)

t1.gif

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, 0,7 K 2,2 arasındadır. Hesaplamalarda tavsiye edilen değer ise K=1dir. [2]
Çalışma yüzdelerini göz önüne alarak (1) eşitliği tekrar yazılırsa;
Toplam ömür: N
Belli bir yükteki çalışma yüzdesi: C
f1a.gif

olmaktadır. (1) eşitliğinde yerine yazılırsa, Palmgren-Miner denklemi (2) ve (3) eşitliklerindeki gibi olur (K=1). [2]
f2.gif
(2)
f3.gif

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]
02.png

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]
03.png


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]
04.png

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

Şekil 5. Hızlandırılmış Araç Testi Aşamaları
3. Kullanıcı profilin tanımlanması
Aracın müşteri profili ve kullanım şartları değişiklik gösterdiği için bütün kullanım bölgelerindeki koşulları kapsayacak şekilde ortak bir tasarımın yapılması gereklidir. UZEL�in satış yapmayı planladığı her bölgenin kullanıcı profiline göre traktörlerin yıllık çalışma saatleri ve kullanılan ekipmanlar belirlenerek istatistiksel bilgileri toparlanıp ve hedef kullanıcı profili ve kullanım şartları seçilmiştir.
Bir aracın veya parçanın çalışma dayanımının saptanabilmesi için gerekli dört parametre Şekil 6 de verilmiştir. [4]
06.png

Şekil 6. Hızlandırılmış Araç Testleri Yöntemleri
Bunlar çevre koşullarının da dahil olduğu aşağıdaki parametrelerdir;
• yükleme durumu,
• ürünün geometrisi,
• malzemesi,
• imalat özellikleridir.
Uygun bir tasarımın gerçekleştirilebilmesi için de, çalışma sırasında karşılaşılan dış yüklerin, ürünün kritik bölümlerine etkiyen lokal gerilmelerin, malzemenin yorulma davranışıyla ilgili özelliklerinin bilinmesi gereklidir.
t2.gif

Tablo 2. Traktör kullanıcı profiline bağlı olarak oluşturulan Çalışma Çevrimi
Test konusu araç olan traktör için hangi şartlarda test edileceği traktörün gerçek şartlarda nasıl ve hangi amaçla kullanıldığına bağlıdır. Çalışma şartları traktörün boyutuna, özelliklerine ve kullanılan ekipmanlara göre farklılık göstermektedir. Traktörün kullanıldığı tarlaların toprak yapısı ve arazi koşulları traktörün maruz kaldığı hasarların tanımlanmasında önemli faktörlerdir. Traktör tarla sürmek dışında, römork ile beraber toprak, asfalt ve kumlu gibi farklı özellikte yollarda taşımacılıkta da kullanılmaktadır. Ayrıca hava şartları traktörün çalışmasını etkileyen diğer önemli faktördür. Tüm özellikler bir araya getirildiğinde çok parametreli bir kullanıcı profili Tablo 2 de karşımıza çıkmaktadır. Tabloda belirtilen çalışma şartları yerel pazara yönelik olarak hazırlanmıştır. Hangi yollarda ve tarla işlemi Tabloda belirtilen çalışma çevriminde Taşıma ve Tarla başlığı altındaki çalışma şartları % 100 traktör çalışmasını temsil etmektedir. [3]
Yol pürüzlülüğü başlığı altındaki çalışmalar ise taşımanın alt aşamalarıdır. Traktörün taşıma sırasındaki her bir durumu için belirtilen yol pürüzlülüklerinin hepsinde çalışmalıdır ve her bir taşıma kendi içinde tüm yol pürüzlülük çalışması için değerlendirilmelidir.
Veri toplama işlemi sırasındaki hava şartları Tablo 2 de belirtilmiştir.
4. Gerçek saha verilerinin toplanması
Traktörün hızlandırılmış ömür testini yapmak için gerekli test parametrelerini oluşturmak amacıyla traktör ile normal çalışma şartlarında ivme değerleri ölçülmüştür.
Traktör üzerinden gerçek saha verileri ve eşdeğer test yükünü oluşturabilmek için test pistindeki veriler ivme olarak toplanmıştır (Şekil 7).
07.png

Şekil 7. Gerçek Saha ve Test Pisti Verilerinin Toplanması.
Traktör değişik şartlarda çalıştırılmış ve üzerine 4 farklı noktaya yerleştirilen 3 eksenli ivme ölçerler ile ivme değerleri ölçülmüş ve kaydedilmiştir. Veri toplama işlemi 3 eksenli 100 mV/g hassasiyete sahip 4 adet ICP ivme ölçer kullanılarak yapılmıştır. Örnekleme hızı 2048 S/s olarak ayarlanmıştır. Traktör üzerine yerleştirilen ivme ölçerlerin kabloları on iki kanallı veri toplama cihazına bağlanarak en rahat çalışmayı sağlayacak şekilde traktör üzerine sabitlenmiştir (Şekil 8).
08.png

Şekil 8.  Veri Toplama Cihazı ve Yazılım
Traktör eksenleri Şekil 9 daki gibi alınmıştır ve ivme ölçerlerin yerleştirilme durumuna bağlı olarak eksenlerin doğru olarak tanımlanabilmesi için veri toplama programında değişiklik yapılmıştır.
09.gif

Şekil 9.  Traktör Eksenleri ve İvme Ölçerlerin Yerleşimi
İvme ölçerler 3 numaralı noktada traktör eksenleri ile çakışık olarak yerleştirilmiştir. Bunun dışındaki noktalarda (1,2,4) ivme ölçerler Şekil 10 daki yerleştirilmiştir.
10.png

Şekil 10. İvme Ölçerlerin Eksen Bilgileri
Veri toplama işlemi, traktörün normal şartlarda ömrü boyunca kullanıldığı durumlar göz önüne alınarak oluşturulan bir çalışma çevrimi doğrultusunda yapılmıştır. Oluşturulan tabloda ölçüm almak için gerekli çalışmalar aşağıdaki gibidir;
• Römork doluluk oranının değişimleri göz önüne alınarak değişik yol karakteristiklerinde 'TAŞIMA' yapılması,
• Çiftçinin ihtiyacına göre yapılan 'TARLA İŞLERİ' nin yapılması,
• 'TEST PİSTİ' nde  çalışma yapılması.
Ölçümler yol, tarla ve bumptrack pistinde 30 ar saniyelik süreler boyunca alınmıştır. Test pistinde yapılan ölçümler haricindeki çalışmalarda traktörün her çalışma şartı için iki ölçüm alınmıştır (traktörün çalışma hızı ve yol karakteristiğinin izin vermediği durumlarda sadece bir veri alınmıştır).
Alınan verilerin sayısal olarak dağılımı aşağıdaki gibidir;
• Yol verileri: xx
• Tarla verileri: xx
• Bumptrack test pisti verileri: xx
Toplam: xxx adet ölçüm alınmıştır.
4.1. Yol verileri
Yol verileri değişik viteslerde ve devirlerde farklı yol karakteristikleri denenerek römorkun dört çeşit doluluk oranına göre alınmıştır. Yol çeşitleri;
• Düz Asfalt
• Mıcırlı Asfalt
• Toprak Yol
• Köy Yolu
Römork doluluk oranı (%xx dolu römorkta x ton, %xx dolu römorkta x ton ve %xx dolu römorkta x ton çakıl bulunmaktadır);
• Boş römork
• % xx dolu römork
4.2.  Tarla verileri
Tarla verileri  farklı ekipmanlar kullanılarak değişik vites ve devirlerde alınmıştır. Kullanılan Ekipmanlar;
• Pulluk
• Tırmık
• Kazayağı
• Mibzer
• Gübre Makinesi
• İlaçlama makinesi
4.3. Test pisti verileri
Test pistinde alınan değerler sırasında saha şartlarını oluşturmak için traktörün ön ve arka tarafında ağırlıklar kullanıldı. Traktör sürücüsüz olarak test pistinde farklı durumlarda çalıştırılmış ve saha testlerindeki aynı noktalardan veriler toplanmıştır.
5.  Verilerin işlenmesi
Tarla, yol ve test pisti verilerinin genlik ve frekans spektrumlarını Şekil 11�deki gibi incelenmiştir. Her bir ölçüm için:
• Frekans spektrumu çıkarılmıştır
• Genlik spektrumu çıkarılmıştır
• Rainflow matrisi hesaplanmıştır
Traktörün normal şartlar altında ömrü boyunca maruz kalacağı hasar etkisini oluşturmak amacıyla tarla ve yoldan toplanan değerler sınıflandırılarak traktör üzerine gelen yük dağılımlarının görüldüğü Rainflow matrisler haline getirilmiştir.
11.png

Şekil 11. Saha Testlerine Örnek Frekans Spektrumu
Traktör çalışma çevrimine göre;
• Yol için değişkenler
• Yük
• Hız
• Yol koşulu
• Tarla için değişkenler
• Kullanım amacı
Hızlandırılmış testte tekrar edilmesi için her bir çalışmanın ayrı ayrı  hasar etkileri çıkarılmıştır. Her bir tarla ve yol ölçümünün rainflow matrisi çalışma çevrimine uygun şekilde tekrarları kadar çarpılarak toplam hedef matrisi toplanır.
12.png

Şekil 12. Toplanan Veriler için Örnek Rainflow Matris
t3.png

Tablo 3. S-N yöntemiyle tüm 12 ivme kanalının Hedef Rainflow Matrisi hasar değeri hesaplandı.
Tablo 3 de görüldüğü gibi, saha testleri verileri için yapılan çalışmalar test pisti verileri için de yapıldı.
Test pisti verileri için  Histogram eşleştirme ve hasar kontrolü yapıldı (Şekil 13). Histogram Eşleştirme; Program saha ve Test Pisti rainflow matrislerinin her bir kutucuğunu eşitlemeye çalışır. Buna göre hangi Test Pistinden kaç adet tekrarlanması gerektiğini bulundu. Hasar Kontrolü; Eşleştirme sonucunda her kanalın Test Pisti çalışma çevrimi toplam hasarı ile hedef ömür hasarları karşılaştırıldı.
13-t.jpg

Şekil 13. Hasar Eşleştirme Çalışması
Tam otomatik bir şekilde istenen sonuca ulaşılamamıştır fakat yarı otomatik şekilde hızlandırılmış test  şartları oluşturulmuştur. En doğru sonuç için hangi test pisti çalışmalarının seçileceği manüel olarak belirlenmiştir.
t4.gif

Tablo 4. Hesaplanan Hasar ve Eşdeğer Hasar Tablosu
6. Sonuç
Bu çalışma, araç geliştirme çalışmalarına ve ürün geliştirme hızının artmasına sağlayacağı katkı; ARGE maliyetlerinde sağlayacağı azalma göz önüne alındığında oldukça önemli bir çalışmadır.
Gerçek saha şartlarında traktörün çalışması değişken olacağından, maruz kalınan gerilmelerin hakkında bir sıralama belirlemek yanlış olur. Traktör çalışması için en uygun çözümü Palmgren-Miner yöntemi verecektir. Çünkü Palmgren-Miner yöntemi gerilmelerin nasıl dizildiğine önem vermemektedir ve gerçek şartlarda çalışmalarda maruz kalınan gerilmeler karışık sıralandığı için en uygun çözüm bu yöntem çıkmaktadır. Diğer yöntemlerde gerilme sıralanışlarına önem vermektedir, yani küçükten büyüğe veya büyükten küçüğe sıralama durumunu sunmaktadırlar ki bu durum da traktör çalışma durumuna uymamaktadır. Sonuç olarak Palmgren-Miner’in verdiği ömürler esas kabul edilecektir.
Bu yönteme göre çıkarılan eşdeğer hasarlar Tablo 4 de görülmektedir. Hesaplanan hasar etkisini oluşturmak için Tablo 4 deki çalışma şartları istenilen değerlerde seçilerek toplam test süresi ayarlanabilir. Bu tablo sayesinde traktörün ömrü boyunca maruz kalacağı çalışma şartları sonucunda oluşacak yorulma etkisinin saptanarak aynı etkiyi oluşturacak test şartlarının belirlenmesi suretiyle deney süresi istenilen oranda ayarlanabilmektedir.
Hızlandırılmış ömür testine tabi tutulan araçlarda görülen aksaklıklar; araç üzerinde bulunan parçaların titreşim deformasyonuna karşı analizi kısa sürede yapılmak suretiyle, önleminin hemen alınması sonucunda aracın kısa sürede geliştirilip piyasaya çıkması açısından oldukça önemlidir.
Tasarlanan ürün kullanıcı profillerine uygun olarak üretilecek olması sebebi ile ürün maliyetlerinde de azalma söz konusudur.
Sonuç olarak, traktör saha testleri normal şartlar altında 2000 saatlik bir çalışma ile yapılmaktaydı. Çok uzun zaman almasının yanında işçilik, yakıt, yağ, ekipman ve diğer gerekli malzemeleri düşündüğümüzde yüksek maliyet söz konusudur.  Bu çalışma ile 2000 saatlik saha testi yerine saha testine eşdeğer hasar oluşturabilen test pisti ile toplam 100 saatte bu testi simule etmekteyiz. Yukarıda bahsedilen malzeme ve işçilik ücretlerinden kazanç sağlandığı gibi test süresi 1:20 oranında kısaltılarak test sonucunun daha erken alınması sağlanmıştır. Bu şekilde Ürün Geliştirme süreci de kısaltılmıştır.
 

Benzer Konular