Taşıtların süspansiyon sistemlerinde kullanılan akson parçasının fiziksel test ve sonlu elemanlar analiziyle optimizasyonu
Desing and optimization of the suspension steering knuckle used in vehicles by performing the physical test and finite element analysis methods
Yazar: İBRAHİM İNAN
Danışman: DOÇ. DR. CELALETTİN YÜCE
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Son zamanlarda konforlu, hızlı, güvenli ve erişimi kolay olması sebebiyle en fazla tercih edilen ulaşım araçlarından biri otomobillerdir. Artan otomobil talebi sebebiyle üreticiler hızlı ve düşük maliyetli bir şekilde otomobil üretebilmek için oldukça fazla zaman ve para harcamaktadır. Otomobil parçalarının tasarımında daha hafif, daha hızlı ve daha ucuz parçalar üretebilmek için odaklanılan noktalardan biri tasarım doğrulama çalışmalarıdır. Bu çalışma kapsamında, bir otomobil süspansiyon sisteminin yapısal parçalarından biri olan akson parçasının tasarımı, tasarım doğrulama ve optimizasyon çalışmaları yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Akson parçası amortisör, rotil ve direksiyon rotu gibi süspansiyon parçalarını bir arada tutan, üzerinde teker ve fren grubu parçalarını taşıyan yapısal bir komponenttir. Akson, farklı koşullarda ve yönlerde farklı yüklere maruz kalan bir parça olduğu için dayanımı oldukça önem arz etmektedir. Bunun gibi dayanım ve hafifliğin önemli bir kısıt olduğu parçaların tasarım sürecinde, sonlu elemanlar analizi uygulamaları fiziksel doğrulama testlerinde harcanacak zamanı ve maliyetleri oldukça minimize etmektedir. 
Bu çalışmayla birlikte, mevcut akson tasarımının prototipi üretilerek, frenleme, dikey ve yanal hasar koşulları için fiziksel banko testleri gerçekleştirilmiştir. Daha sonra mevcut 3D akson modeli üzerinden aynı koşullar altında SimCenter programıyla nonlineer sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilmiştir. Sanal analiz ve fiziksel test sonuçları karşılaştırılmış, iki doğrulama yöntemi arasında yaklaşık %5,79 oranında bir korelasyon olduğu tespit edilmiştir. Bu doğrultuda, topoloji optimizasyonu metodu ve sanal analiz metodu yardımıyla yeni akson tasarımları oluşturulmuştur. Topoloji optimizasyonu ile birlikte, aynı yük ve sınır koşullarında %14 daha hafif akson tasarımı elde edilmiştir.

Abstract:
Recently, automobiles become one of the most preferred means of transportation due to their comfort, speed, safety. With the increasing demand for automobiles, manufacturers are investing significant time and resources to produce cars quickly and cost-effectively. One of the keys focuses on automobile component design is the production of parts that are lighter, faster, and more cost-effective, with an emphasis on design validation studies. This study aims to design, validate, and optimize a steering knuckle component of automobile suspension system. The knuckle component serves as a structural element that holds together suspension parts such as shocks, knuckles, and steering links, while supporting the wheel and brake assembly. Given that the knuckle is subjected to different loads in various conditions and directions, its strength is of paramount importance.
Finite element analysis applications play a crucial role in minimizing the time and cost required for physical validation testing in the design process of components where strength and lightweight properties are significant constraints. In this study, a prototype of the existing knuckle design was manufactured, and physical bench tests were conducted for braking, vertical, and lateral damage conditions. Subsequently, nonlinear finite element analysis was performed using the SimCenter program on the existing 3D knuckle model under the same conditions. The results of virtual analysis and physical tests were compared, revealing a correlation of approximately 5,79%. Consequently, new knuckle designs were developed using the topology optimization method and virtual analysis. With topology optimization, a 14% lighter knuckle design was achieved under the same load and boundary conditions.