Kam mekanizmalarının dinamik analizi
Dynamic analysis of cam mechanism
Yazar: OĞUZHAN YILDIZ
Danışman: DOÇ. DR. CİHAN DEMİR ; DOÇ. DR. MEHMET BOZCA ; YRD. DOÇ. DR. YENER TAŞKIN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kam mekanizmaları = Cam mechanisms

Özet:
Günümüzde taşıt motorları başta olmak üzere birçok sistemde karşımıza çıkan kam mekanizmaları, çalışma prensibi itibariyle mühendisliğin en yalın hallerinden sayılabileceği gibi işlevselliği ve sistem davranışı üzerindeki doğrudan, güçlü etkisi sebebiyle sistem için en ehemmiyetli ve kritik elemanlardan birini ifade etmektedir.
Kam mekanizmaları farklı sonuç isteklerine göre kısmi özelleşmeler sunmakta ve çeşitli değişimlere gitmektedir. Bununla birlikte ana işlev ve yapısı tüm kam mekanizmaları için ortak payda olarak ifade edilebilir. Bu çalışma kapsamında ilk adım olarak kam mekanizmalarının performans kıstasları ve bu kıstasların en uygun duruma getirilmesi üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Bu aşamada performans eğrileri olan ivme, hız, konum eğrileri belirlenmiştir. Bu eğrilere göre sistem için arzu edilmeyen durumların başında gelen sıçrama (jerk) üzerinde özel olarak durulmuş ve kam mekanizması parametrelerinin iyileştirilmesi minimum sıçrama değerini sağlayacak biçimde gerçekleştirilmiştir. Supap kalkma miktarı, temel daire yarıçapı, burun yarıçapı, kalkma açısı gibi performansı etkileyen ana parametreler sıçrama değerini kıstas alarak Matlab programı yardımıyla incelenmiştir. Kam mekanizmasının davranış biçimi üzerinde kuvvetli etkiye sahip supap yaylarının rijitlik katsayısı, ivmedeki sıçramanın etkisi göz önüne alınarak hesaplanmıştır. İlk aşamanın ardından ERİN MOTOR firmasına ait gerçek bir motorun kam mekanizma verileri dikkate alınarak sistemin dinamik modeli oluşturulmuştur. Bu kurgulanan dinamik model 12 serbestlik dereceli olarak oluşturulmuştur. Dinamik modeli oluşturan kütle değerleri, ERİN MOTOR firmasının ölçüm sonuçlarından ve CAD verilerinden alınmıştır. Sönüm değerleri ve temas yay katsayıları uluslararası makalelerde kullanılan, deneylerle doğrulanmış değer aralıklarından seçilmiştir. Verilerin eldesinin ardından, kurgulanan dinamik modele göre zaman ve frekans cevapları elde edilmiştir. Bu cevaplar ışığında sistemin çalışma performansı üzerinde yorum yapılıp detaylı çalışabilecek veriler elde edilmiştir. Tüm bu aşamaların ardından söz konusu motorun kam mekanizması üzerinde çekiç-titreşim testi (Modal Analiz) gerçekleştirilerek netdB frekans analizörü yardımıyla frekans davranışları toplanmıştır. Böylece sistemin kritik mod değerleri kurgulanan dinamik model ile gerçek test sonuçları karşılaştırılacak biçimde elde edilmiştir. Her bir alt parça için elde edilen mod değerleriyle sistemin kritik frekans değerlerinin tespit edilme imkânı bulunmuştur. Tüm bu adımların haricinde Adams veya tercihen LMS Virtual. Lab gibi bir paket program yardımıyla sistemin kinematik analizi yapılması düşünülmekteydi ancak çalışmanın kapsamının genişlemesi ve zaman yetersizliğinden dolayı eksik kalmıştır. Tüm bu analizlerin kapsamlı bir kinematik analizle desteklenmesi önerilmektedir.
Yukarıda ifade edilen adımlar sırasıyla ve detaylı biçimde takip edilerek sistemin analiz adımları tamamlanmıştır. Elde edilen bu veriler, kam mekanizmalarının davranış analizini ortaya koymakta ve doğru tespit – doğru tedavi niteliğinde olup, sistem iyileştirmesinin teminatını oluşturmaktadır.

Anahtar Kelimeler: Kam mekanizmaları, kam performans eğrileri, kam parametreleri, sıçrama (jerk) davranışı, dinamik analiz, çekiç-titreşim testi

Abstract:
Cam mechanism which have been come across in numerous fields in particular to engine at the present time state one of the most considerable and critical parts due to strong effect on behavior of the system and working principle which can be considered as simplicity of engineering.
Cam mechanism may reveal partial specialization and carry out various modification acc. to different result demand. At the same time, it can be said that main function and structure of cam mechanism are same. In scope of this study, firstly it has been studied on performance criteria of cam mechanism and for doing best state of these criteria. It has been determined and plotted acceleration, velocity, displacement graph. It has been considered especially jerk which is one of the major undesired results acc. to obtained performance graphs and improvement of parameter of the cam mechanism with minimum jerk have been carried out. Main parameter of valve total displacement, base circle radius, nose Radius, valve lift angle which effect performance have been studied by using Matlab with respect of jerk value. Stiffness of valve spring which has strong effect on behavior of the cam mechanism has been calculated with respect of effect of the acceleration jerk. After mentioned first step, with considered cam mechanism value of real engine which belongs to ERIN MOTOR it has been created dynamic model of the system. This dynamic model has been created with 12 degree of freedom that ensure healthy results. Mass values which create dynamic model have been received from measurement of ERIN MOTOR and CAD's value. Damping and contact-stiffness rating have been selected from experimentally verified results at internationally published articles. After collecting all data, it has been obtained response of the frequency and time acc. to creating the dynamic model. It has been acquired detailed parameters that provided healthy comment thanks to these responses on the system performance. After all mentioned stage, while on cam mechanism of real engineer has been applying vibration analysis based on hammer impact test (Modal Analysis), frequency behavior has been collected by using netdB frequency analyzer. By this way, critical mod values of the system have been obtained by comparing to the dynamic model and real test results. For all sub-parts, critical frequency has been detected thanks to received mod values. Except all these step, it had been considered to make a kinematic analysis by using packet program like Adams or preferably LMS Virtual Lab. But this considered kinematic analysis side is lack due to scope of the studying is extending, lack of time. It has strongly suggested to include kinematic analysis to all analysis.
Analysis steps have been completed, by following respectively and in details. These results ensured detailed analysis of behavior of the cam mechanism and they are both of them, right diagnostic- right treatment also guaranty of the system improvement.

Keywords: Cam mechanism, cam performance curves, cam parameter, jerk behavior, cam dynamic analysis, vibration analysis based on hammer impact test