İçten yanmalı motorlarda biyel kolu cıvatalarının hesabına ve tasarımına yönelik yazılım geliştirme
Software tool development for calculation and design of conrod bolts in internal combustion engines
Yazar: ALP TEMUÇİN TURGAÇ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ VEDAT TEMİZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde trend temiz ve yenilenebilir enerji kaynakları kullanarak çevreyi ve atmosferi daha az kirletmektir. Sera gazı emisyonlarına neden olan faktörlerin başında ulaşım ve enerji üretimi gelmektedir. Bu iki sektörde de büyük yer kaplayan içten yanmalı motorların atmosfere salınan sera gazları toplamının %10'una sebep olduğu belirlenmiştir.  Yeni gelişen ve daha da gelişecek olan teknolojilerle beraber özellikle enerji üretim sektöründeki içten yanmalı motor kullanımının azalması ve daha çevreci teknolojilerin kullanılması gündemdedir. Bununla beraber ulaşım sektöründe de büyük değişimler olmaktadır. 
Yaşanan dizel motor emisyon skandallarından sonra bu değişim hız kazanmıştır. Devletler ve bunun sonucu olarak da firmalar politikalarını bu yönde geliştirmektedir. Bu yüzden içten yanmalı motorların geleceği tartışma konusudur. Yapılan araştırmalar bize günümüzdeki ulaşım aralarının neden olduğu çevre zararlarının büyük bir kısmının içten yanmalı motorlardan dolayı olmadığını göstermiştir. Yüksek verimliliği ve değişen emisyon kanunları çerçevesinde gelişen içten yanmalı motorlar, ticari ve deniz araçları için, uzun bir süre daha en iyi seçenek olarak duracaktır. Gelişen içten yanmalı motorlarda hem termal hem de mekanik yükler artmaktadır. Motorlarda kritik parça olarak adlandırılan biyel kolunda da durum aynıdır. Yüksek verim, az emisyon gibi isterler nedeniyle içten yanmalı motorlarda en çok zorlanmaya maruz kalan parçalardan biri konumundadır. Hasar durumunda motorda geri dönülemez zararlar olmaktadır.
Biyel kolu piston ile krank milini birbirine bağlayan bir bağlantı elemanı parçasıdır. İçten yanmalı motorlarda değişken yüklere en fazla maruz kalan parçaların başında gelmektedir. Biyelin dayanımı gelmekte olan yüklerin doğru tahayyül edilmesine bağlıdır. Biyel kolu ve kepini birbirine bağlayan cıvataların dayanımı da buna bağlıdır. 
Bu çalışma, biyel kolu cıvatalarına ve bu cıvatalar için Excel yazılımı geliştirmeye odaklanmıştır. Buna göre öncelikle cıvatalara etkiyen yük durumları analiz edilmiş ve adım adım bu hesaplamanın nasıl yapılacağı açıklanmıştır. İlgili prosedür MS Excel yazılımına aktarılmıştır. 
Buna göre öncelikle literatürden elde edilen bilgilerin yardımı ve imalat yöntemleri gözetilerek bir biyel kolu ve kepi tasarlanmıştır. Biyel tipi olarak açılı ayrımlı tip, literatürde örneği bulunmadığı için, seçilmiştir. Aynı zamanda, yüksek yanal yükler nedeniyle dişli ayrım yüzeyi tercih edilmiştir. Bu süreçte PTC Creo yazılımı kullanılmıştır. Tasarlanan biyel koluna kayar yataklar ve cıvatalar monte edilmiş ve ilgili yük hesaplamaları yapılmıştır.
Cıvataya etki eden yükler belirlendikten sonra analitik hesap yöntemi, yapılan araştırmalar sonucu, VDI 2230 standardı seçilmiştir. Bu standart cıvata ve sıkışan kısımların eksenel ve eğilme rijitliklerini hesaba katan sistematik ve güvenilir bir yöntemdir. Literatürdeki gelişmelere bağlı olarak belirli aralıklarla güncellenmektedir. Bu yöntem tekrarlanabilir olması amacıyla MS Excel yazılımına aktarılmıştır. 
Hesaplamaların doğru bir şekilde yapılabilmesi için öncelikle test ya da Sonlu Elemanlar Metoduyla (SEM) doğrulanması ve bazı parametrelerde korelasyon yapılması gerekmektedir. Bu parametreler işletme yükü eki noktası ve moment kolu faktörüdür. Bu korelasyon için Sonlu Elemanlar Metodunun (SEM) kullanılması belirlenmiş ve yüklemeler adım adım uygulanarak ilgili analizler gerçekleştirilmiştir. Bu analizler sonucu elde edilen veriler yardımıyla, analitik yöntem üzerinden, korelasyonlar yapılmıştır. Öncelikle eğilme momentinin ihmal edildiği, hayali bir şekilde eş merkezli eksenel yükleme durumu kontrol edilmiş ve ilgili işletme yükü etki noktası değerleri bulunmuştur. Bundan sonra eğilme momenti etkilerinin de dahil olduğu dişli kısım üzerinden gerilmeler okunarak, moment kolu faktörü korelasyonu yapılmıştır. Korelasyon yöntemiyle elde edilen bu iki değer sayesinde analitik ve SEM sonuçlarındaki genlik gerilmeleri arasındaki fark ihmal edilecek boyutlardadır. Ayrıca elde edilen bu değerler sayesinde ön gerilme hesabının yanı sıra ön gerilme gevşemesi ve diş kısımlarındaki ilgili yorulma güvenlik katsayıları bulunmuştur. 
Buna göre, tasarlanan biyel tipi için geliştirilen Excel yazılımı belirli koşullar altında, yüksek tekrarlanabilirlik oranıyla, kullanılabilir. Sıkışan kısımların rijitliği belirli kabuller sayesinde hesaplanır. Bu yüzden de korelasyon gerçekçi ve tekrarlanabilir sonuçlar almak adına hayatidir. Bu çalışmada tek bir örneklem kullanılmıştır. Geliştirilen yazılımı her bir motor ve biyel tipi için uygulanabilir kılmak için örneklem havuzu genişletilmedir. Bu sayede optimum değerler elde edilmesi mümkündür.

Abstract:
Today, the trend is to pollute the environment and atmosphere less by using clean and renewable energy sources. Transportation and energy production are the leading factors causing greenhouse gas emissions. It has been determined that internal combustion engines, which occupy a large place in both sectors, cause 10% of the total greenhouse effect. With developing technologies, internal combustion engine usage will decrease especially in the energy production sector, due to environmentalist politics. Furthermore, there are major changes are ongoing in the transportation sector.
These changes are accelerated after the diesel engine emission scandals. Governments and consequently firms are developing their policies in this direction. Therefore, the future of internal combustion engines is a matter of debate. Research has shown us that most of the environmental damages caused by the means of transportation today are not due to internal combustion engines. The internal combustion engines developed, within the framework of high efficiency and low emissions, will remain the best option for a long time for commercial and marine sectors. These developments in internal combustion engines lead to increase in both thermal and mechanical loads. The situation is the same in the connecting rod, which is one of the most critical parts in engines. It is one of the most challenging parts in internal combustion engines due to demands in new generation engines such as high efficiency and low emissions. In the event of failure, damages to the engine are irreversible.
Bolts are first seen in ancient Roman times and with time and collapse of Roman empire this invention is lost. First bolts, which are similar to today's bolts, are seen in 15th century. But real development began in 18th century as many inventors / engineers in different countries contributed to development and standardization of bolts. From 1948 to until now, ISO standard is mostly widely used standard for bolts.
Generally, bolts are manufactured by rolling method. It can be hot or cold rolling depending on the size of the bolt. Rolling sequence is an important parameter. If bolt is rolled before heat treatment, it is called as SV type bolt. If it is rolled after heat treatment, it is called as SG type bolt. Bolts can also be manufactured with other methods, such as machining. However, in this case manufactured bolts are not as durable and / or reliable as SV or SG bolts.
The connecting rod is a connecting piece that connects the piston and the crankshaft. It is one of the most variable loaded parts in internal combustion engines. The connecting rod and bolt strength depends on the correct analysis of incoming loads.
This study focused on connecting rod bolts and Excel tool development for these bolts. Initially, the load conditions affecting the bolts were first analysed and calculation method is explained step by step. Afterwards, developed procedure was transferred to MS Excel software.
Accordingly, a connecting rod and cap are designed with the help of the information obtained from the literature and the manufacturing methods. The angled split type has been chosen as the connecting rod type since there are no examples in the literature. At the same time, the serration (toothed) separation surface is preferred due to high lateral loads. In this convention, since there is no symmetry, bolts are represented with region names. These regions are named as A1 and A2 regions. PTC Creo software is used in this phase. Shell bearings and bolts are included in the assembly. 3D models are used for load calculation acting on the bolts.
After determining the loads affecting the bolt, the analytical calculation method was chosen as VDI 2230 standard. This is a systematic and reliable method that considers the axial and bending resilience of the bolt and clamped parts. This standard is updated periodically depending on the developments in the literature. method has been transferred to MS Excel software and a tool is developed. 
In order to make the calculations correctly, it is necessary to verify with the tests or Finite Element Method (FEM). Some parameters are to be correlated due to complex shape and stiffness of connecting rod. These parameters are load introduction factor and moment arm coefficients. For this, the use of the Finite Element Method (SEM) has been determined and relevant analyses have been carried out by applying the uploads step by step. Ansys Mechanical software is used for this evaluation. Due to complex geometry of connecting rod, 2nd order tetrahedral meshes are used. Connecting rod assembly includes 696921 meshes and 1134427 nodes. Contacts, especially bolt contact, is modelled carefully. To simplify bushing is neglected in this modelling process since it has no effect on bolts. And, split bearing is not also modelled, though its effects are included later in static structural analysis steps. These steps are bolt preload, preload with losses, split bearing interference pressure, rotating body force of the connecting rod, oscillating body forces for conrod / piston assembly and gas forces. After obtaining static structural analysis results, fatigue analysis are conducted by using Femfat software. Results are investigated with the help of Hyperview software.
With the help of the data obtained as a result of these analyses, correlations were made over the analytical method. Firstly, the concentric axial loading situation was checked, where the bending moment was neglected. To neglect bending effect on the bolts, stress values in the bolt axis are checked since there is only axial stress in this region. Calculated load introduction factor for A1 region bolt is 0.75, which is a valid value since it is smaller than 1. Calculated load introduction factor for A2 region bolt is 0.36. After load introduction factors are determined, stress values are checked on the threads. In this region bending moment effects are included. Calculated moment arm factor for A1 region bolt is 0.38. For A2 region, it is 0.071. Thanks to these two parameters, developed MS excel tool is calibrated. Required calculations are completed in the tool. 
The results obtained states that difference between the amplitude stresses in the analytical and SEM results is negligible, which is the aim of this tool. For A1 region, the difference is 1.7%. And for A2 region bolt, it is less than 1%. In addition, preload calculation, preload relaxation values are calculated, and the amount of preload loss is observed. Moreover, with the help of Kloos and Thomala empirical equations related fatigue safety coefficients in the thread region are calculated. Obtained safety factors show that selected bolts are safe in thread regions for SV and SG types. Shank and bolts head regions are checked with FemFat software safety factor results. These results are just above of the safe side.
This study cleared out that for connecting rod bolts VDI 2230 standard can be used under certain conditions. The stiffness of the clamped parts is calculated by certain assumptions and therefore should be correlated with SEM analysis or tests.
Analytical calculations for connecting rods according to VDI 2230 are not feasible without any SEM or test results because the load introduction factor and moment arm factor values are needed to be optimized. These values may vary depending on the engine and connecting rod type. Therefore, it should be optimized with the help of a much larger sample pool and the effects of the results obtained should be carefully examined.
Nevertheless, with the help of these values obtained, the angled split connecting rod bolts are examined in this study. With this developed tool, the bolts of any angled split connecting rod can be examined in a realistic way in the early stages of the design process. Although, after correlation, obtained results are very close to FEM results. It is advised that it should be checked with FEM at the end of the design.
For conclusion, MS Excel software tool developed for the designed connecting rod type can be used under certain conditions with a high repeatability rate. The stiffness of the clamped parts is calculated by certain assumptions. Therefore, correlation is vital in order to get realistic and repeatable results. In this study, a single sample was used. The sample pool is to be expanded to make the developed software more applicable to each type of engine and connecting rod. In this way, it is possible to obtain optimum values.