Çamaşır kurutma makinesinde yeni tahrik sistemi tasarımı
New drive system design in a laundry dryer machine
Yazar: İSA TOSUN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ VEDAT TEMİZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde şehirlerde nüfusun artması ve yaşam alanlarının küçülmesiyle birlikte insanların çamaşırlarını kurutacakları alanlar azalmıştır. Ayrıca şehir hayatının beraberinde getirdiği zaman kısıtı, insanları günlük işlerinde makine kullanmaya mecbur bırakmaktadır. Bu nedenlerden dolayı insanlar çamaşırlarını kurutmak için çamaşır kurutma makinelerini kullanmaya yönelmişlerdir. 
Çamaşırlarını hâlihazırda çamaşır yıkama makinelerinde yıkayan insanlar yıkanan ıslak çamaşırlarını kurutmak için çamaşır kurutma makinelerini kullanmaktadırlar. Bilindiği üzere çamaşır yıkama makinesinde dönen bir tambur içinde yıkanan çamaşırlar, kurutucu makinelerinde ise yine bir tambur içinde kurutulmaktadırlar. Çamaşırlar tambur içinde dönmenin etkisiyle sürtünerek aşınmakta ve yıpranmaktadır. Bu yıpranma etkisi hassas çamaşırlarda daha çok sorun yaratmaktadır. 
Bazı çamaşır kurutma makineleri çamaşırların hassas kurutulabileceğini belirten bazı sertifikalara sahiptir. Bu sertifikalardan en çok bilineni Woolmark sertifikası olarak adlandırılmaktadır. Woolmark sertifikası sahip çamaşır kurutma makineleri yünlü çamaşırları hassas bir şekilde yıpratmadan kurutabilmektedir. Bu çalışmanın sonucunda çamaşır kurutma makinesinin bu tip sertifika testlerine tabi tutularak hassas çamaşır kurutma özelliğinin tescillenmesi amaçlanmaktadır.
Günümüz şartlarının beraberinde getirdiği bir diğer sorun ise enerjinin kullanımıdır. Enerji kaynaklarında yaşanan sıkıntılardan dolayı birçok sektörde olduğu gibi beyaz eşya sektöründe de eneri tüketim kısıtları uygulanmaya alınmıştır. Enerjinin tasarruflu kullanımı için makineler belirli enerji regülasyonlarıyla üretilmektedir. Bu regülasyonlarla üretilen makineler belli enerji sınıflarına sahip olmakta ve sahip oldukları enerji sınıfı girecekleri pazarlarda önemli rol oynamaktadırlar. Kullanıcılar ise kullandıkları makinelerin enerji tüketiminin düşük olmasını hem çevreye duyarlılık için hem de kendi bütçelerine maddi yükünün az olması için istemektedirler. 
Çamaşır kurutma makinelerinin enerji sınıflarını belirlemek için enerji verimlilik katsayısı kullanılır. Bu katsayı ilgili yönetmelikte belirtilen şartlarda yapılan, kurutma testinde makinanın tükettiği elektrik enerjisine göre hesaplanır. Enerji tüketiminin düşürülmesi enerji verimlilik katsayısı değerin düşmesini sağlamakta ve böylelikle enerji sınıfı yükselmektedir. Çamaşır kurutma makinelerinde 7 adet enerji sınıfı bulunmaktadır. Bu enerji sınıfları A+++, A++, A+, A, B, C ve D olarak adlandırılmaktadır. A sınıfı en verimli enerji sınıfını temsil etmektedir. 
Çamaşır kurutma makinelerinde tahrik sistemi iki kademeli kayış kasnak mekanizmasından oluşmaktadır. Elektrik motorundan alınan tahrik kayış ve kademeli kasnak sistemi ile tambura aktarılmaktadır. İki kademeli kayış kasnak mekanizması kullanılarak 2900 d/dk olan motor devri tamburda 54,2 d/dk' ya düşürülmektedir. Fanlar motor miline direkt olarak bağlıdır. Elektrik motoru çalıştığından sistemdeki fanlar ve tambur dönmeye başlamaktadır.
Bu çalışmanın ilk amacı tamburun dönme hareketini geliştirilen algoritma ile zaman zaman durdurarak sadece sıcak hava yardımıyla çamaşırları kurutmak ve yıpranmasını engellemektir. Çalışmanın bir diğer amacı ise hava ısıtıcı sistemler tam verimine ulaşana kadar tamburun hareket etmesini engelleyerek kurutma olmayan sürede tamburdan kaynaklı enerji kaybını önlemek ve enerji verimliliğini arttırmaktır.
Yapılan çalışmada ilk olarak çamaşır kurutma makinesi tipleri anlatılmış ve her tipin çalışma prensipleri açıklanmıştır. Ayrıca literatür taraması yapılarak benzer çalışmalar incelenmiştir. Çalışma ile ilgili yapılan patent başvuruları bulunmuş ve çalışma öncesi incelenmiştir. Mevcut kurutma makinesi sistemi incelenmiş ve kayış kasnak mekanizması hesaplamaları yapılmıştır. Bu hesaplamalar sonucunda kayış kol kuvvetlerinden dolayı kasnaklarda oluşan kuvvetler, kayış sarılma açıları ve kasnak dairesel hızları hesaplanmıştır. 
Bu çalışmada bahsedilen çamaşırların yıpranması ve enerji tüketimi konularına çözüm olacak yeni kurutucu makinesi tahrik sistemi tasarlanmıştır. Yapılan çalışmada fanları ve tamburu birlikte tahrik eden eski tahrik sistemine kavrama mekanizması entegre edilerek tambur ve fanlara giden tahrik akışı ayrılmıştır. Öncül üretimler hazırlanmış ve testlerle sistemin çalışabilirliği test edilmiştir. Prototiplerde karşılaşılan sorunlar tespit edilerek tasarımlar geliştirilmiş ve nihai tasarıma ulaşılmıştır.
Nihai tasarım için statik yapısal analizler yapılarak parçaların maruz kaldıkları yükleme şartlarında üzerlerinde oluşan gerilmeler incelenmiştir. Oluşan gerilmelerin parçaların hammaddesinin akma gerilmesi değerleri ile kıyaslaması yapılmıştır. Deformasyon problemi olan parçalarda statik yapısal analiz yapılarak deformasyon miktarları incelenmiş ve nihai tasarımla deformasyon problemlerinin çözülüp çözülmediği prototip üretiminden önce öngörülmüştür.
Tasarımlar yapılırken sistemdeki kayışların özellikleri değiştirilmemiş yeni tasarlanan sistem, mevcuttaki kayışlara uygun olarak tasarlanmıştır. Mevcut kayışlar değiştirilmediği için kayış kasnak sistemi için yeniden gerginlik hesaplama ve ölçme gereksinimi oluşmamıştır. Kayış kasnak sisteminin çalışabilirliğinin sorgulanmasına gerek kalmamıştır. Bu sayede yeni sistemin test yükü azaltılmıştır. Sistemdeki kasnakları yataklayan rulmanlar yeni sistemde de kullanılarak ekstra maliyet oluşturulmamıştır. 
Yeni tasarlanan kasnakların orijinal sistemdeki kasnaklar gibi alüminyum enjeksiyon prosesi ile üretilmesi planlanmıştır. Kasnakları hassas ölçülerine getirebilmek için alüminyum enjeksiyon prosesinden sonra talaşlı imalat işlemi uygulanması planlanmıştır.
Sistemdeki tetikleme sistemi için kurutucu makinesine ekstra maliyet getirmemesi adına AC motor kullanılmıştır. AC motor kullanılarak DC motorun gerektirdiği ekstra AC güç kaynağını DC güç kaynağına çeviren komponentlerin oluşturacağı maliyetler engellenmiştir. 
Yeni tasarlanan sistemdeki diğer parçalar ise plastik enjeksiyon yöntemi ile üretilmesi planlanmıştır. Çamaşır kurutma makinesinde görece yüksek sıcaklık ve nem olduğu için plastik parçaların hammadde seçimine dikkat edilmiştir. 
Prototiplerin üretiminde hızlı prototipleme cihazları kullanılmıştır. Alüminyum kasnaklarda CNC freze ile işleme yapılmıştır. Plastik prototip parçalar üç boyutlu yazıcılar tarafından üretilmiştir. 
Projenin sonuç kısmında elde edilen sonuçlar anlatılmış ve gelecekte yapılabilecek çalışmalardan bahsedilmiştir. 
Arçelik A.Ş. Dijital Modelleme ve Yapısal Tasarım Yöneticiliği' nde yapılan çamaşır kurutma makinesinde yeni tahrik sistemi tasarımı bu tez çalışmasının içeriğini oluşturmaktadır.

Abstract:
Recently, because of the increase in population and decrease in space per capita in cities, spaces used by people to dry their laundries have also significantly decreased. Moreover, lack of time that is brought by the rush of city life obliges people to use machines for their daily life frequently. Due to all these reasons, people verge to use dryer machines to dry their daily laundries.
People who have already been using washing machines for their laundries, are also using the dryer machines to dry their washed laundries. As it is known, laundries which are washed in a turning tumbler in washing machine, are also dried in a tumbler in dryer machines. Therefore, due to the turning effect of the tumbler, laundries are damaged and eventually they wear out. This wearing affects especially delicate fabrics significantly.
Some dryer machines in industry have some certificates that indicate that the relevant dryer can dry delicate fabrics. Among all these certificates, the most widespread one is named the Woolmark certificate. Dryer machines have the Woolmark certificate can dry wooly laundries softly without any wearing. At the end of this study, it is aimed to verify the drying properties of the machine dryers for delicate fabrics by subjecting them to such kind of certificate tests.
Another problem brought by the recent conditions is the usage of energy in industry. Due to the lack of energy resources, like all other industrial areas, energy consumption limits have aroused in also white goods industry. All industrial machines are manufactured in determined regulations to enable more efficient usage of energy. Machines manufactured in such regulations have specific energy ratings and these ratings play an important role in market that machines will get into. Besides that, clients want that the machine they use have a low energy consumption for both environmental issues and lower financial losses due to inefficient usage of these machines.
Energy efficiency index is used to determine the energy ratings of tumble dryers. This rating is determined by considering the consumed electrical energy by tumble dryer during the drying test which is executed in conditions specified via related regulations. Decrease in energy consumption ensures the decrease of energy efficiency index, thus energy ratings of the tumble dryer improves. There are 7 different energy ratings for tumble dryers. These ratings are known as A+++, A++, A+, A, B, C and D where A represents the most efficient energy rating, D represents the least efficient one.
Drive systems of tumble dryers are composed of two stepped belt and pulley mechanism. Excitation taken from the electric motor is transmitted to the tumble via this belt and pulley mechanism. Belt and pulley mechanism is also used to decrease the engine speed from 2900 rpm to 54,2 rpm in tumble. Fans is directly bounded to the motor shaft. When electric motor is started, fans and tumble in mechanism also begin to operate.
The first objective of this study is to stop the tumble's turning in a determined frequency by a developed algorithm and dry the laundries by only the hot air's effect to avoid or ease the harmful effect of tumble's turning motion. The another objective of this study is restraining the tumble's motion until the air heating systems reach their full performance to improve energy efficiency by preventing the energy loss during the term that tumble does not operate.
In this study, tumbler dryer machine types were discussed and working principle of each type was elaborated. An extensive literature research was conducted to investigate the significant studies. Moreover, patents and patent applications in the literature were examined. Existing tumble dryer machine system was investigated and belt and pulley mechanism calculations were done. In addition to these calculations, pulley forces that are emerged by the belt and bar forces, belt convolution angles and pulley circular velocities were calculated.
Within the scope of this study, a new drive system for tumbler dryer machines was designed to solve the laundry wearing and energy efficiency concerns. In this context, an innovative clutch mechanism was integrated to the traditional drive system, which drives the fans and tumble together on the purpose of dividing the drive system transmit to the fans and the tumble. Analysis were executed for the designed system and accordingly, prototypes were manufactured. Prepared prototypes were tested and system's efficiency was evaluated by considering the results. Problems encountered during prototype tests were detected, in this direction, design was improved and eventually, final design was obtained.
Statistical structural analyses were carried out for the ultimate design and the stress on the correspondingly loaded parts was examined. The resulting stress was compared with the yield stress of these parts. With the help of statistical structural analyses of deformed parts, the deformation amount was determined and whether the deformation problems were fixed was predicted before producing the prototype. 
The properties of belts in the system were not changed during the design and the new system was developed in accordance with the existing belts. It was not needed to calculate belt tensions for this new belt and pulley system since the existing belts remained unchanged. Therefore, the functionality of the belt and pulley mechanism is not to reconsider, and the test effort of the new system was diminished. Extra costs were eliminated by utilizing the same bearings in the new system. 
Newly designed pulleys are intented to be manufactured via aluminum injection methods as it was in the previous system. In order to obtain the proper precision of the pulleys, the application of metal cutting prosess was planned after aluminum injection method.
Other parts in the new developed system are to be manufactured by the plastic injection method. Raw material of the plastic parts was selected very attentively as the temperature and moisture are relatively high in drying machine.
Fast prototyping machines were used for producing prototypes. Aluminum pulleys were processed by CNC milling machines. 3D printers were utilized as a manufacturing proses of prototype plastic parts.
AC motor was used fort the actuator system in the new design. The cost occuring by the use of DC motor fort he components that convert AC power supply to DC power supply were eliminated by use of the AC motor.
The results were outlined and the potential studies in the future were mentioned at the end of the project.   
A new design for tumbler dryer machines which was conducted in Arçelik A.Ş. Digital Modeling and Structural Desing Team constitutes the context of this thesis study.