Hafif raylı bir taşıtın taşıyıcı bojisinin titreşim analizi
Vibration analysis of a trailer bogie of a lrv
Yazar: FATİH ZAFER TOPSAKAL
Danışman: DOÇ. DR. SEMİH SEZER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Teorisi ve Dinamiği Ana Bilim Dalı / Makine Teorisi ve Kontrol Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Raylı sistemler = Railway systems

Özet:
15 milyonu aşkın dinamik nüfusuyla dünyanın sayılı megakentlerinden biri olan İstanbul' un en önemli problemlerinden birisi, ulaşım sorunudur. Bu ulaşım sorununda en temel etken; insanların günlük hayatta toplu taşıma vasıtalarını aktif bir şekilde kullanmamalarıdır. Bunun da temelinde, toplu taşıma imkanlarının nüfusa oranla yeterli bir seviyede olmaması gelmektedir.

Toplu taşıma vasıtalarından biri olan raylı sistemler; yolcularına emniyetli, konforlu, hızlı, çevreci bir hizmet sunmaktadır. Bu sistemler aynı zamanda; ekseriyetle şehiriçi trafiğinden bağımsız bir hatta sahip olması sebebiyle, diğer toplu taşıma vasıtalarına  kıyasla önemi giderek artmaktadır. Raylı sistemler; hergeçen gün yeni özel taşıtların trafiğe çıktığı İstanbul'un toplu taşıma probleminin çözülmesinde kritik öneme sahiptir.
  
Şehiriçi raylı ulaşımın geliştirilmesi; trafik probleminin azaltılmasındaki ciddi katkılarıyla beraber, kendine özgü bir takım problemleri de beraberinde getirmektedir. Raylı sistemin en çok göze çarpan problemi titreşimdir. Bu problemin çözümünde gerekli  önlemlerin alınamaması durumunda; hem yolcu konforuna hem de çevreye ciddi etkilerinin olması kaçınılmaz bir neticedir.

Bu tez konusu kapsamında; endüstriyel ve mühendislik tasarımı İstanbul Ulaşım A.Ş. tarafından yapılan yerli İstanbul tramvay'ının taşıyıcı bojisinin titreşim analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu tez kapsamında gerçekleştirilen analizler; deneysel modal analiz (DMA), sonlu elemanlar analizi (FEA)  ve burulma rijitliği analizidir. 

Deneysel modal analizde (DMA); serbest-serbest sınır şartını elde etmek için, iki adet farklı deneysel şartlar uygulanmıştır. Birinci modal testte; boji şasisi, yay ve halat vasıtasıyla kren kancasına asılarak ölçümler yapılmıştır. İkinicisinde ise; boji şasisi zemin üzerinde bulunan iki adet kauçuk eleman üzerinde konumlandırılarak ölçümler yapılmıştır. Bu iki testin sonuçlarının kıyaslanmasıyla; bu iki yöntemden hangisinin sonlu elemanlar analizinin sonuçlarına yakınsadığı tespit edilmiştir.

Sonlu elemanlar (FEM) analizinde; bojinin 3D katı modeli Catia programında oluşturularak, Hypermesh programı vasıtasıyla sonlu eleman ağ (mesh) modeli çıkarılmıştır. Elde edilen bu sonlu eleman ağ (mesh) modeli, Radioss programında çözdürülerek bojinin titreşim karakteristikleri elde edilmiştir. Çözümlenen veriler (mod şekli, mod frekansı ve sönüm değerleri), Hyperview programı ile grafiksel olarak gösterilmiştir.

Burulma rijitliği analizinde; boji şasisinin Hypermesh programı vasıtasıyla elde edilen sonlu eleman ağ modeli üzerinde üç farklı yükleme durumları uygulandı. Bunlardan birincisi, boji şasisi yapısal tasarım standardının zorunlu kıldığı hattaki burulma durumunda boji şasisinin yapısal mukavemetinin garanti edilmesi durumu, diğerleri ise otomotiv şasilerinde tercih edilen sınır şartları kullanılarak boji şasisindeki burulma rijitliğinin tespit edilmesi durumudur.

Bu tezin sonuç kısmında; öncelikle, bu analizlerden elde edilen sonuçlar vasıtasıyla tasarım aşamasındaki boji prototipinin deneysel verileri; sonlu eleman modelinin  verileriyle kıyaslanarak optimum boji modeline ulaşılması hedeflenmiştir. İkinci olarak, bu tezde irdelenen boji ile literatürde yeralan diğer bojilerin titreşim karakteristikleri mukayese edilerek, yeni geliştirilen bojinin, mevcut bojilere göre önemli yönleri belirtilmiştir.

Abstract:
The transportation is one of the most significant problem in Istanbul which is one of the biggest metropolis in the world with a population over 15 million. The main reason of the that problem is that people are not always used public transportation in daily life. Because of public transportation is not widespread and not sufficient when it is compared to the population.

Railway is one of the public transportation and provides reliable, comfortable, rapid and environment friendly service. These systems have independent lines in the urban traffic. Therefore the importance of this system is increasing gradually compared to the other ones. Rail systems have critical importance in solving the problem of public transportation for Istanbul where new passenger cars hit the roads day by day.

Enhancing the urban rail transportation is also causing some specific problems with serious contribution for decreasing the traffic problem. The main problem of the rail systems is vibration. In case of any preventation, this can affect on both passenger comfort and environment.
 
In this thesis, vibration analysis of the trailer bogie for the Istanbul tram that is designed (industrial and engineering) by Istanbul Ulasim A.S. was performed. The analyses performed in this thesis are experimental modal analysis, finite element analysis (FEA) and torsional stiffness analysis.

In experimental modal analysis, two different conditions was carried out to obtain the free-free condition.  In the first modal test, bogie frame was hanged on tow hook of crain by means of spring and rope. In the secod test, measurements were performed  by means of mounting the bogie frame on two pieces of rubber on the ground. It was determined which method of the two tests did converge these two tests to the results of finite element method?

In the finite element analysis, a 3D model of trailer bogie is modelled in the Catia software. Then, mesh model of trailer bogie was obtained using Hypermesh software. vibration characteristics of trailer bogie was obtained by solving the mesh model in Radioss software. The analyzed data which are modal frequency, modal shape and damping ratio, were depicted as graphics by using Hyperview software.

In torsional stiffness analysis of the bogie frame; three different loading cases were applied on the bogie mesh model was obtained using Hypermesh software. One of these cases is to ensure structural strength of the bogie frame according to standard of the bogie frame structural requirements in case of the twist of line. The rest of the other cases are; to investigate the torsional stiffness of the bogie frame using constraints preferred in automotive chassis.

In the results of the thesis, firstly, experimental data of designing undergo bogie and FEM results were compared in order to get optimum bogie model. Secondly, results of studied bogie in this work and the others which in literature were compared and to intent to find out advantages which were presented in the thesis.