Döner mil dinamik sızdırmazlık elemanlarının geliştirilmesi ve performansının yüksek devir altında deneysel ve sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmesi
Development of high speed rotary shaft seals and finite element and experimental investigation of the seal performance
Yazar: BARIŞ ENGİN
Danışman: PROF. DR. MURAT YAZICI
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering

Özet:
Elektrikli araç kullanımının her geçen gün artmaktadır. Elektrikli araçların aktarma organlarında kullanılan döner mil keçelerinin çalışma koşulları, içten yanmalı motorlara göre daha zorludur. Elektrikli araçlarda kullanılan döner mil keçelerinin maksimum çalışma sıcaklığı 150°C ve maksimum çalışma hızı 16 000 Rpm'dir. Standart bir yaylı döner mil keçesinde bu çalışma koşullarında başarılı olmasının imkansız olması bizi alternatif tasarımlara yöneltmiştir. Bu çalışmada öncelikle yüksek hızlarda çalışabilen alternatif spiral tırtıllı keçe tasarımı yapılmıştır. Alternatif olarak tasarlanmış yüksek devirli keçemiz, kullanım ömrünü belirlemek için test edilmiştir. İlk tasarım yüksek devirli keçemiz 7 günün sonunda 5 ± 0.3 g sızıntı vermiştir. Deney sonrası yapılan incelemelerde 7 gün sonunda tırtılların silindiği tespit edilmiştir. Tasarlanan ilk yüksek devirli keçenin sonlu eleman modeli oluşturulmuş ve radyal yük kontrolü gerçekleştirilmiştir. Sonlu elemanlar modelinden elde edilen radyal yük değeri ile deneysel radyal yük değeri karşılaştırıldığında %4,3 civarında bir sapma olduğu görülmektedir. Bu veriler ışığında Abaqus'te oluşturulan FEA modelinin doğruluğu kanıtlanmıştır. Oluşturulan sonlu eleman modeli, I-sight yardımıyla sınır koşulları içinde optimize edilmiştir. Optimize edilmiş tasarım yüksek devirli keçenin bir prototipi üretilmiş ve ömür testi gerçekleştirilmiştir. Optimize edilmiş tasarıma ait prototip yüksek devirli keçenin, aynı test koşulları altında 13 gün sonra 4 ± 0.3 g sızıntı gözlemlenmiştir. Elektrikli araç üreticisi firmaların talep ettiği kullanım ömrü 10 gün olduğu için yüksek devirli keçe üzerinde yapılan optimizasyon sonucu elde edilen yeni tasarım uygun bulunmuştur. Yapılan sayısal ve deneysel çalışmalar sonucunda ömrü %95 oranında iyileştirilmiş bir yeni yüksek devirli keçe geliştirilmiş ve performans testleri ile doğrulanarak, endüstrileşme aşaması için tez kapsamında birlikte çalışılan kuruluş SKT A.Ş ile sonuçlar paylaşılmıştır.

Abstract:
The use of electric vehicles is expected to increase day by day. The operating conditions of the rotary shaft seals used in the powertrain of electric vehicles are more challenging than those of internal combustion engines. The maximum operating temperature of seal used in electric vehicles is 150° C and the max. operating speed is 16 000 Rpm. It is impossible for a standard seal with a garter spring not to leak under these operating conditions, which has led us to turn to alternative designs. First of all, alternative spiral knurled seal that can operate at high speeds was designed in this study. Our alternatively designed seal was tested to determine lifetime. The first design seal had 5g ± 0.3 of leakage at the end of 7 days. In the examinations made after the experiment, it was observed that the spirals were deleted at the end of 7 days. A finite element model of the first designed seal was created and radial load control was performed. When the radial load value obtained from the finite element model and the experimental radial load value are compared, it is seen that there is a deviation of around 4.3%. In the light of these data, the accuracy of the FEA model created in the Abaqus has been proven. The created finite element model was optimized within the boundary conditions with the help of I-sight. A prototype of the optimized design seal was produced and a life-time test was carried out. The prototype seal of the optimized design had 4 ± 0.3 g of leakage after 13 days under the same test conditions. Since the lifetime requested by the customer is 10 days, the optimization made on the seal is considered appropriate. The lifetime of the seal was approximately 95% improved.