1500 D/D da 90 kw üretecek dört silindirli dizel motoru için krank-biyel-piston zinciri ve volan: Hesap, tasarım ve numune üretimi
Calculation, design, prototype production of crank shaft, connecting rod, piston and flywheel for the four cylinder diesel engine that output is 90 kw at 1500 RPM
Yazar: ONUR ALPAY
Danışman: PROF. NECATİ TAHRALI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu yüksek lisans tezi çalışmasında maksimum devri 2250 devir / dakika ve senkron devirdeki güç üretimi 90 kW olması planlanmış 4 silindirli ve yerli tasarım bir dizel motoru için krank, biyel, piston ve volan elemanlarının dinamik ve statik hesaplamaları gerçekleştirilmiştir.Sözü geçen elemanların ve motorun tamamının ön tasarımı San-Tez projesi sanayi ortağı Şahin Metal İmalat A.Ş. Yönetim Kurulu Başkanı, Makine Mühendisi Mustafa ESER tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu ön tasarım sırasında Yıldız Teknik Üniversitesi Öğretim Üyesi Prof. Dr. Orhan DENİZ'in gerçekleştirmiş olduğu termodinamik hesaplamalardan faydalanılmıştır.Tez çalışması sırasında Yıldız Teknik Üniversitesi Öğretim Üyesi Prof. Necati TAHRALI danışmanlığında, ön tasarımı yapılmış olan motorun kinematik ve dinamik hesaplamaları Matlab programında m-file programı yazılarak gerçekleştirilmiştir. Bu hesaplamalar sonucu bulunan atalet kuvvetlerinin asgari seviyeye indirilebilmesi için gerekli denge ağırlıklılarının kütlesi ve yeri belirlenmiştir. Krank mili üzerinde piston biyel ve denge ağrılıkları kaynaklı toplam kuvvet belirlendikten sonra motorun devrinin düzgünlüğünü sağlamak ile görevli volan elemanın kütle atalet momentinin ne olması gerektiği hesaplanmıştır. Bulunan değer ön tasarım volanın kütle ataletinin uygun olduğunu göstermiştir. Ön tasarım volanın çevresel hızının da uygun olduğunun anlaşılmasından sonra volanın nihai tasarımı belirlenmiştir.Krank mili üzerinde diğer elemanlarca etkili olan kuvvetler elde edildikten sonra krank milinin mukavemet yönünden kontrolüne geçilmiştir. Mukavemet hesaplamaları karşılaştırma kolaylığı adına üç ana başlık altında incelenmiştir. Bu ana başlıklar sırasıyla burulma mukavemeti, eğilme mukavemeti ve birleşik mukavemet halinden oluşmaktadır. Her bir bölümde öncelikle analitik yöntemler ile kesit alanı üzerinde etkili olan kesme kuvveti, eğilme momenti ve burulma momenti değerleri klasik biçimde hesaplanmıştır. Eğilme mukavemeti ana başlığı altında Maxwell-Clapeyron denklemleri kullanılarak krank mili üzerindeki yatak kuvvet ve momentleri hesaplanmıştır.İkinci adımda MSC.Nastran sonlu elemanlar programında (1D) bir boyutlu modelleme yöntemleri ile krank eğilme ve burulma mukavemeti hesaplamalar tekrarlanmış ve bulunan sonuçlar analitik hesaplamalar ile karşılaştırılmıştır.Üçüncü adımda karmaşık bir geometriye sahip olan krank milinde şekil faktörünün de göz önüne alındığı (3D) üç boyutlu modelleme teknikleriyle yine MSC.Nastran programında eğilme mukavemeti, burulma mukavemeti ve birleşik mukavemet halleri için statik analizler gerçekleştirilmiştir. Buraya kadar gerçekleştirilen analitik ve bir boyutlu sonlu elemanlar hesaplamalarında gerilme değerlerinin mertebe olarak belirlenmiş, üç boyutlu hesaplamalarda krank milinin deformasyon şekli ve kritik gerilme bölgesi sonuçları ortaya konulmuşsa da; çok hızlı değişen dinamik etkiler altında çalışmakta olan krank mili için, milin doğal frekansına dayalı olarak dinamik gerilme simülasyonu gerçekleştiren MSC.Adams programında nihai sonuç elde edilmiştir.Dördüncü adımda MSC.Adams programında; piston, biyel, denge ağırlıkları ve volan elemanlarının tümünün dahil edildiği, yatak rijitliklerini göz önüne alan, uygun ateşleme zamanlaması ve ateşleme kuvveti altında çalışan krank mili için dinamik sonlu elemanlar modeli kurulmuştur. Bu model üzerinde eğilme, burulma ve birleşik mukavemet hallerinin her biri için ayrı ayrı simülasyonlar gerçekleştirilmiştir.Krank mili üzerinde etkili olan maksimum gerilme değerleri ve bu gerilmenin krank mili açısına bağlı değişimi MSC.Adams programından alınarak MSC.Fatigue programında yorulma hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Bu değerler hesapla çizilmiş Wöhler diyagramlarıyla karşılaştırılmıştır.Krank mili için gerçekleştirilen hesaplamalar sonucunda prototip motor için ana yatak muylusu çapının bir büyük segment çap ile değiştirilmesine karar verilmiştir. Ancak seri üretimde daha düşük ana yatak muylusu boyutlarıyla çalışılabileceği de sonuç bölümünde belirtilmiştir.Krank milinden sonra hesapları gerçekleştirilecek üçüncü eleman biyel koludur. Ön tasarım biyel kolu için gerçekleştirilen MSC.Nastran statik analizi sonucu ikinci revizyon bir biyel kolu tasarlanmış ve kritik gerilme %40 mertebesinde azaltılmıştır. MSC.Nastran ortamında elde edilen bu hesap MSC.Adams simülasyonuna biyel kolunun sonlu elemanlar modelinin eklenmesi sonucu gerçekleştirilen ikinci hesaplama ile doğrulanmıştır.Son olarak piston koneksi MSC.Nastran programında gaz kuvvetleri altında incelenmiş ve ön tasarım piston üzerindeki gerilme değerlerinin kabul edilebilir olduğu anlaşılmıştır.Sonuç olarak krank mili ve biyel kolunda revizyon teklifi yapılmak üzere piston ve volan ön tasarımlarının kabul edilmesinin uygun olacağı ve ilgili parçaların imalatlarının gerçekleştirilebileceği kanaatine varılmıştır.Anahtar KelimelerKrank Mili, Biyel Kolu, Piston, Volan, Dinamik Gerilme Analizi, Sonlu Elemanlar Metodu.

Abstract:
In this master thesis for a brand new design four cylinder diesel motor, which will produce 90 kW power in its synchronous speed, crank shaft, connecting rod, piston and fly wheel component calculations were handled in terms of dynamic and static aspects.Pre-design of above mentioned products and the whole motor were done by Şahin Metal İmalat A.Ş. administrative board chairman Mech. Eng. Mustafa ESER. On this pre-design process thermo dynamical calculations of Yıldız Technical University lecturer Prof. Orhan DENİZ were used.In the thesis work, pre-designed motors kinematic and dynamic calculations were done by using Matlab?s m-file functionality, under supervisory of Yıldız Technical University lecturer Prof. Necati TAHRALI. As a result of these calculations position and mass of balancing weights were determined.After determination of acting forces on crank shaft, the rotational inertia of fly wheel, which the responsible component from the uniformity of the engine, calculated. Calculation indicated that rotational inertia of the pre-design fly wheel was appropriate.After determination of the forces of other components acting on the crack shaft, strength calculations of the crank shaft were investigated. Crankshaft calculations were handled in three sub categories for comparability. These sub categories were torsional strength, bending strength and combined strength. In each sub category, shear force, bending moment and torsion moment acting on the section area was calculated by analytical methods. In the bending strength sub category bushing forces and moments were determined by using Maxwell -Clapeyron equations.On the second step, bending and torsion moments were calculated by using 1D modeling techniques in MSC.Nastran. These calculations were compared by analytical solutions.On the third step, 3D modeling techniques used for taking into affect of the stresses due to shape factors in MSC.Nastran. In this step bending, torsional and combined stresses were calculated.On the 1D stress analysis so far, maximum stress value on the crank shaft was determined by analytical calculations and verified by 1D MSC.Nastran analysis. Although deformed shape and maximum critical stress location were determined in 3D stress calculations, final results were obtained from MSC.Adams calculations. In MSC.Adams calculations rapidly varying dynamic affects on the crank shaft were calculated due to neutral frequency based dynamic calculation techniques.On the fourth step, MSC.Adams model used for dynamic calculations which was included, masses of piston connecting rod balancing weights and fly wheel, simulating with the correct combustion timing and taking into affect of stiffness of the main journals. On this detailed model bending torsional and combined stress states were calculated separately.Maximum stress values acting on the crank shaft versus crack shaft angle were obtained from MSC.Adams model and used in MSC.Fatigue calculations. These calculations were compared with hand drawn Woehler diagrams.As a result of crank shaft calculations, it was decided that the main journal diameter should expand up one segment. But it was concluded that smaller main journal diameter could be used after proper testing.The third part examined after the crank shaft was connecting rod. For the static analysis done for pre-design connecting rod,a second revision was developed and stress magnitude was reduced about 40 percent. This calculation was done in MSC.Nastran environment and results were matched with the MSC.Adams calculations.Finally, piston was examined in MSC.Nastran under gas pressure and pre-design piston was found safe.As a result, with revisions on crack shaft and connecting rod, piston and fly wheel pre-designs were accepted and manufacture orders of these four parts were approved.Key WordsCrank Shaft, Connecting Rod, Piston, Fly Wheel, Dynamic Stress Anaylsis, Finite Element Method.