Döküm en AC 43300 alüminyum alaşımının kısa ömürlü yorulma davranışı modelinin incelenmesi ve modelin parça tasarımında kullanılması
Investigating low cycle fatigue properties of casting en AC 43300 aluminum alloy and using on a bracket design
Yazar: AYKUT TURNA
Danışman: PROF. DR. ADNAN DİKİCİOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Küresel ısınmanın yol açtığı iklim değişikliği günümüzde insanlığın en önemli sorunlarından biri haline gelmiştir. Sivil toplum örgütleri ve devletler küresel ısınmayı yavaşlatmak ve etkisini azaltmak için çeşitli düzenlemeler üzerinde çalışmaktadır. Özellikle Avrupa komisyonları tarafından belirlenen yeni mevzuatlar otomotiv üreticileri üzerinde büyük baskı yaratmakta ve CO2 salınımı oranlarının azaltılması yönünde maliyet arttıcı önlemler almaya zorlamaktadır. Bu önlemler arasında alınabilecek ana başlıklar motora püskürtülen yakıt miktarı, aracın rüzgar direnci değeri, daha düşük yuvarlanma direncine sahip lastikler ve aracın toplam ağırlığının azaltılması olarak sıralanabilir. Bu çalışmada ağır ticari araçta kullanılan bir parçanın malzeme ve üretim yöntemi değiştirilerek ağırlık azaltma hedefi amaçlanmıştır. Bu kapsamda, dinamik yükler altında çalışan ön süspansiyon braketi ele alınmıştır. Mevcutta dökme demir parçadan imal edilen ön süspansiyon braketinin sağladığı fonksiyonları kaybetmeden istenilen ömür değerlerini yakalayabilmesi hedeflenmiştir ve bu doğrultuda bilgisayar ortamında ömür karşılaştırılması yapılmıştır. Bilgisayar analizleri için kullanılması gereken malzeme yorulma karakteristiklerinin tespiti için kısa ömürlü yorulma bölgesinde eksenel yorulma testi yapılmıştır. Yorulma ve çekme testlerini gerçekleştirmek üzere imalatçının seri imalatında olan bir kalıba; alçak basınçlı döküm yöntemi ile EN AC 43300 alüminyum alaşımı alçak basınçlı döküm yöntemi ile dökülmüştür. Döküm sonrası parça T6 ısıl işlemine tabi tutulmuştur. Parça üzerinden farklı soğuma ve katılaşma karakteristiğine sahip bölgelerinden yorulma ve çekme deneyine uygun geometrilerde  deney numuneleri alınmıştır. Yorulma numunelerinin ince çapının yüzey pürüzlülük değeri olabildiğince düşük tutulmaya çalışılmıştır ve çentik etkisine maruz kalmamak için zımparalama işlemi radyal yönde değil eksenel yönde yapılmıştır. Yorulma deneyleri Instron 8801 marka servohidrolik eksenel yorulma test cihazı ile eşit basma ve çekme gerilmeleri altında gerçekleştirilmiştir. Numune üzerine yerleştirilen ekstansonmetre yardımı  ile toplam eksenel birim uzama miktarının kontrolü ve ölçümü sağlanmıştır. Numuneler kontrollü birim uzama miktarı altında yorulmaya maruz bıraklmış ve kırılıncaya kadar test devam ettirilmiştir. Birim şekil değişimine karşılık gelen kırılma çevrim sayıları kayıt altına alınmış ve elde edilen veriler log-log grafiğinde dökülmüştür. Toplam birim uzamayı oluşturan elastik ve plastik birim uzamaları bileşenlerine ayırıp, birim uzamaya karşılık gelen kırılma çevrim sayısı log-log grafiğine döküldüğünde iki adet lineer eğri elde edilir. Elde edilen eğriler üzerinde Cofin-Manson ve Basquin eşitliklerinden yararlanıldığında bilgisayar analizleri için gerekli olan malzeme yorulma modeli elde edilmiştir. Bilgisayar analizleri için gerekli olan parça üzerine gelen yük bilgisinin tespiti için araç testleri gerçekleştirilmiştir. Araç üzerinde her bir tekerleğe yerleştirilen ve toplam 6 eksende kuvvet ve moment değerlerini ölçme yeteneğine sahip ivmeölçerler yerleştirilmiştir. Aracın gerçek hayatta karşılaşabileceği yüklemeleri temsil edecek çeşitli test parkurlarında belli çevrimler ile yüklü ve yüksüz olarak test edildikten sonra tekerlek merkezine gelen yüklemeler tespit edilmiştir. Araç lastik merkezinden toplanan yük ve moment değerleri Adams modeli ile belirli noktalara taşınarak aktarılmıştır. Tasarımı yapılan braket doğrudan şasi ile ön süspansiyonu bağladığı için taşınan veya dönüştürülen kuvvet ve moment değerleri  analiz için oldukça gerçekçi değerleri taşımaktadır. Analizler için kullanılacak parça tasarımında mevcut kullanımı dökme demir malzemeden tasarlanmış olan parçanın bağlantı bölgeleri, montaj için önem arz eden açı parametreleri gibi tasarım koşullarında değişiklik yapılmadan parça tasarımına başlanmıştır. Alüminyum malzemenin mekanik özelliklerinin daha düşük olması sebebi ile yükleme koşullarına ve parça kesitlerine göre kritik olarak öngörülen parça lokasyonlarında güçlendirme yapılmıştır. Kullanılacak olan alçak basınçlı döküm yöntemine uygun, kalıp çıkma açıları, malzeme akış analizleri ve malzeme uniform soğuma analizleri yapılarak tasarım belirli aşamalardan geçmiştir.Oluşturulan malzeme kartı, araç yüklemeleri ve parça tasarımı bilgsayar destekli analizlerde kullanılmış ve dökme demir malzeme analiz sonuçları ile karşılaştırılarak parçanın zayıf noktaları tespit edilmiştir. Tasarımda görülen zayıf bölgelerde iyileştirme yapılmış ve pazarda ömrü ispatlanmış dökme demir malzemenin ömrü yakalanmıştır.

Abstract:
Improving fuel economy is the main target of today's automotive industry. Reducing CO2 emission from road transportation is one of the strategies for climate-neutral Europe. European Commission is developing CO2 reductions targets and regulatory acts for automakers to reduce CO2 emissions from their vehicles. Heavy-duty vehicles such as trucks, buses and coaches have a significantly greater impact on CO2 emissions compared to passenger cars. To reduce CO2 emissions from heavy-duty vehicles, European Commission developed a simulation tool called VECTO. This simulation determines the CO2 emissions and fuel consumption data from heavy-duty vehicles with gross vehicle weight above 3500 kg. As of 1 January 2019, heavy-duty vehicle manufacturers are obligated to monitor and report the VIN based fuel consumption and CO2 emission data to European Commission. In addition, manufacturers are obligated to make these data publicly available for new trucks. 
To analyze the European fleet, there are five different profiles for both trucks and buses and coaches in the VECTO tool. Especially for trucks, these profiles are important since heavy-duty vehicles are custom-built and have many variations based on their cab, number of axles, body, loading capacity etc which these variants have a great effect on fuel consumption. 
VECTO has many inputs to determine energy consumption of each relevant vehicle component. Fuel consumption and CO2 emission simulation also uses data from such as air drag, mass, gearbox friction, rolling resistance, engine performance. 
Fuel consumption has great importance to customer since the fuel represents approximately 30% of their running costs. CO2 emissions and fuel consumption data publicly available with VECTO and customer are able to make well-informed decision while buying a new vehicle for their needs. This competitive environment motivates manufacturer to develop vehicles with reduced CO2 emissions and fuel consumption. 
Other than VECTO, European Commission has been working on CO2 reduction targets for both passenger, light duty and heavy-duty vehicles. European Commision set 15% and 30% of CO2 reduction targets for heavy duty vehicles for 2025 and 2030, respectively. For passenger cars, CO2 reduction targets are 15% for 2025 and 31,5% for 2030 set by Commission. Those regulatory changes forced automakers to develop new designs for better fuel efficiency and reduced CO2 emissions.
Weight reduction in heavy duty vehicles is important to achieve the aim of better fuel economy and offering users an increased loading capacity. Furthermore, it saves energy, minimizes brake and tire wear, and the most important one is it cuts down emissions. With regulatory acts and CO2 reduction targets, manufacturers focused on weight reduction studies for better fuel economy. Using alternative lighter material in automotive industry such as plastic, aluminum and aluminum alloys, composites increased as a result of weight reduction researches. In this study, the main purpose is to reduce weight of cast iron suspension bracket. In this purpose, suspenstion bracket designed with aluminum alloy instead of cast iron. Aluminum alloys has a wide usage on automotive industry due to its remarkable combination of characteristics such as low density, easy producibility, high corrosion resistance and high electrical and heat conductivity. 
Due to complex part design of suspension bracket, manufacturing method is selected as casting. Low-pressure die casting is preferred based on feasibility study. All aluminum alloys have been investigated and it is decided to go on with 4000 series cast aluminum alloys due to Silicon's high castability and fine surface performance on casted parts. Adding silicon reduces aluminum's melting point and increases ductility. Usually, it is non-heat treatable, except when magnesium is added. An aluminum alloy with magnesium mixture is selected in order to heat-treat the alloy and gain higher mechanical properties.  EN AC 43300 is selected as an aluminum alloy which has similar mechanical properties to existing cast iron material. EN AC-43300 aluminum is an aluminum alloy formulated for casting. AISi9Mg is the EN chemical designation. It has a low density among Euronorm (EN) cast aluminums. In addition, it has a high electrical conductivity and can have a moderately high tensile strength. EN AC 43300 is a highly available material in market.
Fatigue properties of aluminum alloy has been investigated in order to compare fatigue life of cast iron and 43300 aluminum alloy. The goal is to provide same functionality and fatigue life as existing material with new aluminum alloy material. Fatigue life of cast iron and aluminum alloy is compared with CAE (computer-aided engineering) analyzis. This study was conducted in three steps. First, strain controlled low cycle fatigue tests have been performed in order to determine fatigue properties of aluminum alloy. Secondly, vehicle tests conducted in order to determine load and moment values on the front suspension bracket. Thirdly, part geometry is finalized after several design iterations. 
An important aspect of the fatigue process is plastic deformation. Fatigue cracks usually nucleate from plastic straining localized regions. Strain controlled tests characterize fatigue behavior of a material better than other methods, thus strain controlled low cycle fatigue tests have been conducted in order to provide fatigue properties of aluminum alloy material. Axial loading fatigue tests is a simple method of determining fatigue properties at zero mean loads by applying known strain values on round specimens. In this purpose, low cycle fatigue properties of solution heat treated and artificially aged EN AC 43300 Al alloy subjected to axial loading on a servo-hydraulic mechanical testing machine. EN AC 43300 T6 Al alloy fatigue specimens produced from a casting part. The lowest diameter of specimens were polished in order to avoid rough surface effect on fatigue life of specimens. Furthermore, axial direction polish process performed rather than the radial direction in order to avoid notch effect.
After completion of tests, elastic and plastic strain amplitude versus reversal failure points collected and plotted in a log-log scale graphic separately. Coffin- Manson relationship have been used to calculate fatigue, ductility, coefficient and exponent value of plastic region and Basquin relationship have been used to calculate fatigue, strength, coefficient and exponent values of elastic strain region. These values are calculated for CAE inputs.
Vehicle tests are conducted in order to evaluate loadings on the front suspension bracket. In this purpose, wheel force transducers mounted on vehicle wheels. Wheel force transducers are capable of collecting force and moments values. Vehicle run on a pre-determined test track to simulate real life conditions. Wheel force transducers measured the force and moment at the center of the wheel. By using loadings of the center of the wheel, the force and moment value of front suspension bracket is calculated with Adams analyzing method. Adams analyzing method is used considering the distance between center of wheel and front suspension.
New part geometry finalized after several iterations. First revision of design was modified from existing part, which has the same fixing locations and mounting edges as existing design.  First revision have been analyzed on CAE and results have been examined. It showed that several locations needs to be strengthen based on CAE analyzsis. Part thickness is increased, feders added and smooth transitions have been performed on the critical edges that may occur notch effect in order to reduce stress values on critical locations.
At last, design iterations done until CAE comparison results showed that Al alloy part design fatigue life is longer then existing cast iron material design. The latest aluminum alloy design weight is 17 kg lighter than cast iron material design.