Ticari araçlarda kullanılan yapısal elemanın alçak basınçlı döküm yöntemiyle alüminyum alaşımından üretilebilirliğinin incelenmesi
Investigation of aluminium alloy structural part manufacturing used for commercial vehicles by low pressure die casting method
Yazar: RAMAZAN AYDIN
Danışman: PROF. DR. ANIL AKDOĞAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İmal Usulleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Aksonlar = Axons ; Alüminyum = Aluminum ; Ağırlık düşürme yöntemi = Drop-weight test method ; Basınçlı döküm yöntemi = Pressure die casting method ; Yapısal analiz = Structural analysis

Özet:
Otomotiv sektörünün günümüzde geldiği konumda özellikle ticari araçlar için faydalı yük olarak adlandırılan yük taşıma kapasitesi ve bu yük altında aracın yol tutuş, konfor, manevra kabiliyeti gibi sürüş dinamiklerinin rakip araçlara göre rekabetçi olması, ilgili marka ve modelin pazarda ticari olarak hayatına devam edebilmesi için çok büyük önem taşımaktadır. Bundan dolayı OEM (Original Equipment Manufacturer) olarak adlandırılan küresel üretim ve mühendislik faaliyetleri gösteren büyük otomotiv firmaları sürekli olarak aracın mevcut komponentlerinin tasarımlarını optimize ederek daha hafif ve aynı zamanda daha iyi sürüş dinamiklerine sahip bir araç geliştirmeye çalışırlar.   
Bu çalışma kapsamında orta ticari olarak isimlendirilen grupta yer alan araçların ön süspansiyon sistemlerinde kullanılan akson'un (tekerlek taşıyıcı) konvansiyonel olarak dökme demir malzemeden kum kalıba döküm yöntemiyle üretilmektense, alçak basınçlı döküm yöntemiyle alüminyum alaşımından üretilebilirliği ve sonrasında ise aynı araç yükleri altında kullanılabilirliği araştırılmıştır. 
Bu kapsamda belirtildiği üzere örnek parça olarak akson seçilmiştir. Bu parçanın seçilmesinin ana sebebi, yaylanmayan kütle olarak adlandırılan ve aracın gövdesi ile tekerlek grubu arasındaki yaylanabilen süspansiyon komponentleri arasında yer almayan parçalardan birisi olmasıdır. Alüminyumun daha hafif bir malzeme olmasından dolayı, yaylanmayan kütlenin toplam ağırlığı azaltılarak sürüş dinamiklerinin iyileştirilmesi ve aynı zamanda faydalı yük değerinin artırılması hedeflenmiştir. 
Öncelikle aynı araç grubu için kullanılabilecek hem dökme demir hem de alüminyum malzemeden her iki farklı döküm yöntemine uygun olacak şekilde ayrı ayrı parça tasarımları yapılmıştır. Tasarımın döküm yöntemine uygun olduğunun teyidi için bilgisayar destekli analiz programları kullanılarak dolum ve katılaşma simülasyonları gerçekleştirilmiştir. 
Elde edilen tasarım yapılan çeşitli döküm simülasyonları ile teyit edildikten sonra her iki tasarımın aynı araç yükleri altında yapısal olarak  nasıl performans göstereceği yine bilgisayar destekli yapısal analiz programları yardımıyla incelenmiş ve yine aynı kabul kriterleri gözetilerek elde edilen değerler karşılaştırılmıştır.  Bunun öncesinde parçaların  seri imalat esnasında herhangi bir problem yaşanmadan aracın ömrü boyunca kullanılabilmesine olanak sağlayacak şekilde hangi yapısal analizlerin yapılması gerektiği ve bu analizlerde kullanılacak yük değerleri belirlenmiştir. 
Gözlemler sonucunda; Alüminyum alaşımlarından tasarlanan aksonun demir döküme göre yaklaşık olarak parça seviyesinde 1.5 kg araç seviyesinde ise 3 kg'lık bir ağırlık avantajı gösterdiği ortaya çıkmıştır. Bu fark direk olarak aracın faydalı yük değerini artırarak müşteri memnuniyetinin ciddi bir oranda artmasını sağlayacaktır.  Ayrıca daha hafif olan alüminyum tasarımın, yapısal analizler sonucunda malzeme özelliklerinden dolayı beklendiği üzere daha düşük bir performans göstermesine rağmen araç ve sistem seviyesi genel kabul kriterleri içerisinde kaldığından demir döküm akson yerine kullanılabileceği yargısına varılmıştır. 
Bu çalışma sayesinde sanal ortamda doğrulama yolu ile elde edilen bu bilgiler, ticari araçlarda alüminyum akson devreye almak adına yapılan çalışmalara;  prototip kalıp üretimi ve parça sistem araç seviyesi fiziksel validasyon testleri öncesinde ön seri imalat onayı için rehber niteliğindedir.

Abstract:
In the position where automotive industry is today; the useful load which also could be called as "payload" and vehicles dynamic behaviours like handling, comfort and maneuverability under this load has crucial impact for commercial vehicles especially in terms of maintaining the success in the related market share. That is the reason why big OEM's who operates the global manufacturing and engineering activities, consistently chasing to optimize their existing components design from weight perspective for being more competitive with also having better vehicle dynamics features.
In this study it has been investigated for medium commercial vehicles that whether the front suspension knuckle (wheel carrier) which has been conventionally producing so far with an iron casting material and sand casting methode could be also producible with alumium alloy and low pressure die casting methode.
In this manner the reason for choosing the knuckle in this study as being a significant contributor component to vehicle unsprung mass.  Unsprung mass can be defined as consisting of the some components which are not located between the vehicle body and wheel corner module.
Since aluminium is a lighter material than iron, it is aimed to improve the driving dynamics and increasing the payload simultaneously by reducing the total weight of unsprung mass.
First of all, separate part designs were made from both cast iron and aluminum in accordance with related casting methods which can be used for same vehicle group. In order to confirm that design is suitable for the related casting method, filling and solidification simulations were carried out using appropriate CAD programs.After the design was confirmed by various casting simulations, it was also examined that how the structural performance of both designs under the same loading conditions with again using the related CAD programs. For sure prior to this, the structural analyzes and related load values were determined which will be required to allow the parts to be used throughout the vehicle life.
As a result of the observations, It has been revealed that the knuckle designed from aluminum alloy has a weight advantage of approximately 1.5 kg part level and 3 kg at vehicle level compared to iron casting.  This difference directly increases the useful load value of the vehicle which could be also led to have significant improvement at customer satisfaction. As a result, due to its material properties aluminum knuckle performed lower than iron in structural analyzes however it can be also seen that still remains within the system and vehicle level acceptance criterias. 
The findings that have been obtained with this virtual validation study could be a comprehensive guide for the further aluminum knuckle implementation studies before having the prototype tooling production, physical component system and vehicle level design validation tests in short serial production phases.