Aşırı yükleme şartlarında emniyetle çalışabılecek kapı kilitleme mekanizması tasarımı
The desing of the door locking mechanism can work safely under overloading conditions
Yazar: ARDA KUYUMCU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ZEYNEP PARLAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Tarihi çok eskilere dayanan kilitleme sistemleri insanların özel mülklerini koruma istekleri sonucunda icat edilmişlerdir. İlk kilitleme sistemleri, basit ahşaptan mekanik aletlerdir ve saray gibi önemli yapıların kapılarının kilitli kalmasını sağlamak amacıyla kullanılmıştır. Zaman içerisinde teknolojinin ilerlemesiyle birlikte kilitleme sistemleri gelişmiş ve ahşap yerine farklı malzemeler kullanılarak daha mukavemetli kilitler kullanılmaya başlamıştır. Gelişen teknoloji ile otomobil, beyaz eşya gibi yeni mühendislik ürünleri de ortaya çıkmıştır. Bu ürünlerin de kapı, kapak gibi çeşitli parçalarının kilitlenme gereksinimi doğmuş ve yeni kilit tipleri geliştirilmiştir. Özellikle bazı ürünler için kapıların kilitlenmesi ve kilitli halini koruması çok büyük önem taşımaktadır. Aksi takdirde başta canlı varlıklar olmak üzere birçok nesne zarar görebilir. Örneğin, otomobil kapıları kilitli iken kolay açılmayacak şekilde tasarlanmışlardır. Doğaldır ki, kolaylıkla açılabilecek bir otomobil kapısı içeride bulunan insanları tehlikeye sürükleyecektir. Çalışma kapsamında da Arçelik A.Ş. bünyesinde genel kullanıma uygun, belirli bir yüke maruz kaldığında kapının kilitli halini koruyabilecek bir kapı kilitleme mekanizması tasarımı gerçekleştirilmiştir.
Kapı kilitleme sistemlerinin çok farklı tipleri mevcuttur. Bunlardan biri de kapıların üst ve alt bölgelerinden kilitlenmesidir. Aynı prensiple, çalışmada kapıyı üstten ve alttan kilitleyen bir mekanizma tasarımları yapılmıştır. Ayrıca, bazı sistemlerde birden fazla noktadan kilitleme mevcuttur. Temel amaç, herhangi bir kilitte hasar oluşması halinde kapının kilitli halinin yeterince emniyetli bir şekilde korunmasıdır. Böyle bir düşünce ile iki adet kilitleme mekanizması geliştirilmiştir ve bu iki mekanizma birbirinden bağımsız olarak tetiklenebilen bir yapıda tasarlanmıştır. 
Tasarıma başlamadan önce, literatür araştırması yapılarak mevcut kilitleme sistemlerinin incelenmesi gerekmektedir. Literatür araştırması olarak kapıları üstten ve alttan kilitleme yarayan kilitleme mekanizmaları araştırılmıştır. Sonuçta yaklaşık 500 adet patent incelenmiş ve bu patentler içerisinden konuyla ilgisi daha fazla olanlar belirlenerek çalışma sistemlerine bakılmıştır. Patent araştırmasından sonra piyasada bulunan iki adet kilitleme sistemi detaylı şekilde incelenmiştir. Literatür araştırması sonucunda tasarım için elde edilen bu önbilgi ile kapı kilitleme mekanizmasının patent konusunda bir engel teşkil etmemesi ve mevcut ürünlerden farklı olması amaçlanmıştır.
Kapı kilitleme mekanizması için ilk olarak tasarımın temelini oluşturacak tasarım kritlerleri belirlenmiştir. Kapının kilitli kalması gereken en büyük kuvvet aşırı yükleme halinde 2943 N, kuvvetin kapıya etki etkidiği yüzey alanı ise 94000 mm2 olarak hesaplanmıştır. Daha sonra probleme farklı çözümler bulabilmek amacıyla konstrüksiyon sistematiği adımları uygulanmıştır. Konstüksiyon sistematiğinin en önemli adımlarından biri istekler listesinin oluşturulmasıdır. İstekler problemin çözümü oluşturacak olan teknik yapıtın niteliksel ve niceliksel özelliklerinin belirtildiği büyüklüklerdir. Bu amaç doğrultusunda, istekler listesi oluşturulmuş ve bu istekler yardımıyla temel fonksiyon elde edilmiştir. Kapı kilitleme mekanizmasının giriş ve çıkış büyüklükleri belirlenmiş. Ayrıca, giriş ve çıkış büyüklükleri arasında meydana gelen fonksiyonlar ve birbirleriyle olan ilişkileri oluşturulmuştur. Fonksiyon yapılarının gösterildiği bu düzene fonksiyon strüktürü denmektedir. Böylece, konseptlerin geliştirilmesi için gerekli bilgiler hazırlanmıştır.
Konseptlerin geliştirilmesi sürecinde her konseptte ortak olarak kullanılması düşünülen, kapının kilitli kalmasını sağlayan kilit detay seçimi yapılmıştır. Çubuklar yardımıyla kapı, bir kapı çerçevesine kilitlenecektir. Bu kilitlemede yaylı bir yapı kullanılmıştır. Yaylı yapının seçimi "Mekanik Hareketlerin Durdurulmasına Yarayan Kilitler" kataloğundan seçilmiştir. Bu seçim ile kapı, tetikleme elemanları tetiklenmeden açılmayacaktır. Kapı açık iken tetikleme elemanlarına müdahale edilmeden yay kuvvetleri, kapının itilmesi ile yenilerek kapı kilitli konuma geçecektir. Daha sonra iki adet konsept için tetikleme elemanlarının seçimi yapılmıştır. Sonuçta, birinci kosept için birincil tetikleme elemanı döner bir kulp ve ikincil tetikleme elemanı kayar bir parça, ikinci konsept için birincil tetikleme elemanı kullanıcının kendine doğru çekebildiği pedal tipi tutamak ve ikincil tetikleme elemanı bir buton olacak şekilde belirlenmiştir.
Birinci ve ikinci konsept için ayrı ayrı basit halde kilitleme çubuklarının kapıyı kilitlemesini sağlayan ve kapı kilitli iken tetikleme elemanları ile kapının açılmasını sağlayan mekanizmalar belirlenmiş ve Unigraphics NX CAD paket programında katı olarak modellenmiştir. Kilitleme mekanizmasının çözümü için konseptlerden birinin seçilmesi ve seçilen konseptin detaylandırılması gerekmektedir. Bu nedenle, iki konsept arasından bir seçim yapılmıştır. Yöntem olarak "fayda-değer" analizi uygulanmıştır. Analizde, esas olarak çözüm için hedefler belirlenmekte ve bu hedefler için konseptler puanlanmaktadır. Sonuç olarak, her bir konsept için birer sonuç puan elde edilmiştir. Puanlama sonucunda ikinci konsept için elde edilen puan birinci konsepte göre yüksek çıkmıştır ve detaylandırılmak üzere seçilmiştir.
Detaylandırılmak üzere belirlenmiş olan ikinci konsept bir mekanizma tasarımıdır. Dolayısıyla, mekanizmalarda kinematik ve kuvvet analizlerinin yapılması gerekmektedir. Kinematik analiz için ilk olarak çubukların 8 mm bir stroğa sahip olacağı kabul edilmiştir. Bu kabul ile birlikte tetikleme elemanlarının ne kadarlık bir harekete ihtiyaç duyacağı hesaplanmıştır. Birincil tetikleme elemanı pedal tipi tutamak için dönme eksenine göre 22º dönme, ikinci tetikleme elemanı buton için 8,8 mm basma hareketi gerekmektedir. Kuvvet analizinde pedal tipi tutamağa kullanıcının uygulaması gereken kuvvet 25 N olarak alınmıştır. Bu durumda kapının açık ve kapalı konumu için çubuklara düşey doğrultuda aktarılan kuvvetler elde edilmiştir. Buton için ise kullanıcının uygulaması gereken basma kuvveti 15 N olarak alınmıştır. Tutamakta olduğu bu durumda da kapının açık ve kapalı konumu için çubuklara düşey doğrultuda aktarılan kuvvetler elde edilmiştir. Her iki kilitleme için ortak yay seçilmiştir. Yay seçiminde kuvvet analizi sonucunda elde edilen en düşük kuvvet baz alınmıştır. Kinematik analiz ve kuvvet analizleri ile kilitleme mekanizması uygun boyutlar ile modellenmiş ve son şeklini almıştır. 
Malzeme seçimi yapısal olarak tasarlanan teknik yapıtlar için en önemli konulardan biridir. Malzemeler, parçaların imalat yöntemini ve mukavemetini belirlemektedir. Örneğin, plastik esaslı malzemelerin yapısının metal esaslı malzemelere göre farklı olması tasarımı etkileyen faktörlerdendir. Çalışmada, özellikle bir insanın kullanmasına uygun olması istenen bir kapı kilitleme sistemi için ergonomik açıdan hafiflik önemlidir. Bu nedenle, kapının gövdesi plastik esaslı malzemeden seçilmiştir. Ek olarak, tetikleme elemanları olan pedal tipi tutamak ve buton da aynı şekilde plastik olacaktır. Aşırı yükleme altında kapının açılması ve doğal olarak deforme olması istenmediği için seçilecek plastiğin mukavemet özelliklerinin iyi olması gerekmektedir. Bu amaçla, PA 6 (Polyamid) plastik malzeme olarak seçilmiştir. Mukavemet özelliklerinin arttırılması amacıyla Polyamid malzeme %30 oranda cam katkılı olarak kullanılacaktır. Yataklama malzemesi olarak burçlarda sıklıka kullanılan sürtünme ve aşınma davranışının iyi olan bronz seçilmiştir. Çubuklar, mekanizma elemanları gibi geriye kalan parçalar metal esaslı seçilmiştir. Bu malzemeler de hafifliğin kritik olması sebebiyle alüminyum esaslı alaşım olarak belirlenmiştir. Alüminyum alaşımı 7075 serisi seçilmiş olup akma ve kopma mukavemeti gibi özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla T6 ısıl işlemi uygulanan tipinin kullanılmasına karar verilmiştir. Kapının arkadan kapatılması için kullanılacak olan kapı sacı, deformasyonların düşük olması gerektiğinden çelik seçilmiştir. Çelik olarak ise tedariği kolay ve yaygın olarak kullanılan AISI 304 paslanmaz çelik kullanılacaktır. 
Belirlenen aşırı yükleme koşulu altında tasarımın doğrulanması amacıyla kilitleme mekanizması ve kapı için nümerik analiz Arçelik A.Ş. Yapısal Tasarım Yöneticiliği departmanında Hyperworks sonlu elemanlar paket programında yapılmıştır. Analizde kapı gövdesi, kilitleme çubukları, kapı braketi ve kapı sacı modellenmiş, geri kalan parçalar analize dahil edilmemiştir. İlk olarak, bu parçalar için ağ modelleri oluşturulmuş ve daha sonra ise kapı sacına gelen kuvvet etki ettirilmiştir. Sonrasında, ağ modelleri oluşturulan parçaların birbirleriyle olan temas durumları ve sınır şartları belirlenerek analiz modeline eklenmiştir. Analiz sonuçları ile kapı gövdesi, çubuklar ve kapı sacı için gerilme ve deformasyon verileri incelenmiştir. Kapı gövdesi için en büyük gerilme değeri basma yönündedir, en büyük deformasyon ise emniyetli sınırlardadır. Çubuklar için en büyük gerilme değeri çekme yönündedir, en büyük deformasyon emniyetli sınırlar içerisindedir. Kapı sacı için ise gerilme ve deformasyon değerleri uygundur. Kısaca, malzeme özellikleri incelendiğinde aşırı yükleme şartı için parçalar emniyetli sınırlar içerisinde yer almaktadır. Bir diğer yandan, geliştirmeye de açık olduğu görülmüştür. 
Tasarımın fonksiyonunu ne şekilde yerine getireceğinin görülmesi amacıyla prototipleme çalışması yapılmıştır. Prototipleme işlemleri Arçelik A.Ş. Hızlı Prototipleme Atölyesinde gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, bazı parçalar 3 boyutlu üretim tekniklerinden biri olan SLS yöntemi ile üretilmiştir. Geriye kalan metal esaslı parçalar ise çeşitli takım tezgahlarında işlenmiştir. Prototip gruplanıp denendiğinde tasarımdan beklenen özellikleri yerine getirdiği görülmüştür.

Abstract:
Locking systems, which date back to ancient times, were invented as a result of people's desire to protect the private properties. First locking systems were simple mechanical devices that were made from wood and they were used to keep doors of important buildings such as palaces locked. In time with progress of technology, locking systems were developed and it began to be used more durable locks by using different materials instead of wood. By developing technology new engineering products such as vehicles, home appliances came up. Requirement of locking various parts such as lids, doors of these products showed up and new types of locks were developed. Especially, it is crucial for some product doors to be locked and to be maintained locking status. Otherwise, especially living beings, many objects can be damaged. For example, vehicle doors are designed not to be easily opened when locked. Naturally, a car door which can be opened easily will be harmful for people who are in the vehicle. Scope of the study within Arçelik A.Ş. for general usage a door locking mechanism, which maintains locked position of the door when it is exposed with a certain load, were designed. 
Door locking systems have very different types. One type of these locks doors from its upper and lower sides. By the same principle a mechanism designs which locks the door from its upper and lower sides were made in this study. Furthermore, in some systems locking from more than one point is exist. The main goal is for any of these locks if a damage occurs, locking position of the door must be maintained. With this idea two locking mechanism were developed and these mechanisms can be triggered independently were designed. 
Before design process, it is needed to examine current locking systems by doing literature research. As a literature research locking mechanisms, which lock doors from its upper and lower sides, were researched. Eventually, 500 patents were examined and by determining more related ones working systems were studied. After patent research two locking systems in the market were examined in detail, as well. As a result of the literature research with this foreknowledge it is aimed that locking mechanisms will not be an obstacle about patent and will be different from products in the market.
For the door locking mechanism at first design criteria which will forms the basis of the design were determined. In the overloading condition the highest force that the door has to be locked was calculated as 2943 N, the area that the force affected was calculated as 94000 mm2. Then, in order to find different solutions for the problem systematic construction steps were applied. One of the most important steps of systematic construction is making a request list. Requests are magnitudes that determine the qualitative and the quantitative characteristics of the technical work which will be the solution of the problem. In accordance with this purpose, the request list were prepared and with these requests basis function was gained. Inputs and outputs of the door locking mechanism were determined. Besides, functions between inputs and outputs and relationships with each other were formed. The layout that shows functions is called function structure. Thus, for development of concepts necessary information were prepared. 
In the concept development process with considering to use for every concept the locking detail that provides to keep the door locked, selection were made. With the help of rods the door will be locked to a door frame. In this locking system a spring structure was used. Selection of the spring structure were made from "Detents for Stopping Mechanical Movements" catalogue. With this selection door can not be opened without the trigger elements are triggered. When the door is open without any interfere with the trigger elements the door will be locked with overcoming the spring forces by pushing the door. Later on trigger element selections were made for each concept. Thus, for the first concept as primary trigger element a rotary type knob and as secondary trigger element a slider, for the second concept as primary trigger element a paddle type handle and as secondary trigger element a button were determined.
For the first and second concept mechanisms, which provide locking the door by locking rods and opening the door by trigger elements when the door is locked, were determined separately and simply. Then, these mechanisms were modeled by Unigraphics NX CAD packaged software. It is needed to select one of these concepts and detail the selected one for the solution of locking mechanism. For this reason, a selection between two concepts were made. As a selection method "utility-value" analysis was applied. In this analysis, mainly for solutions goals are determined and for these goals concepts are graded. Consequently, for both concept grades were obtained. After the grading process the grade of the second concept was higher than the first concept and selected in order to detail.
Second concept which was determined to detail is a mechanism design. So that for mechanisms kinematic and force analysis must be done. For the kinematic analysis at first it was admitted that rods have 8 mm stroke. With this admission it was calculated how much movements are needed for trigger elements. Primary trigger element paddle type handle needs 22º rotation respect to its rotation axis, secondary trigger element button needs 8,8 mm push movement. In the force analysis, acting force to the paddle type handle by user was determined as 25 N. In this case for the open and locked position of the door forces that were transferred to the rods in the vertical direction were obtained. In addition to this, acting force to the button by user was determined as 15 N. As in the handle, also in this case for the open and locked position of the door forces that were transferred to the rods in the vertical direction were obtained. For both locking the same spring was selected. Selection of the spring the lowest force, that was obtained by force analysis, was used as a base. With kinematic and force analysis locking mechanism was modeled by proper dimensions and the shape of the mechanism was finalized.
Material selection, for technical works that are designed structurally is one of the most significant topics. Materials determine manufacturing methods and strengths of parts. For example, being structure of plastics different from metal based materials is one of the factors that affects the design. In this study, for the door locking system, which is especially proper to be used by a human, ergonomically lightness is significant. For this reason, door body material was selected as plastic based. Besides, trigger elements paddle type handle and button material will be plastic as well. Strength properties of the selected plastic must be well. Because, under the overloading conditions it is not wanted from the door being opened and deformed. About this purpose, PA 6 (Polyamide) plastic material was selected. In order to increase strength properties Polyamide will be used as %30 glass filled. As bedding material bronze was selected due to its typical usage, friction and wear behavior. Rods, remaining part materials were selected as metal based. Materials were determined as aluminum alloy. Because, lightness is critical. The aluminum alloy 7075 series were selected and to improve properties such as yield and tensile strength it is decided to use T6 heat treatment applied type. Door plate, that is used to close the door from the rear, on account of the low deformations was selected as steel. Due to easy supply and typical usage AISI 304 stainless steel will be used.
Under determined overloading condition to verify the design, about the locking mechanism and the door numerical analysis was made in Arçelik A.Ş. Structural Design Directorate department with Hyperworks packaged software which uses finite elements method. In the analysis door body, locking rods, door bracket and door plate were modeled, remaining parts were not added to the analysis. Firstly, for these parts mesh models were created and then the force that affects on the door plate was included. After that, by determining contacts between meshed parts and boundary conditions were included in the analysis model. By means of analysis results for door body, rods and door plate stress and displacement data were examined. About the door body the highest stress is compressive stress, the highest displacement is in safe limits. About the rods the highest stress is tensile stress, the highest displacement is in safe limits. About the door plate stress and displacement values are proper. Briefly, upon analyzing the material properties under overloading condition parts are in safe limits. On the other hand, it was seen that improvements can be made.
In order to see how the design fulfills its function, prototyping works were done. Prototyping processes were made in Arçelik A.Ş. Rapid Prototyping Workshop. In these works, some parts were manufactured by SLS method which is one of the 3D manufacturing methods. Remaining metal based parts were manufactured by several machine tools. When the prototype assembled and tested, it was seen that the prototype fulfills the expected features of the design.