Geri Dön

Ağır ticari araca ait aks kovanında yorulma kaynaklı oluşan hasarın sonlu elemanlar yöntemi ile tasarımının iyileştirilmesi ve tasarımın rig testi ile doğrulanması

Design optimization for fatigue performance of an heavy commercial vehicle rear axle housing using fea and rig testing

PDF İndir

  1. Tez No: 922039
  2. Yazar: BERK GÜMÜŞ
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN MURAT TABANLI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 105

Özet

Ağır ticari araçlar günümüzde yük taşımacılığından inşaat ve maden uygulamalarına kadar varan değişik sektörlerde kullanılmaktadırlar. Bu araçların performansı, güvenilirliği ve yapılan işlemin mümkün olan en yüksek verimde yapılması için araçların sahada devamlı olarak çalışması gerekmektedir. Bu sebeple araçlar bileşenlerinin belirlenen kullanım & yükleme koşullarında belirli bir ömür boyunca hasarsız çalışması beklenir. Tasarlanan parçaların validasyonu için belirlenen koşulları simüle eden testler uygulanmaktadır. Ağır ticari araçlarda dayanımın önemli olduğu sistemlerden birisi de arka canlı aks sistemidir. Arka aks sistemi aks kovanı, diferansiyel, tekerlek poyraları ve süspansiyon ve şasi sistemi ile bağlantılı aks kovanından oluşur. Bu parçalar sayesinde motor ve şanzımandan gelen torku tekerleklere aktarılır. Aks kovanı da diferansiyel bu görevi yaparken yol ve yükleme kaynaklı değişken kuvvetlere maruz kalan yapısal elemandır. Bu sebeple arka aks sistemindeki aks kovanı yorulmaya sebep olabilecek yüklere maruz kalmaktadır ve çeşitli yorulma kaynaklı hata formları gözlemlenebilir. Dolayısıyla aks kovanı devreye alınmadan önce bahsedilen validasyonların yapılması gerekmektedir. Arka aks kovanı yorulması, parça bazından rig testleri ve sistem bazında araç testleri vasıtasıyla değerlendirilebilir. Temel olarak aks kovanı için yapılan testler şunlardır. Parça bazlı test için aks kovanı dikey eksende uygulanan kuvvet ile yorulma davranışı incelenir. Araç testinde ise yol şartlarında test edilir. Parçanın test edileceği yükler ve kaç tekrara maruz kalınacağı test öncesinde belirlenmektedir. Arka aks kovanının başarılı şekilde devreye alınması için bu iki testin başarılı şekilde tamamlanması gerekmektedir. Yapılan çalışmada, parça testini başarıyla geçen ancak araç testi sırasında yorulma kaynaklı hasara uğrayan aks kovanının incelenmesi yapılmıştır. Çalışmanın amacı, devreye alınacak aks kovanının geçmesi beklendiği testleri geçecek şekilde tasarımının optimize edilmesidir. Bunun için ilk önce analitik hesaplarla FEM ortamında analiz yapılmış ve yapılan analizin gerçek durumla uyuşmadığı görülmüştür. Strain Gauge'ler, parçalar üzerinde deformasyonun ölçümüne mümkün kılan ölçüm cihazlarıdır. Yapısal parçalar üzerine bağlanarak parçanın deformasyonu ölçülür ve bu sayede parçaya gelen kuvvetler hesaplanabilir. Strain gauge üzerinde ölçülen genleme değerlerinin gerçekçi olup olmadığı ise strain gauge'in kontrollü bir ortamda uygulanan kuvvetlere verdiği cevap ölçülerek yapılmaktadır. Bu çalışmada analitik hesaplara uygun yapılan analiz gerçekçi bir sonuç vermediği için, Test aracı üzerinde strain gauge bağlanarak aks kovanı ve ona bağlı olan süspansiyon parçalarına gelen genlemeler ölçülmüştür. Strain gauge üzerinden ölçülen veriler kalibrasyon testleri ile kalibre edilerek üzerine gelen kuvvetler hesaplanmıştır. Araç üzerinden toplanan veriler ile FEM ortamındaki modellerde korelasyon sağlanmıştır. Toplanan veriler işlenerek kovana gelen yükleme döngüsü hesaplanmış ve FEM ortamında yapılan analizler tekrarlanmıştır. Bu analizlerde baz tasarımda araçta karşılaşılan hasar tipiyle çakışan bölge yorulma açısından kritik çıkmıştır. Sonrasında aks kovanı, imal edilebilirlik ve maliyet açısından da değerlendirilerek tasarım opsiyonları baz seviye ile kıyaslamalı olacak şekilde FEM ortamında değerlendirilmiştir. Yapılan FEM modelinde, aks kovanı ve süspansiyon sistemi elemanları ABAQUS programı kullanılarak modellenmiştir, aks kovanı üzerindeki kaynak dikişleri FEMFAT ile modellenmiştir. Toplanan verilerden elde edilen görev döngüsü Ncode yazılımı ile oluşturulup, ABAQUS'te doğrusal olmayan süperpozisyon prensibi ile kuvvet olarak tanımlanmıştır. Yapılan analiz aks kovanında plastik deformasyon görülmediği için elastik bölgede kalındığı varsayımıyla yapılmıştır. Yapılan analizler sonucunda en iyi yorulma perfomansını gösteren tasarımın, araç şartlarını temsil edecek bir rig testi ile beraber denenmesi kararı alınmıştır. Bu rig testi, aks kovanını birden fazla eksende kuvvet uygulayacak şekilde tasarlanmıştır. FEM modeli ile benzer sınır şartları ve önceki çalışmada ortaya çıkartıla görev döngüsü bu rig testinde kullanılmıştır. Rig üzerinde strain-gauge çalışması yapılmış, uygulanacak kuvvetler bilgisayar kontrollü eyleyiciler sayesinde verilmiştir. Fikstür tasarımlarının yapılması ile FEM Modeli bütün rig testi için kurulmuştur ve testler başlanmıştır. Çok eksenli yorulma rig testi sırasında, fikstür tasarımı kaynaklı olarak farklı bir bölgede yorulma hasarı oluşmuştur. Prototip araç testleri sırasında yaşanılmayan bir hasar olduğu için fikstürde tasarım değişikliğine gidilip teste devam edilmiştir. Test yorulma hasarı tekrar etmeden hedef ömre ulaşmıştır, sonrasında test yapılan tesisin kiralanma süresi dolduğu için hasar oluşana kadar test yapılması mümkün olmamıştır. Yapılan strain gauge ölçümleri ile FEM modeli arasında korelasyon yakalanmıştır. Çalışmanın sonunda, aks kovanı için tasarım optimizasyonu yapılmış ve bu aks kovanı seri üretime girmek için gerekli şartların sağlanmasıyla seri üretime girmiştir. Aks kovanı validasyonu için çok eksenli bir rig testi tasarlanmış ve sunulan şartlar altında gerçek durumla benzer bir sonuç elde edilmiştir.

Özet (Çeviri)

Heavy commercial vehicles are used in various sectors today, ranging from freight transportation to construction and mining applications. To ensure the performance, reliability, and maximum efficiency of these vehicles, they must able operate continously in the field, without any delaying failures. To guarantee the durability of these vehicles, the working conditions are determined during the design phase of new components and performance of the components are tested. Those tests include part level and vehicle level tests. Mainly tests are conducted in order to see whether a part will fail, impact, fatigue corrosion and environmental effects. For fatigue testing, part level tests are performed on specialized test setups called rigs, and for vehicle level tests are performed on prototype vehicles on test track. One of the systems where durability is critical in heavy commercial vehicles is the rear live axle system. Rear axle is the system that drives the vehicle, allows rotation of the vehicle and bears vehicles load. The rear axle system consists of the axle housing, differential, wheel hubs, and an axle housing that connects to the suspension and chassis system. Axle as a whole, transfers torque from the engine and transmission to the wheels. During operation axle housing is subject to dynamic forces. Acting forces are due to loading / gross weight of the vehicle, acceleration, deacceleration, cornering etc. All these forces effect the axle housing, which is connected to driveline, chassis and suspension subsystems Consequently, the rear axle housing is a critical component exposed to dynamic loads and is prone to various failure modes, which includes fatigue failures. Thus, axle housings requirie validation before being put into operation. Fatigue in rear axle housings can be assessed through rig tests at the component level and vehicle tests at the system level. These tests are conducted under predefined loading and road conditions repeated a specified number of times for components intended to be put into service. For rear axle housing is subjected to vertical loads which are applied on a vertical fatigue test setup. In rear axle design there are primarily two types of manufacturing methods. Which are welding('fabricated') and casting. Casting axle housings are heavier, and they could bear heavier loads compared to the fabricated axle types. Fabricated axle housings are initially formed from sheet metal and form into its shape using stretch forming, and then welded together. Fabricated axle housing basically consists of two half housings, a dome shaped structure called backcover is welded to these housings, which allows for rotation of differential gears within the axle housing, also contatining the axle oil which lubricates gears. Additional brackets, plugs are welded or bolted on the axle housing, and the part assembly is finished as it goes into painting. Scope of this study is focusing on a new type of rear axle housing that will be utilized in lightweight construction vehicle application. Primary design feature of this axle housing is it is a fabricated type of axle housing, which in comparison lighter than its predessors casting housings, yet it has welding seams that were not present before and it is susceptible to fatigue. In our case new axle housing that successfully passed component-level tests but suffered fatigue-related damage during vehicle testing. A series of material laboratary tests and investigation under microscope revealed that this failure is indeed fatigue related, as it exhibits clear fatigue mechanism signs, such as beachmarks, ratchet marks and sudden failure. This failure occurred at the back of the rear axle housing, where housing semi-cases welded with backcover. This type of failure only occurred on vehicle and it appeared that part level vertical fatigue test was not reliable method to evaluate fatigue performance of the rear axle housing. The objective of the study was to optimize the design of the axle housing so that it can pass all the required tests before being deployed. In initial steps of the study, using analytical calculations to determine the loading a FEM (Finite Element Method) model was created. Model was created in ABAQUS software using non-linear static analysis, and weld geometry was modeled using FEMFAT SolidWeld. Elastic material properties were used, as the part did not go under plastic deformation. Proper boundary conditions were created, where forces are applied from suspension parts to axle housing and spindles were fixed. A generic duty cycle was applied and FEA analyses were performed, but it was observed that the analysis did not match the actual test results. Investigating further, realizing there is no correlation between this analysis and actual situtation, instrumentation of a test vehicle was carried out. Strain gauges were mounted on the test vehicle to measure the forces acting on the axle housing and related suspension components during track testing. Accelerometers and displacement sensors were attached so that effect of vehicle weight and suspension loads could be calculated. The data collected from strain gauges were calibrated using tension-compression test for suspension parts. No calibration weas made for strain gauges on the axle housing, as a rig was not available at this phase. Using Ncode software, by utilizing time-offset and filtering forces acting on the axle housing were calculated and a duty cycle was generated The gathered strain data was compared with FEM models and evaluation was made that strain from analysis and actual tests are corelating to each other. Then the FEM analyses were repeated. These analyses identified fatigue-critical areas on the baseline design, consistent with the damage observed in vehicle tests. In the next phase of the study, using generated and available FEM models, an effort to design a better performing axle housing was performed. Available means and methods to improve axle housing was investigated alongside with axle manufacturer. Several of the design options are, increased thickness of sheet metals parts used in the manufacturing, change of welding geometry, addition of reinforcement plates to axle housing, change of backcover radius and methods like heat treatment of weld, hammering/shot peening of weld seams that would theoretically improve fatigue performance. Considering for manufacturability and cost for these design options, several of them evaluated. It appeared most cost effective and applicable design choice to increase thickness of the sheet metal parts that are used for manufacturing of the housing parts along with slight modifications to weld geometry. Other limitation for application of these fatigue life improvement methods are cost and part manufacturing time. Part costs and manufacturing method should be similar, in order for the new axle housing to be feasible. All of these design options were compared back to back with base level design and best performing option was the one which has a 4 mm thickness increase of housing casing (from 12 mm to 16 mm) and 2 mm backcover thickness increase (from 10 mm to 12 mm). Any design with thickness less them 16 mm led the hotspot in terms of fatigue move towards the axle housings body. Resulting in the comment that increased thickness increasing stiffness and decreasing acting stresses meanwhile slight geometry change in welding decreasing the stress intensity factor, helping to get rid of the hotspot in terms of fatigue, resulting in a life improvement from %35 to %163 according to results of this study. Based on the analysis results, the best-performing design in terms of fatigue was tested using a rig test designed to simulate vehicle conditions. The rig test was engineered to apply forces to the axle housing across multiple axes which is an improvement to the vertical fatigue test rig which only accounts for acting forces on vertical axis. The same boundary conditions and duty cycle identified in the FEM model were replicated in this rig test. Strain gauge studies were conducted on the rig, and the forces were applied using computer-controlled actuators. The entire rig test setup, including fixture designs, was modeled in FEM, and the tests commenced. During the multiaxial fatigue rig test, fatigue damage occurred in a different region due to fixture design limitations, which had not been observed during vehicle testing. After revising the fixture design, the test continued, reaching the target lifespan without further fatigue damage. However, due to the expiration of the test facility's rental period, testing until failure was not feasible. Nonetheless, correlation was achieved between strain gauge measurements and the FEM model according to compared results. In order the support this claim a prototype vehicle was assembled and durability of the axle housing was evaluated. Part did not fail under both multi-axis rig and vehicle test. Parts from rig and vehicle was disassembled and checked using Magnetic Particle Inspection method, and as there were no micro-crack observed, part declared okay in terms of fatigue performance At the end of the study, the axle housing design was improved as proved by successfully completing rig and vehicle level tests, and the new design met the necessary criteria for mass production. A multiaxial rig test was developed for axle housing validation, replacing previous fatigue test method and the test demonstrated outcomes consistent with real-world conditions under the provided parameters. For mıltiaxial fatigue tests, study is ongoing in order to improve the reliability of this test method. This work highlights the importance of integrating experimental testing with computational analysis for reliable component validation, ensuring robust design and operational safety for heavy commercial vehicle that is subject to this study.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    554357

    Ağır ticari araçlar için hızlandırılmış dinamik yorulma analiz yöntemi geliştirilmesi

    Accelerated dynamic analysis method development for heavy duty vehicle

    ÜMİT BAĞDAT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALUK EROL

  2. Tez No

    467116

    Bir ağır ticari araca ait ön süspansiyon braketinin alüminyum döküm yöntemine uygun olarak yeniden tasarlanması

    Design improvement for a front suspension bracket in a heavy commercial vehicle producible with aluminum casting

    MERT EMRE KALAOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA BAKKAL

  3. Tez No

    541002

    Ağır ticari aracın dizel motoruna ait egzoz manifoldunun ısıl olarak incelenmesi

    Thermal investigation of exhaust manifold for a heavy commercial vehicle diesel engine

    BURAK YALÇINDAĞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL CEM PARMAKSIZOĞLU

  4. Tez No

    866872

    Ride comfort effects of inerter implementation at heavy vehicle suspension seat

    Ağır ticari araç süspansiyonlu koltuğunda inerter uygulaması ve konfora olan etkileri

    BUĞRA AYDIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Otomotiv MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ EMİR KUTLUAY

  5. Tez No

    636289

    Körüklü ağır ticari yolcu otobüsünün araç dinamiği modelinin oluşturulması ve yanal hareketinin kontrolü

    Vehicle dynamics modeling of the articulated heavy commercial passenger bus and control of the lateral movement

    EROL ÇİFCİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEMİH SEZER

Geri Dön