Polimer Malzemelerde Yüzey Pürüzlülüğünün Sürtünme Kaynaklı Gürültü Üzerine Etkisi

İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ



FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

POLİMER MALZEMELERDE YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜNÜN SÜRTÜNME KAYNAKLI

GÜRÜLTÜ ÜZERİNE ETKİSİ

YÜKSEK LİSANS TEZİ

Mak. Müh. Tibet ERKAN (503041215)

OCAK 2007

Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 29 Ağustos 2006 Tezin Savunulduğu Tarih : 30 Ocak 2007

Tez Danışmanı : Y. Doç.Dr. Vedat TEMİZ Diğer Jüri Üyeleri Doç.Dr. Haluk EROL (İ.T.Ü.)

ÖNSÖZ

Günümüzde polimer malzemelerin teknikte çok yaygın olarak kullanılması ile, bu malzemelerin çeşitli karakteristik özelliklerinin bilinmesi gerekmektedir. Bunlardan, sürtünme kaynaklı gürültü karakteristiği, endüstriyel uygulamalarda önem taşımaktadır. Yapılan bu çalışmada, çeşitli polimer malzemeler için yüzey pürüzlülüğünün, sürtünme kaynaklı gürültüye etkisi incelenmiştir.

Bu tez çalışması esnasında, polimerlerin sürtünme karakteristiklerinin gelişmeye açık bir konu olduğunu gördüm. Beni bu konuya yönlendiren ve çalışmalarımda bana destek olan tez danışmanım Y. Doç. Dr. Vedat TEMİZ’e, çalışmanın her aşamasında yardımını esirgemeyen Dr. Zeynep PARLAR’a, deney numune ve disklerinin hazırlanmasında bana teknik destek veren makina elemanları laboratuarından Orhan KAMBUROĞLU’na, deney malzemelerini temin eden POLİKİM A.Ş’ye ve çalışma dönemim boyunca manevi destek veren ailem, çalışma arkadaşlarım ve üniversite bünyesinde birlikte çalıştığım değerli öğretim üyelerine teşekkürlerimi sunarım.

İÇİNDEKİLER

ÖNSÖZ ii

KISALTMALAR v

TABLO LİSTESİ vi

ŞEKİL LİSTESİ vii

SEMBOL LİSTESİ x

ÖZET xi

SUMMARY xii

1. GİRİŞ 1

1.1 Literatür Özeti 2

2. POLİMERLERİN GENEL ÖZELLİKLERİ 5

2.1 Poliamidler ve Uygulama Alanları 6

2.1.1 Poliamid 6 7

2.1.2 Döküm poliamid 6 7

2.1.3 Takviye, dolgu ve ilave maddeler 8

3. SÜRTÜNME 9

3.1 Polimer Malzemelerde Sürtünmeye Etki Eden Faktörler 11

3.1.1 İç yapı 12 3.1.2 Kayma hızı 12 3.1.3 Normal kuvvet 13 3.1.4 Sıcaklık 13 3.1.5 Yüzey pürüzlülüğü 15 4. SÜRTÜNME KAYNAKLI GÜRÜLTÜ 16 4.1 Sürtme Gürültüsü 17

4.2 Sürtünme Kaynaklı Titreşimler Sebebiyle Oluşan Gürültü 18

4.2.1 Tutma-bırakma (stick-slip) 18

4.2.2 Kilitleme-bırakma (sprag-slip) 23

4.2.3 Negatif hız-sürtünme ilişkisi 24

5. DENEY TESİSATI ve DENEYLER 25

5.1 Deney Tesisatının Tanıtılması 25

5.4 Deneylerin Yapılışı 29

6. DENEY SONUÇLARI VE DEĞERLENDİRME 31

6.1 Deney Sonuçları 31

6.2 Sonuçların Değerlendirilmesi 32

KAYNAKLAR 39

EKLER 41

KISALTMALAR

GSMH : Gayri safi milli hasıla SPL : Ses basınç düzeyi

FPP : Cam elyafı katkılı polipropilen

PC : Polikarbonat

SMAC : Stren maleik anhidrid kopolimer

PA : Poliamid

PE : Polietilen

PMMA : Polimetil metakrilat PVC : Polivinil klorür PTFE : Politetra flor etilen

TABLO LİSTESİ

Sayfa No

Tablo 5.1 : Akustik Malzeme Ses Yutma Katsayıları... 27 Tablo 5.2 : Deney Parametreleri…………... 29

ŞEKİL LİSTESİ Sayfa No Şekil 1.1 Şekil 2.1 Şekil 3.1 Şekil 3.2 Şekil 3.3 Şekil 3.4 Şekil 3.5 Şekil 3.6 Şekil 3.7 Şekil 3.8 Şekil 4.1 Şekil 4.2 Şekil 4.3 Şekil 4.4 Şekil 4.5 Şekil 4.6 Şekil 5.1 Şekil 5.2 Şekil 5.3 Şekil 5.4 Şekil 5.5 Şekil A.1 Şekil A.2 Şekil A.3 Şekil A.4 Şekil A.5 Şekil A.6 Şekil A.7

: 1970-1997 Yılları Arasında Polimer Tüketimi ve GSMH’daki Artışın Karşılaştırılması... : PA 6’nın Farklı Sıcaklıklardaki Gerilme-Şekil Değiştirme Eğrileri... : Temas Yüzeyinin Yapısı... : Elastomerin Rijit Karşı Yüzeyle Temas Durumu... : Molekül Zincirleri Arasındaki Kayma Modeli... : PA 6 için Sürtünme Katsayısı-Kayma Hızı İlişkisi... : Sürtünme Katsayısının Temas Yükü ile Değişimi... : pv Koordinatlarında Poliamidin Erime Sınırı... : PA 6 için Sürtünme Katsayısı ve Sıcaklık İlişkisi... : UHMWPE’de Pürüzlülüğün Sürtünme Katsayısına Etkisi...

: Tungsten Karbürün Farklı Malzemelerle Temasında SPL Spektrumu...

: Tutma-Bırakma Modeli... : Sanki Harmonik Titreşimler için Yer Değiştirme-Zaman Grafiği : Basitleştirilmiş Fiziksel Model... : Sürtünme Katsayısının Kayma Hızı ile Değişimi... : Tutma-Bırakma Titreşimlerinde Yer Değiştirme-Zaman İlişkisi : Deney Tesisatının Şematik Görünüşü... : Deney Tesisatının Genel Görünüşü... : Cam Yünü Malzemesinin Ses Yutum Katsayısı-Frekans İlişkisi : Sistem Sükunette iken Akustik Odanın Ses Basınç Düzeyi Spektrumu... : Farklı Hızlardaki Arka Plan SPL Spekturumu... : PA 6’nın 0,15 µm Yüzey Pürüzlülüğünde, Farklı Normal Kuvvetler İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : PA 6’nın 0,50 µm Yüzey Pürüzlülüğünde, Farklı Normal Kuvvetler İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : PA 6’nın 1,15 µm Yüzey Pürüzlülüğünde, Farklı Normal Kuvvetler İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : Döküm PA 6’nın 0,15 µm Yüzey Pürüzlülüğünde, Farklı Normal Kuvvetler İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : Döküm PA 6’nın 0,50 µm Yüzey Pürüzlülüğünde, Farklı Normal Kuvvetler İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : Döküm PA 6’nın 1,15 µm Yüzey Pürüzlülüğünde, Farklı Normal Kuvvetler İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : MoS2 Katkılı Döküm PA 6’nın 0,15 µm Yüzey Pürüzlülüğünde

Farklı Normal Kuvvetler İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla 2 5 10 11 12 13 13 14 14 15 17 19 19 20 20 22 25 26 28 29 30 41 42 43 44 45 46

Şekil A.8 Şekil A.9 Şekil A.10 Şekil A.11 Şekil A.12 Şekil A.13 Şekil A.14 Şekil A.15 Şekil A.16 Şekil A.17 Şekil A.18 Şekil A.19 Şekil A.20 Şekil A.21 Şekil A.22 Şekil A.23 Şekil A.24 Şekil A.25 Şekil A.26 Şekil A.27 Şekil A.28

: MoS2 Katkılı Döküm PA 6’nın 0,50 µm Yüzey Pürüzlülüğünde

Farklı Normal Kuvvetler İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : MoS2 Katkılı Döküm PA 6’nın 1,15 µm Yüzey Pürüzlülüğünde

Farklı Normal Kuvvetler İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : Yağ Emdirilmiş Döküm PA 6’nın 0,15 µm Yüzey Pürüzlülüğünde Farklı Normal Kuvvetler İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : Yağ Emdirilmiş Döküm PA 6’nın 0,50 µm Yüzey Pürüzlülüğünde Farklı Normal Kuvvetler İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : Yağ Emdirilmiş Döküm PA 6’nın 1,15 µm Yüzey Pürüzlülüğünde Farklı Normal Kuvvetler İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : PA 6’nın 40 N Normal Kuvvette, Farklı Kayma Hızları İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : Döküm PA 6’nın 40 N Normal Kuvvette, Farklı Kayma Hızları İçin

Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : MoS2 Katkılı Döküm PA 6’nın 40 N Normal Kuvvette, Farklı

Kayma Hızları İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi.. : Yağ Emdirilmiş Döküm PA 6’nın 40 N Normal Kuvvette, Farklı Kayma Hızları İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi.. : PA 6’nın 40 N Normal Kuvvette, Farklı Yüzey Pürüzlülükleri İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : Döküm PA 6’nın 40 N Normal Kuvvette, Farklı Yüzey

Pürüzlülükleri İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi.. : MoS2 Katkılı Döküm PA 6’nın 40 N Normal Kuvvette, Farklı

Yüzey Pürüzlülükleri İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : Yağ Emdirilmiş Döküm PA 6’nın 40 N Normal Kuvvette, Farklı Yüzey Pürüzlülükleri İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : 40 N Normal Kuvvette, 0,2 m/sn Kayma Hızında Malzemelerin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : 40 N Normal Kuvvette, 0,8 m/sn Kayma Hızında Malzemelerin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : 40 N Normal Kuvvette, 1,6 m/sn Kayma Hızında Malzemelerin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : PA 6’nın 630 Hz Frekansta, Ses Basınç Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi... : PA 6’nın 1600 Hz Frekansta, Ses Basınç Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi... : PA 6’nın 3150 Hz Frekansta, Ses Basınç Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi... : PA 6’nın 8000 Hz Frekansta, Ses Basınç Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi... : PA 6’nın 12500 Hz Frekansta, Ses Basınç Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi...

48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68

Şekil A.29 Şekil A.30 Şekil A.31 Şekil A.32 Şekil A.33 Şekil A.34 Şekil A.35 Şekil A.36 Şekil A.37 Şekil A.38 Şekil A.39 Şekil A.40 Şekil A.41 Şekil A.42 Şekil A.43 Şekil A.44 Şekil A.45 Şekil A.46 Şekil A.47 Şekil A.48

: Döküm PA 6’nın 630 Hz Frekansta, Ses Basınç Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi... : Döküm PA 6’nın 1600 Hz Frekansta, Ses Basınç Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi... : Döküm PA 6’nın 3150 Hz Frekansta, Ses Basınç Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi... : Döküm PA 6’nın 8000 Hz Frekansta, Ses Basınç Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi... : Döküm PA 6’nın 12500 Hz Frekansta, Ses Basınç Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi... : MoS2 Katkılı Döküm PA 6’nın 630 Hz Frekansta, Ses Basınç

Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi.... : MoS2 Katkılı Döküm PA 6’nın 1600 Hz Frekansta, Ses Basınç

Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi.... : MoS2 Katkılı Döküm PA 6’nın 3150 Hz Frekansta, Ses Basınç

Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi.... : MoS2 Katkılı Döküm PA 6’nın 8000 Hz Frekansta, Ses Basınç

Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi.... : MoS2 Katkılı Döküm PA 6’nın 12500 Hz Frekansta, Ses Basınç

Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi.... : Yağ Emdirilmiş Döküm PA 6’nın 630 Hz Frekansta, Ses Basınç Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi.... : Yağ Emdirilmiş Döküm PA 6’nın 1600 Hz Frekansta, Ses Basınç Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi.... : Yağ Emdirilmiş Döküm PA 6’nın 3150 Hz Frekansta, Ses Basınç Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi.... : Yağ Emdirilmiş Döküm PA 6’nın 8000 Hz Frekansta, Ses Basınç Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi.... : Yağ Emdirilmiş Döküm PA 6’nın 12500 Hz Frekansta, Ses Basınç Düzeyi ve Sürtünme Katsayısının Kayma Hızıyla Değişimi.... : PA 6’nın Aldığı Farklı Kayma Mesafeleri İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : Döküm PA 6’nın Aldığı Farklı Kayma Mesafeleri İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : MoS2 Katkılı Döküm PA 6’nın Aldığı Farklı Kayma Mesafeleri

İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : Yağ Emdirilmiş Döküm PA 6’nın Aldığı Farklı Kayma Mesafeleri İçin Ses Basınç Düzeyinin Frekansla Değişimi... : Malzemelerin Sürtünme Katsayısının, Kayma Mesafesine Bağlı Değişimi... 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88

SEMBOL LİSTESİ

Tg : Camsı hale geçiş sıcaklığı

FN : Normal kuvvet FS : Sürtünme kuvveti A : Temas alanı τ : Kayma gerilmesi Ra : Ortalama yüzey pürüzlülüğü θ : Atak açısı V : Hız P : Normal yük µ µ µ µ : Sürtünme katsayısı λ λ λ λ : Dalga boyu c : Ses hızı f : Frekans ALT İNDİSLER A : Adhezyon D : Deformasyon His : Histerezis

POLİMER MALZEMELERDE YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜNÜN SÜRTÜNME KAYNAKLI GÜRÜLTÜ ÜZERİNE ETKİSİ

ÖZET

Tüm dünyada kullanımı gün geçtikçe artan polimer malzemelerin, çeşitli karakteristik özelliklerinin bilinmesi gereklidir. Bunlardan, sürtünme kaynaklı gürültü karakteristiği, endüstriyel uygulamalarda önem taşımaktadır. Yapılan çalışmada çeşitli polimer malzemelerin kuru sürtünme halinde gürültü karakteristiklerine yüzey pürüzlülüğünün etkisi deneysel olarak incelenmiştir.

Teknikte kullanılan polimer malzemelerin çeşitli parametrelere bağlı olarak gürültü karakteristiklerinin belirlenebilmesi için bir pim-ring deney tesisatı kullanılmıştır. Normal kuvvet, kayma hızı ve yüzey pürüzlülüğü, deney tesisatında değiştirilebilen parametreler olup, ölçülebilen büyüklükler ise sürtünme kuvveti, tur sayısı ve ses basınç düzeyidir. Ses ölçümü bir akustik oda içerisinde, yarım parmak mikrofon yardımıyla 1/3 oktav bandında 400 Hz ile 12,5 kHz arasındaki frekans bandında yapılmıştır. Sistemde normal kuvvet, yük koluna asılan ağırlıklar yardımıyla uygulanmaktadır. Sürtünme kuvveti ise sabit diske yerleştirilmiş kuvvet transduseri yardımıyla ölçülmektedir. Tahrik elemanı olarak 0...800 d/dak arasında ayarlanabilen bir AC motor kullanılmıştır.

Deneylerde poliamid 6, döküm poliamid 6, MoS2 katkılı döküm poliamid 6 ve yağ

emdirilmiş döküm poliamid 6 kullanılmıştır. Ses basınç düzeyi ölçümleri, 20 N, 40 N ve 80 N’luk normal yük altında, 0,2-1,6 m/sn aralığında olmak üzere sekiz farklı hızda gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, ses basınç düzeyinin uygulanan normal kuvvetten bağımsız olduğu, 1/3 oktav bandındaki merkez frekans değerleri için artan hızla arttığı görülmüştür. Artan kayma hızıyla birlikte artan sürtünme katsayısının yüksek olduğu durumlarda, sürtünme kaynaklı titreşimin gürültüyü önemli ölçüde arttırıcı yönde etki yaptığı söylenebilir. Ayrıca, artan yüzey pürüzlülüğü ve normal kuvvet ile sürtünme katsayısının düştüğü görülmektedir. Genel olarak katkısız malzemeler için düşük yüzey pürüzlülüğünde, kayma mesafesi arttıkça yüksek frekanslardaki ses basınç düzeyinin arttığı söylenebilir.

EFFECT of SURFACE ROUGHNESS on FRICTION INDUCED NOISE in POLYMERS

SUMMARY

The use of polymers is increasing rapidly by the day, resulting the need of knowledge about their various characteristics. One of them is friction induced noise that has important role in industrial applications. In this study, an experimental analysis has been made on the effect of surface roughness on noise characteristics of polymers in dry friction condition.

A pin on ring test apparatus has been utilized to analyze the noise characteristics of polymers used especially in industry under various operating conditions. Normal load (surface pressure), sliding speed and surface roughness are adjustable parameters whereas frictional force, number of revolution and sound pressure level are the parameters recorded during the experiments. Noise measurements are held in an acoustic chamber by a ½ '' microphone, in the range from 400 Hz to 12,5 kHz frequency in 1/3 octave spectra. The normal load was applied by weights hanging on the loading arm. The frictional force was measured with a force transducer placed on the pin holder. The system was driven by an AC motor having 0...800 rpm variable speed range.

Polyamide 6, cast polyamide 6, MoS2 reinforced cast polyamide 6, and oil imbued

cast polyamide 6 are used in experiments. Sound pressure level measurements are carried out for 20 N, 40 N and 80 N normal loads and eight different speeds between 0,2-1,6 m/s. It is concluded that sound pressure level generally does not vary with the normal load whereas it slightly increases with the sliding speed in the center frequencies of 1/3 octave bands. The coefficient of friction increases with increasing sliding speed. In the cases where the coefficient of friction is relatively high, friction induced vibration has a significant effect on the increase of sound pressure level. Moreover, it was found that increasing surface roughness and normal load, decreases the coefficient of friction. Generally, for unreinforced materials in low surface roughness, it can be concluded that, high frequency sound pressure level increases with sliding distance.

1. GİRİŞ

Polimerler günümüzün, çok hızlı gelişen ve kullanım alanı genişleyen malzemelerindendir. Oyuncaklardan ev ürünlerine, elektronik parçalardan makina elemanlarına kadar geniş ürün yelpazesinde kullanılmaktadırlar. Yakın zamanda polimerlerin, konstrüksiyon ve imalatta alternatif malzemelere tercih edilmesinin nedenleri hafiflik, esneklik, korozyona ve kimyasal etkilere dayanıklılık, kolay biçimlendirilebilme, maliyet düşüklüğü, bakım masrafları azlığı, çeşitli renklerde elde edilebilme vb. avantajlarıdır. Ayrıca bu malzemeler cam, karbon, aramid gibi liflerle kuvvetlendirilerek mekanik ve fiziksel özellikleri çok büyük oranda iyileştirilebilmektedir. Nispeten düşük dayanım ve kötü termal özellikler ise polimerlerin başlıca dezavantajları arasında sayılabilir.

Polimer, modern bir buluş olarak düşünülse de gerçekte doğal polimerler hep mevcuttu. İlk yapay polimer 1862’de A.Parkers tarafından sunulan selüloz nitrattır. I. Dünya Savaşı sırasında Alman kimyacılar tarafından suni kauçuk keşfedilmiştir. II. Dünya Savaşı’na kadar aralıklı olarak gelişen polimer malzemeleri ve bilimi, savaş sırasında ve özellikle 1950’den sonra hızla gelişimini sürdürmüştür.

Polimer endüstrisinin ekonomik gelişime katkısına bir bakış tarzı, polimer malzeme kullanımı büyüme oranıyla gayrisafi milli hasıla (GSMH) arasındaki ilişkiyi incelemektir. Polimer tüketimi artışı özellikle gelişmekte olan ülkelerde GSMH’daki artışı büyük oranda geçmiştir. Bunun en önemli sebebi, gelişmekte olan pazarlarda polimer malzemeye dayalı ürün ve hizmetlere olan tüketici talebinin artmasıyken diğer bir sebep de üretim ve işleme teknolojisindeki gelişmeyle birlikte polimerlerin geleneksel malzemelerin yerini almasıdır. Şekil 1.1’de Türkiye’nin de yer aldığı bir grup ülke için 1970–1997 yılları arasında polimer tüketiminin GSMH ile karşılaştırılması görülmektedir.

Makina elemanlarında polimer kullanım alanları arasında kaymalı yatak, dişli çark, takım tezgahlarının kızakları sayılabilir. Uygun konstrüksiyonla büyük güç ve

zorlanmaların olmadığı, nispeten düşük basınç ve hızların mevcut olduğu, dar bir sıcaklık aralığında çalışan sistemlerde polimerler yaygın olarak kullanılmaktadır. Hem endüstrideki kullanım alanının genişlemesi, hem de günümüzde gürültü kontrolünün öneminin artmasıyla, polimerlerin gürültü karakteristiklerinin ortaya konması önemli bir konu haline gelmiştir. Sunulan çalışmada, polimer malzemeler için yüzey pürüzlülüğünün sürtünme kaynaklı gürültüye etkisi deneysel olarak incelenmiş; çelik-polimer temas durumu için, kuru sürtünme halinde farklı hız ve yüklerde deneyler gerçekleştirilmiştir.

Şekil 1.1: 1970–1997 Yılları Arasında Polimer Tüketimi ve GSMH’daki Artışın Karşılaştırılması

Çalışmanın ilk kısmında literatürde konuyla ilgili yapılan araştırmaların özeti yer almaktadır. İkinci bölümde kısaca polimer malzemelere değinilmiş, deneylerde kullanılanlar ayrıntılı açıklanmıştır. Bölüm 3 ve 4’te sırasıyla sürtünme ve sürtünme kaynaklı gürültünün oluşumu üzerinde durulmuştur. Bölüm 5’te deney tesisatı ve deneyler, son bölümde ise sonuçlar ve değerlendirmeler yer almaktadır.

1.1 Literatür Özeti

Literatürde, sürtünme kaynaklı gürültüyü inceleyen birçok çalışma mevcuttur. Bunlardan ilki, 1979’da Yokoi ve Nakai tarafından kuru sürtünme halinde sürtünme

sonucunda sürtünme kaynaklı gürültü iki sınıfa ayrılmıştır: Kayma yüzeyleri arasındaki sürtünme kuvvetlerinin nispeten düşük olduğu sürtme gürültüsü ve bu kuvvetlerin yüksek ve ses basınç düzeyinin (SPL) 20-30 dB daha fazla olduğu yüksek frekanslı gürültü [1]. Yüzey pürüzlülüğünün sürtünme kaynaklı gürültüye etkisini ilk olarak inceleyen, yine Yokoi ve Nakai’dir [2,3]. Kuru sürtünme halinde, çelik bir çubuğun dönen çelik diske radyal yönde bastırılması sonucu ortaya çıkan sürtünme kaynaklı gürültüyü deneysel ve teorik olarak incelemişlerdir. Buna göre rastgele yüzey pürüzlülüğünün sürtünme kaynaklı gürültü ile titreşim üzerine etkisi ve sürtünme kaynaklı gürültü seviyesi ile çubuğun yanal ivmesi arasındaki ilişki araştırılmıştır. Artan yüzey pürüzlülüğü ve disk dönüş hızının, ses basınç düzeyinde artışa ve temas kaybına yol açtığı ortaya konulmuştur. Tanımlanan bir dönüşüm oranıyla da kolayca ölçülebilen ivmenden, ses basınç düzeyi tahmininin mümkün olduğu belirtilmiştir [3].

Sürtünme kaynaklı gürültüyle ilgili eski çalışmaların bir çoğunun konusu da tren ray ve tekerleklerinin oluşturduğu gürültüdür. 1975’ten beri Remington ve 1990’dan beri Thompson tren rayı ve tekerlekleri arasındaki yüzey pürüzlülüğünün yuvarlanma gürültüsü ile ilişkisini incelemişler; aralarındaki doğrusal ilişkiyi irdelemişlerdir [4]. Othman, Elkhoy ve Seireg bir sivri ucun (stylus) farklı yüzey pürüzlülüklerindeki çelik, alüminyum ve pirinç malzemeyle teması sonucunda oluşan gürültü üzerine çalışmışlardır. Çalışmalarının amacı, ortalama yüzey pürüzlülüğü ile sürtünme kaynaklı gürültünün, farklı temas yüklerindeki ilişkisini açıklamaktır. Deneyler sonucunda filtrelenmiş ses sinyali belirli bir frekansta maksimum seviyeye ulaşmıştır. Bu frekansa baskın frekans adı verilir ve bu frekans, verilen bir malzeme için yüzey pürüzlülüğü ve yükten bağımsızdır. Baskın frekansın büyüklüğünün, malzemedeki ses hızı ile doğru orantılı olduğu ortaya konulmuştur. Ayrıca test edilen malzemeler için ses basınç düzeyinin, yüzey pürüzlülüğü ölçmede kullanılabilineceği belirtilmiştir [5,6].

Stoimenov, Maruyama ve diğerleri kuru sürtünme halindeki iki düzlem yüzeyin yüzey pürüzlülüklerinin, düşük frekanslı, sürtünme kaynaklı gürültüye etkisini incelemişlerdir. Çalışmada, aynı pürüzlülükteki iki dikdörtgen kesitli paslanmaz çelik levhanın kuru sürtünmesi sonucu ses meydana getirilmiştir. Ses spektrumunun

konulmuştur. Buna göre yüzey pürüzlülüğü arttıkça baskın frekans büyüklüğü azalmakta ve yüksek pürüzlülüklerde frekans, levhanın birinci eğilme doğal frekansına yaklaşmaktadır [7].

Literatürdeki araştırmalarda kullanılan malzemeler büyük çoğunlukla metallerdir. Polimerlerin sürtünme karakteristikleri ile yapılan çalışmalardan biri ise Eiss ve Hanchi tarafından yapılmıştır. Bu araştırmanın amacı, otomobil kabinlerindeki parçalarda sıkça kullanılan farklı polimer çiftlerinin sürtünme karakteristiklerini belirlemektir. Bu amaçla statik ve dinamik sürtünme, normal yük, sistem rijitliği ve yüzey pürüzlülüğünün bir fonksiyonu olarak ölçülmüştür. Sürtünme, statik sürtünme katsayısı değeri ve kayma sırasındaki tutma-bırakma çevrimi sayısı ile karakterize edilmiştir. Sonuç olarak, FPP/PC ve FPP/SMAC çiftlerinin diğer çiftlerden (eş çiftler- FPP/FPP, PC/PC ve SMAC/SMAC) daha az tutma-bırakma çevrimi meydana getirdikleri gösterilmiştir. En düşük ortalama pürüz yarıçapına sahip yüzey yapısının, en düşük statik sürtünme katsayısına sahip olması ve normal yük iki katına çıkarıldığında, statik sürtünme katsayısındaki azalmanın en büyük olduğu durumun yine en düşük ortalama pürüz yarıçapına sahip yüzey olması çalışmanın diğer sonuçlarındandır [8].

Yapılan literatür çalışması sonucunda, yüzey pürüzlülüğünün sürtünme kaynaklı gürültü üzerindeki etkisini inceleyen araştırmaların hemen hepsinde metallerin kullanıldığı görülmüştür. Polimer malzemelerin teknikte kullanımının artması ve literatürde bu konudaki eksiklik göz önüne alınarak bu çalışmada, yüzey pürüzlülüğünün, polimerlerin sürtünme kaynaklı gürültüsü üzerindeki etkisi deneysel olarak incelenmiş; bu alandaki tasarım ve uygulamalarda, çalışmanın gerekli veri tabanına yardımcı olması amaçlanmıştır. Deneylerde PA 6, döküm PA 6, MoS2

katkılı döküm PA 6 ve yağ emdirilmiş döküm PA 6, farklı yüzey pürüzlülüklerine sahip çelik diske karşı kuru sürtünme temasında, farklı kayma hızı ve normal kuvvetler için SPL ve sürtünme katsayısındaki değişimleri ölçülmüştür. Ayrıca kayma mesafesi ile SPL değerine, yüzey pürüzlülüğünün etkisini gözlemlemek için bir pv limit değeri seçilerek, 2000 m kayma mesafesi boyunca belirli aralıklarla SPL-frekans değişimleri kaydedilmiştir.

2. POLİMERLERİN GENEL ÖZELLİKLERİ

Polimer malzemeler, molekül yapısına ve bağ mekanizmasına bağlı olarak termoplastikler, termosetler ve elastomerler şeklinde üçe ayrılırlar. En büyük grubu termoplastikler oluşturur. Termoplastikler genel olarak sünektirler ve kırılmadan önce plastik şekil değiştirirler. Isıtıldıklarında, moleküller arası kuvvetler zayıflar ve malzeme tekrar şekillendirilebilecek hale kadar yumuşar. Gerilmeye maruz kaldıklarında, hem elastik olarak şekil değiştirir hem de viskoz olarak akarlar. Yük kaldıktan sonra malzemedeki bağlar ilk haline dönmeye çalışacak ve zamana bağlı bir toparlanma gerçekleşecektir. Termoplastiklerin mekanik özellikleri önemli ölçüde yükleme süresine, yükleme hızına ve sıcaklığa bağlıdır (Şekil 2.1) [10].

Şekil 2.1: PA 6’nın Farklı Sıcaklıklardaki Gerilme-Şekil Değiştirme Eğrileri [10]

Termosetlerde, molekül zincirleri düzensiz bir dağılım gösterir. Bu grup polimerler sıcaklıkla ve basınçla yumuşamazlar ya da akmazlar; yüksek sıcaklıkta kömürleşirler. Tekrar tekrar ısıtılıp şekil verilemezler. Sert ve gevrektirler; plastik

şekil değişimi olmadan hasara uğrarlar. Bunun sebebi yoğun çapraz bağların şekil değişimini kısıtlamasıdır.

Elastomerler doğal ya da sentetik olarak bulunan lastiğimsi maddelerdir. Düşük oranda çapraz bağ oluştururlar ve molekül zincirleri gelişigüzel bir diziliş gösterir. Yük uygulandığında, çok yüksek oranda elastik şekil değişimi gösterirler. Çapraz bağlar çok yüksek sıcaklıkta parçalanır; ancak sıcaklık düştüğünde tekrar bağ oluşumu mümkün değildir. Bu nedenle elastomerler ne erir ne de çözünürler. Polimerlerin mekanik davranışını yükleme hızı ve sıcaklık etkilemektedir. Yükleme hızına bağımlılık, polimerlerin viskoelastik olmasından kaynaklanmaktadır. Hızlı artan yük altında şekil değiştirmesi kısıtlı bir polimer, yavaş artan yükle önemli miktarda şekil değiştirebilir. Aynı şekilde, yüksek sıcaklıkta viskoz davranış gösteren bir polimer, düşük sıcaklıkta gevrek ve rijit olabilmektedir. Sıcaklığın, elastiklik modülüne etkisi büyüktür. Camsı hale geçiş sıcaklığı (Tg) altında polimerler, cam

gibi rijit ve gevrek, üstünde ise ne cam kadar sağlam ve rijit, ne de kırılgandır.

2.1 Poliamidler ve Uygulama Alanları

DuPont firması tarafından geliştirilmiş ve ticari ismi naylon olan poliamidler ilk mühendislik plastiğidir. Kristalin bir polimer olan poliamid kalıplama, ekstrüzyon, çözelti, kaplama ve döküm yoluyla şekillendirilebilir. Poliamid granülleri elyaf takviyeler ve çeşitli dolgu malzemeleri ile mekanik özellikler bakımından iyileştirilebilir. Genelde bu malzemelerin çok iyi yorulma mukavemeti, iyi sürünme mukavemeti, düşük sürtünme katsayısı ve iyi aşınma direnci, oldukça iyi darbe mukavemeti, iyi kimyasal dirençleri ve elektriksel özellikleri vardır. Su emme özelliğinin yüksek olması ise dezavantajdır. Su emme sonucunda gevrek haldeki polimer büyük ölçüde darbe sünekliği kazanırken, mukavemet ve elastiklik modülü düşer. İyi mekanik ve tribolojik özelliklere sahip poliamid, dişli çark, kam, makara, kaymalı yatak, rulmanlı yatak kafesleri, kızak gibi elemanların imalinde kullanılır. Çalışmada kullanılan poliamidlerin genel özellikleri ve kullanım yerleri aşağıda açıklanmaktadır.

2.1.1 Poliamid 6

PA 6 nem aktivitesi düşük, döküm yöntemiyle de imal edilebilen sentetik bir termoplastik olup, naylon türlerinin içinde mekanik ve fiziksel özellikleri açısından en iyi olanıdır. Molekül ağırlığı ve yapısından dolayı darbe dayanımı yüksek olup aşınma ve darbe dayanımının çok yüksek, nem aktivitesinin düşük olması gereken uygulamalarda tercih edilir.

Malzeme çiftinin yüzey pürüzlülüğü ve sertlik değeri, temas yolunun uzunluğu, uygulanan basınç, sürtünen yüzeylerin sıcaklığı ve yağlama durumu PA 6’nın sürtünme katsayısı ve aşınma miktarını etkileyen ana faktörlerdir. PA 6 malzemesi dişli, yatak, birleştirme parçaları, aşınma plakaları, silindirler vb. parçaların yapımına uygundur. Düşük ve normal kayma hızlarında toz, kum vb. bulunan aşındırıcı ortamlarda, bu polimerin çalışma ömrü, çelik, dökme demir ve bronzdan 2-10 kat fazladır. Aynı zamanda PA 6, zayıf asidik ve bazik kimyasallara ve organik çözücülere dayanıklıdır.

İyi mekanik özellikleriyle PA 6, birçok sanayi dalında kullanılmaktadır. Bunlar arasında makina konstürksiyonu, inşaat makinaları, mekanik ve elle taşıma, paketleme ve doldurma üniteleri, otomotiv sanayi, elektrik sanayi, tekstil makinaları, gemi imalatı, tıbbi cihazlar, madencilik ve gıda sanayi sayılabilir. Bu sanayi kollarında çeşitli silindirler, ip gericiler, ip olukları, kılavuz ve burçlu kaymalı yataklar, yatak segmanları, mil dirsekleri, alın ve konik dişli çarklar, sonsuz vida yatakları, seramik ve beton kalıplar, elektrik prizleri, bobin vb. yapımında kullanılırlar.

2.1.2 Döküm poliamid 6

Yüksek elastiklik modülü, iyi kimyasal dayanım, iyi aşınma dayanımı, yüksek erime sıcaklığı, hafiflik, iyi abrazyon direnci, kavitasyon dayanımı, ses ve titreşim sönümleme gibi özellikleri nedeniyle çok geniş bir uygulama alanına sahiptir. Mekanik ve kimyasal özelliklerinin yanı sıra üretim tekniği de döküm poliamidin tercih edilme nedeni olarak düşünülebilir. Döküm PA 6 parçaların mukavemetleri, enjeksiyon ve ekstrüzyon ile üretilen diğer poliamid parçalara göre çok daha üstündür.

Transportta ve endüstri uygulamalarında geniş ölçüde kullanılan döküm PA 6’dan teknelerin itki pervanelerinde ve dümenlerinde, boru bağlantılarında sızdırmazlık elemanı, konteyner ve mobil vinçlerde kasnak olarak yararlanılır.

2.1.3 Takviye, dolgu ve ilave maddeler

Polimerlerin fiziksel ve mekanik özelliklerini değiştirmek veya iyileştirmek için birçok madde polimere katılabilir. Katkı malzemesi olarak başka polimer reçineleri, cam ve karbon elyafları, dolgu malzemeleri, yumuşatıcılar, stabilizörler, yağlayıcı ve renk verici maddeler kullanılır. Bu çalışmada, PA 6’nın gürültü karakteristiği üzerinde katkının etkisinin incelenmesi için yağ emdirilmiş döküm PA 6 ve MoS2

katkılı döküm PA 6 kullanılmıştır.

Döküm PA 6’nın iyi kayma ve aşınma özellikleri, mekanik özelliklerinde önemli bir değişiklik yapmadan yağ, katı yağlayıcılar ve stabilizörlerle geliştirilmiştir. Mühendislik poliamidleri arasında en yüksek aşınma direncine sahip olması (özellikle kayma uygulamalarında 5 kata kadar yüksek aşınma direnci), kuru sürtünme halinde düşük sürtünme katsayısı, düşük nem alma ve daha iyi boyutsal kararlılık, yağ emdirilmiş döküm PA 6 ‘nın, normal döküm PA 6’ya üstünlükleridir. PA 6’nın metal yüzeyle kayma temasında tutma-bırakma hareketi görülmektedir. Yağ katkısının, PA 6’nın tutma-bırakma davranışını iyileştirdiğinden söz edilebilir [9].

Tozlu, kirli ortamlarda ve düşük-orta hızlar arasında, yağ emdirilmiş döküm PA 6, dökme demir, çelik ve bronzdan daha iyi aşınma ve abrazyon direncine sahiptir. MoS2 katkısı, aşınma hızını azaltır; pv limitini ve kristallinite derecesini arttırır. Bu

şekilde tokluk değerinde önemli bir kayıp olmadan yüksek mukavemetler elde edilir. Yüksek kristallinite derecesiyle yüzey sertliği artırılır; kayma özellikleri geliştirilir [10].

3. SÜRTÜNME

Birbirine değen ve birbirine nazaran kayma veya yuvarlanma hareketi yapan iki fonksiyon yüzeyi arasında, genel olarak bir sürtünme ve aşınma hali vardır. Bunların sayısal değerleri bazen çok küçük olabilir; fakat pratik olarak daima mevcuttur. Sürtünme, çok eski tarihlerden itibaren gözlenen ve azaltılması için tedbirler aranan bir konudur. Her zaman bağıl harekete karşı direnç gösteren sürtünmenin iki işlevi vardır. Bunlar, enerjinin bir yüzeyden diğerine aktarılması ve bağıl harekete karşı direnç yaratılarak enerji kaybına sebep olunmasıdır. Bu iki işlev, çoğunlukla bir arada meydana gelmektedir.

Sürtünme genel olarak kayma ve yuvarlanma sürtünmesi şeklinde ikiye ayrılır. Kayma halindeki sürtünme ise teorik ve pratik anlamda kuru, sınır ve film sürtünmesi olarak sınıflandırılabilir. Kuru sürtünme hali için değişik teoriler öne sürülmüştür. Amontons (1699) ve Coulomb (1785) kanunları en eskilerindendir. Sürtünme, yüzeylerdeki pürüz tepelerinin birbirine takılmasından doğan direnç olarak tarif edilmiş, fakat sürtünmedeki enerji kaybı ve çok iyi işlenmiş yüzeylerdeki sürtünme artışı açıklanamamıştır. Bu kanunlar temel olarak, sürtünme kuvvetinin normal kuvvetle orantılı olduğunu, kayma yüzeyleri arasındaki temas alanından bağımsız olduğunu ve statik sürtünme katsayısının, kinetik sürtünme katsayısından büyük olduğunu belirtmektedir. Polimerlerde ise durum daha karmaşık olup sürtünme kuvveti kayma hızı, sıcaklık ve zaman gibi faktörlerden etkilenmektedir [11].

Son yıllarda üzerinde en fazla durulan ve deney sonuçlarıyla da iyi bir uyum sağlayan sürtünme teorisi “Kaynama-kesme-sürme” teorisidir. İngiliz bilim adamlarından Bowden ve Tabor (1968), sürtünmenin meydana gelmesinde en büyük etkenin yüzeylerin birbirine değen tepeciklerindeki adheziv ve koheziv bağlar olduğunu, bunlara ek olarak tepeciklerdeki deformasyonların da direnci arttırıcı etkide bulunduğunu ileri sürmüşlerdir.

Polimerlerde sürtünme hali için de bu teori geçerlidir. Bir katı cismin yüzeyi elektron mikroskobuyla incelendiğinde gerçek temas alanının görünen temas alanından oldukça küçük olduğu ortaya çıkmaktadır.

Şekil 3.1: Temas Yüzeyinin Yapısı

Şekil 3.1’de görüldüğü gibi a1, a2 gibi çok küçük temas alanları, FN normal

kuvvetinin altında birbirine yapışır ve A ile B yüzeyleri arasındaki bağıl kayma hareketi sadece bu bağın kopmasıyla mümkün olur. Buna göre, sürtünme dayanımı kesme kuvvetleri (FA) ve deformasyona dayanımın (FD) toplamıdır:

FS = FA + FD (3.1)

Gerçekte, deformasyon bileşeni, adhezyon bileşeninden çok küçük olduğundan ihmal edilebilir. O halde sürtünme kuvveti Denklem 3.2’deki hali alır.

FS = Agerçek .τ (3.2)

Burada A, gerçek temas alanı ve

τ

m N gerçek K F

A = ⋅ (3.3)

K ve m malzemeye bağlı sabitlerdir. Hertz teorisi ve Meyer teorisiyle bu sabitler bulunup değme alanı teorik olarak hesaplanabilir [12].

Elastomerler ve camsı hale geçiş sıcaklığı üzerinde bulunan polimerler, rijit malzemenin kaba pürüz tepecikleri üzerinde şekil değiştirerek bunları çevresel olarak

gelen gerilme, uzama, kopma ve relaksasyon çevrimi esnasında oluşan moleküler bağlarla açıklanabilir. Deformasyon bileşeni ise elastomerin bir pürüz tepesi etrafında şekil değiştirdikten sonra, belli bir süre içinde eski hale gelmesi sonucu ortaya çıkar. Malzemenin, elastiklikle birlikte viskoz bir davranış da gösterdiği dikkate alındığında asimetrik bir basınç dağılımı ortaya çıkar. Buna genellikle sürtünmenin histerezis bileşeni denir. Bu yüzden;

Fdeformasyon = FHis (3.4)

FS= FA +FHis (3.5)

Şekil 3.2: Elastomerin Rijit Karşı Yüzeyle Temas Durumu

Adhezyon, Şekil 3.2’de görüldüğü gibi bir yüzey etkisi olmasına karşın histerezis, elastomerin viskoelastik özelliklerine bağlı hacimsel bir olaydır.

3.1 Polimer Malzemelerde Sürtünmeye Etki Eden Faktörler

Polimer malzemelerin sürtünme özelliklerini belirleyen parametreler arasında malzemenin iç yapısı, izafi kayma hızı, normal kuvvet, sıcaklık, yüzey pürüzlülüğü, nem, karşı yüzey malzemesi vb. sayılabilir. Aşağıda bu parametrelerden bazılarının etkisi açıklanmaya çalışılmıştır.

3.1.1 İç yapı

Kaynama-kesme teorisinde, sürtünme direncinin, gerçek temas alanındaki kaynayan pürüz tepeciklerini kesme için gerekli kuvvete eşit olduğu belirtilmektedir. Şekil 3.3’te PE ve çelik kullanılarak oluşturulan katı yüzey temasının mikroskobik görünüşü verilmiştir. Bu durumda izafi kayma, A ve B molekülleri arasında gerçekleşir. Bunun sebebi, PE malzemesinin A molekülü ile çelik arasındaki kayma direncinin, PE moleküllerinin kendi aralarındaki kayma direncinden yüksek olmasıdır. Dolayısıyla sürtünme kuvveti, moleküler bağ enerjisine eşittir.

Şekil 3.3: Molekül Zincirleri Arasındaki Kayma Modeli

İç yapının sürtünme karakteristiğine etkisi moleküler ağırlık, kristalizasyon, moleküler zincir dizilişinin yönü gibi başka etkenleri de içerir.

3.1.2 Kayma hızı

Polimerlerde sürtünme katsayısı ve kayma hızı arasındaki ilişkiyi açıklamak zordur. Bunun sebebi artan kayma hızıyla birlikte artan sıcaklığın sürtünmede etkili olmasıdır. Özellikle camsı hale geçiş sıcaklığında süreksizlikler ortaya çıkar. Şekil 3.4’te PA 6 ile metal teması sonucu farklı sıcaklıklarda kayma hızı ve sürtünme katsayısı arasındaki ilişki görülmektedir [12].

Şekil 3.4: PA 6 için Sürtünme Katsayısı-Kayma Hızı İlişkisi [12]

3.1.3 Normal kuvvet

Meyer kanunu ve Hertz kanunu, kuru sürtünme halinde normal kuvvetin sürtünme katsayısına etkisini ortaya koymuştur. Buna göre, çeşitli temas halleri ve elastiklikler için sürtünme katsayısının FN0 ~ FN-1/3 ile orantılı olduğu belirtilmiştir. Dolayısıyla

normal yükteki artışla birlikte sürtünme katsayısında bir miktar düşüş meydana gelmektedir. Çeşitli polimerler için bu ilişki, Şekil 3.5’te verilmektedir.

Şekil 3.5: Sürtünme Katsayısının Temas Yükü ile Değişimi (Çelik Teması, A: PMMA, B:PVC, C:PE, D:PTFE)

3.1.4 Sıcaklık

İki yüzey arasında sürekli kayma olduğunda sürtünme ısısı meydana gelir. Açığa çıkan ısı pvµA (µ: Sürtünme katsayısı, A: Temas alanı) olup yüzey basıncı p ve kayma hızı v arttığında sıcaklık da büyük ölçüde artar. Polimerlerin dayanabilecekleri sıcaklık değeri metallerinkinden çok daha küçük olduğu için sıcaklık arttıkça kayma hareketi sürekli devam edemez. Polimerin normal kayma hareketine devam edemediği en küçük pv değerine “sınır pv değeri” denir. Bu değer,

malzemeye göre farklılık gösterir. Şekil 3.6’da PA/PA ve PA/çelik temasları için sınır pv eğrileri verilmiştir [12].

Şekil 3.6: pv Koordinatlarında Poliamidin Erime Sınırı [12]

Genel olarak, sıcaklıktaki artış elastiklik modülünün düşmesine sebep olur ve gerçek temas alanı artar; sonuç olarak sürtünme direnci artar. Öte yandan, sıcaklıktaki artışa bağlı olarak polimerin kayma mukavemeti ve sürtünme direnci düşebilir. Bu sebeple, polimerlerde sürtünme katsayısının sıcaklığa bağımlılığında, artan sıcaklık ile kayma mukavemetinin düşüşü, elastiklik modülünün azalmasıyla gerçek temas alanında meydana gelen artış ile birlikte incelenmelidir. Bununla birlikte, kayma mukavemeti ve sıcaklık ile elastiklik modülü ve sıcaklık arasındaki değişim doğrusal değildir. Erime ve camsı hale geçiş sıcaklığı bölgelerinde bu değişimler daha karmaşık ve süreksiz yapıdadır. Dolayısıyla, polimer malzemelerin sürtünmesinde sıcaklığın etkisini kesin olarak ortaya koymak mümkün değildir. Şekil 3.7, PA 6’da sürtünme katsayısı ve sıcaklık arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Şekilde, sürtünme katsayısı malzemenin erime noktasına yakın bir yerde en yüksek değerine ulaşmaktadır.

3.1.5 Yüzey pürüzlülüğü

Polimerlerde yüzey pürüzlülüğünün sürtünme üzerindeki etkisi incelenirken, aşınma özellikleri de göz önüne alınmalıdır. Metal karşı yüzey temaslarında, artan yüzey pürüzlülüğü, polimerlerin abraziv aşınmasına sebep olur. Karşı yüzey pürüzlülüğünün, metal pürüzlerinin aşınan polimer malzeme tarafından doldurulması sonucu sürtünmeyi etkilediği düşünülmektedir. Özellikle düşük ve normal kayma hızlarında yüzey pürüzlülük değeri arttığında, sürtünme katsayısında bir miktar azalma görülür. Bunun sebebi, polimer malzemenin aşınarak pürüz boşluklarını doldurmasıdır. Yüksek hızlarda ise yüzey pürüzlülüğü ile birlikte sürtünme katsayısında artış meydana gelir. Sürtünmedeki bu artış, eriyen polimerin karşı yüzey ve numuneyi ayırarak oluşturduğu hidrodinamik model ile tutarlıdır. Şekil 3.8’de UHMWPE malzemesinde, çeşitli hızlarda, yüzey pürüzlülüğünün sürtünme katsayısına etkisi görülmektedir [13].

4. SÜRTÜNME KAYNAKLI GÜRÜLTÜ

İki yüzeyin yük altında, izafi kayma hareketi sonucu oluşturduğu ses ve titreşim eski çağlardan beri bilinen bir olgudur. Bundan 3500 sene önce Sümerler’in yük arabalarındaki frenlerden gelen ses ilk örneklerden sayılabilir. Gürültü terimi çoğu durumda, istenmeyen ses anlamında kullanılır. Çeşitli müzik elemanları sürtünme kaynaklı gürültü prensibi ile geliştirilmiştir. Telli çalgılarda, başka bir yüzeyle sürtünme sonucu doğal frekanslarında titreşim yapan teller, belirli tonlarda ses oluşumuna neden olmaktadır [14]. Sürtünme kaynaklı gürültüye günlük hayatımızda sıkça rastlanır. Makinalarda ve hareketli yüzeylerdeki gürültünün ana sebeplerinden biri sürtünmedir. Otomobil iç kabinlerindeki 1 kHz ile 10 kHz arasındaki gürültüler, kapı menteşelerinden gelen ses, parke yüzeyde ayakkabıların çıkardığı sesler, karda yürürken çıkan ses, tebeşirle tahtaya yazarken çıkan ses, uçak ve otomobil fren disklerinden, tren ray ve tekerleklerinden gelen gürültüler, kayış-kasnak mekanizmalarından kaynaklanan gürültüler ve daha birçok rahatsız edici ses sürtünme kaynaklı gürültüye örnek olarak verilebilir [15]. Gürültünün faydalı olduğu yerler ise telli çalgılar ve kestirimci bakım çalışmalarıdır. Makina parçalarından gelen gürültü seviyesi, çatlak oluşumunun habercisi olabilir ve bu şekilde hasar ilk aşamalarda tespit edilebilmektedir.

Sürtünmeden kaynaklanan gürültünün sebepleri, temas eden malzemelerin özellikleri, parçaların yüzey geometrisi, temas yüzeyinin sürtünme özelliklerinin zamanla değişmesi, temas alanı ve kuvvetinin değişmesi, form toleransları, hatalı imalat ve montaj vb. olabilir. Bu faktörler, sistemi ayrı ayrı etkileyebileceği gibi bir arada da bulunabilirler [15]. Sürtünme kaynaklı gürültünün oluşum mekanizması iki grupta toplanabilir. Bu mekanizmalardan ilki pürüz tepeciklerinin etkileşimiyle ortaya çıkan yüzey dalgalarının oluşturduğu sürtme gürültüsü, ikincisi ise sürtünme sonucu kendi kendini ikaz eden titreşimlerden meydana gelen gürültüdür [1].

4.1 Sürtme Gürültüsü

Sürtme gürültüsü, kayma yüzeyleri arasındaki sürtünme kuvvetlerinin nispeten düşük olduğu durumlarda oluşur. Bu tür gürültüde, filtrelenmiş ses sinyali belirli bir frekansta maksimum seviyeye ulaşır. Bu frekansa baskın frekans adı verilir ve bu frekans verilen bir malzeme için yüzey pürüzlülüğü ve yükten bağımsızdır. Temas kuvveti ve yüzey pürüzlülüğündeki değişimler SPL’nin maksimum değerini değiştirmekte, kuvvet arttıkça SPL değeri de artmaktadır. Baskın frekansın büyüklüğü, malzemedeki ses hızı ile doğru orantılıdır. Şekil 4.1’de tungsten karbürün farklı pürüzlülüklerdeki malzemelerle temasında elde edilen SPL spektrumu verilmektedir. Görüldüğü gibi baskın frekanslar her malzeme için farklıdır [5].

Şekil 4.1: Tungsten Karbürün Farklı Malzemelerle Temasında SPL Spektrumu (0,50 N Normal Kuvvet Altında) [5]

4.2 Sürtünme Kaynaklı Titreşimler Sebebiyle Oluşan Gürültü

Bu tip gürültü, kendi kendini ikaz eden titreşimlerin oluşturduğu gürültüdür. Sistemdeki titreşimlerin sürtünme direncine neden olması ve bu yolla hareketin devamı için enerji sağlanması sebebiyle bu titreşimler bu şekilde tanımlanmıştır. Yüksek frekanslı olup sürtünme kuvvetleri büyük olduğu durumlarda ortaya çıkar ve SPL değeri düşük frekanslı sürtme gürültüsünden 20–30 dB fazladır. Temas yüzeylerinde kuru sürtünme sonucu, artan aşınma ve sürtünme katsayısıyla sürtme gürültüsü yüksek frekanslı gürültüye dönüşür [16]. Bu titreşimlerin frekansı, sistemin doğal frekansıyla aynı ya da ona yakındır. Fren titreşimleri, mafsal titreşimleri, parça işlenmesi sırasında meydana gelen titreşimler, tren raylarında oluşan titreşimler kendi kendini ikaz eden titreşim örnekleridir. Bu tip titreşimler, mekanik sistemlerin işleyiş ve performanslarına zarar verici olduğundan istenmeyen titreşimlerdir [11]. Literatürde kendi kendini ikaz eden titreşimleri açıklamada çeşitli mekanizmalardan bahsedilmiştir. Bunlar tutma-bırakma, kilitleme-bırakma mekanizmaları ve negatif hız-sürtünme ilişkisidir.

4.2.1 Tutma-bırakma (stick-slip)

Tutma-bırakma olayı, kuru ya da sınır sürtünme halinde, özellikle hareketin başlangıcında, yani çok küçük hızlarda meydana gelmektedir. Periyodik hareket ve durma çevrimleri içerir. Tutma esnasında izafi kayma hızı sıfırdır ve enerji depolanır. Bırakma anında ise biriken enerji boşalır ve gürültü oluşumuna sebep olur. Tutma-bırakma olayı, temas yüzeyinin sürtünme karakteristikleri ile sistemin toparlanma parametrelerine bağlıdır. Bu olay genelde, statik sürtünmenin kinematik sürtünmeden daha büyük olması ve sürtünme halinde bulunan elemanı harekete geçiren ara elemanın, şekil değiştirme kabiliyetine sahip olmasına bağlıdır. Ara eleman, bir yay olarak düşünülürse, olayı incelemek için Şekil 4.2’deki model oluşturulabilir. Burada A noktası sürekli hareket ederken, B noktası tutma-bırakma çevrimleriyle durma ve ilerleme hareketlerini yapar.

Şekil 4.2: Tutma-Bırakma Modeli

Kayma hızı artarak belli bir kritik değere ulaştığında tutma-bırakma titreşimleri azalarak kaybolmaktadır. Tutma-bırakma olayında testere ağzı şeklinde yer değiştirme-zaman grafiği mevcutken, artan kayma hızı ile birlikte Şekil 4.3’teki gibi sinus eğrisine benzer yer değiştirme-zaman grafiği olan sanki-harmonik titreşimler meydana gelebilir. Bu titreşimlerde hareket, yalnızca kinetik sürtünme kuvvetine bağlı olarak başlar ve devam eder. Kayma hızı arttıkça titreşim genliği artmakta ve kritik bir hızdan sonra da titreşimler yok olmaktadır. [17].

Şekil 4.3: Sanki Harmonik Titreşimler için Yer Değiştirme-Zaman Grafiği [17]

Tutma-bırakma mekanizmasını incelemek için basit bir fiziksel model ele alınsın (Şekil 4.4).

Şekil 4.4: Basitleştirilmiş Fiziksel Model

Tutma-bırakma titreşiminin, herhangi bir V kayma hızı civarında ortaya _B çıkabileceği varsayılsın (Şekil 4.5). Bir serbestlik dereceli titreşim sisteminde, titreşen kütlenin ağırlığı G olsun. Sınır sürtünme halinin geçerli olduğu tribolojik ortamın Maxwell Modeli’nde (bir yay ve viskoz elemandan oluşan sistem), B noktası civarındaki sürtünme katsayısının V hızı ile değişiminin çok küçük titreşim genlikleri için teğet denklemi:

0 B B B µ =µ - q .V ; • B V=V - x (4.1) ile verilsin.

Şekil 4.5: Sürtünme Katsayısının Kayma Hızı ile Değişimi

Şekil 4.4’teki basitleştirilmiş fiziksel model için hareket denklemi Denklem 4.2’dir.

•• •

Eğer bu denkleme sürtünme katsayısı fonksiyonu konur ve denklem düzenlenirse: 0 •• • B B B B r k x +g( -q ) x +g x=g(µ -q .V ) G G (4.3) bulunur. Denklem 4.3 daha da basitleştirilirse:

•• •

1 2 3

x +K x +K x=K (4.4)

şeklinde yazılabilir. Burada K , 1 K ve 2 K , B noktasına göre yazılmış olan 3

denklemdeki sabitlerdir. Sistem için stabilite kontrolü yapılırsa görülür ki, negatif sönüm katsayısı veya q >_B r

G ise titreşim genlikleri bu büyüme ile üstel olarak artmaktadır. Bu demektir ki, incelenen noktadaki sürtünme katsayısının azalış oranı ne kadar fazla ise sistemde tutma-bırakma titreşiminin oluşma eğilimi ve titreşimlerin şiddeti o kadar fazla olacaktır. Bu bakımdan Şekil 4.4’teki A noktası, B noktasından daha kritik bir durum göstermektedir. Pratikte de tutma-bırakma titreşimlerinin meydana geldiği bölge, sınır sürtünmenin küçük kayma hızları durumlarıdır. Tutma-bırakma titreşimlerini önlemek veya şiddetini azaltmak için sistem yaylanma rijitliğini artırmak, daha uygun olarak ise sürtünme katsayısının kayma hızı ile değişim eğilimini azaltmak gerekir. Kuru sürtünme bölgesinde de eğer tribolojik ortamın yaylanma sayısı küçükse, örneğin elastomer yüzeyin katı karşı yüzeyle olan sürtünmesi halinde makroskobik boyutlarda da kuvvetli bir tutma-bırakma sürtünmesi ortaya çıkar. Viskoz sürtünme Şekil 4.4’teki modelde ihmal edildiğinde hareket denklemi Denklem 4.5’teki hali alır.

••

K

G

x +kx=µ .G

g (4.5) Sürtünme katsayısının zamana göre değişimi Şekil 4.6’daki gibi alınmıştır. t=0 anında (B noktası);

s

G x=µ .

k (4.6) olmaktadır. Denklem 4.5’in çözümü:

(

)

şeklindedir. Eğer V ’nin, ortalama izafi kayma hızına nazaran küçük olduğu B

(V <<_B V ) kabul edilirse çözüm fonksiyonu aşağıdaki şekilde basitleştirilebilir: _m

(

)

G

x= µ -µ cosωt+µ

k   (4.8) Burada µSstatik, µKkinetik sürtünme katsayısını göstermekte olup izafi kayma sıfır

olduğu zaman, tutma hali dolayısı ile statik sürtünme katsayısı olacaktır ve bu durum ωt=aπ halinde tekrarlanacaktır. a=1,2,3,... için yukarıdaki denkleme t değeri konulursa Denklem 4.9 elde edilir.

K S

G CY=x=(2µ -µ )

k (4.9)

Şekil 4.6: Tutma-Bırakma Titreşimlerinde Yer Değiştirme-Zaman İlişkisi

Şekil 4.6’da ilk hareket, A noktasında başlasın; bu esnada statik sürtünme katsayısı sisteme etkimektedir. Sürtünme yüzeyinin elastik olarak deformasyonunun zamanla doğrusal olarak arttığı düşünüldüğünde (k sabit), yüzeydeki (ayrılma olmadan) elastik kayma:

S

G x=BX=µ

k (4.10) olacaktır. B noktasına erişildiğinde tam kayma başlayacak ve bu, şekildeki C

S S K S K

G G G

BC=BX-CY=µ - (2.µ -µ ) =(2µ -2µ )

k k k (4.11)

şeklindedir. Buradan, (µS-µ ) ne kadar küçükse tutma-bırakma halinin genliğinin de K

o kadar küçük olacağı görülmektedir. Doğal olarak bu fark sıfır olduğunda, tutma-bırakma titreşimi ortadan kalkar. Yine yaylanma rijitliği k ne kadar büyükse genlik o oranda azalmaktadır.

Polimer malzemelerde ise statik ve kinetik sürtünme katsayısı arasında fark olmasına rağmen, sürtünme kaynaklı titreşimlerin oluşturduğu gürültünün sebebi olarak negatif eğimli sürtünme-hız eğrileri gösterilmiştir. Buna örnek olarak da termoplastiklerde pozitif eğimli sürtünme-hız bölgesinde titreşimlerin olmaması ve elastomerlerdeki yüksek hızlarda oluşan titreşimler gösterilebilir [18]. Sürtünmenin belirsiz bir parametre olması ve sistemin diğer parametreleriyle etkileşim içinde olması sonucu tutma-bırakma mekanizmasını açıklamak güçtür [11].

4.2.2 Kilitleme-bırakma (sprag-slip)

Spurr (1961) tarafından ortaya konulan kilitleme-bırakma teorisine göre kendi kendini ikaz eden titreşimler, sürtünme elemanının kayma yüzeyi ile kilitlenmesi sonucu meydana gelir. Sürtünme kuvveti, izafi kayma hızı olmaksızın, sürtünme elemanının kayma yüzeyiyle birlikte hareket edeceği değere kadar artar (kilitleme). Bu hareketle birlikte sürtünme kuvveti düşer ve kayma elemanıyla sürtünme yüzeyi birbirinden ayrılır (bırakma) ve bu çevrim devam eder [19,20].

İdeal durumdaki iki kayma yüzeyi, birbirine tam olarak oturur ve dönme ekseni temas yüzeyine diktir; fakat parçaların hatalı işlenmesi ve montajı sonucu gerçekte eksen kaçıklıkları söz konusudur. Sistemdeki bu düzensizlikler, üç grupta toplanabilmektedir. Bunlardan ilki, sürtünme elemanının dönme ekseninin tam olarak yatay olmaması, sıfırdan farklı bir açıya sahip olmasıdır. İkinci olarak, disk yüzeyi ile dönme ekseni arasındaki açı 900’den farklıdır. Bu iki açının toplamı atak açısı (θ) olarak adlandırılmaktadır. Üçüncü düzgünsüzlük kaynağı, disk yüzeyinin pürüz tepe ve çukurlarıyla dolu olmasıdır. Bu etki, bazı noktalarda temas kaybına, bazılarında temasa sebep olarak normal kuvvette dalgalanmaları ve θ’da durum değişikliklerini meydana getirir. Disk, saat yönünde döndüğünde atak açısı genelde

900’den küçüktür. Eğer θ, 900’den küçükse disk ve kayma elemanı arasındaki bağıl hareketi engelleyici kuvvetler kilitleme-bırakma olayını meydana getirir. Kilitleme-bırakma olayı ve sonucunda oluşan titreşimler, sürtünme katsayısı sabit olduğunda da ortaya çıkabilmektedir [20].

4.2.3 Negatif hız-sürtünme ilişkisi

Sürtünme kuvveti genelde bir dış kuvvetin oluşturduğu hareketi engelleyici yönde olup, bu durumda sürtünme katsayısı hızdan bağımsız ya da pozitif olarak etkilenmektedir [11]. Bu şekilde sürtünme kuvveti enerji harcanmasına sebep olarak sönüm özelliği ile sürtünme kaynaklı titreşim oluşumunu önleyecektir. Bazı durumlarda, temastaki malzemelere bağlı olarak, kinetik sürtünme katsayısının kayma hızıyla değişimi çeşitli bölgelerde negatif eğime sahiptir. Bu negatif eğimle, sistem kararsız hale gelir ve kendi kendini ikaz eden titreşimler oluşur [19]. Buna rağmen, kendi kendini ikaz eden titreşimler negatif eğimin olmadığı durumlarda da görülmektedir.

5. DENEY TESİSATI ve DENEYLER

5.1 Deney Tesisatının Tanıtılması

Bu çalışma kapsamında, teknikte oldukça yaygın olarak kullanılan poliamid 6 ve türevlerinin çeşitli parametrelere bağlı olarak sürtünme gürültüsü karakteristiği deneysel olarak incelenmiştir. Deneyler, PLINT marka pim-ring deney tesisatında yapılmıştır. Şekil 5.1’de şematik olarak görülen deney tesisatı, akustik oda, motor, kontrol paneli, mikrofon, yükleme kolu ve kuvvet transduserinden oluşmaktadır. Şekil 5.2’de ise deney tesisatının genel görünüşü verilmektedir. Yükleme koluna asılan ağırlıklarla normal kuvvet oluşturulmakta ve böylece numunenin, sabit hızla dönen diske bastırması sağlanmaktadır. Yük kolunun ağırlığı 4,3 N olup hesaplamalarda boş ağırlık olarak göz önüne alınmıştır.

Yükleme Kolu Kuvvet Transduseri Karşı Disk Akustik Oda Numune AC Motor Kontrol ve Gösterge Paneli Mikrofon Spektrum Analizör

Şekil 5.1: Deney Tesisatının Şematik Görünüşü

hassasiyetle ölçmektedir. Bu da yapılan ölçümlerde en fazla ± 0,1 N’luk hataya neden olmaktadır. Sistemde tahrik elemanı olarak dönme hızı 0...800 d/dak arasında ayarlanabilen 0,25 kW gücünde bir AC motor kullanılmıştır. Tahrik mili üzerinden okuma yapabilen bir manyetik takometre ile tahrik milinin ve dolayısı ile karşı diskin dönme hızı, devir/dakika ve alınan yol, devir sayısı olarak kontrol panelinden okunabilmektedir.

Şekil 5.2: Deney Tesisatının Genel Görünüşü

5.2 Deney Numuneleri

Numuneler, 10 mm çapında ve 14 mm uzunluğunda hazırlandıktan sonra temas yüzeyi, diske tam oturacak şekilde, aynı eğrilik yarıçapında işlenmiştir. Numune olarak kullanılan polimerlerin genel özellikleri daha önce Bölüm 2.2’de ayrıntılı olarak incelenmiştir. Deneylerde poliamid 6, döküm PA 6, MoS2 katkılı döküm PA6

ve yağ emdirilmiş döküm PA 6 kullanılmıştır. Bu şekilde PA 6’nın gürültü karakteristiği ortaya konulurken katkının gürültü üzerindeki etkisi de irdelenmiştir. Polimer numuneyle temas edecek karşı yüzey ise farklı yüzey pürüzlülüğüne sahip

pürüzlülüğünün sürtünme kaynaklı gürültüye etkisinin incelenmesi amacıyla beş farklı disk 0,15; 0,30; 0,50; 0,85 ve 1,15 µm ortalama yüzey pürüzlülüğünde (Ra)

işlenmiştir. Disklerin yüzey pürüzlülük değerleri, Mitutoyo marka Surftest SJ-201P model yüzey pürüzlülük ölçüm cihazı ile ölçülmüştür.

5.3 Akustik Oda

Deney tesisatının en önemli elemanlarından biri akustik odadır. Literatürdeki çalışmalarda gürültünün 400 ile 20000 Hz frekansları arasında anlamlı olduğu görülmüştür [5,7]. Oda boyutlarının belirlenmesi için,

f c =

λ (5.1)

bağıntısı kullanılmıştır. Bu bağıntıda λ sesin dalga boyunu (m); c, sesin havadaki hızını (344 m/sn) ve f, frekansı (400 Hz) göstermektedir. Ölçümlerin alınacağı odanın boyutları bu bağıntıya göre, temas noktasına her yönden 85 cm uzaklıkta olacak şekilde belirlenmiştir. Teknikte yalıtım malzemesi olarak cam yünü, taş yünü, yumuşak poliüretan esaslı köpükler, melamin köpüğü, ahşap yünü kullanılabilmektedir. Tablo 5.1’de bu malzemelerin frekanslara göre ses yutma katsayıları verilmiştir. Buna göre, ölçüm odasının içi, anlamlı frekans aralığında ses yutma katsayısı 1’e en yakın malzeme olan cam yünü ile kaplanmıştır.

Tablo 5.1: Akustik Malzeme Ses Yutma Katsayıları

Malzeme Frekanslara göre ses yutma katsayısı (Hz) 125 250 500 1000 2000 4000 Mineral Yünler

(camyünü ve taş yünü) (50 mm kalınlıkta) 0.10 0.60 0.90 1.00 1.00 0.95 Poliüretan yumuşak köpük (50 mm kalınlıkta) 0.08 0.27 0.70 1.07 1.05 1.04 Melamin köpük (50 mm kalınlıkta) 0.15 0.27 0.63 0.91 1.03 1.06 Ahşap Yünü 0,50 0,80 0,90 0,90 0,90 0,90

Şekil 5.3’te, akustik oda içerisinde kullanılan 5 cm kalınlığındaki cam yününün ses yutma karakteristiği görülmektedir.

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Frekans (Hz) S e s Y u tu m K a ts a y ıs ı

Şekil 5.3: Cam Yünü Malzemesinin Ses Yutum Katsayısı-Frekans İlişkisi

Ses ölçümleri ise temas yüzeyinin tam karşısına yerleştirilen B&K 2260 model mikrofon ile yapılmıştır. Bu mikrofonun başlıca kullanım alanları kapsamlı ses ölçümleri, ayrıntılı oktav ve 1/3 oktav bandı analizi, gürültü kontrolü olarak sayılabilir. Oktav bandı, frekans aralığının üst ve alt limitinin aralığa oranının 2 olduğu ses filtre bandıdır. Akustik enerji frekans dağılımının, daha detaylı incelenebilmesi için 1/3 oktav bandı kullanılabilir. Çalışmada ölçümler 1/3 oktav bandında 0,7–70 dB aralığında yapılmıştır.

Deneyler sırasında motordan gelebilecek gürültü ve titreşimlerin, ölçümlere olan etkisinin en aza indirilebilmesi için pim-ring bölümünün akustik odaya dayanan kısmında, ses yutucu esnek bir bağlantı mevcuttur. Akustik odanın motor tarafındaki dış duvarı da yine 5 cm’lik cam yünü ile yalıtılmıştır. Sistem sükunette iken odanın ses basınç düzeyi spektrumu Şekil 5.4’te yer almaktadır. Buradan da görüldüğü gibi geniş bir frekans bandında oldukça düşük ses basınç düzeyi mevcut olup, akustik odanın gürültü yalıtımı uygundur.

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Frekans (Hz) 0 10 20 30 40 50 60 S e s B a s ın ç D ü z e y i (d B )

Şekil 5.4: Sistem Sükunette iken Akustik Odanın Ses Basınç Düzeyi Spektrumu

5.4 Deneylerin Yapılışı

Deneyler, 20°C ortam sıcaklığı ve yaklaşık %60 nem oranındaki laboratuar koşullarında yürütülmüştür. İki grup halinde gerçekleştirilen deneylerdeki parametreler Tablo 5.2’de görülmektedir.

Tablo 5.2: Deney Parametreleri Hız-Kuvvet

Deneyleri Kayma Mesafesi Deneyleri

Normal Kuvvet (N) Kayma Hızı v (m/sn) Alınan Yol (m) pv=1 MPa m/sn

20 0,2 0 40 0,4 188 p=1,65 MPa 80 0,6 377 0,8 565 v=0,6 m/sn 1,0 754 1,2 942 1,4 1131 1,6 1319 1508 1696 1885 2000

İlk grup deneyler, 3 farklı normal kuvvet ve 0,2-1,6 m/sn arasındaki 8 farklı kayma hızında yapılmıştır. Frekansa bağlı olarak anlık ses basınç düzeyi değişimleri alınmış ve aynı anda gösterge panelinden sürtünme kuvveti değeri okunmuştur. Böylece normal kuvvet ve kayma hızına bağlı olarak SPL değerinin yüzey pürüzlülüğü değiştikçe nasıl bir değişim gösterdiği incelenmeye çalışılmıştır. Ayrıca sürtünme katsayısı da aynı anda takip edilerek, bu değişime bir etkisi olup olmadığı araştırılmıştır. Deneylere başlamadan önce her bir kayma hızı için tesisat boşta çalıştırılarak, akustik odada oluşan gürültü seviyesi ölçülmüştür (Şekil 5.5). Deney sonuçlarında, bu gürültü seviyesi arka plan gürültüsü olarak grafiklerde sunulmuştur.

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Frekans (Hz) 0 10 20 30 40 50 60 S e s B a s ın ç D ü z e y i (d B ) 0,2 m/sn , 0,4 m/sn 1,2 m/sn 0,6 m/sn 0,8 m/sn 1,0 m/sn 1,4 m/sn $ . = ? ’ 1,6 m/sn Y

Şekil 5.5: Farklı Hızlardaki Arka Plan SPL Spektrumu

İkinci grup deneylerde farklı yüzey pürüzlülük değerlerinde alınan yol ile SPL değerlerinin nasıl değiştiği incelenmiştir. Polimer malzemelerin çalışma sınırlarını belirleyen en önemli parametre pv limiti yani “basınç x kayma hızı” limitidir. Bu sebeple bu grup deneyler, kullanılan malzemeler için uygun pv limiti esas alınarak yapılmıştır. Yapılan literatür araştırması referans alınarak pv=1 Mpa m/sn değeri seçilmiştir. Deneyler bu pv limitini veren sabit yüzey basıncı ve sabit kayma hız altında gerçekleştirilmiştir. Her bir numune, 2000 m kayma mesafesi süresince farklı pürüzlülük değerine sahip karşı yüzeyle çalıştırılmıştır. Her bir deney öncesinde numune ve disk yüzeyleri karbon tetraklorür ile temizlenerek teknik olarak kuru yüzeyler elde edilmiştir.

6. DENEY SONUÇLARI VE DEĞERLENDİRME

6.1 Deney Sonuçları

Yapılan çalışmada farklı normal kuvvet ve kayma hızlarında ses basınç düzeyinin (SPL) frekansla değişimi, iki boyutlu grafikler halinde verilmiştir. Benzer şekilde her bir yüzey pürüzlülüğü için artan kayma hızı ile ses basınç düzeyinin değişimi sunulmuştur. Sabit bir normal kuvvet ve üç farklı kayma hızı için SPL’nin frekansla değişimi farklı yüzey pürüzlülükleri için görülmektedir. Ayrıca her malzemenin birbiri ile karşılaştırılabilmesi için de 3 farklı yüzey pürüzlülüğünde ses basınç düzeyinin frekansla değişimi grafik olarak mevcuttur. 1/3 oktav bandında ilk üç baskın frekans ve spektrumu karakterize eden iki frekans daha alınarak toplam beş frekans için yine tüm yüzey pürüzlülüklerinde ses basınç düzeyi ve sürtünme katsayısının farklı normal kuvvetler için kayma hızı ile değişimi aynı grafikte verilmiştir. Bu grafiklerde iki düşey eksenden birine ses basınç düzeyi, diğerine de sürtünme katsayısı yerleştirilerek sürtünme katsayısının kayma hızı ile değişimin ses basınç düzeyindeki değişimle ne ölçüde benzerlik gösterdiği incelenmiştir.

Ses basınç düzeyinin frekansla değişimi üzerinde, yolun etkisinin açıklandığı grafikler ise üç yüzey pürüzlülük değeri için sabit pv değerinde (p=1,65 Mpa, v=0,6 m/sn) çizilmiştir. Benzer şekilde, üç yüzey pürüzlülük değeri için sürtünme katsayısının alınan yolla değişimleri grafiklerde verilmiştir.

Şekil A.1-A.3’te PA 6 için sırasıyla Ra=0,15 µm, 0,50 µm ve 1,15 µm yüzey

pürüzlülüklerinde, ses basınç düzeyinin frekansla değişimi görülmektedir. Her şekilde v=0,2 m/sn, v=0,8 m/sn ve v=1,6 m/sn kayma hızlarında 3 grafik, her grafikte de F=20 N, F=40 N ve F=80 N’luk normal kuvvetlerin karşılaştırılması verilmiştir. Şekil A.4-A.6, Şekil A.7-A.9 ve A.10-A.12’de sırasıyla döküm PA 6, MoS2 katkılı

döküm PA 6 ve yağ emdirilmiş döküm PA 6 için benzer eğriler verilmiştir. Şekil A.13’te PA 6’nın 40 N normal kuvvette, farklı kayma hızları için ses basınç