EV TİPİ ÇAMAŞIR MAKİNALARI İÇİN PLASTİK KASNAK KONSTRÜKSİYONU
İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
YÜKSEK LİSANS TEZİ Aslı Gamze DALKILINÇ
Makina Mühendisliği Ana Bilim Dalı Konstrüksiyon Programı
EV TİPİ ÇAMAŞIR MAKİNALARI İÇİN PLASTİK KASNAK KONSTRÜKSİYONU
YÜKSEK LİSANS TEZİ Aslı Gamze DALKILINÇ
503151202
Makina Mühendisliği Ana Bilim Dalı Konstrüksiyon Programı
Tez Danışmanı: Yrd. Doç. Dr. Vedat TEMİZ
ARALIK 2016
iii
İTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü’nün 503151202 numaralı Yüksek Lisans öğrencisi, Aslı Gamze DALKILINÇ ilgili yönetmeliklerin belirlediği gerekli tüm şartları yerine getirdikten sonra hazırladığı “EV TİPİ ÇAMAŞIR MAKİNALARI İÇİN PLASTİK KASNAK KONSTRÜKSİYONU” başlıklı tezini, aşağıda imzaları olan jüri önünde başarı ile sunmuştur.
Tez Danışmanı : Yrd. Doç. Dr. Vedat TEMİZ ... İstanbul Teknik Üniversitesi
Jüri Üyeleri : Yrd. Doç. Dr. Atakan ALTINKAYNAK ... İstanbul Teknik Üniversitesi
Prof. Dr. Özgen ÇOLAK ... Yıldız Teknik Üniversitesi
v
vii
ÖNSÖZ
Bu tez çalışmasını yöneten, derin bilgi birikimleriyle, yapıcı eleştirileri ve önerileriyle katkıda bulunan değerli hocam Sn. Y. Doç. Dr. Vedat Temiz’e; yüksek lisans eğitimim boyunca bana bünyesinde çalışma imkânı veren, İTÜ Makina’da aldığım eğitimimi uygulamaya dökmemi sağlayan ve beni bir mühendis olarak geliştiren Arçelik ailesine teşekkür eder, saygılarımı sunarım.
Hayatım boyunca her konuda maddi ve manevi desteklerini esirgemeyen, her zaman yanımda olduklarını gösteren ve beni cesaretlendiren, daima anlayışlı olan sevgili aileme, eşime ve dostlarıma şükranlarımı sunarım.
Lisans eğitimimi de aldığım İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliği ailesinin bir parçası olmaktan gurur duyuyorum. Mühendislik hayatıma devam ettiğim sürece, İTÜ Makina ismini en iyi yerlere taşıyarak mesleğimi onurla sürdüreceğim.
Kasım 2016 Aslı Gamze Dalkılınç
ix İÇİNDEKİLER Sayfa ÖNSÖZ ………....… vii İÇİNDEKİLER ……….…… ix KISALTMALAR ……….. xi SEMBOLLER ……….……... xiii ÇİZELGE LİSTESİ ……….... xv
ŞEKİL LİSTESİ ……… xvii
ÖZET ………...…...…... xxi SUMMARY ……….………. xxiii 1. GİRİŞ ………...…... 1 1.1 Problem ……….. 3 1.2 Literatür Araştırması ………...…... 3 1.3 Tezin Amacı ………... 9 2. TASARIM ……… 11 2.1 Tasarım Kriterleri ………. 11 2.2 Fizibilite Analizi ……….. 18
2.3 Rakip Ürünlerin İncelenmesi ……….…... 20
2.4 Kayış Hesapları ……… 22
2.5 İlk Tasarım, Analiz ve Testler ………... 26
2.6 Son Tasarım ve Analiz ………. 36
2.7 Teknik Resim ve Montaj İlişkilerinin Belirlenmesi ……….. 48
3. SONUÇ VE ÖNERİLER ………. 53
KAYNAKLAR ………. 57
EKLER ………. 59
xi
KISALTMALAR PA : Polyamide
GF : Glass Fiber (Cam elyaf) PP : Polypropylene
mm : milimetre
CAD : Computer Aided Design (Bilgisayar Destekli Tasarım) MPa : MegaPascal
cm : santimetre TL : Türk Lirası gr : gram
DIN : Deutsches Institut für Normung (Alman Standartlar Enstitüsü) N : Newton
Nm : Newton-metre
CNC : Computer Numerical Control (Bilgisayar Sayımlı Yönetim) 3D : 3 boyutlu
xiii
SEMBOLLER € : Euro
D1 : Tambur kasnak çapı D2 : Motor kasnak çapı a : Merkezler arası mesafe l : Kol uzunluğu
L : Kayış boyu
f : İlk takış gerginliği z : Diş sayısı
A : Kayış kesit alanı
β : Motor kasnağı sarılma açısı α : Tambur kasnağı sarılma açısı n : Tambur kasnağı dönme hızı
V : Tambur kasnağı çizgisel dönme hızı m : Kayışın birim uzunluktaki kütlesi H : Kayış hacmi
G : Kayış ağırlığı ρ : Kayış yoğunluğu
µ : Kayış-Tambur kasnağı sürtünme katsayısı Fo : Statik halde bir koldaki gerilme kuvveti M2 : Motor kasnağındaki moment
M1 : Tambur kasnağındaki moment Ft : Tahrik kuvveti
Fs : Santrifüj kuvvet F1 : Gergin koldaki kuvvet F2 : Gevşek koldaki kuvvet
Ks : Tambur kasnağı için kaymama şartı Km : Tambur kasnağındaki mevcut kayma ̊C : Santigrat derece
xv
ÇİZELGE LİSTESİ
Sayfa
Çizelge 2.1.1 : İstekler listesi. ……….…...… 12
Çizelge 2.2.1 : Malzeme özellikleri. ...………... 19
Çizelge 2.2.2 : Fizibilite analizi. ………...… 19
Çizelge 2.3.1 : Rakip ürünler ve Arçelik’e ait makinaların ve kasnakların özellikleri. ………...……….……... 20
Çizelge 2.4.1 : Sürtünme katsayısı hesabı. . ………...… 25
Çizelge 2.4.2 : Kayış kayma hesabı. ………..… 26
xvii
ŞEKİL LİSTESİ
Sayfa
Şekil 1.1 : Çamaşır makinası tahrik grubu. ……….………… 1
Şekil 1.2 : Çamaşır makinası tahrik grubunun kesit görünüşü.………...….………… 1
Şekil 1.3 : Çamaşır makinası tahrik grubu elemanlarının ayrıntılı görünüşü. ….…… 2
Şekil 1.4 : Düz kayış (a) ve Poly-V kayış (b). ……….… 2
Şekil 1.5 : Kasnağın kısımları. ... 3
Şekil 1.2.1 : Meccanica Generale’nin yaptığı kasnak çalışmasının adımları. …….… 4
Şekil 1.2.2 : Meccanica Generale’nin tasarladığı plastik kasnak……….… 4
Şekil 1.2.3 : Whirlpool’un kasnak tasarımı ………... 5
Şekil 1.2.4. : BSH’ın kanatlı kasnak tasarımı. ………. 5
Şekil 1.2.5 : LG’nin kasnak tasarımı. ……….. 6
Şekil 1.2.6 : Electrolux’ın plastik kasnak tasarımı. ………. 6
Şekil 1.2.7 : Samsung kasnağa ait topoloji optimizasyonu. ……… 7
Şekil 1.2.8 : Samsung’un eski kasnağı (solda) ve yeni kasnağı (sağda). ……… 7
Şekil 1.2.9 : Samsung’un plastik kasnak analizi. ……… 7
Şekil 1.2.10 : Hefei Royalstar’ın yaptığı kanatlı kasnak tasarımı. ……….. 8
Şekil 2.1.1 : Kasnak üzerindeki kritik ölçüler. ………... 13
Şekil 2.1.2.a : Arçelik alüminyum kasnak (CAD). ……… 14
Şekil 2.1.2.b : Arçelik alüminyum kasnak (CAD). ……… 14
Şekil 2.1.3.a : Arçelik alüminyum kasnak. ……… 15
Şekil 2.1.3.b : Arçelik alüminyum kasnak. ……… 15
Şekil 2.1.4.a : Arçelik 2005 plastik kasnak (CAD). ………... 16
Şekil 2.1.4.b : Arçelik 2005 plastik kasnak (CAD). ……….. 16
Şekil 2.1.5.a : Arçelik 2005 plastik kasnak. ………... 17
Şekil 2.1.5.b : Arçelik 2005 plastik kasnak. ………... 17
Şekil 2.3.1 : Candy (solda) ve Samsung (sağda) plastik kasnak.……… 20
Şekil 2.3.2 : Indesit 1200 devir (solda) ve 1000 devir (sağda) plastik kasnak. …..… 21
Şekil 2.3.3 : Hotpoint (solda) ve Electrolux kapalı tasarım (sağda) plastik kasnak. .. 21
Şekil 2.3.4 : Electrolux açık tasarım plastik kasnak. ………...………... 22
Şekil 2.4.1 : Test düzeneği. ……… 23
Şekil 2.4.2 : Test edilen ağırlıklar. ………. 24
Şekil 2.4.3 : Kayış kasnak ölçüm noktaları. ……….. 25
Şekil 2.5.1.a : İlk kasnak tasarımı. ………. 27
Şekil 2.5.1.b : İlk kasnak tasarımı. ………. 27
Şekil 2.5.2.a : İlk kasnak tasarımı prototipi. ……….. 28
Şekil 2.5.2.b : İlk kasnak tasarımı prototipi. ………. 28
Şekil 2.5.3 : Plastik kasnak etüdü. ……….. 29
Şekil 2.5.4 : İlk kasnak için analiz sınır koşulları. ………. 30
Şekil 2.5.5 : İlk kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulanan gerilme analizi. ………...……….…... 31
xviii
Şekil 2.5.6 : İlk kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulanan gerilme
analizi (6 MPa ölçekli). ………...……….….. 31
Şekil 2.5.7 : İlk kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulandığında oluşan bileşke deplasman. ………...……….….. 32
Şekil 2.5.8 : İlk kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulandığında oluşan y yönündeki deplasman. ………...……….…. 32
Şekil 2.5.9 : İlk kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulandığında oluşan z yönündeki deplasman. ………....….. 33
Şekil 2.5.10 : İlk kasnak için kol üstüne 500 N kayış yükü uygulanan gerilme analizi ……….……….… 33
Şekil 2.5.11 : İlk kasnak için kol üstüne 500 N kayış yükü uygulanan gerilme analizi (6 MPa ölçekli). ……….….. 34
Şekil 2.5.12 : İlk kasnak için kol üstüne 500 N kayış yükü uygulandığında oluşan bileşke deplasman. ……….….…. 34
Şekil 2.5.13 : İlk kasnak için göbekten 30 Nm moment uygulandığında oluşan gerilmeler. ………….………... 35
Şekil 2.5.14 : İlk kasnak için göbekten 30 Nm moment uygulandığında oluşan gerilmeler (10 MPa ölçekli). ………..…….. 35
Şekil 2.6.1 : Kasnak tasarımında yapılan değişiklik. ………. 37
Şekil 2.6.2.a : Son kasnak tasarımı. ………... 38
Şekil 2.6.2.b : Son kasnak tasarımı. ………... 39
Şekil 2.6.3.a : Son kasnak tasarımı prototipi. ………..…………...40
Şekil 2.6.3.b : Son kasnak tasarımı prototipi. ………..…………...40
Şekil 2.6.4 : Son kasnak için analiz sınır koşulları (kol üstüne gelen yük). ………... 41
Şekil 2.6.5 : Son kasnak için kol üstüne 500 N kayış yükü uygulanan gerilme analizi. ………...………..… 42
Şekil 2.6.6 : Son kasnak için kol üstüne 500 N kayış yükü uygulanan gerilme analizi (12 MPa ölçekli). ………...…….... 42
Şekil 2.6.7 : Son kasnak için kol üstüne 500 N kayış yükü uygulandığında oluşan bileşke deplasman. ………...……….…. 43
Şekil 2.6.8 : Son kasnak için kol üstüne 500 N kayış yükü uygulandığında oluşan z yönündeki deplasman. ………...……….... 43
Şekil 2.6.9 : Son kasnak için analiz sınır koşulları (kollar arasına gelen yük). …….. 44
Şekil 2.6.10 : Son kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulanan gerilme analizi.…….………....…... 44
Şekil 2.6.11 : Son kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulanan gerilme analizi (12 MPa ölçekli). ………...……….. 45
Şekil 2.6.12 : Son kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulandığında oluşan bileşke deplasman. ……….……….….. 45
Şekil 2.6.13 : Son kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulandığında oluşan z yönündeki deplasman. ……….…... 46
Şekil 2.6.14 : Son kasnak için göbekten 30 Nm moment uygulandığında oluşan gerilmeler. ……….………... 46
Şekil 2.6.15 : Son kasnak için göbekten 30 Nm moment uygulandığında oluşan gerilmeler (12 MPa ölçekli). ……….……….….. 47
Şekil 2.6.16 : Son kasnak için göbekten 30 Nm moment uygulandığında oluşan gerilmeler (Göbeğin ayrıntılı görünüşü). ……….….... 47
Şekil 2.7.1 : Montaj resimleri. ………... 51
Şekil 2.7.2 : Kasnak teknik resmi (8, 9, 10, 11 numaraları montaj ilişkilerinin açıklaması). ………...……….…… 52
xix
Şekil 3.1 : Kol içerisine çapraz feder yapısı uygulaması. ……….. 53 Şekil 3.2 : Kol içerisine uzun feder uygulaması. ……… 54 Şekil 3.3 : Göbekte metal parça uygulaması. ………. 54
xxi
ARÇELİK ÇAMAŞIR MAKİNALARI İÇİN PLASTİK KASNAK TASARIMI ÖZET
Gelişen teknoloji ve artan rekabet, mühendislik firmalarını kendini geliştirmeye zorlamaktadır. Değişen ekonomiye ve piyasalara uyum sağlamak, olası değişikliklere hazırlıklı olmak için, firmalar alternatif üretim yolları ve malzemeler aramaktadır. Özellikle beyaz eşya sektöründe, çok kısa sürede, görsel ve performans açısından geliştirilmiş yeni ürünlerin piyasaya sunulması çok önemlidir. Arçelik’in beyaz eşyalarında kullanılan her bir parça için başlıca hedefler, daha yüksek performans, daha kısa sürede üretim ve daha ucuza mal edilmesidir. Çamaşır makinası üreten firmalar, pazarda kalmak için düzenli olarak piyasayı takip etmek ve kendini geliştirmek zorundadır. Arçelik, rekabetin ve inovasyonun önemini bilen bir firmadır. Arçelik Çamaşır Makinası Arge Departmanında, bu hedeflere ulaşmak için sürekli bir çalışma yürütülmektedir.
Bu projede, Arçelik’in önden yüklemeli kayışla tahrikli çamaşır makinalarında kullanılmak üzere bir plastik kasnak tasarlanmıştır. Arçelik’in mevcut kasnağının malzemesi alüminyum olup, ucuzlatma projesi olarak malzemede alüminyumdan plastiğe geçilmesi ve şirketin değişen hammadde piyasalarına karşı hazırlıklı olması için bir alternatife sahip olması açısından yeni bir tasarım çalışılmıştır. Tasarıma başlamadan önce, literatür ve patent araştırması yapılmıştır. Tasarım kriterleri belirlenmiştir. Arçelik’in belirlediği kriterleri sağlayacak en uygun plastik malzemeler seçilmiş, bu malzemeler ile çalışılması halinde gelecek olan maliyet hesaplanmıştır. Rakip firmalardan plastik kasnak kullananların kasnakları incelenmiştir. Seçilecek malzeme, mevcutta kullanılan kayışlar ile de kullanılabilir olmalıdır. Bu yüzden, mevcut kayış ile alüminyum ve seçilmesi muhtemel malzeme arasındaki sürtünme katsayısını belirlemek için özel bir test düzeneği kurulmuş ve testler yapılmıştır. Testler sonucunda elde edilen katsayılar, kayış hesaplarında kullanılmış ve karşılaştırmalar yapılmıştır. Alüminyum kasnak çıkarılıp, yerine plastik kasnak takılabilecek şekilde tasarım yapılmıştır. İlk tasarım gerçekleştirildikten sonra Çin’de tek adet prototip üretimi yapılmış ve bu prototip ile temel testler gerçekleştirilmiştir. Tasarım üzerinde gerilme ve kalıp analizleri gerçekleştirilmiştir. Analiz ve test sonuçlarının ışığında tasarımda iyileştirmeler gerçekleştirilmiştir. İdeal malzemeye; şirketin plastik kasnağı kullanabilmesi açısından birçok kriter göz önünde bulundurularak, maliyet, moldflow, gerilme ve deplasman analizlerinin ve yapılmış testlerin sonuçları incelenerek karar verilmiştir. Malzeme PA6 GF60 olarak seçilmiştir. Son tasarımın teknik resmi ve montaj ilişki tabloları hazırlanmıştır. Nihai tasarım için kalıp ürettirilmesine karar verilmiştir. Bu kalıptan alınacak numuneler ile birçok dayanıklılık testi gerçekleştirilecektir. Bütün bunların sonucunda plastik kasnağın ilk olarak Arçelik’in önden yüklemeli kayışla tahrikli makinalarında uygulamaya alınması planlanmaktadır.
xxiii
PLASTIC PULLEY DESIGN FOR ARCELIK WASHING MACHINES SUMMARY
Developing technology and increasing competition force the engineering companies to improve themselves. To keep pace with the changing economy and market and to be prepared to possible changes, the companies seek for alternative production methods and materials. It is really important to release new products with improved aesthetics and performance in a really short time, especially in the white appliances market. Main targets for every part used in Arçelik’s white appliances are having a better performance, having a shorter production cycle and reducing costs. Washing machine companies have to follow the market and improve themselves to stay in the market. Arçelik knows the importance of competition and innovation. Arçelik Washing Machine Research and Development Department works continuously to reach these targets.
Engineering plastics are improved by the material companies in the recent years. Plastics are much lighter, stronger and durable. The replacement of metals with plastics is really popular in so many engineering fields such as automotive, environment, white appliances or even aviation.
Like so many washing machine companies, Arçelik currently uses aluminium as the material of drum pulley. Having alternatives for every part used in production is really important since trades are affected daily by the political issues. This also means having alternative materials for the parts as well. Metals are becoming more and more expensive with the limited sources on Earth. Arçelik has washing machine plants in Turkey, Russia and China. While aluminium is cheap in Turkey, it is expensive in Russia and China. Therefore, it is essential to be prepared to the unsteady markets. In this thesis; a plastic pulley is designed to be used in Arçelik’s front load belt drive washing machines. After introduction of washing machines, belts and pulleys, the problem is defined. Literature and patents are researched. Relevant patents are discussed. Then the purpose of the thesis is decided conclusively.
For the 3D designing process, design criterions are determined according to the working conditions of Arçelik’s washing machines. A list of criterions is created in accordance to geometry, material properties, storage conditions, production and cost. Arçelik’s former plastic pulley design is examined, the advantages and disadvantages are discussed. The most suitable engineering plastics that maintain Arçelik’s criterions are chosen and compared by properties and cost. Feasibility analysis is performed for the most expensive material. The limit volume of the part, production time, tool life, tool investment cost, production machine cost and secondary production cost are determined. Rival companies’ plastic pulleys are examined by the geometric properties and materials.
The new design is supposed to work with the current washing machines as if the aluminium pulley is removed and the plastic pulley is assembled. Therefore, plastic pulley is going to work with the same belt used for aluminium pulleys. To make sure
xxiv
the belt drive works without a problem, calculations and tests have to be performed. A special test set up is created to compare the coefficient of friction between the belt and aluminium and the material likely to be selected. Later, the calculations are done with the coefficient of friction values provided by the belt companies.
In the light of gathered information, a new design is created on computer. A prototype must be produced and analyses have to be performed to make sure the part is safe to work with, since the tool investment costs a lot. Therefore, the data is sent to prototype producers in China. 1 unit prototype is produced from a PA6 GF30 block using CNC. Basic tests and assemblies are performed on the prototype, and the downsides of the design is determined.
Using an FEM software, static stress and displacement analyses are performed. The part is defined as solid and tetrahedral mesh is used. The shaft, pulley and belt contacts are defined. The belt is loaded with the maximum belt load obtained from the tests performed on the washing machines. The pulley is positioned for two different conditions. The shaft is loaded as if there is an object stopping the belt drive during the spinning cycle of the machine and the motor is still trying to spin.
Mould analyses are performed by the injection tool company. The results are evaluated and some changes are determined.
With the results of the analyses and tests, some improvements are performed on the geometry of the design. After the tests, the arms of the pulley are decided to be pulled backwards to avoid pulley contact with the tub. After the stress and displacement analyses, the arms are decided to have gaps in the middle part since the arms do not have so much stress on. After the mould analyses, the geometry of the rim is determined to be changed to have a better flow during the injection process.
When the second design is finished, a prototype is produced and the basic tests are performed on the prototype. The same analyses are performed on the last design. All the information is evaluated and the final design is determined.
The ideal material is chosen considering the criterions for Arçelik to use the plastic pulley, the cost, the feasibility, mould, stress and displacement analyses and the basic tests. The chosen material is PA6 GF60.
In washing machines, pulley works with so many parts directly or indirectly. These parts are bearing, bearing housing, shaft, belt, motor, screw and tub. To define the relationships with all these parts, a table is created to explain all the important measurements for the assembly with these parts. Since the pulley is a rotating part, the balance is really important for the sake of the machine. Also, the surface quality is important for the belt contact. The specifications are determined for the optimum working conditions. To explain the assembly and the measurements, technical drawings of the assembly are created.
When the parts are delivered to the plant, some of the measurements must be taken to make sure the part is ready to be assembled. Some of the measurements on the part is essential for the machine. These measurements are decided and the technical drawing of the part is created accordingly.
The analyses and tests showed that the design is worthy and the injection mould tool is decided to be produced. However, before using the plastic pulley for the machines to be sold, Arçelik must make sure the plastic pulley is safe and durable. The prototypes will be produced to perform several mechanical tests such as durability
xxv
during lifecycle of the washing machine, under high stress and different ambient conditions. The design is expected to complete all the tests successfully.
In case of an error, the design can be changed to make it stronger. Removing the gaps on the arms, adding extra ribs or making the hub material metal are alternatives, as long as the design remains feasible.
As a result of these, plastic pulley is planned to become Arçelik’s front load belt drive washing machines’ pulley.
1
1. GİRİŞ
Kasnaklar çamaşır makinalarında kayışlar vasıtası ile motordan tambura güç ve hareket ileten elemanlardır. Şekil 1.1, Şekil 1.2 ve Şekil 1.3’te çamaşır makinasının tahrik grubu ayrıntılı bir şekilde gösterilmiştir.
Şekil 1.1 : Çamaşır makinası tahrik grubu.
2
Şekil 1.3 : Çamaşır makinası tahrik grubu elemanlarının ayrıntılı görünüşü. Kullanılan kayış şekline göre düz kayış kasnaklar, V kayış kasnaklar şeklinde sınıflandırılabilirler. Düz ve Poly-V kayışlar Şekil 1.3 a ve b de görülebilir. Kasnaklar; göbek, gövde ve ispit olmak üzere üç kısımdan oluşurlar. Milin geçtiği iç çembere göbek, kayışın temas ettiği dış çembere ispit denir. Göbek ve ispit, gövde aracılığıyla birleştirilmiştir. Kasnağın kısımları Şekil 1.4’te görülebilir. Yaygın olarak çelik ve dökme demirden yapılsa da şartlara göre malzemesi ve yapısı değişebilir. Sürtünme ve aşınma değerlerinin hareketi sorunsuz ve istenilen çevrim kadar iletebilmesi, çamaşır makinasının tambur kasnakları için kritik bir öneme sahiptir.
(a) (b)
3
Şekil 1.5 : Kasnağın kısımları. 1.1 Problem
Beyaz eşya sektöründe, makinalarda kullanılan metal parçaların plastiğe dönüştürülmesi gittikçe yaygınlaşmaktadır. Kasnağı plastik olarak üreten birçok firma bulunmaktadır ve Arçelik de önden yüklemeli kayışla tahrikli makinalarında plastik kasnak kullanmak istemektedir.
1.2 Literatür Araştırması
Literatür araştırması yapılırken, Espacenet Patent Araştırma sitesinde, “washing machine” (çamaşır makinası) ve “pulley” (kasnak) kelimeleri kullanılarak araştırma yapılmıştır. Sonuçlarda çıkan 74 adet patentin tamamı incelenmiş, 10 tanesinin konu ile ilgili olduğuna karar verilmiştir. Ayrıca internette yapılan araştırmalar sonucunda, patenti alınan bazı projeler üzerine açıklamalar bulunmuştur.
1) Patent NO: SI2756125: Meccanica Generale firmasının çamaşır makinası kasnak tasarımı için yaptığı çalışmada, yüksek performanslı PA6 %65 cam elyaf takviyeli malzeme kullanılmıştır. Çalışma kapsamında aynı mekanik özellikler sağlanarak daha hafif ve ucuz bir kasnak tasarımı yapılması esas alınmıştır. Ağ şeklindeki yapı sayesinde gerilmelerin homojen dağıtılacağını ve deformasyonların azalacağını öngörmüştür. Sonuç olarak %25 daha hafif bir tasarım elde ettiğini söylemiştir. [1] Şekil 1.2.1 ve 1.2.2’de, Meccanica Generale’nin çalışması görülebilir.
4
Şekil 1.2.1 : Meccanica Generale’nin yaptığı kasnak çalışmasının adımları.
5
2) Patent NO: US2015033802: Whirlpool firmasına ait olan patentte, göbeğinde metal bir parça bulunan, ortasına diş formu verilmiş bir plastik kasnak tasarımı görülmektedir. Şekil 1.2.3’te, Whirlpool’un tasarımı görülebilir. [2]
Şekil 1.2.3 : Whirlpool’un kasnak tasarımı.
3) Patent NO: EP2177658: BSH firmasına ait olan patentte, kanatlı yapıya sahip bir kasnak tasarımı görülmektedir. Kanatlı yapı sayesinde rulman bölgesinde hava akışı sağlanacağı söylenmektedir. [2] Şekil 1.2.4’te BSH’ın tasarımı görülebilir.
6
4) Patent NO: US2005172680: LG firmasına ait patentte, kasnakta gerilmelere maruz kalan bölgelere yüksek dayanımlı malzeme konularak diğer bölgelerde hafifletilme yapılmıştır. Ayrıca kasnağın dışarı bakan kısmına bir kompozit parça takılıdır. [2] Şekil 1.2.5’te, LG’nin tasarımı görülebilir.
Şekil 1.2.5 : LG’nin kasnak tasarımı.
5) Patent NO: EP2159314: Electrolux firmasına ait patentte, %30-35 cam elyaf katkılı PA6 veya PA66 ile üretilmesi planlanan bir plastik kasnak tasarımı çalışılmıştır. [2] Şekil 1.2.6’da, Electrolux’ın tasarımı görülebilir.
Şekil 1.2.6 : Electrolux’ın plastik kasnak tasarımı.
6) Patent NO: CN102888737: Samsung firmasına ait çalışmada, topoloji optimizasyonu yapılarak yeni bir alüminyum kasnak tasarımına ulaşılmıştır. Şekil 1.2.7’de topoloji çalışması, 1.2.8’de Samsung’un eski ve yeni kasnak çalışmaları görülebilir.
7
Şekil 1.2.7 : Samsung kasnağa ait topoloji optimizasyonu.
Şekil 1.2.8 : Samsung’un eski kasnağı (solda) ve yeni kasnağı (sağda).
Ardından Samsung, alüminyumdan nylon bazlı malzemeye geçişi değerlendirerek bir tasarım çalışmıştır. Analiz ile hafifleştirme yapılacak bölgeler tespit edilerek hacimde %10 azaltma sağlanmıştır. [3] Şekil 1.2.9’da Samsung’un plastik kasnak analizi görülebilir.
8
7) Patent NO: CN202164463: Hefei Royalstar firmasına ait patentte, kasnağın üzerine kanatlar yerleştirerek hava akışı ve buna bağlı olarak soğutma sağlanması hedeflenmiştir. Kasnağın üst yüzeyi kıvrımlardan oluşmaktadır. [2] Soğutma amaçlı kanat eklenmiş benzeri kasnak tasarımları için Zhongzhi Zhang (Patent NO: CN202116874), Chaoyang Zheng (Patent NO: CN201351727) ve LG’nin de (Patent NO: KR20030078512) patentleri bulunmaktadır. Şekil 1.2.10’da Hefei Royalstar’ın tasarımı görülebilir.
Şekil 1.2.10 : Hefei Royalstar’ın yaptığı kanatlı kasnak tasarımı.
Çamaşır makinası kasnak tasarımları incelenirken, sac kasnak tasarımları ve üretim yöntemleri ile ilgili patent ve dokümanlarla karşılaşılmıştır fakat bu tez kapsamında incelenmeyecektir.
9
1.3 Tezin Amacı
İstenilen özellikleri sağlayan, ucuz bir kasnak elde edilmesi; projenin hedef noktası olarak değerlendirilebilir.
Mevcutta kullanılan alüminyum kasnağa alternatif tasarım oluşturacak bir plastik kasnak üretebilmek için, tasarım kriterlerinin belirlenmesi, fizibilite analizlerinin yapılması ve malzeme seçeneklerinin belirlenmesi, rakip ürünlerin incelenmesi, seçilecek malzemeler ve kayış arasındaki sürtünme katsayısının belirlenmesi ve kayış hesaplarının yapılması, bütün bu çalışmaların ışığında tasarım yapılması ve bu tasarımın analizlerinin yapılması, analiz sonuçlarına göre malzeme seçilmesi ve kasnak üretilmesi, üretilen kasnağın çalışma şartlarına uygunluğu ve performansına dair prosedürde bulunan testlerin gerçekleştirilmesi proje kapsamında ele alınacak adımlar ve çözüm için izlenecek yol olarak değerlendirilebilir. Bu bağlamda yapılan tasarımların ve ortaya atılan fikirlerin belirlenen istekler listesine uygun bir son ürün ortaya çıkaracak şekilde olması önemlidir.
11
2. TASARIM
Plastik kasnak tasarımı yapılmadan önce şirketin talepleri doğrultusunda şekillendirilmiş bir istekler listesi hazırlanmıştır. Mevcutta kullanılan alüminyum kasnağın uymak zorunda olduğu geometrik kıstaslar belirlenmiştir. Ardından rakip ürünler incelenmiş ve elde edilen bulgular kaydedilmiştir. Arçelik’in 2005 yılında tasarladığı, fakat uygulamaya alınamayan plastik kasnak tasarımından dersler çıkarılmıştır. Bütün bunların ışığında ilk tasarım gerçekleştirilmiştir. İlk tasarım ile bir numune hazırlanmış, bu sırada gerilme ve kalıp analizleri yapılmıştır. Analiz ve numune ile yapılan temel testler sonuçlarının değerlendirilmesiyle tasarımda düzeltmeler yapılmıştır. Son tasarım ile gerilme ve kalıp analizleri yapılmış, malzeme seçilmiş ve kalıp siparişi verilmiştir.
2.1 Tasarım Kriterleri
Çalışmaya başlamadan önce, Çizelge 2.1.1’deki istekler listesi düzenlenmiştir. Bazı maddeleri açıklamak gerekirse;
Kasnak göbeği dış noktası ile kasnak halkasının göbeğe dönük kısımlarının yüzey mesafe farkı 5 mm olmalı
Göbek kalınlığı 14 mm olmalı
İspit yapısının genişliği 20 mm olmalı
Sebebi, mevcutta kullanılan kayış, mil ve motorun pozisyonu konusunda bir değişiklik yapılmayacağı için yeni kasnak, mevcut kasnağın bazı geometrik özelliklerini içermek zorundadır. Şekil 2.1.1’de bu ölçüler görülebilir. Şekil 2.1.2 a ve b’de Arçelik’in mevcutta kullanılan alüminyum kasnağının CAD hali, Şekil 2.1.3 a ve b’de ise üretilmiş hali görülebilir.
12
Çizelge 2.1.1 : İstekler listesi.
Çamaşır makinası tamburu için plastik kasnak tasarımı İstek K K K K K K K K K K K K K A A K K K K K K K İSTEKLER LİSTESİ
Montaj sırasında operatörün işini mevcuttan daha karışık hale getirmeyecek bir tasarım olmalı İSTEKLER
Kasnak, firmanın Universal motorlu ürünleri ile beraber çalışabilecek geometride olmalı
Çamaşır makinası sıkma devrinde çalışırken (en yüksek devir), mevcutta kullanılan kayışın atmayacağı sürtünme bağına sahip olmalı
Tambur kasnağı ile motor kasnağı merkezleri arasındaki mesafe 339.3 mm olmalı Kasnak çapı 300 mm olmalı
Kasnak mevcut mille kullanılabilmeli
Kayışın takış gerginliği mevcutla aynı olmalı
Kasnak göbeği dış noktası ile kasnak halkasının göbeğe dönük kısımlarının yüzey mesafe farkı 5 mm olmalı İspit yapısının genişliği 20 mm olmalı
Göbek kalınlığı 14 mm olmalı Kontrol noktalarına dikkat edilmeli
Mevcut performanstan ödün vermeden daha ucuza imal edilebilmeli
GEOMETRİ
Kasnaklar depo hacmine optimum şekilde yerleştirilebilecek geometride olmalı
ÜRETİM
MALİYET DEPO
Kasnaklar depolama sırasında maruz kalacağı iklim değişikliklerinde sorun çıkarmayacak bir malzemeden üretilmiş olmalı
Kasnaklar nakliye esnasında hasara uğramayacak dayanıklılıkta olmalı
Kasnaklar, firmanın üretim talebini karşılayacak hızda üretime uygun tasarlanmalı Tasarım, enjeksiyon ile üretime uygun olmalı
MALZEME
Çamaşır makinasının bir çevrimi süresince gördüğü programlar sırasında yaşadığı ısıl değişikliklere dayanıklı olmalı
Kasnak malzemesi temas halinde çalıştığı parçaların malzemeleriyle sorunsuz çalışmalı Plastik kasnak tasarımında daha yüksek mukavemet sağlanması için cam elyaf eklenmeli Kasnağın göbeğinin yüksek mukavemet sağlaması açısından iki farklı malzemeden üretilmeli Kullanılacak olan malzeme, kasnak imalatı sırasında sorun teşkil etmemeli
13
14
Şekil 2.1.2.a : Arçelik alüminyum kasnak (CAD).
15
Şekil 2.1.3.a : Arçelik alüminyum kasnak.
16
Kontrol noktalarına dikkat edilmeli
Parçalar fabrikaya geldiğinde, bir partinin içinden rastgele seçilen parçaların fonksiyonu etkileyecek kısımlarından ölçümler alınmaktadır. Bu ölçülerin küsuratlı olmamasına önem gösterilmelidir.
Arçelik’in 2005 yılında yaptığı plastik kasnak çalışmasında tasarlanan ve testleri yapılan bir plastik kasnağı bulunmaktadır. Bu kasnağın avantaj ve dezavantajları incelenmiş ve bir sonraki tasarım için ders çıkarılmıştır. Şekil 2.1.4 a ve b’de Arçelik’in 2005 yılında yaptığı plastik kasnağının CAD hali, Şekil 2.1.5 a ve b’de ise üretilmiş hali tasarımı görülebilir.
Şekil 2.1.4.a : Arçelik 2005 plastik kasnak (CAD).
17
Şekil 2.1.5.a : Arçelik 2005 plastik kasnak.
18
Önce PP GF30 malzemesi ile üretilen kasnağın göbek bölgesi testlerde oluşan gerilmeler karşısında deformasyona uğramış ve testler olumsuz sonuçlanmıştır. Ardından PA6 GF50 malzemesi ile üretilmiş eski tasarım üzerinde yapılan testler sonucunda, kasnakta, kayışta veya makinada herhangi bir problem görülmemiştir. Özellikle kasnağın göbek bölgesindeki dişler incelenmiş ve çalışmaya engel herhangi bir problem gözlenmemiştir. Kasnak, testleri başarıyla tamamlanmıştır. Eski tasarımdaki avantajlar:
Kasnak et kalınlıkları uygun aralıkta Sağlam yapı
Eski tasarımdaki dezavantajlar:
Kasnak çapı 310 mm (Şu an 310 mm’lik kasnağa uygun kayış kullanılmamaktadır.)
Kasnak hacmi 217 cm3 (Fizibilite analizine göre kâr getirmeyen bir
tasarım)
2.2 Fizibilite Analizi
Arçelik’in mevcuttaki kasnak malzemesi alüminyumken, plastik kasnak tasarlanmasını istemesinin sebebi, alüminyum kasnağa göre daha ucuz olacak bir ürün ortaya çıkarmaktır. Alüminyum fiyatları Türkiye’de diğer ülkelere göre düşük olmasına rağmen, Arçelik’in çamaşır makinası üretimi yaptığı diğer ülkelerde (Rusya, Çin) fiyatlar daha yüksektir. Türkiye’de de malzeme piyasaları günden güne değişiklik göstermektedir. Bu sebeplerden seçilecek malzeme, ucuzluğun dışında, istenilen dayanıklılığı ve yüzey özelliklerini sağlamakla birlikte, üretim yapılan her ülkede tedariki kolay bir malzeme olmalıdır. Satın Alma, Arge ve Üretim Mühendisliği departmanlarının ortak yaptığı çalışmaya göre, istenilen özellikleri sağlayan malzeme, cam elyaf katkılı PA6 veya PP olarak belirlenmiştir. PA66’nın tercih edilmemesinin sebebi, tedarikinin her ülkede kolay olmamasıdır. Cam elyaf oranı arttıkça malzemenin dayanımı artmaktadır. Bu sebeple cam elyaf oranı, analizlerden çıkacak olan sonuca göre belirlenecektir. Çizelge 2.2.1’de malzemelerin özellikleri görülebilir.
19
Çizelge 2.2.1 : Malzeme özellikleri.
Tasarıma başlanmadan önce, belirtilen kriterler çerçevesinde yapılacak olan tasarımın şirketi maliyet açısından hangi noktaya getireceği belirlenmelidir. Bunun için kullanılması planlanan malzemelerden en pahalısı olan PA6 GF50 için fizibilite çalışması yapılmıştır. Kullanılması planlanan öteki malzemelerden biri seçilirse kazanç artmaktadır.
PA6 GF50: 1,89 €/TL PA6 GF60: 1,82 €/TL PP GF50: 1,65 €/TL
Kasnak, plastik enjeksiyon yöntemiyle üretilecektir. Tek gözlü yolluk kullanılırsa göbek bölgesindeki yapının sağlanması için ikincil operasyon uygulanması gerekeceği için, 5 yolluklu kalıp kullanılıp ikincil operasyon ortadan kaldırılacaktır. Çizelge 2.2.1’de yapılmış olan fizibilite analizi görülebilir.
Çizelge 2.2.2 : Fizibilite analizi.
Malzeme Eğilme Modülü (MPa) Kopma Dayanımı (MPa) Kopma Uzaması (%) Yoğunluk (g/cm^3) Su Tutuş (%) PA6 GF50 15500 220 2,5 1,56 4,50 PA6 GF60 19500 235 2,2 1,66 3,60 PP GF50 10800 105 2 1,32 0,02
Planlanan Yıllık Üretim
KASNAK TİPİ EURO/TL
MALZEME : AL ALLOY PA6 GF50
Üretim makinasının saatlik ücreti ( Euro/500 ton ) : 19 20
Malzeme yoğunluğu ( kg/cm3 ) : 2650 1660
Malzeme fiyatı ( Euro /kg ) : 1,78 1,89
Parça hacmi ( cm3 ) : 122 160
Parça ağırlığı ( gr ) : 323,3 265,6
Parça başına malzeme fiyatı ( Euro ) : 0,58 0,50
Üretim süresi ( Saniye ) : 39 13
Parça başına üretim makinası maliyeti ( Euro ) : 0,21 0,07
Parça başına ikincil operasyon maliyeti ( Euro ) : 0,1 0
Kalıp yatırımı ( Euro ) : 90000 60000
Kalıp ömrü ( Ürün Adedi ) : 2000000 2000000
Parça başına kalıp maliyeti ( Euro ) : 0,045 0,03
Parça başına toplam maliyet ( Euro ) : 0,93 0,60
Parça başına toplam kazanç ( Euro ) : Yıllık üretimde toplam kazanç ( Euro ) :
3,6
PLASTİK KASNAK FİZİBİLİTE
400000 300 mm ÇAP
128840 0,32
20
2.3 Rakip Ürünlerin İncelenmesi
Arçelik, gelişen teknolojinin gerisinde kalmamak için sürekli olarak rekabet halinde olduğu firmaların ürettiği makinaları alıp incelemektedir. Yapılan incelemeler sonucunda, plastik kasnak kullanan makinaların bir listesi çıkarılmış ve ayrıntılı bir şekilde özellikleri belirlenmiştir. Çizelge 2.3.1’de, Candy, Samsung, Indesit, Hotpoint ve Electrolux marka çamaşır makinalarında kullanılan kasnakların ve Arçelik’in eski tasarımının özellikleri yer almaktadır. Şekil 2.3.1, 2.3.2, 2.3.3, 2.3.4, 2.3.5, 2.3.6 ve 2.3.7’de, bu markalara ait kasnakların resimleri görülebilir.
Çizelge 2.3.1 : Rakip ürünler ve Arçelik’e ait makinaların ve kasnakların özellikleri.
Şekil 2.3.1 : Candy (solda) ve Samsung (sağda) plastik kasnak. Marka Kapasite Devir Kasnak
Çapı Ağırlık Kol sayısı Yazan Malzeme
Candy 7 1200 280 260 6 PA6-GF65 Samsung 6 1000 297,5 288 6 PA66-GF60 Indesit 7 1200 280 260 5 PA-GF Indesit 5 1000 280 232 5 -Hotpoint 6 1200 280 235 5 -Electrolux 8 800-1600 275 242 5 PA6-G20 Electrolux 8 800-1600 275 296 5 PA6-G60 ARÇELİK 7 1000 310 263 5 PP GF30 (İlk deneme) PA GF50 (İkinci deneme)
21
Şekil 2.3.2 : Indesit 1200 devir (solda) ve 1000 devir (sağda) plastik kasnak.
22
Şekil 2.3.4 : Electrolux açık tasarım plastik kasnak. 2.4 Kayış Hesapları
Kayış - kasnak mekanizmasında dikkate alınması gereken en önemli konu, kayış ile kasnak arasındaki sürtünmedir. Sistemin çalışır olduğundan emin olmak ve kayışın istenilen momenti ilettiğini görebilmek amacıyla, öncelikle hesap yapılmalıdır. Bu sebeple karşılaştırmalı bir sürtünme katsayısı testi yapılmalıdır.
Makina üzerinde kayış - kasnak mekanizması sürekli farklı çevre koşullarına maruz kalmaktadır. Makinanın sıcak veya soğuk iklimde oluşu, çalışma sıcaklığı, kayışın ne kadar süredir kullanımda olduğu, ortamın toz oranı gibi birçok etken, sürtünme katsayısını etkilemektedir. Sürtünme katsayısının her koşulda ayrı ayrı ölçmek yerine, kaymadığından emin olunan alüminyum kasnak – kayış ile kayma durumunu görmek istediğimiz plastik kasnak – kayış ile karşılaştırmalı bir test yapılmıştır. Sürtünme katsayısını ölçmek için bir düzenek hazırlanmıştır. Düzenekte, kasnak sabit kalırken üzerine kayış sarılmış, kayışın iki ucuna ağırlıklar bağlanmış ve kayışa bir gerilme verilmiştir. Ardından ağırlıklardan biri artırılarak kayışın sabit kasnak
23
üzerinde sürtünme katsayısını yenip kaymaya başladığı ağırlık tespit edilmiştir. Buradan, sürtünme katsayısı plastik ve alüminyum kasnaklar için ayrı ayrı bulunmuştur. Alüminyum kasnak olarak Arçelik’in mevcut alüminyum kasnağı kullanılmıştır. Fakat henüz Arçelik tarafından üretilen cam elyaf katkılı PA6 bir kasnak olmadığından, plastik kasnak ile kayış arasındaki sürtünme katsayısını belirleyebilmek için bu rakip ürünlerden birinin kasnağı kullanılarak test gerçekleştirilmiştir. Candy’nin kasnağının malzemesi PA6 GF65 olup, Arçelik plastik kasnakta kullanılması planlanan malzemelerin ikisine yakındır. Test düzeneği Şekil 2.4.1’deki gibidir. Test, Şekil 2.4.2’de görülebileceği gibi, farklı ağırlıklar için tekrarlı yapılmıştır. Sonuçlar Çizelge 2.4.1’de belirtilmektedir.
24
25
Çizelge 2.4.1 : Sürtünme katsayısı hesabı.
Yukarıdaki sonuçlara bakıldığında, alüminyum ve plastiğin kayış ile arasındaki sürtünme katsayılarının arasında 0.915’lik bir oran bulunmaktadır.
Mevcutta kullanılan kayış ve alüminyum kasnak arasında sorunsuz bir çalışma olduğu bilinmektedir. PA6 ile kayışın arasındaki sürtünme katsayısı, alüminyum ile kayış arasındakinden daha yüksek olduğu için kayma olmayacağı yönünde bir öngörüde bulunulabilir.
Kayış tedarikçilerinden gelen sürtünme katsayıları, kayış kayma hesabında kullanılmıştır. Çizelge 2.4.2’de görülen hesap tablosu, mevcutta kullanılan kayış ile alüminyum kasnak ve plastik kasnak arasında kayma olup olmadığını hesaplamak için kullanılmıştır. Hesaplara göre, zaten kaymadığı bilinen alüminyum kasnak – kayış ikilisi gibi, plastik kasnak – kayış ikilisinde de hesaplar sorunsuz görünmektedir. Kayış kasnak mekanizması için ölçüm alınan noktalar, Şekil 2.4.3’te görülmektedir.
Şekil 2.4.3 : Kayış kasnak ölçüm noktaları.
1. Kola asılan ağırlık 2. Kolda sürtünmeyi yenen ağırlık 1. Kola asılan ağırlık 2. Kolda sürtünmeyi yenen ağırlık 1. Kola asılan ağırlık 2. Kolda sürtünmeyi yenen ağırlık
1. Test 2. Test 3. Test Ortalama Oran Al/Plastik Alüminyum kasnak 40 270 100 625 140 895 0,742 0,724 0,729 0,732 Plastik kasnak 40 470 100 800 140 1120 0,843 0,778 0,778 0,800 0,915 Sürtünme Katsayısı
26
Çizelge 2.4.2 : Kayış kayma hesabı. [4, 5, 6]
2.5 İlk Tasarım, Analiz ve Testler
Literatür araştırması, istekler listesi, fizibilite çalışması, Arçelik’in geçmişteki çalışmasının ve rakip ürünlerin incelenmesi ve kayış hesapları tamamlandıktan sonra, ilk tasarımı yapmak için yeterli bilgi toplanmıştır. Toplanan verilerin ışığında, Siemens NX programı kullanılarak ilk tasarım yapılmıştır. Kasnağın broş yapısının
Konu Açıklama Sembol Birim Değer Formül
Tambur kasnak çapı D1 mm 300 Değer girilecek
Motor kasnak çapı D2 mm 23,5 Değer girilecek Merkezler arası mesafe a mm 339,3 Değer girilecek Kol uzunluğu l mm 309,8571082
Kayış boyu L mm 1243,904801
İlk takış gerginliği f Hz 135 Değer girilecek
Diş sayısı z - 5 Değer girilecek
Kayış kesit alanı A mm^2 31,859 Değer girilecek Motor kasnağı sarılma açısı β ° (Derece) 131,910
Tambur kasnağı sarılma açısı α ° (Derece) 228,090
Tambur kasnağı dönme hızı n dev/dk 1400 Değer girilecek
Tambur kasnağı çizgisel dönme hızı V m/s 21,991
Kayışın birim uzunluktaki kütlesi m kg/m/rib 0,0072 Değer girilecek
Kayış hacmi H mm^3 38878,72 Değer girilecek
Kayış ağırlığı G gr 44,781
Kayış yoğunluğu ρ kg/m^3 1151,80164
Kayış-Tambur kasnağı sürtünme katsayısı μ - 0,35 Değer girilecek Statik halde bir koldaki gerilme kuvveti Fo N 251,972
Motor kasnağındaki moment M2 N*m 4 Değer girilecek Tambur kasnağındaki moment M1 N*m 0,313
Tahrik kuvveti Ft N 26,67
Santrifüj Kuvvet (Çizgisel hız > 10 m/s) Fs N 17,746
Gergin koldaki kuvvet F1 N 247,560
Gevşek koldaki kuvvet F2 N 220,8930716
Tambur kasnağı için kaymama şartı Ks - 4,028219426
Tambur kasnağındaki mevcut kayma Km - 1,12072206
Sonuç Ks>Km ? -K u vve t/ M om en t K aym a G eom et ri k V er il er TRUE
27
geometrisi DIN5481’e göre oluşturulmuştur. Tasarımın hacmi 179 cm3’tür. Tasarım
Şekil 2.5.1 a ve b’de görülebilir.
Şekil 2.5.1.a : İlk kasnak tasarımı.
Şekil 2.5.1.b : İlk kasnak tasarımı.
İlk tasarımın tamamlanmasının ardından bir adet prototip üretilmiştir. Prototip, PA6 GF30 bloğundan işlenerek oluşturulmuştur. Prototip Şekil 2.5.2 a ve b’de görülebilir. Prototipin işleme şeklinde oluşturulması ve cam elyaf oranının düşük olması sebebiyle, bu prototip sadece etüt ve kayış kayma testi amaçlı kullanılmıştır. Etüt, Şekil 2.5.3’te görülebilir.
28
Şekil 2.5.2.a : İlk kasnak tasarımı prototipi.
29
Şekil 2.5.3 : Plastik kasnak etüdü.
Etütten çıkarılan sonuçlar;
Kasnak mile monte edildikten sonra kasnağın gövde kısmı kazana çok yaklaşmaktadır ve bu durum makinanın çalışması sırasında problem çıkarabilir.
Kasnağı sabitlemek için kullanılan kasnak vidasının pulu, bir süre sonra kasnağa batmaktadır. Bu sebeple vida gevşemektedir.
Kayış kayma testi sonucunda kayışın kasnak üzerinde 0,5 mm kaydığı gözlemlenmiştir. Bu değer, kabul edilebilen değerler arasındadır. Fakat kasnağın kayışla temas ettiği yüzeyin işleme yüzey oluşu ve üretimde kullanılacak kasnakların kalıptan çıkan ve işlemesiz kasnaklar olacağı için, bu test sonucu plastik kasnağı uygulamaya almak için kullanılamaz.
Bu sonuçlar doğrultusunda kasnak geometrisinde bazı önlemler alınmalıdır.
Tasarımda geliştirmeler yapılmadan önce, üzerinde bazı analizler gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Bunun için parçanın bir analiz modeli kurulmuştur. Kasnak, makinada her koşulda çalışabilmelidir. Bu sebeple parçanın yaşayacağı en zorlu koşullar için analiz yapılmıştır. Analiz özellikleri aşağıdaki gibidir.
Parça, 1399943 adet tetrahedral elemandan oluşan 3 boyutlu katı olarak tanımlanmıştır.
30
Parçanın göreceği en yüksek sıcaklık olan 80°C için nemli malzeme özellikleri kullanılmıştır.
Parça çalışırken kayıştan gelen kuvvet toplam 500 N’dur. Analiz statik lineer olduğu için ve kasnak dururken kayış kollarındaki gerilme eşit olduğu için, her iki kolda eşit 250 N’luk kuvvet şeklinde tanımlanmıştır.
Motordan gelen en yüksek moment, makina kalkış yaparken uygulanan 30 Nm’lik momenttir.
Aşağıda ilk tasarım üzerinde gerçekleştirilmiş analiz sonuçları yer almaktadır. Şekil 2.5.4’ten Şekil 2.5.14’e kadar olan kısımda, analiz açıklanmıştır.
31
Şekil 2.5.5 : İlk kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulanan gerilme analizi.
Gerilmeler kabul edilebilir – herhangi bir problem beklenmez.
Şekil 2.5.6 : İlk kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulanan gerilme analizi (6 MPa ölçekli).
Yüksek gerilmelere sahip bölgeleri daha iyi gösterebilmek için sonuçlar 6 MPa ile ölçeklendirilmiştir. Bu ölçek ile kollar ve kolların köşelerinde gerilmelerin yoğunlaştığı iyi görülmektedir. Ancak gerilmeler kabul edilebilir ve herhangi bir problem beklenmez.
32
Şekil 2.5.7 : İlk kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulandığında oluşan bileşke deplasman.
Sonuç; X, Y ve Z yönündeki yer değiştirmelerin birleşim büyüklüğünü göstermektedir.
Şekil 2.5.8 : İlk kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulandığında oluşan y yönündeki deplasman.
33
Şekil 2.5.9 : İlk kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulandığında oluşan z yönündeki deplasman.
Şekil 2.5.10 : İlk kasnak için kol üstüne 500 N kayış yükü uygulanan gerilme analizi. Gerilmeler kabul edilebilir – herhangi bir problem beklenmez.
34
Şekil 2.5.11 : İlk kasnak için kol üstüne 500 N kayış yükü uygulanan gerilme analizi (6 MPa ölçekli).
Yüksek gerilmelere sahip bölgeleri daha iyi gösterebilmek için sonuçlar 6 MPa ile ölçeklendirilmiştir.
Şekil 2.5.12 : İlk kasnak için kol üstüne 500 N kayış yükü uygulandığında oluşan bileşke deplasman.
Sonuç; X, Y ve Z yönündeki yer değiştirmelerin birleşim büyüklüğünü göstermektedir.
35
Şekil 2.5.13 : İlk kasnak için göbekten 30 Nm moment uygulandığında oluşan gerilmeler.
Gerilmeler kabul edilebilir – herhangi bir problem beklenmez.
Şekil 2.5.14 : İlk kasnak için göbekten 30 Nm moment uygulandığında oluşan gerilmeler (10 MPa ölçekli).
Maksimum gerilme 25.5 MPa göbek bölgesindedir, kollardaki değerler 10 MPa’dan azdır.
36
Analizden çıkarılan sonuçlar;
Gerilmelerin en çok biriktiği alanlar olan kolların ispit ile birleşme noktasında radyuslar büyütülebilir.
Kollar üzerinde çok fazla gerilme birikmediği için malzeme boşaltılabilir. Parçanın Moldflow analizleri plastik tedarikçi firma tarafından 5 yolluk için gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar;
Parçanın soğumasını en çok etkileyen faktör, göbek bölgesindeki et kalınlıklarıdır. Et kalınlıklarının düşürülmesi soğuma süresini düşürüp üretimi hızlandırabilir.
İki kol arası birleşme noktaları, kayış basma noktasına denk geldiğinde yüksek gerilmelere maruz kalmaktadır. O bölgedeki malzeme akışı iyi olmadığı takdirde problem oluşabilir. Geometrik değişikliklerle malzemenin o bölgedeki akışları iyileştirilebilir.
2.6 Son Tasarım ve Analiz
İlk tasarım, analiz ve temel testlerden sonra elde edilen sonuçların hepsi dikkate alınarak düzeltmeler yapılmış ve yeni bir tasarım çalışılmıştır. İyileştirmeler aşağıdaki gibidir.
Kasnak mile monte edildikten sonra kasnağın gövde kısmının kazana çok yaklaşmasını engellemek için kasnak kollarının eğimi artırıldı ve göbek kademeli yapıldı. Yapılan değişiklik, Şekil 2.6.1’de görülebilir.
37
38
Kasnağı sabitlemek için kullanılan kasnak vidasının pulunun batmasını engellemek için, pulla temas eden yüzeyin çapı puldan küçük yapıldı.
Gerilmelerin en çok biriktiği alanlar olan kolların ispit ile birleşme noktasında radyuslar büyütüldü.
Kollar üzerinde çok fazla gerilme birikmediği için dikdörtgen şeklinde boşaltmalar yapıldı.
Göbek bölgesinde malzeme kalınlığı çok fazla olup, malzemenin soğuma süresini çok yükseltmektedir. Bu sebeple göbek bölgesindeki et kalınlıkları azaltılıp, mukavemeti artırmak için federler çoğaltıldı.
İki kol arası birleşme noktaları, kayış basma noktasına denk geldiğinde yüksek gerilmelere maruz kalmaktadır. Kalp formu ile yüksek gerilmeye maruz kalan bölgelere malzemenin iyi dolması sağlanıp, temas etmeyen bölgede malzeme akışı yavaşlaması sağlandı.
Yapılan değişiklikler sonucunda tasarımın hacmi 160 cm3’e düşürüldü.
Bütün bu iyileştirmeler sonucunda ortaya çıkan tasarım Şekil 2.6.2 a ve b’de görülebilir.
39
Şekil 2.6.2.b : Son kasnak tasarımı.
Kollardan birinin ön tarafta üzerinde bulunan dikdörtgen kabartmalar, parçanın kontrol noktası olarak belirlenen bölgeler olduğu için, ölçüm yapacak kişiye kolaylık sağlaması açısından eklenmiştir.
Son tasarımın tamamlanmasının ardından bir adet prototip üretilmiştir. Prototip, PA6 GF30 bloğundan işlenerek oluşturulmuştur. Prototip Şekil 2.6.3 a ve b’de görülebilir. Prototipin işleme şeklinde oluşturulması ve cam elyaf oranının düşük olması sebebiyle, bu prototip sadece etüt ve kayış kayma testi amaçlı kullanılmıştır.
40
Şekil 2.6.3.a : Son kasnak tasarımı prototipi.
41
Tasarımın onayı verilmeden önce, sonuçlardan emin olmak için üzerinde bazı analizler gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Bunun için parçanın bir analiz modeli kurulmuştur. İlk analizde uygulanan koşulların aynısı uygulanmıştır.
Parça, 1387977 adet tetrahedral elemandan oluşan 3 boyutlu katı olarak tanımlanmıştır.
Parçanın göreceği en yüksek sıcaklık olan 80°C için nemli malzeme özellikleri kullanılmıştır.
Parça çalışırken kayıştan gelen kuvvet toplam 500 N’dur. Analiz statik lineer olduğu için ve kasnak dururken kayış kollarındaki gerilme eşit olduğu için, her iki kolda eşit 250 N’luk kuvvet şeklinde tanımlanmıştır.
Motordan gelen en yüksek moment, makina kalkış yaparken uygulanan 30 Nm’lik momenttir.
Aşağıda son tasarım üzerinde gerçekleştirilmiş analiz sonuçları yer almaktadır. Şekil 2.6.3’ten Şekil 2.6.15’e kadar olan kısımda, analiz açıklanmıştır.
42
Şekil 2.6.5 : Son kasnak için kol üstüne 500 N kayış yükü uygulanan gerilme analizi. Gerilmeler kabul edilebilir – herhangi bir problem beklenmez.
Şekil 2.6.6 : Son kasnak için kol üstüne 500 N kayış yükü uygulanan gerilme analizi (12 MPa ölçekli).
Yüksek gerilmelere sahip bölgeleri daha iyi gösterebilmek için sonuçlar 12 MPa ile ölçeklendirilmiştir.
43
Şekil 2.6.7 : Son kasnak için kol üstüne 500 N kayış yükü uygulandığında oluşan bileşke deplasman.
Sonuç; X, Y ve Z yönündeki yer değiştirmelerin birleşim büyüklüğünü göstermektedir.
Şekil 2.6.8 : Son kasnak için kol üstüne 500 N kayış yükü uygulandığında oluşan z yönündeki deplasman.
44
Şekil 2.6.9 : Son kasnak için analiz sınır koşulları (kollar arasına gelen yük).
Şekil 2.6.10 : Son kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulanan gerilme analizi.
45
Şekil 2.6.11 : Son kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulanan gerilme analizi (12 MPa ölçekli).
Şekil 2.6.12 : Son kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulandığında oluşan bileşke deplasman.
Sonuç; X, Y ve Z yönündeki yer değiştirmelerin birleşim büyüklüğünü göstermektedir.
46
Şekil 2.6.13 : Son kasnak için kollar arası noktaya 500 N kayış yükü uygulandığında oluşan z yönündeki deplasman.
Şekil 2.6.14 : Son kasnak için göbekten 30 Nm moment uygulandığında oluşan gerilmeler.
47
Şekil 2.6.15 : Son kasnak için göbekten 30 Nm moment uygulandığında oluşan gerilmeler (12 MPa ölçekli).
Şekil 2.6.16 : Son kasnak için göbekten 30 Nm moment uygulandığında oluşan gerilmeler (Göbeğin ayrıntılı görünüşü).
48
Analizden çıkarılan sonuçlar;
İlk tasarıma göre gerilmelerin ve deplasmanların artmasının sebebi, parçanın göbek bölgesinde yapılan geometri değişikliğidir. Kayıştan gelen yük, göbeğe iletilirken bir moment oluşturmaktadır. Ancak yine de parçada oluşan gerilmeler malzemede problem oluşturmayacak seviyelerdedir.
PA6 GF50 ile üretilmiş eski tasarımda göbek bölgesinde herhangi bir problem gözlenmemiş olması, bu analizi doğrulamaktadır.
Parçada oluşan deplasmanlar, PA6 GF50 kullanılması halinde daha da artacaktır. Bu sebeple PA6 GF60 kullanılacaktır.
Parçanın Moldflow analizleri plastik tedarikçi firma tarafından 5 yolluk için gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar;
Kalp formu verilen kollar arasında kalan bölgede, malzeme akışı iyileşmesi görülmüştür. Kayışın baskı sağlayacağı tarafta, enjeksiyonda tam dolum sağlanacaktır.
Parçadaki malzeme ilerlemesi, çarpılmalar, kalıp izleri, malzeme ilerleme sıcaklıkları, oluşan basınç, istenilen seviyelerdedir.
Analiz sonuçlarından sonra Üretim Mühendisliği kalıp üretimi sürecini başlatmıştır.
2.7 Teknik Resim ve Montaj İlişkilerinin Belirlenmesi
Plastik kasnaklar üretici firmadan fabrikaya ilk kez geldiğinde, parçanın ilk numune kontrolü yapılacaktır. İlk numune kontrolü, parçanın teknik resminde belirtilen ölçülerin kontrolüdür. Daha sonra düzenli olarak firmadan yollanan partilerin içinden birkaç adet ayrılarak parçanın üzerinden ölçüm alınmaktadır. Bu ölçümler, parçanın teknik resminde kontrol noktası olarak belirtilen kısımlar üzerinde yapılmaktadır. Parçanın teknik resmi Ek A’dadır.
Plastik kasnak, birçok tahrik grubu için kullanılacak olup, farklı tahrik grupları için farklı göbek yapısına sahip olması gerekmektedir. Rulman ile temas eden bölgenin çapı; 6202, 6203, 6204, 6205 tipi rulmanlar için 33 mm, 6206 tipi rulmanlar için 37 mm’dir.
49
Parçanın üretimi plastik enjeksiyon ile yapılacaktır. Plastik enjeksiyonda kullanılacak olan kalıp CNC ile işlenmektedir. CNC tezgâhın kalıbı işleyebilmesi için parçanın 3D dosyası yeterlidir. Bu yüzden parçanın teknik resminde bütün ölçüler belirtilmemiş, sadece kontrol edilmesi gereken ölçüler gösterilmiştir.
Parça üzerindeki toleranslar DIN16901’e göre seçilmiştir.
Plastik kasnak üzerinde önem taşıyan ölçüler, kasnağın birlikte çalışacağı diğer parçalar için önemlidir. Bu yüzden parçanın montaj ilişkilerini açıklayan bir tablo ve montaj resimleri oluşturulmuştur. Çizelge 2.7.1’de tablo, Şekil 2.7.1 ve Şekil 2.7.2’de resimler görülebilir.
Tabloda, her bir montaj ilişkisi için önem taşıyan ölçüler ve bu ölçülerin kontrol edilmesi gereken yerler belirtilmiştir. Ayrıca hangi ölçünün hangi parça (Tip 1/Tip 2) üzerinde ölçülmesi gerektiği de gösterilmiştir.
50
Çizelge 2.7.1 : Montaj ilişki tablosu.
Tip 1 Tip 2 PY KK KN MS+F S a) Düşük devirler 0,5 mm -b) Yüksek devirler 2,2 mm 3 mm a) Düşük devirler b) Yüksek devirler 33 mm+-0,3 37+-0,3 3 Pah DETAY X - x
4 Dış çap - göbek arası
z eksenindeki mesafe A-A KESİTİ - x
5 Göbek yüksekliği DETAY X - x x
6
Kasnağın dışarıya dönük kısmındaki göbek çapı
DETAY X - x
7 Broş yapısı DETAY X - x x
8 Yalpa - salgı A-A KESİTİ - x x
9 Dış çap daireselliği A-A KESİTİ - x x
10 Dış çap A-A KESİTİ - x x x
11 Dış çap genişliği A-A KESİTİ - x x
No Dolaylı İlişkili Parça İlgili
Fonksiyon Ölçüm Noktası
Teknik Resimdeki
Yeri
Fark
12 Kazan arka Çalışma
Boşluğu Dış çap yüksekliği
Montaj Resmi,
A-A KESİTİ
-13 Rulman Yuvası Çalışma
Boşluğu Dış çap yüksekliği
Montaj Resmi, A-A KESİTİ -Ölçü Ölçüm Noktası İlgili Fonksiyon İlişkili Parça No Fark Kayış Teknik Resimdeki Yeri Kontrol Statüsü x x Oturma yüzeyi yüksekliği 1 Küçük rulman Mil Bağlantı DETAY X Merkezleme/
Konumlama Kasnağın kazana
dönük kısmındaki göbek çapı DETAY X 2 Bağlantı Merkezleme/ Konumlama Merkezleme/ Konumlama 23 mm+-0,2 23,6 mm 20 mm+-0,2 DIN 5184 / 15x17 / 32 diş 1,4x45° 5 14,5 mm+0,2 Referans 8 Numara 8 Numara 300 mm+-1
51
52
Şekil 2.7.2 : Kasnak teknik resmi (8, 9, 10, 11 numaraları montaj ilişkilerinin açıklaması).
53
3. SONUÇ VE ÖNERİLER
Kasnakta görülebilecek problemlerin başında, kasnağın deplasmanlarının yüksek olması sebebiyle kazana çok yaklaşması ve sürtmesi gelmektedir. Bu problemi gidermek için kollardaki boşaltmalar kaldırılabilir, kolların içine feder yapısı eklenebilir veya koldaki et kalınlıkları artırılabilir. Örnekler, Şekil 3.1 ve Şekil 3.2’de görülebilir.
Şekil 3.1 : Kol içerisine çapraz feder yapısı uygulaması.
Oluşma ihtimali olan bir başka problem, göbek bölgesindeki dişlerin aşınmasıdır. Daha önce PA6 GF50 malzemesi ile üretilen eski plastik kasnakla yapılan testte göbekte problem oluşmamasına rağmen, son tasarımda göbek et kalınlıklarının düşürülmesi sebebiyle gerilme yığılmaları oluşabilir. Bunu engellemek için göbek et kalınlıkları artırılabilir. Veya göbek bölgesi metal olup, kasnağın geri kalanı plastik enjeksiyonla metalin üzerine basılabilir. Şekil 3.3.’te örneği görülebilir.
54
Şekil 3.2 : Kol içerisine uzun feder uygulaması.
55
Kasnakta oluşacak problemler için üretilen çözümlerin hepsi, parça maliyetini artırmaktadır. Problem çıkması halinde yapılacak olan iyileştirmeler için fizibilite analizleri yapılması ve gidilebilecek sınırların belirlenmesi gerekecektir. Ancak bunlar, ilk kasnak üretilip testleri gerçekleştirildikten sonra yapılabilir. Analiz sonuçları ve eski tasarımların testlerinin gösterdiği durumda, son tasarım üzerinde bir problem çıkması beklenmemektedir.
Plastik kasnağın üretimi için kalıp hazırlanması gerekmektedir. Kalıp üretici firma seçildikten sonra kalıp üretimi süreci bitiminde, ilk baskı alınıp kalıpta düzeltme yapılacaktır. Düzeltilmiş kalıp ile üretilmiş parçalar Arçelik’e geldiğinde parçanın kontrolleri yapılacaktır. Kontroller olumlu sonuçlanırsa, parçalar Arge testlerinde kullanılacaktır. Testlerde müşterinin karşılaşacağı her türlü durum simüle edilmeye çalışılmaktadır. Bütün testleri başarıyla tamamlaması halinde, plastik kasnak Arçelik’in önden yüklemeli kayışla tahrikli makinalarında kullanılmaya başlanacaktır.
