Cıvatalarda kuvvet naklinin cıvata geometrisinde yapılan değişiklikler ile iyileştirilmesi ve sonlu elemanlar metodu ile analizi

Abstract

Otomobiller, uçaklar, konveyörler gibi pek çok bileşenden oluşan makineleri bir arada tutan ve bir araya getirmeyi sağlayan en temel ve en elzem yapı taşlarından biri cıvatalardır. Birbirinden farklı endüstrilerde, farklı boyutlarda, farklı ölçülerde ve farklı amaçlarla tasarlanan, üretilen ve kullanılan makinelerin ortak noktası olan cıvatalar, çözülebilir bağlantıların en önemlilerinden birini oluşturmaktadır. Cıvataların makine tasarımı içeren hemen hemen her endüstriye, her araştırmaya dokunması nedeniyle, makine tasarımında çok önemli bir rolü vardır. Bu sayede makine konstrüksiyonlarını iyileştirme ve geliştirme potansiyeli sunmaktadır. Kullanım ve uygulama alanlarının genişliği sebebiyle cıvataların üretimi ve üretim çıktıları dünya çapında standartlaştırılmıştır. Bu standartlaştırma ile birlikte, boyut, biçim, malzeme seçimi, malzeme dayanımı, taşıyabileceği kuvvet limiti gibi cıvataları tanımlayıcı parametreler sabit tutulabilmektedir. Cıvatalar temelde bir yay gibi davranarak bir arada tutması istenen yüzeyler arasında esneyerek kuvvet geçişine izin vermektedir. Bu esneme sayesinde, yay karakteristiği sergileyen cıvatalar, kuvvet iletimini iyileştirmek için fırsatlar sunmaktadır. Kuvvet iletim yollarını iyileştirmeyi amaçlayan bu çalışmada, cıvataların yaylara benzeyen özellikleri çeşitli geometrik değişikliklerle sağlanmaya çalışılmıştır. Kuvvet yollarını iyileştirmek için yapılan diğer çalışmalarda, cıvatalı bağlantıların bir diğer bileşeni olan somun üzerinde geometrik değişiklikler yapılarak elastik somunlar tasarlanmış, cıvata gövdesi üzerinde farklı çaplar açılarak yaylanma katsayısı değiştirilmiş ve uzar cıvatalar elde edilmiş, sıkışan burçlar eklenerek kuvvet dağılımı iyileştirilmiştir. Bu çalışmada ise, daha önceki çalışmalardan farklı olarak, var olan bir cıvata gövdesinin işleme tabii tutularak geometrik olarak değiştirilmesi ele alınmıştır. Bu yapılacak geometrik değişiklikler, standartlaştırılmış cıvatalara uygulanılabilir şekilde düşünülmüştür. Bu sayede makina tasarımının en temel faktörlerinden biri olan cıvatalarda kuvvet dağılımını düşük maliyetle iyileştirme hedeflenmiştir. Standartlaştırılmış cıvatalara uygulanabilir olan bu çalışma, makina tasarımında neredeyse en çok kullanılan bileşenin, hızlı ve etkili bir şekilde kuvvet iletimini iyileştirmeyi amaçlamaktadır. Cıvata gövdesi üzerinde yapılan geometrik değişiklikler, uygulamada CNC tezgâh ile tatbik edilebileceği ön görüsüyle tasarlanmıştır. Bu geometrik değişiklikler için 8.8 kalite, DIN 931 M10 cıvata, DIN13 metrik profil ve ISO 4032 somun tercih edilmiştir. Cıvataların oturma yüzeyi olarak akma sınırı 250 MPa , Poisson oranı 0.3 olan yapı çeliği tercih edilmiştir. 3 boyutlu katı modelleme programları kullanılarak bu montaj yapısı bilgisayar ortamında simüle edilmiştir. 3 boyutlu katı modeller, cıvata gövdesi üzerinde, cıvata ekseninde açılması ön görülen deliklerin farklı çaplarda, farklı derinliklerde ve farklı koniklik açılarında olabileceği düşüncesi ile çeşitlendirilmiştir. Standart cıvata modeli ve deforme edilmiş modeller sonlu elemanlar metodu kullanılarak yüke maruz bırakılmıştır. Standart cıvata üzerinde yapılan sonlu elemanlar analizi, teorik bilgiler ve deneysel veriler ile kıyaslanmıştır. Bu analizden yapılan çıkarım ile, aynı sınır koşulları ve yük değerleri uygulanarak geometrik olarak deforme edilmiş cıvatalar sonlu elemanlar metodu ile analiz edilmiştir. Yapılan bu çalışmalarda, cıvata gövdesinin yaylanma rijitliğinde yapılan değişikliklerin kuvvet dağılımına pozitif etkisi olduğu gözlemlenmiş, cıvata dişleri üzerinde oluşan yer değiştirmenin daha az olduğu, kuvvet yollarının daha düzenli hale geldiği saptanmıştır.