Çarpışma kazalarında yolcu güvenliğini artırmak için kardan milleri çarpışma enerjisini absorbe edebilecek veya çarpışma esnasında tahmin edilebilir bir deformasyon gösterecek şekilde tasarlanırlar.
Toplumun araç güvenliğine ilgisinin artması otomotiv sanayi ve yan sanayisini hareketlendirmekte, çarpışma kazalarında başarılı performans gösteren komponentler ve sistemler üretmeye teşvik etmektedir. Önden çarpışma sırasında yüksek kuvvetler ve ivmelenmeler kardan mili vasıtası ile aktarılmakta ve çok parçalı kardan millerinde kontrol edilemeyecek burkulmalar yolcular üzerinde ciddi yaralanmalara yol açabilmektedir. Dinamik test ekipmanları çarpışmaları simüle etmek için geliştirilmektedir ve böylece kazalarda kardan milinde olabilecek bozulmalar üzerine çalışılmaktadır. Test ekipmanları sayesinde çarpışmada kardan milinde olan bozulmalar üzerine optimizasyon çalışmaları yapılmakta, çarpışmada kardan milinin davranışı üzerinde bilgiler edinilebilmektedir.
Önden bir çarpışmada kardan mili, kuvvetleri motor/dişli kutusundan arka aksa iletmektedir. Çoğu araç günümüzde, 2 parçalı kardan miline sahiptir ve çarpışmada kardan mili merkez bağlantı kısımlarında her yönde istavrozun çarpışmadaki duruşuna bağlı olarak burkulmalar olabilmektedir. Bu nedenle çarpışmada şaftın eksenel kuvveti ve enerji absorbe edilmesini tümüyle tahmin etmek imkansızdır. Kardan milleri üzerine yapılan çarpışma testleri ile meydana gelen maksimum eksenel kuvvet, gerekli yer değiştirme ve çarpışmada şaft tarafından absorb edilen enerji büyük oranda tahmin edilebilmektedir. İdeal durumda kardan mili çarpışmada burkulma göstermez fakat kazalarda kardan millerinin yolcuların zarar görmesini engelleyecek şekilde kırılması istenmektedir.
GKN Otomotiv, kardan millerini üzerine testler ve optimizasyonlar yapmak için serbest düşme prensibine göre çalışan bir test düzeneği geliştirmiştir. Bu test düzeneğinde 30-480 kg arasında bir ağırlığa sahip yapı maksimum 3.5 m yükseklikten düşmeye bırakılmaktadır. Ve maksimum 16.500 Joule’ lük bir çarpışma enerjisi sağlanabilmektedir. Test düzeneğinde ya kardan mili bir ağırlık ile serbest düşmeye bırakılmakta veya alt kısımdan sabitlenerek üzerine ağırlık düşürülmektedir. Test ekipmanı düz veya ötelenen bir çarpışma veya yapıya şok etkisi ile enerji absorbe edilmesini simule etmek için ayarlanabilmektedir. Yerdeğiştirme profili, ivmelenme, ve eksenel kuvvetler test ekipmanı ile gözlemlenebilmekte ve bu ölçümler sayesinde kardan milinin enerji absorbe etmesi hesaplanabilmektedir. Şaftta meydana gelen burkulma ile standart kardan milleri yüksek miktarda düzensiz kuvvetler üretebilmekte ve kardan mafsalında ki deformasyon çok yüksek pik kuvvetler oluşturabilmektedir. Yapılan gerçek araç çarpışma test sonuçları ile kardan mili test düzeneğinin iyi korelasyonu sonucunda çarpışma kütlesi ve enerjisi başarılı bir şekilde hesaplanabilmektedir.
Kardan milinden optimal çarpışma performansı elde etmek için aşağıda sıralanan altı tasarım kriteri göz önünde bulundurulmalıdır.
-Bir, iki veya çok parçalı kardan millerinden hangisi en gerekli olduğunun karar verilmesi
-Motor/dişli kutusu yerleşimi dikey veya yatay olmasına karar verilmesi
-Ne çeşit taban yolları kullanılacağına karar verilmesi
-Ön ve arka süspansiyon karateristiklerinin incelenmesi
-Dört çekerli araçlarda hangi eksen öncelikli kullanılacağı
-Yolcu kabinini etrafındaki araç gövdesinin mukavemetinin incelenmesi
Kardan millerindeki tasarım parametreleri şafttaki maksimum eksenel kuvvetleri, yerdeğiştirme ve enerji absorbe edilme özelliklerine göre her tip araca uygun olmaktadır. Bir kardan millerinde optimum çarpışma performansı farklı tüp malzemeleri kullanılarak elde edilebilir. Malzemelere örnek olarak; çelik alüminyum ve kompozitler verilebilir. Birleşim bölgeleri tasarımında mafsal ve flanşlarda veya bağlantı kısımlarının ayrı ayrı tüplere bağlantılarındaki farklılıklar örneğin kaynak, yapıştırma presleme, sıkı geçme veya dişli parçaları ile bağlantılardaki farklılıklar ile optimal çarpışma performansı elde edilebilir.
TÜP MALZEMELERİ
Çarpışma testleri sonucunda görülmüştür ki çelik malzemeli kardan millerinde boru çaplarında yaratılan farklılıklar, büzgüler, ve kalınlıklar çarpışma performansı için önem taşımaktadır. Kardan mili çarpışma esnasında aşırı bir eksenel kuvvete maruz kaldığından ufak çaptaki tüp geniş tüpün içi kısmına doğru kayma göstermektedir. Ve çarpışmanın pik noktasının ardından eksenel kuvvet sabit bir değer ile düşüşe geçmektedir.
Bu tarz tasarımlar ile oldukça yüksek bir yer değiştirme, yüksek enerji emilmesi ile orantılı olarak gerçekleşmektedir. Tüp tasarımı tüp çapı ile duvar kalınlığının belirli bir orantıda olması ile sınırlanır ve bu durum maksimum transfer edilebilir tork ve eksenel kuvvet arasında bir değiş tokuş durumunu yaratabilir.
Kardan milleri çarpışma sırasında oluşan eksenel kuvvetler altında kırılma gösteren cam elyafı veya karbon elyafı gibi kompozit malzemelerden de üretilmektedir ve tasarım şaftın deformasyon gösterdiği kuvvete göre yapılmaktadır. Enerji emilimi ise fiberin malzemesine, bağlama açılarına ve duvar kalınlığını etkileyen katman sayısına bağlıdır. Testler genel olarak önden çarpışmalarda tek parçalı kompozit kardan millerinin iki parçalı çelik kardan millerine göre daha iyi performans verdiğini göstermektedir. Arka akstaki dikey ivmelenmenin ölçülebildiği durumda kompozit kardan millerinin maksimum ivmesi 2.5 değerlik bir katsayı ile düşüş göstermektedir.
Kardan millerinde alüminyum malzeme kullanılması ağırlık azaltımında ve çarpışma performansında iyi performanslar sunabilmektedir. Bir alüminyum tüp tasarımı eksenel kuvvetleri sınırlamanın yanında ince tüpün geniş tüp içinde kaymasında ortaya çıkan sürtünme kuvveti nedeniyle genişleyen bir enerji emilimi sağlamaktadır.
KARDAN MİLLERİNDE ENERJİ EMİLİMİ
Kardan milleri, aynı zamanda çelik veya alüminyum bağlantılarının uç bağlantı kısımlarında enerji absorbe edebilme özelliğine göre tasarlanır. Tipik bir tasarımda kompozit tüp uç kısımlarından çember sargı olarak bilinen radyal biçimde fiber takviyeli olarak bağlanmaktadır. Uç bağlantı kısımları ölçülendirilerek, bağlantı sırasında tüpe bir ön yükleme uygulanmaktadır. Bu önyükleme, çarpışma sırasında uygulanan eksenel kuvvet ve iletilen tork altında zorlanma basıncını tayin etmede kullanılmaktadır. Çarpışma altında tüp içindeki uç bağlantı kısımları, mafsal omuzları tüpe çarpana kadar tüp içinde kaymakatadır. Kuvvetin miktarına bağlı olarak kompozit tüp ya tek tarafından ya da başlangıç ve sonu olmak üzere her iki tarafından da kırılmaktadır. Testler, kuvvetin çoğu çarpışmada sabit kaldığını göstermektedir. Enerji emilmesi, tüpün uç bağlantı kısımlarının tüp içinde sürtünmesi sayesinde ve bunu takiben tüpte meydana gelen kırılma gerçekleşmektedir.
Alüminyum bir tüpte, çelik halkalar tüpün dış kısıma doğru deplasmanını sınırlamaktadır. Yer değiştirme, tüp içindeki çeşitli uzunluktaki uç bağlantı kısımları nedeniyle oluşmaktadır çünkü alüminyum tüp kırılmaya uygun biçimde tasarlanmamıştır. Uç parçalar çarpışma esnasında çelik halkaların ileri kısmına doğru kaydığında kuvvet eğimi azalmaktadır çünkü destekleyici etki gitmiştir. Kompozit tüplerde uç bağlantı kısımlarında çelik, alüminyum veya plastik flanşlar önerilir . Bu durum, özellikle uç bağlantı kısımlarında sıkı geçme olmayan ince duvarlı kompozit tüplerde görülmektedir. Yapıştırma ile bağlantısı sağlanan uç kısımların çarpışma performansı, bağlantı kısımları ile tüp arasındaki dişli parçaların tork transferindeki etkisi incelenerek optimize edilmektedir. Yapıştırma yöntemi ile bağlantısı yapılacak dişli parçalar uç kısımlarda boşluksuz biçimde monte edilir. Bu parçalar ayrılma yüzeyine sahiptir ve çarpışma esnasında gelebilecek eksenel ufak bir kuvvet ile parça ayrılabilmektedir. İnce duvarlı kompozit tüplerde uç bağlantı kısımlarının çarpışmada tüpü etkilemesi ile kırılma gerçekleşmektedir. Testler, çarpışma süresince çok düşük aşamada kuvvet göstermektedirler ve çarpışmaya bağlı olarak geniş bir yerdeğiştirme ve enerji emilme miktarlarında neredeyse lineer bir artış göstermektedir.
SABİT HIZ MAFSALLARI
İki parçalı kardan millerinde üniversal mafsallar genellikle sadece merkez bağlantı kısımlarında kullanılmaktadırlar ve çarpışma etkisi ile bükülme gösterirler. Mafsalın dönme pozisyonuna ve çarpışmanın yönüne bağlı olarak şaft herhangi bir yönde bükülebilmektedirler. Tek tip araçların çoklu çarpışmalarında bu nedenle aynı test koşullarında olsalar dahi farklı sonuçlar doğabilmektedir.
Kardan mafsalları sabit hız mafsalları ile yer değiştirdiğinde sabit hız mafsalları, kuvvet etkilerini ve deplasmanlarını kontrol edebilmekte ve iki parçalı kardan milinin merkez bağlantı kısımından burkulmasını önleyebilmektedirler.
TEST DÜZENEĞİ
GKN firması kardan milleri üzerine çarpışma tesleri yapmak için özel bir platform inşa etmiştir. Bu test düzeneğinde 30-480 kg arasında bir ağırlıpa sahip yapı maksimum 3.5 m yükseklikten düşmeye bırakılmaktadır. Ve maksimum 16.500 Joule’ lük bir çarpışma enerjisi sağlanabilmektedir.
Test düzeneği ile kardan millerinin çarpışmada darbeye dayanım güçleri incelenmektedir. Test cihazı sayesinde belirli bir ağırlığın çarpışma davranışı simule edilebilmektedir. Üstteki şekilde test düzeneği ile genel bilgiler görülebilir. Düşmeye bırakılan kütle 30 ile 480 kg arasında değişmektedir. Maksimum düşme yüksekliği 3.5 m dir. Ve yaklaşık olarak maksimum 30 km/h lik bir hıza ulaşılabilmektedir. Bu yüzden, çarpışma enerjisinin çarpışma numunesi üzerine uygulanması ile maksimum 16.5 kj lük bir enerji elde edilebilmektedir. Eksenel bir yük hücresi taban kısıma monte edilmiştir ve çarpışma numunesi yük hücresinin üstüne yerleştirilir. Çarpışma sırasında düşen kütledeki deplasman değerleri iki lazer nirengi sistemi ile düşen kütle zıt olarak monte edilmiş iki kama arasında yatay olarak ölçülebilir .Yer değiştirme ölçümünde elde edilebilir toplam doğruluk yaklaşık olarak ｱ0.5 mm civarındar. Bu sistematik hata ihmal edilebilir biçimde yaklaşık olarak 5 mm lik bir istatiksel hata ile karşılaştırılır. Düşen ağırlığın yerdeğiştirme datasındaki ortalama sinyale ek olarak kuvvet sinyali de bir bilgisayar yardımıyla yüksek temporal kararlılık ile ( t = 5μs) kayıt edilebilir. Kuvvet/zaman ve deplasman/zaman kuvvet-deplasman diyagramı olarak elde edilerek analiz yapılabilir. Sıra ile ek yüksek frekans katkılarının kuvvet hücresi tarafından kaynaklanan doğal frekanslar arasından filtrelenmesi ile sinyallerden daha düzgün bir algoritma elde edilmş olur. Kuvvet-yer değiştirme arasındaki bağıntıya bağlı olarak çarpışan yapının arta kalan yüksekliği pik kuvvet ve özellikle ortalama deformasyonlar analiz edilebilir. Katlanma mekanizması detaylarının analizi için veya bozulmaların oluşmaları ve değerlendirilmeleri için maksimum saniyede 4000 çerçevelik yüksek hızda bir video sistem çarpışma testleri için kullanılmaktadır. Düşük sıcaklıklardaki çarpışma davranışının incelenmesinde çarpışma numunesi -40°C sıcaklığa kadar soğutulabilir. Ön testlerdeki eğilmeler ve numunenin tam merkezde olmaması kuvvet ölçümünde yanlışlıklara neden olabilir. Çünkü, bu tarz koşullarda kuvvet sensörüne gelen kesme kuvvetleri yanlış sonuçlar doğurabilir. Bu nedenle sadece eksenel çarpışma testleri iyi sonuç vermektedir.
