Süspansiyon Sistemi Bağlantı Elemanları Üretim Teknolojileri

👤Mehmet Ali Güvenç1, Selçuk Mıstıkoğlu1 1İskenderun Teknik Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü

ÖZET
🔍 Kara yolu taşıtlarına olan bağımlılık her geçen gün artmaktadır. Bu nedenle, otomotiv endüstrisi, dünya genelinde dördüncü büyük ekonomi haline gelmiştir. Otomotiv sektöründe yaşanan rekabet; yalnızca fiyat endeksini değil aynı zamanda çevreye duyarlı tasarımların geliştirilmesi ve elektrikli araçlarda kullanılabilecek, hafifletilmiş malzemelerin geliştirilmesi çalışmalarını da kapsamaktadır. CO2 emisyonu azaltılmış, karbon ayak izi düşük, çevreye duyarlı araçların geliştirilmesi çalışmalarının başında ağırlık azaltma çabaları gelmektedir. Bu bağlamda; otomotiv üreticileri alüminyum, magnezyum, titanyum ve kompozit esaslı malzemelerin geliştirilmesi ve bu malzemeler için yenilikçi üretim teknolojilerinin geliştirilmesi çalışmalarına büyük önem vermektedirler. Bu çalışmaların odak noktalarından birisi de süspansiyondur. Bu çalışmada, güvenlik, yol tutuşu ve konfor parametrelerini doğrudan etkileyen süspansiyon sistemi bağlantı elemanlarında kullanılan malzemeler ve bu malzemelerin üretiminde kullanılan üretim yöntemleri irdelenmiştir. Önümüzdeki yıllarda otomotiv endüstrisinde kullanılabilecek malzemeler ve üretim teknolojileri tartışılmıştır.🔍

1. GİRİŞ
Günümüzde otomotiv sektörü, tedarikçi/müşteri zincirine sağladığı teknolojik ve ekonomik katkılar ile, ülke ekonomisine sağladığı katma değer sayesinde dünyada olduğu kadar ülkemizde de ekonomideki ezici ağırlığını ve payını artırmaktadır. 1930’lu yıllarda otomobil sahibi olmak zenginliğe işaret ederken 2016 yılında otomobil sahibi olmak oldukça kolaylaşmıştır. Ülkemizde araç sayısı TUİK (Türkiye İstatistik Kurumu) rakamlarına göre 16 milyon adedi geçmiştir. Otomotiv endüstrisi, bu özellikleri sayesinde dünyanın 4. büyük ekonomi hacmine ulaşmıştır. Sektörde yaşanacak olumlu veya olumsuz gelişmeler ülke ekonomisini doğrudan etkileyebilecek konuma gelmiştir. [1]

🔍 1970’li yıllara kadar esnek olmayan bant tipi üretimle gerçekleştirilen otomotiv üretimi 1970’li yılların başlarında Japonya’ da başlayan akım ile yalın üretim sistemi ile tanışmıştır. Otomotiv endüstrisinde yalın üretimin benimsenmesinin ardından otomotiv üretim teknolojilerinin gelişimi de hız kazanmıştır. Esnek ve ekonomik üretim anlayışını benimseyen sektör, “yalın üretim”; sürekli iyileştirme, tam zamanlı üretim ve 6 Sigma gibi uygulamaların geliştirilmesine katkı sağlamış ve dolaylı olarak üretim maliyetlerine dolaylı olarak etki yapmıştır. Yalın üretimin ardından geliştirilen bilgisayar destekli tasarım (BDT), bilgisayar destekli üretim (BDÜ) ve bilgisayarla bütünleşik imalat (BTİ) teknolojileri otomotiv sektörüne girmiş ve imalat süresinin kısalmasına bunun yanında müşteri şikâyetlerine hızlı cevap vermeyi olanaklı hale getirmiştir. [1,3]🔍 
Otomotiv endüstrisinde yaşanan bu olumlu gelişmeler üretim maliyetlerini düşürmüş ve küresel otomotiv pazarına hacim kazandırmıştır. Otomotiv fiyatlarında yaşanan düşüş müşteri talebini artırmış ve beraberinde rekabeti de getirmiştir. Dünya genelinde otomotiv toplam satışı miktarında neredeyse her yıl artış yaşandığı gözlemlenmektedir. (Şekil 1) 
Otomotiv pazarının dünya ekonomisindeki önemi ve her yıl artış gösteren müşteri talepleri; pazardaki payını artırmayı hedefleyen otomotiv firmalarını ve otomotiv üretiminde yer alan gelişmiş dünya ülkelerini kıyasıya bir rekabet içerisine çekmiştir. Önümüzdeki yıllarda sektörde tutunmayı ve hatta üst sıralara yerleşmeyi hedefleyen üreticiler bu rekabetteki başarılarını, teknolojiyi takip etmeleri ve geleceğe ışık tutan AR-GE faaliyetlerine verdikleri önemle sağlayabileceklerdir.

Otomotiv endüstrisi içerisinde yaşanan rekabet, yalnızca fiyat endeksli değil aynı zamanda çevreye etki ve insana uyum konularını da içermektedir. Önümüzdeki yıllar içerisinde otomotiv sektöründen beklenen gelişmeler arasında pasif güvenliğin, konforun ve elektronik donanımın artırılması, yapay zekanın araca entegre edilmesi, yenilikçi malzemeler ile araç ağırlığının azaltılması ve bunun sonucunda yakıt miktarının azaltılarak CO2 salınımının azaltılması çalışmaları yer almaktadır. Araç ağırlığının azaltılarak geleceğin teknolojisi olarak gösterilen elektrikli araçların hayatımıza girmesine olanak sağlanması ve CO2 salınımını azaltılmış çevreye duyarlı araçların üretilmesi çalışmalarını birbirinden bağımsız yürütmek mümkün olmayacaktır. Otomotiv üreticisi firmaların bu başarıyı yakalayabilmeleri ve aynı zamanda rekabetçi piyasaya uygun hareket etmeleri gerekecek ve bu başarıya ancak yenilikçi üretim teknolojileri ile imal edilmiş, yenilikçi malzemelerin kullanım yüzdesini artırmalarıyla ulaşabileceklerdir. [2, 4]

🔍Bu çalışmada otomotiv için yüksek güvenlik parçaları arasında yer alan ve araç konforuna doğrudan etki eden, süspansiyon ve direksiyon sistemi elemanları hakkında bilgiler verilmiştir. Süspansiyon bağlantı elemanlarında kullanılan malzemeler hakkında bilgiler verilmiş ve üretiminde kullanılan yöntemler irdelenmiştir. Aynı zamanda kullanılan malzemeler ve üretim yöntemlerinin birbirlerine göre üstünlükleri ele alınmıştır. 

2. SÜSPANSİYON SİSTEMLERİ
Tedarik zincirinde güçlü bir potansiyele sahip olması ile birlikte birçok ülkede lokomotif görevini üstlenen otomotiv sektöründe yaşanan rekabet gün geçtikçe artış göstermektedir. Bu rekabet, otomotiv üreticilerini BDM (Bilgisayar Destekli Mühendislik) araçlarını kullanmaya teşvik etmiştir. Ürünün tasarlanması, doğrulanması ve üretilmesi aşamalarının hızlı bir şekilde tamamlanmasını ve rakipten önce piyasaya sürmesine olanak sağlayan BDM araçlarının doğruluk oranları gün geçtikçe artış göstermiş ve bu artış gerçek şartları neredeyse birebir karşılayacak konuma gelmiştir.🔍 

Otomotiv endüstrisi firmaları, ürün geliştirme sürecinde rakiplerinden bir adım önde olabilmek için BDM alanında yapılan iyileştirmelerin en büyük destekçisi ve en büyük kullanıcısı olmuşlardır. Yaşanan ciddi rekabetin getirdiği fiyat endeksli tasarım ve üretim, geleceğin kaçınılmaz gerçeği olarak görülen elektrikli araçlara geçiş çalışmaları, çevreye duyarlı ürün geliştirme zorunluluğu ve yakıt miktarını azaltma çalışmaları, firmaları yeni malzeme ve üretim süreci araştırmalarına sürüklemiştir.

🔍

Bu araştırmalar, şase bağlantı elemanları olarak da anılan süspansiyon ve direksiyon sistemleri elemanlarının tasarım ve üretiminde de yürütülmektedir. (Şekil 2) Şase bağlantı elemanlarının gereksinimleri; sürüş dinamiği, sürüş konforu, güvenlik, kullanım kolaylığı, ağırlık, maliyet, dayanıklılık ve güvenirliktir. [4,5]
2.1. Süspansiyon Sistemi ve Bileşenleri
Şase bağlantı elemanlarını oluşturan sistemler arasında yer alan süspansiyon sistemleri, bağımlı (sabit aks) ve bağımsız süspansiyon olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.
Bağımlı süspansiyon sistemleri: Tekerleklerin tek bir aks ile birbirlerine bağlanması ile oluşturulan bağımlı süspansiyon türünde, tekerleklerin herhangi birisinde meydana gelecek hareket diğer tekerleği de doğrudan etkiler. (Şekil 2) Bağımlı süspansiyon tiplerinde, kamber açısının değişiminin önlenememesi, tekerlek doğrultusunun ayarlanamaması, ağır olmaları ve titreşim esnasında araç kontrolünün azalması gibi problemlerden ötürü ön süspansiyonlarda tercih edilmemektedir. [5, 7]

Bağımsız Süspansiyon: Tasarımları gereği, tekerleklerin birbirinden bağımsız hareket etmelerine olanak sağlayan bağımsız süspansiyon sistemleri, günümüzde en çok kullanılan süspansiyon tipidir. Bağımsız süspansiyon sistemleri, yük taşıma kapasitesi olarak bağımlı süspansiyon sistemlerinin gerisinde kalsa da; tasarım özgürlüğü, konfor ve sürüş kalitesi bakımından oldukça üstündür. [5, 7]


Süspansiyon sistemi bileşenleri; amortisörler, yaylar, süspansiyon bağlantıları, rotiller (küresel mafsallar) ve stabilizer rotlar (Z-Rotlar) olmak üzere beş ana başlıkta toplanabilirler. Bunlardan Süspansiyon bağlantıları, rotiller ve stabilizerler aynı zamanda şase bağlantı elemanları olarak da tanımlanabilmektedir.

🔍 2.1.1. Süspansiyon Bağlantı Elemanları
Süspansiyon bağlantıları, tekerlek ile otomobilin ana şasisi üzerinde bağlantı sağlayan elemanlardır. Şasi bağlantı elemanları günümüzde genellikle çelik veya alüminyumdan imal edilmekte olup farklı malzemeler ve yeni üretim teknolojileri üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Süspansiyon bağlantı elemanları genel olarak üç ana grupta incelenmektedir. Bunlar: Kontrol kolları: Aracın ağırlığından doğan kuvvetlerden çok yanal kuvvetleri taşıyan bağlantı elemanlarıdır. Günümüzde kullanılan bazı kontrol kol çeşitleri Şekil 4’ te gösterilmiştir. [5]
Destek kolları: Aracın yanal kuvvetlerinin yanında araç ağırlığından doğan düşey kuvvetleri de taşıyan bağlantı elemanlarıdır. (Şekil 5) Aracın düşey kuvveti rotiller vasıtasıyla taşınır dolayısı ile bu tür bağlantı tipinde rotiller standarttan daya yüksek mukavemete(küresel mafsal çıkma kuvveti) sahip olmalıdır. [5]

Yardımcı kollar: Otomobil üreticileri tarafından nadiren tercih edilen ve genel manada destek kollarının veya kontrol kollarının birbirine bağlanmasında kullanılan bağlantı elemanlarıdır [5].
Günümüzde süspansiyon kolları tasarımı otomobil üreticilerinin isteklerine bağlı olarak farklılık göstermektedir. Şasi ve tekerlek arasındaki mesafe, bağlantı elemanlarının şekli, kullanılacak malzeme ve şekli konusunda son tasarıma topology optimizasyonları sonrası varılmaktadır. [5, 8, 9]

🔍

2.1.1.1. Süspansiyon Malzemeleri
Günümüzde süspansiyon bağlantı elemanlarında en yaygın kullanılan malzeme çeliktir. Çelik malzemelerin, yüksek dayanıma sahip olmaları, sünek olmaları ve bunların yanında en uygun fiyata sahip olmaları diğer malzemelerden bir adım önde olmalarında en önemli etkenlerdir. Çeliğin en büyük dezavantajı Ancak önümüzdeki yıllar içerisinde alüminyum, magnezyum, titanyum ve bunların yanında plastik esaslı kompozit malzemelerin kullanımının artması beklenmektedir. Günümüzde süspansiyon bağlantı elemanları için kullanılan altı önemli malzeme türü ve bu malzemelerin bazı mekanik özellikleri Tablo 1. de gösterilmiştir. Süspansiyon bağlantı elemanları için kullanılan sac çelik malzemeler S355MC, S420MC ve S500MC; dövme çelik malzemeler 30MnVS6+P, 38MnVS6+P ve C35E; boru profil malzemeler St 52 ve S355J2G3; döküm malzemeler ise çoğunlukla
EN-GJS-400 ve G17CrMo5-5’den imal edilmektedir.

Hafiflik özelliği ile göze çarpan alüminyum alaşımlarının en önemli özelliği seri üretime ve yenilikçi çözümlere uygun olmasıdır. Çelik ile karşılaştırılması durumunda kilogram başına birim fiyatı üç kat daha fazla olmasına rağmen yakıt tüketimi ve CO2 emisyon oranının azaltılmasına yönelik çalışmalar ve zorunlulukların devam etmesiyle birlikte alüminyum alaşımlarının kullanım oranında da artış olması beklenmektedir. Alüminyum alaşımları sac şekillendirme, kaynaklama, döküm, dövme ve haddeleme proseslerinin tamamı için uygun bir malzemedir. Hafif olmasının yanında yüksek korozyon direnci olan alüminyum alaşımları süspansiyon elemanları için de önemli bir yer tutmaktadır. Süspansiyon sistemlerinde kullanılan alüminyum alaşımları Mg ve Mn eklenmiş Si alaşımlarıdır. Alüminyum alaşımlarının elastik uzama, akma ve çekme mukavemeti gibi bazı mekanik özellikleri T6, T5, T4 ısıl işlemleri ile önemli ölçüde artırılabilmektedir. [5, 10, 11]

Dövme prosesin de kullanılan alüminyum alaşımları AlMgSi1(6061); döküm prosesinde kullanılan alüminyum alaşımları GD-AlSi12Mg, AlSi9Cu/Mg ve AlSi7Mg; kokil döküm prosesi için kullanılan alüminyum alaşımları AlSi10Mg (A239), AlSi7Mg90.3(A356) ve AlSi7Mg0.6(A357); ekstrüzyon için kullanılan alüminyum alaşımları ise AlMgSi1 ve AlMgSi0.5’ dir. [5,11] Şekil 6’ da Alüminyum malzeme kullanımı ile hafifleştirilmiş araç konsepti yer almaktadır.🔍 

Aluminyum alaşımlarının yanında düşük yoğunluğa sahip diğer bir malzeme türü de magnezyum alaşımlarıdır. Ancak geçtiğimiz yıllarda magnezyum alaşımlarının süspansiyon elemanı malzemesi olarak kullanımı; korozyona bağlı olarak yaşanabilecek kırılmalar ve yüksek maliyetlerinden ötürü düşük bir yüzdeye sahiptir. Döküm özellikleri oldukça iyi olan magnezyum, bir o kadar da kötü sürünme davranışı göstermektedir. Günümüzde magnezyum üzerine yapılan AR-GE çalışmaları ile korozyon direnci artırılmış ve maliyetini düşürme çalışmaları sayesinde fiyatı nerdeyse alüminyum ile aynı seviyelere kadar indirilmiştir. [5,12]
En yaygın kullanılan magnezyum alaşımı AZ91-HP olmakla birlikte düşük bir esnekliğe sahip olduğu için süspansiyon bağlantı elemanı olarak kullanılmaya uygun bir malzeme değildir. Süspansiyon sisteminde kullanılabilecek magnezyum alaşımları AM50, AM60, AE42 ve AJ62 malzemeleridir [5, 12].

2.1.1.2. Üretim Teknolojileri
Günümüzde süspansiyon sistemi elemanlarının imalatında kullanılan başlıca üretim teknolojileri:
Döküm(çelik, alüminyum ve magnezyum)
Dövme(Çelik, alüminyum)
Dövme döküm(alüminyum Cobapres),
Sac metal şekillendirme ve kaynak,
Boru profil,
Soğuk dövme,
Hidro şekillendirme,
Ekstrüzyon sonrası işleme (alüminyum alaşımları) ve son olarak bu proseslerin bazılarının birlikte kullanılması durumudur.

🔍 Süspansiyon ve direksiyon sistemi bileşenlerinin imalatında kullanılan en yaygın altı teknoloji ve bu teknolojilerin birbirlerine avantajları ve dezavantajları Tablo 2. de verilmiştir. Süspansiyon bağlantı elemanı üzerine gelen kuvvetin düşük ve maliyetin yüksek önem taşıdığı durumlarda tek katman çelik sac metalden imal edilen parçalar kullanılabilmektedir. Otomotiv üreticisi firmaların tasarım esnasında vardığı kararlar sonrası bağlantı elemanı üzerine gelen kuvvetin fazla olması durumlarında ise kaynak ile birleştirilmiş çelik sac malzemeler kullanılabilmektedir. Günümüzde ağırlığın önem taşımasından ötürü alüminyum malzemeler tercih edilmeye başlanmıştır.

Dayanım ve güvenirlik konusunda en önemli üretim yöntemi olan dövme prosesi günümüzde çelik ve alüminyum alaşımları için yaygın olarak kullanılmaktadır.
Ancak dövme prosesinin; kompleks parçalara uygulanamaması, dövme sonrası işleme gereksinimi duyulmasından ötürü oluşan maliyet, yüksek kalıp maliyetleri ve dövme sonrası elde edilen üründe boyutsal doğruluğun elde edilememesi gibi dezavantajlara sahip olması, otomotiv üreticilerini, maliyet düşürücü, yüksek dayanıma ve doğruluğa imkan tanıyan, yenilikçi dövme teknolojileri konusunda Ar-Ge projeleri yapmalarını zorunlu kılmıştır.

Geleceğin teknolojisi olarak görülen ve üzerinde çalışmaların devam ettiği yarı katı teknolojisi otomotiv süspansiyon bağlantı elemanlarında da kullanılmaktadır. Bununla birlikte; Tikso/reo kalıp döküm; son yıllarda artış gösteren bir teknoloji olup farklı malzeme alaşımlarında kullanılması mümkündür (Şekil 7). Tikso/reo döküm prosesi, ön malzeme kütük üretimi, yarı katı halde yeniden ısıtma ve şekillendirme olmak üzere üç aşamada yapılmaktadır. Tikso/reo döküm yöntemi ile üretilen malzemelerde homojen bir kristal yapı oluştuğu için genellikle yorulmaya bağlı çalışan süspansiyon bağlantı elemanları için ideal bir seçim olmaktadır. Tikso/reo döküm ile üretilen bileşenler, mükemmel mukavemet ve uzama özelliklerine sahiptir. Bununla birlikte, thixo/reo döküm prosesi pahalı olmasının yanında henüz tamamen güvenilir ve kararlı değildir. Bu sebepten ötürü günümüzde seri imalat için henüz kullanılmamaktadır [5, 13].
Yüksek dayanıma sahip sac alüminyum üretimi günümüzde hala istenen konuma gelememiş bir yöntemdir (Şekil 8). Otomotiv üreticileri, alüminyum sac malzemeyi düşük fiyat ve düşük dayanım gereksinimi gerektiren durumlarda tercih etmektedirler [5].

Süspansiyon bağlantı elemanları için kullanılan en ucuz yöntemlerden bir tanesi de cam fiberlerle karıştırılmış, enjeksiyon yöntemi ile imal edilen, plastik elemanlardır (Şekil 9). Bu yöntem ek işlem veya yüzey kaplaması gerektirmemekle beraber mevcut plastiklerin yetersiz mekanik özelliklerinden dolayı önümüzdeki yıllarda kullanılması olası bir durum değildir.🔍 

3. SONUÇ
Günümüzde otomotiv üreticilerinden beklenen en önemli çalışmalar CO2 emisyonunun azaltılması ve yakıt ekonomisinin sağlanmasıdır. Bu bağlamda otomotiv üreticileri Ar-Ge harcamalarının büyük bir kısmını elektronik, motor, akü teknolojisinin geliştirilmesinin yanı sıra malzeme ve üretim teknolojilerinin geliştirilmesi çalışmalarına yapmaktadır.

Tekerlek kontrolü ve şasi bağlantı elemanları arasında görülen süspansiyon bağlantı elemanları için kullanılan malzemeler gün geçtikçe değişmekte ve alüminyum, magnezyum ve kompozit gibi yenilikçi malzemeler yerlerini almaktadır.
Yapılan AR-GE çalışmaları sonrası T4, T5 ve T6 gibi ısıl işlemler sayesinde mekanik özelliklerinde artış sağlanan 6061 ve 6082 gibi alüminyum alaşımları, süspansiyon sistemi bağlantı elemanlarında kullanmaya başlanmış ve mekanik özellikleri ile alakalı çalışmaların her geçen gün olumlu yönde ilerlediği görülmüştür.

Diğer bir yandan araç ağırlığını azaltmak için kullanılabilecek malzemeler içerisinde yüksek dayanım ve düşük yoğunluğa sahip olan magnezyum alaşımları yer almaktadır.

Magnezyum imalat teknolojisi şuan için seri üretime uygun olmasa dahi yarı katı şekillendirme metotlarının geliştirilmesi ile otomotiv sektörü için kullanılabilir düzeye gelecektir.

KAYNAKÇA
[1] Pişkin S. Otomotiv Sektör Raporu. 2017.
[2] Görener A, Görener Ö. Türk Otomotiv Sektörünün Ülke Ekonomisine Katkıları ve Geleceğe Yönelik Sektörel Beklentiler. J Yasar Univ 2008;3:1213–32.
[3] Felekoğlu B. Dünya Otomotiv Endüstrisinde Küresel Gelişmeler ve Bu Gelişmelerin Türk Otomotiv Endüstrisi Üzerindeki Etkileri. Mühendis ve Makina n.d.;48:26–30.
[4] Cantor B, Grant P, Johnston C. Automotive Engineering: Lightweight, Functional, and Novel Materials. Mater Today 2008;11:45–45. doi:10.1016/S1369-7021(08)70122-6.
[5] Bernd Heißing, Metin Ersoy (Eds.). Chassis Handbook. 2011.
[6] Güvenç MA. Dayanıklılık Ve Ömür Kriterlerine Göre Optimum Tasarıma Sahip Süspansiyon Ve Direksiyon Sistemi Bileşenleri Geliştirilmesi. Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015.
[7] Gürel EG. Küresel Mafsallı Şasi Bağlantı Parçalarının Test Sistemi Geliştirilmesi Ve Boşluk Miktarının Çalışma Şartlarına Olan Etkisinin Modellenmesi. Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015.
[8] Bonnick A. Automotive Science and Mathematics. 2008.
[9] Kumar Dama K, Kumar Malyala S, Suresh Babu V, Rao RN, Shaik IJ. Development of Automotive FlexBody Chassis Structure in Conceptual Design Phase using Additive Manufacturing. Mater Today Proc 2017;4:9919–23. doi:10.1016/j.matpr.2017.06.294.
[10] Löveborn D, Larsson JK, Persson K-A. Weldability of Aluminium Alloys for Automotive Applications. Phys Procedia 2017;89:89–99. doi:10.1016/j.phpro.2017.08.011.
[11] Hirsch J. Recent development in aluminium for automotive applications. Trans Nonferrous Met Soc China (English Ed 2014;24:1995–2002. doi:10.1016/S1003-6326(14)63305-7.
[12] Joost WJ, Krajewski PE. Towards magnesium alloys for high-volume automotive applications. Scr Mater 2017;128:107–12. doi:10.1016/j.scriptamat.2016.07.035.
[13] Hirt G, Kopp R. Thixoforming: Semi-solid Metal Processing. 2009. doi:10.1002/9783527623969.