Material selection for a strut bearing using finite elements analysis

Abstract

Malzeme seçimi her ürün için çok önemlidir. Günümüzde çok sayıda olası malzeme mevcuttur. Bu nedenle beklentileri karşılamak adına optimum tasarım ve optimum malzeme seçimi ürünü güvenli, konforlu ve karlı yapar. Plastikler çok geniş bir malzeme grubudur ve kullanımları özellikle plastiklerin metallerin yerine kullanılmaya başlandığı otomotiv sektöründe olmak üzere hızlı bir şekilde artmaktadır. Düşük ağırlıkları ve iyi mekanik özellikleri plastik kompozitleri farklı uygulamalar için ideal malzemeler yapmaktadır. Otomotiv sektöründeki plastik kullanımına örnek olarak süspansiyon sistemindeki plastik parçalar gösterilebilir. Süspansiyon sistemleri otomobillerde çok önemli bir role sahiptir. Güvenli ve konforlu bir sürüş sağlamaktan sorumludur. Süspansiyon sistemi yol yüzeyindeki bozukluklar sonucu oluşan titreşimleri sönümleyerek bunların yolcu kabinine aktarılmasını engelleyerek güvenli ve konforlu bir sürüş sağlar. Bu fonksiyonunu yay ve darbe sönümleyici gibi parçaların uyumlu çalışması sonucu yerine getirir. Araç türüne göre farklı süspansiyon sistemleri mevcuttur. En yaygın olarak kullanılanları çift salıncaklı süspansiyon ve MacPherson strut süspansiyonudur. Bu tez çalışması kapsamında MacPherson strut süspansiyon sisteminin parçaları olan üst yay çanağı ve üst kapak isimli parçalar için optimum plastik malzeme seçimi konusu ele alınmıştır.Tezin ana konuları olan plastikler, plastik enjeksiyon ve süspansiyon sistemleri hakkında literatür araştırmaları yapılmıştır. SolidWorks ile mekanik özellikleri etkilemeden en hafif tasarımı bulmak için farklı tasarımlar yaratılmıştır. Daha sonra gerilme, şekil değiştirme ve deformasyon gibi değerleri elde etmek için Ansys statik analiz çalışmaları yapılmıştır. Kullanılan bir diğer araç ise erimiş plastik akışını simüle etmek için kullanılan Moldflow yazılımıydı. Malzeme seçimi aşaması için olası malzemeleri bulmak için farklı malzeme kütüphaneleri araştırılmıştır. Bu malzemelerin mekanik özellikleri birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Son olarak bütün araştırma, tasarım, analiz ve simülasyon aktivitelerinin sonuçlarına göre malzeme ve tasarım seçme aktiviteleri yürütülmüştür. Seçilen malzemeler iyi mekanik özellikler sunmaktadır ve tasarım iyileştirmeleriyle birlikte daha hafif olan daha iyi bir tasarım elde edilmiştir.

Material selection is a crucial aspect of any product. There are huge number of possible materials. So in order to meet the necessary requirements; selecting the optimum material for the optimum design is what makes a product safe, comfortable and profitable. Plastic materials are a huge family of materials and their usage have been rapidly increasing especially in the automotive industry where many plastic material have replaced metals. Their lower weights and increased mechanical properties of the plastic composites make them an ideal selection for many application. An example for the usage of plastics in the automotive is the plastic components used in the vehicle suspension systems. Suspension systems play a vital role in an automobile. It is responsible for offering a safe and comfortable ride. Suspension system dampens the vibrations caused by uneven terrain surfaces and prevents transmitting those excitations to the passenger cabin thereby providing a safe and comfortable drive. It carries out these functions as a result of the harmonic work between components such as spring and shock absorber. There are various types of suspension systems depending on the type of vehicle. The most commonly used ones are the double wishbone suspension and the MacPherson strut suspension. In the frame of this thesis work; components called upper spring seat and upper cap which are subcomponents of a component called strut bearing in the MacPherson strut suspension system were studied to select the optimum plastic materials for them. Literature research activities were conducted about the main topics of the study such as plastics, plastic injection and suspension systems. Design activities were carried out via SolidWorks to help create different designs to see which design version offers the lowest weight without altering the mechanical properties in a negative way. Then Ansys static structural analysis activities were conducted to obtain data such as stress, strain and deformation. Another tool that was used was Moldflow which was used to simulate the flow of the molten plastic. For the material selection process; various material databases were investigated to find possible materials. The mechanical properties of those materials were compared to each other. In the end; as result of all the research, design, analysis and simulation activities; material selection and a final design selection activities were conducted. The selected new materials offer very good mechanical properties and the design modifications also lead to a better design with lower overall weight.