Layshaft design & material characterization of a heavy duty vehicle's manual transmission

Abstract

Bu tez, ağır vasıtalar için manuel transmisyonlarında, karşıt mil ya da ara mil için optimum malzeme seçimi ve dizayn optimizasyonu yapılmasında yön göstermeyi amaçlamıştır. Tez kapsamında, amaçlanan manuel transmisyonun tasarım prosedürü açıklanmış olup, çalışmada ağırlıklı olarak malzeme testi üzerine odaklanılmış, ara milin FEA stres analizi ve yorulma analizleri gerçekleştirilmiştir. Asıl amaç, uzun ömürlü, malzeme yorulmasına uğramayan bir ara mil tasarımı yapmaktır. Bu amaç kapsamında, üç adet yaygın olarak kullanılan sementasyon çeliği aday malzeme olarak incelenmiştir. Amaç, bu malzemeler arasından rekabetçi ve dayanıklılık bakımından en uygun olanını, bu geliştirme projesi kapsamında belirlemektir. Malzemenin mekanik özelliklerinin elde edilmesi için, çekme ve yorulma testleri ile malzeme karakterizasyonu yapılmıştır. Tez çalışması boyunca, iyi organize edilmiş bir çalışma planı ile transmisyon tasarımı ve yorulma teorisi ile ilgili literatür araştırması yapılarak state of art bilgi edinilmiştir. Edinilen bilgi ile, manuel transmisyon mimarisi belirlenmiş ve KissSoft makina elemanları yazılımı kullanılarak, ön transmisyon dizaynı, dişli sayıları, mil merkezleri arası mesafeleri yapılmıştır. Daha detaylı hesaplamalar için, aramil üzerinde eşçalışan dişlilerden kaynaklanan reaksiyon kuvvetleri, dişli kuvvetleri, motordan gelen maksimum giriş torku gözönünde bulundurularak hesabedilmiştir. Elde edilen bu kuvvetler, FEA analizi için girdi olarak kullanılmış ve FEA sonuçları da yorulma analizleri için girdioluşturmuştur. Bilgisayar simulasyonlarına paralel olarak, kimyasal metalurji, çekme ve yorulma testleri alternative malzmeler için gerçekleştirilmiştir. Elde edilen malzeme dayanımları ve yorulma karakteristikleri, FEMFAT yazılımı için girdi olarak kullanılmıştır. Yorulma simülasyonu sonuçları ve transmisyondan beklenen görev süresi karşılaştırılmış ve önerilen dizayn manuel transmisyonun ilk prototipleri için üretilmiştir. Projenin başarısı, transmisyonun hem test riginde hem de saha testlerinde başarılı olmasıyla değerlendirilecektir.

This thesis is oriented to be a guidance for optimum material selection and design optimization for heavy duty manual transmission's counter shaft which is also called as layshaft. In scope of the thesis, designing procedure of the intended manual transmission is described and the work is mainly focused on material testing, conducting FEA stress analysis and post FEA fa-tigue simulation of layshaft. The main goal is to obtain durable and fatigue free design for the layshaft. In order to achieve this purpose three different widely used case hardening steel was examined as candidate ma-terial. The purpose is to be able to determine which material is best to choose for this particular development project by considering to be competitive in the market and reliable component design. Material characterization was performed to obtain mechanical properties, by tensile and fatigue testing. During the thesis work, structured work plan was followed as by making literature survey ac-quiring the state of knowledge regarding transmission design and fatigue theory. With the ac-quired knowledge, manual transmission architecture is determined and utilizing KissSoft and KissSys machine elements software preliminary transmission design is obtained with gear tooth count and shaft central distances. For further calculations, reaction forces on the bound-aries of layshaft such as gear forces are calculated with maximum input torque from the internal combustion engine. These obtained forces are used as input for FEA analysis by utilization of available softwares outcome of FEA is input data for post fatigue analysis simulation. In parallel with computer simulations, chemical metallurgy, tensile test and fatigue test are performed on alternative candidate materials. The obtained strength of materials and their fatigue behaviour are fed to FEMFAT software. The results of fatigue software is compared with required duty cycle of the transmission and a proposed design is manufactured for first prototype of manual transmission. The success of the project will be evaluated after complete transmission test both on rig and field tests.