Günümüz teknolojisinin vazgeçilmez bir elemanı olan ve hemen hemen her yerde

kullanılan makina elemanlarından biri de hiç şüphesiz yaylardır. Yaylar, gerek

yapıldıkları malzemenin elastik özelliklerinden ve gerekse sarım şekillerinden ötürü,

nispeten büyük bir şekil değiştirme enerjisi depo eden ve bunu kullanım amacına göre

de az veya çok bir sürtünme kaybıyla tekrar geri veren elemanlardır.

Yayın herhangi bir yük altında elastik alanda şekil değişikliği yapabilme ve yükün

kaldırılması ile eski haline gelebilme özelliğine sahip olması istenir. Bu noktada, yayın

yapımında kullanılan malzemenin yaylanabilme özelliği önem kazanır. Yayların

yapımında kullanılan malzemelerden olan yay çeliğinin, yüksek elastik modülüne ve

sınırına, yüksek yorulma ile sürünme mukavemetine sahip olması gerekir .

Makine elamanları, nadiren statik yükler altında çalışırlar. Çoğunlukla, değişen yük ve

gerilmelere maruzdurlar. Uygulanan yükler statik olsa dahi, çalışma esnasında elemanın

belirli kesitinde meydana gelen gerilmeler değişken olabilir. Mesela, statik yük altında

eğilmeye çalışan bir milin herhangi bir anda üst tarafındaki lifler basma, alt tarafındaki

lifler ise çekmeye maruzdur. Milin 180o dönmesi halinde bir süre önce çekmeye çalışan

lifler basmaya, basmaya maruz olanlar ise çekmeye zorlanırlar [4].

Yaylar, daha çok emniyet sağlamak amacıyla kullanılmaktadırlar. Bu nedenden ötürü,

yayların ve yay malzemelerinin karakteristik özelliklerinin belirlenmesi önemli bir

konudur. Yayların emniyetli bir çalışma temin edecek şekilde tekrarlanan yük altındaki

ömürlerinin belirlenmesi için, yorulma deneylerine ihtiyaç duyulmaktadır. Yorulma

deneyi, bir yayın sürekli dayanım ömrünü saptamak amacıyla yapılan bir deneydir [3].

Bu çalışmada, farklı tel çapı, hatve ve çapa sahip olan yayların yorulma deneylerinin

yapılması için laboratuar tipi bir yay yorma makinasının tasarımı ve imalatı yapıldı.

Belirli bir yük altında çalışan yayların ömürlerini inceleyebilmek için, tasarımı ve

imalatı yapılan bu deney düzeneği, yayın tekrarlanan yükler sonucunda yorulmasını

sağlayacaktır. Böylece yapılacak deneyler neticesinde yayın ömrü tespit edilebilecektir.

Deney düzeneğinin tasarımı yapılırken; yayların kuru, yağlı, korozif vb. gibi farklı

çalışma koşulları da dikkate alındı. Bu nedenle, yayın arzu edilen farklı çalışma

koşullarında yorulma deneylerinin yapılmasına uygun bir şekilde tasarlanıp imal edildi.

YAYLAR HAKKINDA GENEL BİLGİ

Yay, gerildiği zaman enerji depo eden, kendi haline bırakıldığı zaman kendini germek

için sarf edilen enerjiyi aynı miktarda geri veren bir makina elemanıdır.

Yaylar genel olarak titreşim ve sarsıntıları azaltmak (otomobil amortisör yayları,...),

darbeleri önlemek (tampon yayları,...), makina parçalarını aynı konumda tutmak (bileşik

kalıplar, sübaplar,...), kuvvet ölçmek (dinamometre), kuvvetlerin sınırlanması (emniyet

valfleri, presler,...) ve bir hareket meydana getirmek (saat zemberekleri, kurulan

oyuncaklar, vb.) gibi amaçlar için kullanılırlar .

Yayların yapımında kullanılan çelik malzemeler, çalışma şartlarına göre değişmektedir.

Bu çalışma şartlarında yaylar, uygulanan kuvvetin etkisine göre, basılır, çekilir, eğrilir

veya burulurlar. Yayları, zorlanma cinsine ve etkiyen dış kuvvetlere, dış şekillerine ve

yay telinin kesitine göre sınıflandırmak mümkündür.

Zorlanış biçimine göre; bir burulma momentine yani yayı etrafında sarmaya veya

açmaya çalışan bir yüke karşı koyarak çalışan burulma yayları, basan bir kuvvete karşı

koyarak çalışan basınç yayları, çeken bir kuvvete karşı koyarak çalışan çekme yayları

ve bir eğilme zorlanmasına karşı koyarak çalışan eğilme yayları.

Dış şekillerine göre; silindirik, konik, helisel, spiral, disk, yaprak ve bilezik yaylar.

Yay telinin kesitine göre; dairesel, kare ve dikdörtgen kesitli yaylar.

Yaylar için krom, silisyum, silisyum-manganez ve krom-vanadyum alaşımlı çelikler

kullanılmaktadır. Ayrıca özel hallerde fosforlu bronz, pirinç, berilyumlu bakır ve

muhtelif nikel alaşımları kullanılabilir. Özellikle büyük sönümlemenin gerekli olduğu

yerlerde kauçuk, mantar, muhtelif sıvılar ve hava gibi malzemeler kullanılmaktadır

Yaylar için çelik seçiminde göz önünde tutulması gereken önemli üç öğe vardır. Bunlar;

- İstenilen dayanma direncini artırabilmek için mekanik özellikler,

- Mekanik özellikleri verecek yapıyı sağlayabilmek için kimyasal özellikler,

- Yorulma kesitini yüksek tutmak için gerekli olan yüzey düzgünlüğüdür.

Ayrıca yay malzemesinin şu özelliklere de sahip olması istenir ;

- Yüksek elastik sınırı; eğer elastik sınırı belli değilse yüksek akma sınırı

faydalanılabilecek geniş bir elastik şekil değiştirme bölgesi bakımından,

- Yüksek zaman mukavemeti ve sürekli mukavemet değerleri; özgül

titreşimlerin ve aşırı yüklerin karşılanması için,

- Yüksek uzama ve bükülme özelliği; su verip sertleştirme işleminden önceki

soğuk şekil vermeyi mümkün kılacak yeterli plastik şekil değiştirme özelliği

bakımından, örneğin yayların sarılması ve bükülmesi gibi.

Bu özellikler çeliklerde C yüzdesi ve Si, Cr, Mn ve V gibi alaşım elamanları ile

sağlanır.

Yaylar, kuvvet etkisi altında büyük miktarlarda deformasyon gösteren ve bu deformasyon esnasında enerji biriktiren makine elemanlarıdır. Geniş bir kullanım alanına sahiptirler.

Yaylar, sistem içerisinde kuvvet uygulamak, hareketi kontrol etmek, sönümleme yapmak, frekans değiştirmek, kuvvet ve tork ölçmek gibi birçok görevi üstlenirler. Bu özelliklerinden dolayı üretilen birçok ürünün vazgeçilmez elemanıdırlar. Metalden plastiklere birçok tip malzemeden imal edilirler. Yayların şekil ve yükleme karakteristikleri ise kullanıldıkları uygulama alanlarına göre değişir.

Her şeyden önce yaylar, deformasyona uğradıklarında mekanik enerji biriktirmek için kullanılan elemanlardır. Bu sebeple iyi bir yay önemli derecede deformasyona uğrayabilmeli ve herhangi bir boyutsal değişime uğramadan denge haline dönebilmelidir.

Yay Dizaynının Önemi
Mühendislik alanında hizmet veren tasarımcılar meslek hayatlarında çoğu kez yay dizaynına ihtiyaç duymaktadırlar. Ancak çoğu zaman yay dizaynına, dizayn proseslerinde gerekli önem verilmez. Ancak yay, dizayn prosesinde dikkat edilmesi gereken en önemli elemanlardan birisidir

Eğer kullanılan yay istenilen şekilde çalışmıyorsa üründen iyi bir netice alınmayacaktır. Bu sebeple ürününü dizayn etmeden önce yay dizaynını doğru bir şekilde yapmak önemli bir husustur. Bu işlem ürünün maliyetini düşürüp, verimini arttıracaktır ve ürüne uzun bir çalışma ömrü sağlayacaktır.

Yay tasarımı, ürün dizayn prosesinde geç düşünülürse, üründe istenen fonksiyonu yapacak yay temini için sıkıntı yaşanabilecek ve ekstra maliyet ve karmaşıklığa sebep olabilecektir.

Bütün tasarımcılar her makinenin ömrü için yay güvenirliğinin çok önemli olduğunu kabul edeceklerdir. İstatistikler göstermiştir ki doğru bir yay dizaynı ürün için uzun bir ömrü garantiye almada en önemli faktördür.

Teknik özellikleri doğru tespit edilmiş bir yay kullanıldığı yerde maksimum performansı sağlar ve optimum ömre sahip olur.

Çok iyi bir dizayn gerçekleştirmek için bu konuda uzman kişi ve kuruluşlardan bilgi ve destek alınabilir. Bir ürünü oluşturmada bu kişi ve kuruluşlardan dizayn başlangıcındaki kavramsal fikirlerden, ürünün elde edilmesine kadarki süreç içerisinde görüş alış verişinde bulunulabilir.

Gerekli dizayn modifikasyonları yay uzmanlarının yardımıyla daha çabuk ve daha verimli bir şekilde yapılabilir. Dizayn prosesi esnasında bu kişilerle erken diyaloga girmek zaman ve yeniden dizayn maliyeti açısından kazanç sağlayacaktır.

Malzeme Seçimi

Yay malzemeleri endüstride kullanılan en mukavemetli malzemelerdir (Şekil 2.). Yaylar genellikle diğer elemanlardan daha fazla zorlanmaya maruz oldukları dikkate alınarak dizayn edilir.

Mesela helisel sarılmış basma yayları kopma mukavemetinin %70’ i hatta daha fazlası bir değerde gerilmeye maruz kalabilir. Buna ilaveten yay malzemeleri yüksek ve düşük sıcaklığın olduğu, korozif çözeltilerin bulunduğu yerlerde ani ve dinamik yüklemenin mevcut olduğu yerlerde çalışabilmelidir. Yay malzemelerinin sadece mekanik özellikleri değil elektrik ve manyetik özellikleri de önemlidir.

sŞekil 2. diyagramı.e–

Helisel yaylar için malzeme seçimini yönlendiren birkaç faktör vardır. Bunlar yükleme durumu, çalışma gerilimi aralığı, ağırlık, çalışma sınır ölçüleri, yorulma ömrü, sıcaklık, korozyon, üretim metodu (soğuk ve sıcak sarım) ile malzeme özellikleri olarak sayılabilir.

Yaylara uygulanan yük arttırıldığında ve kullanılan yer sınırlandırıldığında yaylar daha yüksek çekme mukavemetine sahip malzemelerden yapılmalıdır. Eğer yayın üzerine etkiyen gerilme değeri yüksek ve yükleme durumu dinamikse bu kez yorulma dayanımı yüksek malzemeler tercih edilmelidir.

Yay malzemeleri konusu önemli ve derin bir konudur. Bu çalışma bu konuya ait küçük bir giriştir ve yay dizaynı yapan kişilerin malzeme seçiminde kendilerine güven duymasını sağlar.

Bu çalışmada yay malzemelerinin beş ana grubu ele alınmıştır. Bunlar yüksek karbonlu yay çelikleri, alaşımlı yay çelikleri, paslanmaz yay çelikleri, bakır alaşımları ve nikel alaşımlarıdır.

Tablo 1’ de özet bir malzeme referans tablosu verilmiştir. Bu tablo yay malzeme listesinin tamamı değildir. Kısa tutulmak amacıyla bir çoğu alınmamıştır.

Yüksek Karbonlu Yay Çelikleri

Genel amaçlı çalışmalar için bu yay çelikleri yay tasarımcıları için en iyi seçimdir. Aynı zamanda yay tasarımcılarının seçebileceği mukavemetli malzemelerdir. Yayların yapımında kullanılan çelik malzemeler yayların çekme, basma, eğilme, burulma gibi zorlanma durumlarına göre değişmektedir.

Yay telleri sıcak hadde çubuklarından, karbür kalıplardan soğuk çekilerek üretilir. Böylece istenen boyut, yüzey düzgünlüğü, boyut hassasiyeti ve mekanik özellikler elde edilir. Ayrıca yayların performansları kullanılan malzemenin mekanik özellikleri ile malzemeye uygulanan tavlama, soğuk çekme, ön temperleme gibi ısıl işlemler sonucu kazanılan özelliklere de bağlıdır.

2 mm’ den daha az boyutlardaki yaylar için standartta verilen SAE J271 özel kalite soğuk çekilmiş karbon çeliği en mukavemetli olanıdır. Bu malzemeler yüzey işlemi ve mukavemet açısından ideal malzemelerdir. Tel toleranslarının sınırlı olduğu ve yüksek gerilimlerin bulunduğu yerlerde kullanılırlar. Bu gruptaki bazı çelikler Zn veya Al–Zn ile ön çekme uygulanarak elde edilir. Bunlar normal şartlarda yeterli korozyon korumasına sahiptir. Aksi takdirde korozyon koruması için bazı işlemlerin yapılması gerekecektir.

Yağda temperlenmiş SAE J316 karbon çeliklerinde ise temperleme sonucu elde edilen martenzitik yapı sabit veya değişken yükler karşısında yumuşama yani gevşemeye karşı daha dirençlidir. Bu çelikler hassas şekil vermeye de daha uygundur.

Bu gruptaki J113 soğuk çekilmiş teller, yağda temperlenen J316 çeliğinden daha fazla deformasyona dayanırlar. Ayrıca soğuk çekilmiş teller, statik yükler, düşük gerilimler ve gerilme tekrarının az olduğu yerlerde kullanılırlar.

Alaşımlı Yay Çelikleri

Yay malzemelerinin diğer bir grubu da düşük alaşımlı veya ön sertleştirilmiş ve temperlenmiş karbon çelikleridir. Bu malzemeler tavlanarak çekilir ve daha sonra yüksek mukavemet elde etmek için tel üreticileri tarafından sertleştirilir. Bunlar 2 mm boyutun üzerindeki soğuk çekilmiş malzemelerden daha mukavemetlidir. Bu malzemelerin mekanik özellikleri sertleştirme prosesinde elde edilir.

Düşük alaşımlı veya ön sertleştirme yapılmış ve temperlenmiş karbon çelikleri mükemmel statik ve dinamik özelliklere sahiptir ve 230 oC’ ye kadar ki sıcaklıklarda çalışabilirler. Fakat yüzey işlem görmez ise kolayca aşınabilir. Si–Cr ( J157 ) veya Cr–V en yaygın kullanılanlar arasındadır.

Paslanmaz Yay Çelikleri

Paslanmaz yay çelikleri, korozyona dayanıklı, şekil değiştirme kabiliyeti yüksek olan çeliklerdir ve normal yay çeliklerine göre daha yaygın kullanılırlar. Bu çelikler içerisinde en az %16 Cr ve %6,5 Ni bulunmaktadır. Ayrıca bu çelikler soğuk şekillendirme ve ısıl işleme tabi tutulan çeliklerdir. Paslanmaz çeliklerinin mekanik özelliklerine ve korozyon direncine göre çok değişik çeşitleri vardır.

Bakır Alaşımlı Yay Malzemeleri

Bakır alaşımlı yay malzemeleri yüksek elektrik ve ısı geçirgenliği istenen ve çok iyi atmosferik direnç gerektiren yerlerde kullanılır. Yay üretiminde Tablo 1’ de verilen üç adet alaşım yer alır. Bunlar fosfor bronzu, berilyum bakır ve pirinçtir.

Fosfor bronzu ve pirinç malzemeler mekanik özelliklerini soğuk çekim işleminden kazanır. İçerisinde yüksek miktarda kalay bulunan fosfor bronzunun çekme mukavemeti oldukça yüksek ve elektrik iletkenliği iyidir. Bu sebeple en yaygın kullanılan bakır alaşımıdır.

Berilyum bakır çökelme sertleşmesine sahip bir malzemedir. Haddelemedeki ısıl işlem miktarına bağlı olarak değişik sertliklere sahip olabilir. Ayrıca en pahalı bakır alaşımıdır. Fakat sertleştirilebildiği gibi diğer bakır alaşımlarına nazaran daha büyük gerilme ve yorulma direncine sahiptir. Ayrıca manyetik özellikleri yoktur.

Nikel Alaşımlı Yay Malzemeleri

İçerisinde %75 Ni ve %16 Cr bulunan UNS N06600 malzemelerin yüksek sıcaklıklarda oksidasyon dirençleri ve mukavemetleri oldukça iyidir. Soğuk çekildiklerinde çekme mukavemetleri de oldukça yükselir. Bir Cu–Ni alaşımı olan UNS N04400 ise yüksek mukavemete ve sünekliğe sahip olmakla birlikte asit ve alkalilere dirençlidir. Özellikle deniz suyu gibi tuzlu su ortamlarına ve hafif yüklemelere karşı çok ideal bir malzemedir.

Gerilim Giderme İşlemi

Genellikle bütün yay malzemeleri şekil değiştirme işleminden sonra gerilim giderme işlemine tabi tutulması tavsiye edilir. Bu işlem soğuk çekilmiş yay çeliklerinde yayın tipine ve uygulama yerine bağlı olarak 1 saat 10 dakika süresince 220 oC ile 375 oC arasındaki sıcaklıklarda yapılmaktadır. Bu işlemin maksadı sarım esnasında oluşan gerilmeleri azaltmaktır. Özellikle basma ve çekme yaylarında sarım esnasında meydana gelen gerilmeler tehlikeli sonuçlar doğurabilir.

Gerilim giderme işlemi sonucunda malzemenin elastisite sınırı biraz artar ve yayın ölçüleri stabilize edilir. Ancak gerilim giderme işleminde yay üzerindeki gerilim kaldırıldığında yay boyutsal değişime uğrayacaktır. Bu boyutsal değişimler, yayların sarımından önce yay üreticileri tarafından hesaba katılmalıdır.

Sonuç

Bu çalışmada yay dizaynının öneminden ve bazı yay malzemelerinden bahsedilmiştir. Bu konularda kısa ve öz bilgiler verilmiştir. Burada anlatılmayan birçok yay malzemesi vardır. Yine burada tartışılan konular derinlemesine incelenmemiştir. Ancak yay dizaynının önemi ve yay malzemeleri konularında yay tasarımcılarına ışık tutacak temel bilgiler verilmiştir.

Uygun yay malzemesinin seçimi yayın fonksiyonu ve ömrü için önemli bir husustur ve bir uzmanlık gerektirmektedir. Yazıda da vurgulandığı gibi bu konularda gereksiz masraflardan kaçınmak için uzman kişilerden yardım alınmasında büyük yarar görülmektedir.

Bir yayın yumuşaklık veya sertlik karakteristiğini belirtmek için, üzerine uygulanan belli bir miktar (x gr.) ağırlık sonucu belli bir mesafe (y mm) kadar azalır şeklinde açıklanan orandır. Bu orana spring rate yani yay oranı denir ve g/mm veya lbs/inch olarak ifade edilir.

Konunun daha iyi anlaşılmasını sağlamak açısından, eğer ölçü birimini g/mm kabul edersek x rakamı değişken, fakat yayın ne kadar düşeceğini belirten y rakamı sabittir ve 1mm. dir. İsterseniz hemen bir örnek verelim:

Elimizde farklı yay oranlarına (spring rate’e) sahip 2 değişik yay olduğunu varsayalım. Bunlardan birinin yay oranı 345 g/mm, diğerininki de 480 g/mm olsun. Bu, şu demektir: Birinci yaya 345 gram ağırlık uygularsan bu yay 1mm. kısalır, ikinci yaya ise ancak 480 gr. ağırlık uyguladığımızda bu yay 1mm. kısalır. Buna göre, ikinci yay birinciden daha sert bir yaydır.

Buradan şu sonuca varabiliriz: spring rate’i düşük yaylar yumuşak, spring rate’i yüksek yaylar sert yaylardır...

Eşit bakla aralıkları a,a,a,a,a,..
NORMAL (LINEAR) YAYLAR
Üzerine uygulanan ağırlıkta hep aynı miktar kısalan yaylara normal (linear) yaylar denir.

Normal bir yayda her bir bakla arasındaki mesafe birbirine eşittir. Bunun doğal sonucu olarak da yay üzerine yük bindiğinde, baklalar birbirlerine eşit oranda yaklaşırlar.

Örneğin 10 bakladan oluşan ve her bir bakla aralığı 2 cm. olan bir yayımız olduğunu varsayalım. Yayın üzerine, yayı 2 cm kısaltacak bir ağırlık uygularsanız spring rate sabit olduğundan her bir yayın arası 2cm/10=2mm azalacak, yani bakla aralıkları her birinde eşit olmak üzere 1,8 cm’ye düşecektir. Yani, NORMAL YAYLARIN SPRİNG RATE’İ SABİTTİR, üzerlerine uygulanan herhangi bir ağırlıkta bakla aralıkları eşit olarak azalır.

2 farklı bakla aralığı
a,a,a,a,a,..,b,b,b,b,b
STEP LINEAR YAYLAR
Step Linear yayları çift sertlikli yaylar olarak düşünebiliriz. Bu tip yaylar normal yay ile progressive yay arasıdır. Step Linear yaylarda baklaların yarısının arası birbirine daha yakınken diğer yarısının aralıkları farklıdır. Yani, step linear yaylar çift spring rate’e sahip yaylardır.

Step Linear yaylar şu şekilde çalışır:

Yay sıkıştığı zaman baklalar birbirine yaklaşmaya başlar. Belli bir noktadan sonra arası yakın olan yaylar birbirine değer ve bu kısım yaylanma işini sonlandırır. Geriye kalan, arası daha açık baklalar yayın daha sert olması sonucunu doğurur çünkü bir yayın uzunluğu kısaldıkça sertleşir. Bu yayları, yukarıda bahsetmiş olduğumuz gibi çift sertlikli veya çift spring rate’e sahip (1.bölüm için ayrı, 2. bölüm için ayrı) yaylar olarak düşünebiliriz.

Değişken bakla aralığı
a,b,c,d,e,f,g,h,i
PROGRESSİVE YAYLAR (Progressive spring / Progressive feder / Ressort progressif)
Değişken spring rate’e sahip yaylardır (Örn Eibach). Progressive yaylarda HER BİR BAKLANIN ARALIĞI BİRBİRİNDEN FARKLIDIR. Bunun sonucu olarak yol tutuşta, zıplamalarda, frenlemede en iyi performansı gösteren yaylardır.

Progressive yaylarda, yaya uygulanan her fazla baskıda (ağırlıkta) yay bu baskıya daha fazla sertleşerek karşılık verir.

Günlük hayattaki gerçek sürüş koşullarında yayın maruz kaldığı baskılar son derece değişken olacağı, yani step linear yaylardaki gibi sadece 2 ayrı yük seviyesi olmayacağı için, PROGRESSIVE YAYLAR değişken spring rate’leriyle her koşula en iyi şekilde ayak uyduran yaylardır