Radyal Motor Dinamiği: Çift ve Tek Silindirli Sistemlerin FFT Titreşim Analizi 

Projenin Amacı ve Hipotez

Gelenek mi, Fiziksel Bir Zorunluluk mu?: Neden Çift Sayılı Radyal Motor Üretilmez?

Havacılık tarihine bakıldığında radyal motorların her zaman 5, 7 veya 9 gibi tek sayılı silindir konfigürasyonlarıyla üretildiği görülür. Çift sayılı (örneğin 6 veya 8) tek sıra radyal motorlar endüstriyel olarak kullanılamaz. Bu proje, bu asırlık mühendislik kuralının sadece bir tasarım tercihi değil, dinamik kütle dengesi (mass balancing) ve kinematik sınırlar açısından kesin bir fiziksel zorunluluk olduğunu matematiksel verilerle kanıtlamak amacıyla başlatılmıştır.

Proje Hipotezi ve temel hipotezi şudur: Geometrik olarak kusursuz görünse bile, sisteme gerçek malzeme kütleleri (atalet) dahil edildiğinde, çift sayılı bir radyal motorun ana biyel (master rod) mekanizması yıkıcı harmonik titreşimler üretecektir. Tek sayılı bir motor ise kendi merkezkaç kuvvetlerini sönümleyecektir.

Bu hipotezi doğrulamak için üç aşamalı bir mühendislik yaklaşımı izlenmiştir:

1. Kinematik Modelleme (SolidWorks): 6 ve 7 silindirli iki ayrı radyal motor bloğu, biyel-piston mekanizmalarıyla birlikte kısıtlamaları (redundant constraints) çözülerek tasarlandı.

2. Dinamik ve Malzeme Entegrasyonu (MBD): Sisteme "ağırlıksız" teorik yaklaşım yerine; Alüminyum 7075-T6 (biyeller) ve AISI 4340 Çelik (krank mili) gibi gerçek havacılık standartlarında malzemeler atanarak atalet momentleri simülasyona dahil edildi.

3. Frekans ve Titreşim Analizi (Python & FFT): Motor bağlantı noktalarına binen tepki kuvvetleri (Newton) zaman serisi olarak dışa aktarıldı ve Python (SciPy/Pandas) kullanılarak Fast Fourier Transform (FFT) analizine tabi tutuldu.
   
   

Bu çalışmanın en çarpıcı bulgusu; malzeme ataması yapılmadan önce tolere edilebilir görünen 6 silindirli motor tasarımının, sisteme gerçek kütleler eklendiği anda şasiye 85 Newton'luk yıkıcı parazit yükler bindirdiğinin veri bilimiyle ispatlanmasıdır.

Tasarım ve Havacılık Sınıfı Malzeme Entegrasyonu

Havacılık Standartlarında Malzeme Seçimi

Standart CAD simülasyonlarında yapılan en büyük hata, parçaların varsayılan (homojen) yoğunluklarla analiz edilmesidir. Bir radyal motorun gerçek dinamik karakterini, özellikle de "Mass Unbalance" (Kütle Dengesizliği) sorununu görebilmek için hareketli ve sabit parçalara gerçek dünya ağırlık/mukavemet oranlarının (strength-to-weight ratio) işlenmesi şarttır.

Bu projede, motorun kinematik kilitlenmelerini (redundant constraints) çözerken aynı zamanda aşağıdaki havacılık ve savunma sanayii standartlarındaki malzemeler sisteme entegre edilmiştir:

Bileşenler ve Malzeme Tablosu / Listesi

1. Hareketli Aktarma Organları (Dinamik Atalet Grubu)

• Pistonlar | Alüminyum 2024-T4

  • Mühendislik Gerekçesi: Yüksek çalışma devirlerinde yukarı-aşağı hareket eden kütlenin ataletini minimuma indirmek ve silindir içindeki düşük ısıl genleşme toleranslarını karşılamak için seçilmiştir.

• Biyeller (Master & Link Rods) | Alüminyum 7075-T6

  • Mühendislik Gerekçesi: "Uçak Alüminyumu" olarak bilinen bu alaşım; çeliğe yakın çekme dayanımı sunarken üç kat daha hafiftir. Radyal yapının dairesel merkezkaç yüklerini (centrifugal loads) hafifleterek motor devrinin stabil kalmasını sağlar.

• 6 ve 7 Gen Ana Bağlantı Elemanı (Master Rod Hub) | AISI 4340 Çelik (Normalize)

  • Mühendislik Gerekçesi: Tüm yardımcı biyellerin (link rods) yükünün toplandığı bu merkez noktası, motorun kalbidir. Sistemin esnememesi ve pistonlardan gelen senkronize darbeleri şafta kayıpsız iletebilmesi için yorulma direnci en yüksek çelikten seçilmiştir.

• Bağlantı Pimleri | AISI Tip A2 Takım Çeliği

  • Mühendislik Gerekçesi: Biyellerin ana yatağa bağlandığı noktalardaki muazzam kesme (shear) kuvvetlerine ve metal-metale sürtünmeye karşı maksimum yüzey sertliği sağlaması amacıyla kullanılmıştır.

2. Güç İletimi ve Ana Omurga

• Krank Mili (Crankshaft) | AISI 4340 Dövme Çelik (Normalize)

  • Mühendislik Gerekçesi: Tüm silindirlerden gelen patlama yüklerini ve burulma (torsion) streslerini tek bir eksende toplayıp pervaneye ileten ana omurgadır. Yüksek devirlerde kırılmaya karşı "sonsuz ömür" standartları için seçilmiştir.

3. Gövde ve Termal Yönetim Grubu (Statik Parçalar)

• Motor Bloğu (Crankcase) | Alüminyum 6061-T6

  • Mühendislik Gerekçesi: İşlenmesi kolay, korozyona dayanıklı ve motorun ana iskeletini oluşturacak kadar rijittir. Ağırlık tasarrufu için havacılıkta standart gövde malzemesidir.

• Piston Blokları (Cylinders/Gömlekler) | AISI 4130 Çelik

  • Mühendislik Gerekçesi: Pistonun içindeki şiddetli yanma ısısına ve sürtünmeye dayanması için blok içlerinde çelik gömlek yapısı tercih edilmiştir.

• Piston Blok Kapakları (Cylinder Heads) | Alüminyum 6061-T6

  • Mühendislik Gerekçesi: Yanma odasında oluşan muazzam ısıyı hızlıca dışarıdaki soğutma kanatçıklarına (hava akışına) transfer etmesi gerekir. Isıl iletkenlik için alüminyum kullanılmıştır.

• Gövde ve Kapak Cıvataları | AISI 4340 Çelik

  • Mühendislik Gerekçesi: Yüksek motor basıncında ve tork altında kapakların atmasını (uzama yapmasını) engellemek için yüksek akma dayanımına sahip çelik bağlantı elemanları kullanılmıştır.

Bu malzeme optimizasyonu yapılmasaydı, parçalar arası kütle farkları (çeliğin 7850 kg/m³ yoğunluğuna karşılık alüminyumun 2800 kg/m³ yoğunluğu) simülasyona yansımayacak ve 6 silindirli motorun gizli harmonik titreşimleri asla matematiksel olarak tespit edilemeyecekti.

Veri Hasadı ve Python ile FFT (Hızlı Fourier Dönüşümü) Analizi

Görselden Veriye Geçiş: 6 ve 7 Silindirli Motorların FFT Titreşim Spektrumları

Mekanik simülasyonların doğruluğunu kanıtlamanın tek yolu, görsel verileri matematiksel bir frekans analizine tabi tutmaktır. Bu projede, SolidWorks Motion üzerinden motorun ana yatağına binen tepki kuvvetleri (Reaction Forces) zaman serisi formatında (CSV) dışa aktarılmış ve Python (Pandas, SciPy, Matplotlib) kullanılarak Fast Fourier Transform (FFT) analizleri gerçekleştirilmiştir.

Elde edilen veriler, çift ve tek sayılı motor dinamikleri arasındaki uçurumu net bir şekilde ortaya koymuştur:

Zaman Serisi (Time-Domain) Analizi Bulguları

• 6 Silindirli Konfigürasyon (Kırmızı Grafik): Gerçek kütle ataletleri devreye girdiğinde, motorun ana yatağına sürekli olarak 85 Newton seviyelerine çıkan ve testere dişi profili çizen yıkıcı parazit kuvvetler bindiği gözlemlenmiştir. Bu durum, çift sayılı tasarımın asimetrik kütle dağılımının doğrudan sonucudur.

• 7 Silindirli Konfigürasyon (Mavi Grafik): Aynı malzeme ve RPM koşullarında çalışmasına rağmen, ateşleme ve kütle sönümleme (mass balancing) geometrisinin kusursuzluğu sayesinde tepki kuvveti 40 Newton seviyelerinde stabil kalmış ve ip gibi pürüzsüz bir dalga formu çizmiştir.

Frekans Spektrumu (FFT) Bulguları

• Harmonik Gürültü ve Rezonans: 6 silindirli motorun FFT grafiğinde, ana çalışma frekansının yanında çok sayıda yüksek genlikli parazit tepe noktası (high-order harmonics) görülmektedir. Gerçek bir havacılık uygulamasında bu frekanslar, uçak gövdesinde yıkıcı rezonanslara sebep olacaktır.

• Saf Titreşim İmzası: 7 silindirli motorun FFT çıktısı ise, ikincil veya üçüncül harmonik gürültülerden tamamen arınmış, tek bir ana kule (dominating peak) olarak karşımıza çıkmaktadır. Enerji, titreşime değil yalnızca dönme hareketine harcanmaktadır.

Python ile yapılan bu veri analizi, 7 silindirli radyal motorların endüstri standardı olmasının bir tesadüf olmadığını; 6 silindirli bir yapının dinamik dengesizliğinin yazılımsal toleranslarla değil, ancak evrensel fizik kurallarıyla açıklanabileceğini kanıtlamıştır.