Şaft ve Rulman Sistemleri: Dönen Makinelerde Modelleme Yaptırma - Modelleme Yaptırma Merkezi & Danışmanlık

Dönen makine tasarımının kalbinde şaft–rulman–gövde üçlüsü yer alır. Türbinler, kompresörler, pompalar, dişli kutuları, takım tezgâhları ve elektrik motorlarında titreşim, gürültü ve güvenilirlik problemlerinin büyük bölümü bu üçlünün etkileşiminden doğar. Tasarımın erken safhasında şaft dinamiği doğru kurgulanmazsa, makine kritik hızlarda rezonansagirer, rulman ömrü hedefin altına düşer, dişli hatası büyür, sızdırmazlık bozulur ve operasyonel kullanılabilirlikazalır.

ANSYS Workbench ortamı, bu karmaşayı yönetmek için iki tamamlayıcı yolu sunar:

Mechanical içinde 3B/2B katı (solid/shell) veya 1B hat (line body) temelli ayrıntılı modelleme (temaslar, ön yükler, termal büyümeler, gövde esnekliği),
Rotordynamics iş akışlarıyla kritik hızlar, Campbell diyagramları, stabilite haritaları, dengesizlik yanıtları, journal/rolling element rulmanların matris sertlik–sönüm temsilini içeren sistem düzeyi analizler.

Bu yazı; konsept aşamasından devreye almaya kadar güvenilir bir şaft ve rulman simülasyon metodolojisini uçtan uca anlatır: modelleme stratejileri, malzeme–uyum–ön yük, rulman kartezyen/eksenel doğrultuda rijitlik–sönüm tayini, gövde esnekliğinin etkisi, dişli–kaplin etkileri, dengesizlik–eksantriklik–çarpıklık (bow) kaynaklı zorlamalar, sıcaklık/viskoziteye bağlı davranış, montaj toleransları, doğrulama ve raporlama. Her bölüm; pratik kontrol listeleri, örnek olaylar ve ANSYS’te uygulanabilir düğüm–bağlantı (joint/contact) ayarlarıyla desteklenmiştir.

1) Şaft–Rulman Sisteminin Mühendislikteki Rolü ve Başarısızlık Modları

Şaft, torku ve gücü iletir; rulman, şaftı gövdeye bağlayıp dönmeye rehberlik eder; gövde ise yükleri yayar ve titreşimi dünyaya aktarır. Tipik başarısızlık modları:

Rezonans (kritik hız) geçişinde aşırı titreşim,
Rulman ömrü düşüşü (yük dağılımı, hizasızlık, yetersiz ön yük, yağ filmi bozulması),
Termal büyüme kaynaklı kaplin/rulman zorlanmaları,
Dişli ağ hatası büyümesi (shaft bending + torsion),
Mekanik gevşeme (civata ön yük kaybı, yatak yuvası ovalleşmesi).

Örnek olay: 4 kademeli redüktörde, gövde esnekliği dikkate alınmadan yapılan 1B rotor analizi sahada 1. mod kritik hızını %12 hafife aldı; gövde kabuğu (shell) ve yatak yuvası (solid) ile esnek destek eklendiğinde öngörü hedefe oturdu ve kaplin açı ayarı revize edildi.

2) Problemin Kapsamını Tanımlama: Hangi Soruyu Yanıtlıyoruz?

Şaft–rulman simülasyonu tek bir analiz değildir. Hedefe göre akış farklılaşır:

Kritik hızlar / Campbell diyagramı (tasarım başlangıcı),
Dengesizlik yanıtı (operasyon bandında titreşim öngörüsü),
Zorlanmış harmonik (dişli ağ frekansı, kutup sayısı kaynaklı),
Geçici (transient) yanıt (kalkış/stop, ani yük, çarpma),
Stabilite (journal rulmanlarda çapraz sertlik; whirl/whip riski),
Rulman ömrü ve yük paylaşımı (eksenel+radyal),
Termal–mekanik büyüme ve boşluk/ön yük değişimi,
PSD/rasgele titreşim (hava araçlarında spektrum uygunluğu).

Hedefinizi erken seçerek model karmaşıklığını doğru ayarlayın: örneğin, yalnızca kritik hız–dengesizlik için 1B line body + bearing joint yeterlidir; kaplin–dişli–gövde etkileşimi istiyorsanız 3B solid + contact gerekir.

3) Geometri ve Modelleme Stratejisi: 1B mı 3B mi?

Katmanlı yaklaşım en sağlıklısıdır:

Aşama 1 – 1B Rotor (Line Body) + Bearing Joints:
Hızlı kritik hız taraması, Campbell, stabilite. Kütle–atâlet dağılımını doğru girin (çap değişimleri, diskler, fanlar).
Aşama 2 – Esnek Gövde Eklemesi:
Yatak yuvası ve gövde shell/solid; line body rotor ile Remote Point / Joint üzerinden bağlanır. Modal etkin rijitlik gerçek hayata yaklaşır.
Aşama 3 – 3B Ayrıntı / Alt Model:
Rulman oturma yüzeyleri, geçme–parazit (interference) fit, shaft fillet’leri, kaplin diş profili, dişli ağ teması, rulman öniçi/montaj boşluğu ayrıntılı değerlendirilir.

Pratik: 1B modelde kütle merkezlerini doğru konumlandırmak için Body Mass + Distributed Mass kullanın; diskler için Point Mass + Inertia yeterli olabilir.

4) Malzeme ve Dönen Kütle Atâleti

Şaft malzemesi (çoğunlukla çelik) için E, ν, ρ; yüksek hızda damping (Rayleigh veya modal) ve sıcaklık bağımlı E(T)opsiyonları. Disk/fanlarda kutupsal atâlet (Jp) ve eksenel atâlet (Jd) doğru girilmezse gyroskopik sertleşme/ yumuşama yanlış çıkar.

Örnek: 18.000 rpm turbodaki alüminyum kompresör çarkı için Jp/Jd oranı Campbell eğimlerini belirgin etkiler; yanlış atâlet, 1. çapraz mod eğimini hatalı verir.

5) Rulman Temsili: Yuvarlanmalı (Rolling Element) ve Kaymalı (Journal)

ANSYS’te rulmanlar genel olarak matris sertlik–sönüm elemanı olarak temsil edilir.

Yuvarlanmalı rulmanlar (bilyalı/silindirik/konik):
Radyal–eksenel yönlerde doğrusal–doğrusal olmayan sertlik; ön yük ve boşluk (clearance) etkisi. Çoğu senaryoda eşdeğer Kxx, Kyy, Kzz, Cxx, Cyy tanımlamak yeterlidir; eksenel hatlar için Kzz/Czz kritik.
Kaymalı rulmanlar (journal):
Yağ filmiyle oluşan hız bağımlı, çapraz eşleştirili (Kxy, Kyx) rijitlik ve sönüm, stabiliteyi belirler. Burada K–Chızla artıp cross-coupled terimler whirl riski doğurur.

Uygulama: Rulman katalog verisi yoksa, literatür/üretici eğrilerine göre nominal K–C çıkarılır; hassas tasarımda CFD/yağ filmi çözücüsüyle birlikte co-simulation veya harici matris girişi (Matrix27 eşleniği / Bearing Matrix) kullanılır.

6) Rulman Ön Yük (Preload), Boşluk (Clearance) ve Termal Büyüme

Yuvarlanmalı rulmanlarda ön yük (yay/ayırıcı, differential thermal fit) taşınan yük dağılımını belirler:

Yetersiz ön yük → boşta vuruntu, yanlış kritik hız yanıtı, gürültü.
Aşırı ön yük → ısınma, ömür düşüşü, sürtünme torku artışı.

Termal büyüme şaft ve gövde arasında farklıdır; geçme toleransı değişir, radial internal clearance zamanla sıfırlanıp preloada dönüşebilir. ANSYS’te termal analizle ΔT hesaplayıp yapısal modele aktarın; rulman K–C’yi hız/ΔTfonksiyonu gibi varyantlaştırın.

7) Gövde Esnekliği ve Yatak Yuvasi: “Rigid Bed” Varsayımını Kırmak

Yatak yuvası rijit kabul edilirse, sistemin modal rijitliği gereğinden yüksek görünür. Gerçekte; gövde kabuğu, kapak, cıvata ön yükü ve montaj yüzeyi esnekliği kritik hızları %5–20 etkileyebilir.

Modelleme:

Yatak yuvası ve gövdeyi shell/solid çöz; şaft–rulman arayüzünü Remote Point + Bearing Joint ile bağla.
Cıvatalar için Bolt Pretension; kapak–gövde için Frictional Contact.
Gerekirse Submodeling: global rotor + esnek destek → yatak yatağı alt modeli.

8) Dengesizlik (Unbalance), Eksantriklik ve Bow

Rotorlar üretim ve montajdan kütle merkezi ekseni ile dönme ekseni çakışmayabilir; dengesizlik (U = m·e) ekseni döndürür ve 1× rpm tepkisi doğurur.

Eksantriklik: Disk üzerinde yoğunluk farkı → sabit dengesizlik.
Bow (eğrilik): Şaftta kalıcı kıvrım → fırlatma kuvveti; faz/frekans farklı davranır.
Kaplin/dişli dışmerkeziği: 1× ve 2× harmonikler.

ANSYS’te Rotordynamics → Unbalance Response analizinde U (gr·mm) ve açısal faz tanımlanır; harmonic responseile gövde esnekliği dâhil edilerek mil noktası titreşimleri (X/Y orbitleri) alınır.

9) Campbell Diyagramı, Kritik Hızlar ve Ayırma Marjları

Campbell diyagramı, hız artarken doğal frekansların (modların) nasıl değiştiğini (gyroskopik etki) ve n×rpm doğruları ile kesişimleri gösterir.

Birincil hedef: İşletme hızı bandının kritik hız kesişimlerinden yeterli marjla uzaklaştırılması.
Modal şekiller: Bending 1., 2., 3. modlar; torsiyonel modlar.
Dişli ağ frekansı (GMF) ve kutup uyartımı için yakınlık kontrolü.

Pratik hedef: İlk kritik hız genelde kalkışın dışında, işletme bandı kritikler arası kısımda kalacak şekilde dişli oranları / disk m–J dağılımları ayarlanır.

10) Stabilite Analizi: Journal Rulmanlarda Whirl/Whip

Kaymalı rulman film kuvvetleri çapraz sertlik üretir; hız arttıkça öz-değerlerin gerçek kısmı pozitife dönerse sistem kararsız olur (oil whirl / oil whip).

ANSYS’te stability çözümüyle karmaşık frekans kökleri incelenir.
Çareler: Rulman açıklığı, eksenel besleme, viskozite, pad tipi (tilting pad), sönüm artırıcı elemanlar, şaft kütle–rijitlik yeniden dağıtımı.

11) Kaplin, Dişli ve Sızdırmazlık (Seal) Etkileri

Kaplinler: Misalignment toleransı ve ek sönüm/rijitlik; combination joint ile eksenel/radyal/aksiyal sertlik–boşluk.
Dişli ağ: Diş hatası; line mesh stiffness periyodik değişimiyle parametrik uyartım; harmonik/kaçınılmaz yan bantlar.
Labirent/karbon seal: Aerodinamik sönüm–rijitlik ekler; yüksek hız türbinlerinde stabiliteye olumlu/olumsuz etki edebilir.

12) Termal Analiz ve Sıcaklık Bağımlı Viskozite

Rulmanlarda ve yağ filminde sıcaklık yükselir; viskozite düşer, K–C azalır, stabilite değişir.

Thermal → Structural → Rotordynamics: Film katsayısı sıcaklığa bağlı ise “case set” oluşturun.
Gövde–yatak arayüzünde ısı geçişi ve film ısısı ANSYS Thermal ile çözülebilir; haritalanmış T(x) ile malzeme E(T) ve yatak boşluğu güncellenir.

13) Üretim ve Montaj Toleransları: Fit, Ovalite, Çarpıklık

Geçme (interference) ve yüzey pürüzlülüğü: Yatak halkası oturması, yuva ovalleşmesi; contact pressuredağılımı.
Kaplin ayarı: Açısal/parallel misalignment titreşimi artırır; remote displacement ile hizasızlık girin.
Rotor bow: SpaceClaim’de spline eksen tanımlayarak 1B/3B şaftta kalıcı eğrilik modelleyin.

Doğrulama: Ölçülen run-out ve balans düzeltme kayıtlarını unbalance input ile eşleştirip korelasyon sağlayın.

14) Analiz Türleri: Modal, Harmonik, Dengesizlik, Transient, PSD, Şok

Modal (rotor/gyroscopic): Doğal frekans–mod şekilleri vs hız.
Harmonik: Dişli ağ, motor kutup, pompa kanat geçişi frekanslarında giriş–çıktı Bode/Nyquist.
Unbalance Response: 1× rpm başta olmak üzere hız taraması.
Transient: Kalkış–durma, geçici yük; orbit ve mil geçici yanıtı.
PSD: Uçak gövdesi–göbek aktarımlı spektrumla yatak yükü dağılımı.
Şok: Darbe/bump test korelasyonu; gövde esnekliği kontrolü.

15) Mesh ve Sayısal Sağlık: Nerede İnce, Nerede Kaba?

1B rotor modellerinde eleman uzunluğu çap değişimlerini yakalayacak şekilde; disk bölgelerinde kısaltma.
3B solid şaftta fillet’ler, yivler ve rulman omuzlarında local sizing.
Gövde kabuğunda shell kullanımı; yatak yuvası–çevresinde solid–shell bağlayıcı dikkatli.
Kriterler: skewness < 0.25, aspect < 4, orthogonal quality > 0.2; mesh bağımsızlığı için üç seviye.

16) Doğrulama ve Geçerleme: Testle Buluşma

Balans/faz ölçümü: 1× rpm genlik–faz; model unbalance fazı kalibre edilir.
Bump/modal test: Gövde ve rotor kombine modal frekansları; hedef ±%5.
Rulman sıcaklığı: Termal–mekanik eşleşme; termokupl verisiyle ΔT doğrulaması.
İşletme verisi: Spektrumda GMF, sideband, 1×/2× paternleri.
Uyumsuzlukta; yatak K–C ayarı, gövde esnekliği, atâlet revizyonu, misalignment güncellemesi yapılır.

17) İyileştirme Stratejileri: Sorun → Çözüm Haritası

Kritik hız işletme bandına yakın: Disk/şaft kütle dağılımını değiştir, rulman sertliğini ayarla, gövde rijitliğini artır, kaplin/disk yerini optimize et.
Stabilite sorunu (journal): Tilting pad, viskozite artışı, açıklık azaltma, sönüm elemanı.
Yüksek 1× titreşim: Balans düzeltmesi, kaplin hizası, rotor bow kontrolü.
Rulman ömrü düşük: Ön yük–boşluk ayarı, yük dağılımı düzeltme, yuva rijitliği–ovalite azaltma.
Isınma: Sürtünme/ön yük düşürme, yağlama–soğutma iyileştirme, termal bariyer.

18) Dişli Kutuları: Şaft–Rulman–Dişli Eş Modellemesi

Dişli mesh stiffness periyodik; harmonik uyartım yaratır.
Şaft bükülmesi ve yatak yer değiştirmesi kontakt çizgiyi değiştirir → yük paylaşımı farklılaşır.
ANSYS’te: Dişli çifti Remote Joint + torsional stiffness veya 3B contact; rulman K–C ile birleştir; gövde esnekliği dahil et.

19) Tasarım Optimizasyonu ve Robustluk: DesignXplorer

Tasarım değişkenleri (rulman K–C, disk kütlesi, rulman aralığı, kaplin rijitliği); hedefler (en yakın kritik hız marjı, dengesizlik tepe genliği, rulman ömrü).

DOE ile duyarlılık analizi, RSM ile metamodel;
Çok amaçlı optimizasyon: kritik hız marjı maksimize, titreşim min, kütle min;
Robustluk: tolerans–dağılım altında 6σ uygunluk.

20) Raporlama ve Kabul Kriterleri

Model varsayımları (1B/3B, K–C kaynakları, gövde esnekliği seviyesi),
Campbell, kritik hız tablosu, ayırma marjları, dengesizlik yanıt eğrileri, orbitler, yatak reaksiyonları, ömür tahminleri, sıcaklık dağılımları,
Karar maddeleri: Hangi devirlerde geçişte hızlanma eğrisi, balans düzeltme düzlemleri, yatak tip/clearance önerisi, kaplin ayar limitleri.

21) Uygulamalı Örnek 1: 12.000 rpm Kompresör – İlk Kritik Hız Revizyonu

Başlangıç 1B model: İlk bending kritik 10.5 krpm → işletme 11–12.5 krpm ile çakışıyor.
Esnek gövde + gerçek K–C girildi: 9.8 krpm.
Revizyon: Disk kütlesi −6%, yatak aralığı +12 mm, kaplin rijitliği +20% → yeni kritik 8.9 krpm; işletme bandından güvenli ayrım.

22) Uygulamalı Örnek 2: Dişli Kutusunda 1× Aşırı Titreşim

Sorun: 3.600 rpm’de 1× tepe.
Analiz: Kaplin açısal misalignment 0.3°, rotor bow 40 μm; gövde esnekliği dâhil edilince yatak reaksiyon fazı ölçümle örtüştü.
Çözüm: Kaplin ayarı 0.05°; balans düzeltme 5 gr·mm; tepe genlik −%55.

23) Uygulamalı Örnek 3: Journal Rulmanda Stabilite

7.000 rpm’de oil whirl başlıyor.
K–C çapraz terimler yüksek, sönüm düşük.
Çare: Tilting pad, yağ viskozitesi +1 sınıf; açıklık −10 μm.
Sonuç: Öz-değerin gerçek kısmı negatife döndü; stabil.

24) Sık Yapılan Hatalar ve Kaçınma Rehberi

Rulmanı “saf yay” gibi tek eksenli temsil etmek: Kxy/Kyx ve sönüm ihmal → yanlış stabilite.
Gövdeyi rijit saymak: Kritik hızlar olduğundan yüksek görünür.
Atâletler eksik/yanlış: Gyro eğimleri hatalı → Campbell sapar.
Termal büyümeyi yok saymak: Preload/clearance gerçeği yansıtmaz.
Unbalance fazını kafadan atamak: Sahadaki faz ölçümüyle kalibre edilmezse tahminler şaşar.
Tek analiz türüne güvenmek: Modal + unbalance + harmonik + transient kombinasyonu daha sağlam sonuç verir.

25) ANSYS’te Adım Adım Uygulama Reçetesi (Pratik)

Line Body Rotor: Çap–uzunluk varyasyonlarını gir, diskleri “point mass + inertia” ile ekle.
Bearing Joint: Rolling/Journal seç; K–C matrisini hız/ΔT setlerine göre tanımla.
Campbell & Modal: Hız taraması; kritik–band ayrımı kontrolü.
Unbalance Response: Balans düzlemlerini ve U değerlerini dene; tepe genlik–fazı topla.
Esnek Gövde: Yatak yuvası + kapak + cıvata pretension + frictional contact; rotorla bağla.
Harmonic: Dişli ağ/kanat geçişi frekanslarında zorlanmış yanıt.
Transient: Kalkış–durma; orbit analizi.
Termal: ΔT dağılımı → yapısala map → preload/clearance kontrolü.
Doğrulama: Bump test, faz/genlik korelasyonu, rulman T.
Rapor & Tasarım Kararları.

Sonuç

Şaft ve rulman sistemlerinin doğru modellenmesi, dönen makine güvenilirliğinin en kritik belirleyicisidir. Başarılı bir ANSYS iş akışı; katmanlı bir strateji izler: önce 1B rotor + bearing ile hızlı sistem içgörüsü ve kritik hız kontrolü; sonra esnek gövde ile gerçekçi destek rijitliği; nihayetinde 3B ayrıntılar, temaslar, ön yükler, toleranslar ve termal büyümeler. Bu kademeli yaklaşım, hem hesap maliyetini yönetir hem de tasarım doğruluğunu artırır.

Güvenilir sonuçlar için; rulman K–C matrislerini gerçek kaynağından beslemek (katalog/test/analitik/CFD), gyroskopik atâletleri doğru tanımlamak, gövde esnekliğini ihmal etmemek, termal etkileri sisteme bağlamak, dengesizlik fazını saha verisiyle kalibre etmek ve birden çok analiz türünü bir arada değerlendirmek şarttır. Problemler ortaya çıktığında çözüm çoğu zaman tek değişkende değildir: kütle–rijitlik dağılımı, rulman parametreleri, kaplin/dişli etkileşimi ve montaj toleransları birlikte ele alınmalıdır.

Sonuç olarak, ANSYS tabanlı şaft–rulman modelleme yalnızca “doğru frekansları bulmak” değildir; öngörülü tasarımiçin bir karar destek sistemidir. Doğru kurulduğunda; kritik hızlardan güvenli ayrım, düşük işletme titreşimi, uzun rulman ömrü, düşük gürültü ve yüksek verim bir arada gerçeklenir. Bu, tasarım süresini kısaltır, numune sayısını azaltır, devreye alma riskini düşürür ve toplam sahip olma maliyetini iyileştirir.

Modelleme, günümüzde yalnızca tasarım süreçlerinin bir parçası değil; aynı zamanda düşünce biçimlerini dönüştüren, analiz kabiliyetini artıran ve fikirleri görünür kılan güçlü bir araç olarak öne çıkıyor. Mimarlıktan mühendisliğe, oyun tasarımından veri görselleştirmeye kadar birçok alanda modelleme, karmaşık yapıları anlaşılır hale getirmek ve çok boyutlu düşünmek için kullanılıyor. Bireyin bir fikri somutlaştırma yolculuğunda modelleme, hem yaratıcı hem de sistematik bir yol sunuyor.

Bu platformda modellemeye tek bir açıdan yaklaşmıyoruz. Üç boyutlu (3D) modelleme elbette temel başlıklardan biri; ancak mimari modelleme, endüstriyel ürün tasarımı, karakter modelleme, veri ve sistem modelleme, parametrik tasarım gibi çok daha geniş bir çerçeveyi kapsıyoruz. Amacımız yalnızca teknik bilgi vermek değil; aynı zamanda modelleme pratiğinin arkasındaki düşünsel yapıyı, yöntemleri ve farklı disiplinlerdeki uygulama biçimlerini de görünür kılmak. Böylece bu alanla ilgilenen herkes, sadece nasıl yapılacağını değil, neden ve hangi bağlamda yapıldığını da anlayabiliyor.

Akademik bir yaklaşımla hazırlanan bu site, hem öğrenmek isteyenlere hem de bilgisini derinleştirmek isteyen profesyonellere hitap ediyor. Teknik içerikler, güncel yazılım önerileri, örnek projeler ve yöntem yazılarıyla zenginleştirilmiş bir yapı sunuyoruz. Modelleme, yalnızca bilgisayar destekli bir üretim süreci değil; aynı zamanda düşüncenin yeniden yapılandırılmasıdır. Bu doğrultuda, hem uygulamaya hem de teoriye dokunan içeriklerle, farklı alanlardaki modelleme meraklılarını ortak bir bilgi zemini etrafında buluşturmak istiyoruz.

modelleme merkezi

Biyografinin Tamamını Gör