Investigation of the Effect of Loading on Fatigue Life by Comparing Strain Gauge Measurements and Finite Element Analysis Under Gradually Increasing Load in An Axle Housing

Year 2022, Volume: 63 Issue: 709, 633 - 650, 30.12.2022

Tuğçe Altınkaya Olcay Dağcı , Fatma Dilay Aksoy , Mehmet Onur Balcı

https://doi.org/10.46399/muhendismakina.1040444

Abstract

In this study, the stress values obtained from commercial finite element analysis software ANSYS® and stress values measured by strain gauges applied on an axle housing in test environment were compared. The axle housing is a test sample from heavy duty commercial vehicles. Besides from stress values comparison, fatigue behavior of the housing was observed under gradually increased loading conditions via hydraulic loaded test benches. Load conditions, configuration change steps, test parameters and fatigue life results will be explained in detail. It was observed that the results of FEA and strain gauge are coherent to each other and as the load was increased, the fatigue life decreased. The stress values in specified points of housing increase linearly with the load increment. However, as predicted, the relationship between load change and fatigue life is not linear. For instance, fifty percent increase in load reduces life by about seventy-five percent. The aim of the study is firstly correlate the FEA results by comparing with the test measurements and then try to observe the effect of load increase on the fatigue life which will be a beneficial source for estimation of the life of the axle housing under diverse loadings in the further studies.

Keywords

Axle housing, strain gauge application, stress and fatigue life comparison, finite element analysis

Supporting Institution

Ege Endüstri ve Ticaret A.Ş.

Project Number

-

Thanks

The authors would like to thank Ege Endüstri ve Tic. A.Ş. for providing all kinds of support to our work with test center capabilities, computers, engineering software, and BIAS Mühendislik Ltd. Şti. for providing technical support on the use of strain gauge.

Bir Diferansiyel Kovanında Kademeli Artan Yükleme Koşulları Altında Gerinim Ölçer Ölçümleri ve Sonlu Elemanlar Analizi Kıyaslanarak Yüklemenin Yorulma Ömrüne Etkisinin İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, sonlu elemanlar analiz programı ANSYS®’ den elde edilen gerilme değerleri ile test ortamında diferansiyel kovanına bağlanan gerinim ölçerler ile ölçülen gerilme değerleri kıyaslanmıştır. Çalışmada kullanılan parça ağır ticari araçlarda kullanılan bir diferansiyel kovanıdır. Çalışmada gerilme değerleri karşılaştırmasının yanı sıra, hidrolik yüklemeli test tezgâhları ile kademeli artan yükleme koşullarında kovanın yorulma davranışı gözlemlenmiştir. Yük koşulları, test konfigürasyonları ve yorulma ömür sonuçları makalede detaylıca anlatılmıştır. Sonlu elemanlar analizi ve gerinim ölçer sonuçlarının birbiri ile uyumlu olduğu ve yük arttıkça yorulma ömrünün azaldığı gözlemlenmiştir. Gövdenin belirlenen noktalarında gerilim değerleri, yük artışı ile lineer olarak artmıştır. Ancak yük değişimi ile yorulma ömrü arasındaki ilişki doğrusal değildir. Yükteki yüzde elli artış, yorulma ömrünü yaklaşık yüzde yetmiş beş azaltmıştır. Çalışmanın amacı, öncelikle sonlu elemanlar çalışmalarının güvenilirliğinden testler ile karşılaştırma yaparak emin olmak, ilerleyen çalışmalar ile birlikte diferansiyel kovanının ömür tahmininde faydalı bir kaynak olacak şekilde ve daha fazla yük ile daha az çevrimde test gerçekleştirerek ürünün güvenilirliğinden emin olunabilecek alt yapıyı hazırlamaktır.

Keywords

Diferansiyel kovanı, gerinim ölçer uygulaması, gerilme ve yorulma ömrü kıyaslaması, sonlu elemanlar analizi

Project Number

-

References

• Topaç, M. M., Günal, H., Kuralay, N. S. 2008; “Fatigue Failure Prediction of a Rear Axle Housing Prototype by Using Finite Element Analysis”, Eng Fail Anal (2008), DOI:10.1016/j.engfailanal.2008.09.016
• Hongwei Zhang, Liangjin Gui, Zijie Fan, “A New Method to Accelerate Road Test Simulation on Multi-Axial Test Rig”, SAE Technical Paper Series, vol.1, 2017
• CATIA V5 R18 Designers Guideline, CADEM, Assembly Design, 2007
• ANSYS Mechanical APDL Theory Reference 2021 R2. ANSYS Inc, Canonsburg; s.5-26, s.779-781
• IMC Veri Toplama Sistemi ile Strain Gage Uygulama ve Teori Eğitimi (2021), BİAS Mühendislik Ltd. Şti, İstanbul.
• Reimpell J., Stoll H., Betzler J.W. 2001; “The Automotive Chassis: Engineering Principles” 2nd Edition, ISBN 0-7680-06570 Butterworth-Heinemann, Oxford; s.318-325
• Budynas, R. G., Nisbett, J. K. 2011; “Shigley’s Mechanical Engineering Design” 9th Edition, ISBN 978–0–07–352928–8, McGraw-Hill, New York; s.358, s.954-972
• Topaç, M. M., Günal, H., Kuralay, N. S. 2009; “Ağır Ticari Taşıt Arka Aks Gövdesinin Tekrarlı Düşey Yük Altında Yorulma Ömrünün Sonlu Elemanlar Analizi yardımıyla İyileştirilmesi”, Mühendis ve Makine, Cilt: 51, Sayı: 601, s.10-20
• Lee Y. L., Pan J., Hataway R., Barkey M. 2005; “Fatigue Testing and Analysis” 1st Edition, ISBN 0-7506-7719-8, Elsevier Butterworth-Heinemann, Burlington; s.1-57
• Xian Zhong Yu, Gang Jie, Ping Hui Huang, Si Cheng Tang, “Fatigue Life Prediction of Driving Axle Housing Assemble Based on FEA”, Advanced Materials Research, vol.179-180, pp.1217, 2011.
• Kuralay N. S. 2008; “Motorlu Taşıtlar; Temel ve Tasarım Esasları, Yapı Elemanları, Cilt 1; Tahrik ve Sürüş Sistemleri”, ISBN 978-9944-89-610-8, TMMOB Makina Mühendisleri Odası, İzmir; s.124-137
• Topaç, M. M., Günal, H., Kuralay, N. S. 2008; “Kamyon Arka Aks Gövdesinde Oluşan Yorulma Hasarının Sonlu Elemanlar Yöntemiyle İncelenmesi”, Mühendis ve Makine, Cilt: 49, Sayı: 583, s.3-10.
• Schijve J. 2009; “Fatigue of Structures and Materials” 2nd Edition, ISBN-13: 978-1-4020-6807-2, Springer Science Business Media B.V, Berlin/Heidelberg; s.535-557