Yay

Kuvvet etkisi altında büyük miktarlarda deformasyon gösteren ve bu deformasyon esnasında enerji biriktiren makine elemanıdır. Yaylar 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.

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.

SPRING RATE (YAY ORANI) NEDİR?

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 (springrate’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: springrate’i düşük yaylar yumuşak, springrate’i yüksek yaylar sert yaylardır…

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.