İtki testi standı mekanik tasarımı ve analizi

Abstract

İnsansız hava araçlarının (İHA) operasyonel gereksinimleri günümüzde oldukça önemli hale gelmiştir. Özellikle askeri alanda kullanılan İHA'lar? uzun menzil, yüksek hız, artan faydalı yük kapasitesi ve güvenilirlik ihtiyaçları bakımından yüksek güçlü ve verimli tahrik sistemlerine ihtiyaç duymaktadır. Bu tür sistemlerin güvenilir biçimde geliştirilmesi yalnızca tasarım aşamasıyla sınırlı kalmamakta, aynı zamanda güvenli ve kontrollü yer test altyapılarında doğrulanmasını da gerekli kılmaktadır. Bu doğrulama süreci, motor ve pervane sistemlerinin itki testi standlarında farklı çalışma koşullarında değerlendirilmesini zorunlu kılmaktadır. Testler sırasında sıcaklık, tork ve itki değerlerinin ölçülmesi? farklı throttle seviyelerinde motor davranışlarının incelenmesi ve çeşitli motor-pervane kombinasyonları ile elde edilen itki performanslarının karşılaştırılması, sistemin güvenilirliği ve verimliliği açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çalışma, Hava Taksi Projesinin bir alt projesi kapsamında, elektrik motorlarının ve pervanelerinin test edilebilmesi için tasarlanan bir itki testi standının mekanik tasarımını ve analizlerini sunmaktadır. Tasarlanan test standı, geniş bir itki kapasitesini karşılayabilecek boyutlarda olup, ana taşıyıcı elemanlarında çelik kutu profiller, lamalar ve köşebentler kullanılmıştır. Modüler yapısı sayesinde farklı motor tiplerine de uyarlanabilirlik sağlanmıştır. Çalışmada motor olarak MAD firmasına ait M90C60 EEE Manned Drone Motor modeli tercih edilmiştir. Bu motor yalnızca 12,7 kg ağırlığında olmasına rağmen 200 kgf'ye kadar itki üretebilmekte ve yüzde 90'ın üzerinde verimlilikle çalışabilmektedir. İtki ölçümleri için ise Zemic firmasının L6E lama tip yük hücreleri kullanılmıştır. Tasarımın doğrulanması amacıyla ANSYS Workbench ortamında statik, termal ve modal analizleri gerçekleştirilmiştir. Statik analizlerde maksimum itki altında deformasyon miktarı, tepki kuvvetleri ve emniyet katsayıları incelenmiş? yapının güvenli sınırlar içerisinde çalıştığı görülmüştür. Termal analizlerde motor kaynaklı ısı transferinin yapısal davranışa etkileri sadeleştirilmiş modeller üzerinden değerlendirilmiştir. Modal analizler sonucunda doğal frekanslar belirlenmiş, rezonans riskinin azaltıldığı ortaya konmuştur. Analiz süreçlerinde kullanılan motorun teknik verileri, üretici firma tarafından sağlanan teknik dokümanlardan alınmıştır. Sonuç olarak, tasarlanan test standı? dayanıklılığı, modülerliği ve ölçüm hassasiyeti ile yüksek güçlü İHA itki sistemlerinin güvenilir testleri için uygun bir altyapı sunmaktadır. Bu çalışma, mekanik tasarım ile sonlu elemanlar analizlerinin bütünleştirilmesinin, gelecekteki İHA motor testlerinde yol gösterici bir yaklaşım sağlayabileceğini ortaya koymaktadır.The operational requirements of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have become increasingly important in recent years. Especially in military applications, UAVs demand propulsion systems with higher power and efficiency due to their need for long range, high speed, increased payload capacity, and high reliability. The reliable development of such high-power propulsion systems cannot be limited to the design stage alone? it also requires verification through safe and controlled ground testing infrastructures. This verification process necessitates the evaluation of motor and propeller systems in thrust test stands under various operating conditions. During these tests, thrust, torque, and temperature values are measured, while the effects of different throttle levels on motor performance are examined. Furthermore, thrust outputs obtained from various motor–propeller combinations can be compared, providing critical insights into overall system efficiency and reliability. This study, conducted as a sub-project of the Air Taxi project, presents the mechanical design and analyses of a thrust test stand developed for testing electric motors and propellers. The designed stand is capable of accommodating a wide thrust capacity and was constructed using steel box profiles, plates, and angle brackets as main structural elements. Its modular design also ensures adaptability to different motor types. In this study, the M90C60 EEE Manned Drone Motor, produced by MAD, was selected as the propulsion unit. Despite weighing only 12.7 kg, this motor can generate up to 200 kgf of thrust and operates with an efficiency above 90 percent. For thrust measurements, L6E beam-type load cells manufactured by Zemic were employed. To validate the design, static, thermal, and modal analyses were carried out using ANSYS Workbench. In static analyses, deformation levels, reaction forces, and safety factors under maximum thrust were examined, and the structure was found to remain within safe limits. In addition to the structural and thermal evaluations, special attention was given to the geometric symmetry of the test stand. Since symmetrical load transfer is essential for obtaining reliable thrust and reaction-force measurements, multiple simulations and validation studies were conducted to ensure that the stand responded symmetrically under applied loads. The outcomes of these investigations were examined in detail through reaction-force tables and ANSYS simulation results, confirming the effectiveness of the design approach. Thermal analyses evaluated the impact of heat transfer from the motor on structural performance using simplified models. Modal analyses identified the natural frequencies of the system, showing that the risk of resonance was minimized. The technical data of the motor used in the analyses were obtained from technical documents provided by the manufacturer. Furthermore, the modal analysis results were examined comprehensively to assess the dynamic behavior of the system. Although the numerical analyses indicated high structural rigidity, initial practical assessments revealed that certain dynamic responses required further consideration. Consequently, the modal characteristics were revisited, and the implications of these findings were evaluated to guide future improvements in the test stand design. In conclusion, the proposed test stand combines durability, modularity, and measurement precision, offering a reliable infrastructure for testing high-power UAV propulsion systems. This study emphasizes the importance of integrating mechanical design with finite element analyses in developing dependable test environments for future UAV technologies.