BÖLÜM 5 ŞASİ VE KAROSER TASARIMININ TAŞIT PERFORMANSINA ETKİLERİ

... konulu sunumlar: "BÖLÜM 5 ŞASİ VE KAROSER TASARIMININ TAŞIT PERFORMANSINA ETKİLERİ"— Sunum transkripti:

1 BÖLÜM 5 ŞASİ VE KAROSER TASARIMININ TAŞIT PERFORMANSINA ETKİLERİ
Taşıt performansını arttırmak için taşıtın hemen hemen her aksamında yapılabilecek değişiklikler vardır. Bu değişikliklerin büyük bir kısmı mekanik davranışlar üzerinde olmasına karşın malzeme değişiklikleri de büyük yer tutmaktadır. Bu nedenden dolayı taşıt endüstrisi makine mühendisliği dışında birçok meslek gurubu ile beraber çalışmaktadır. Taşıtın performans artışı da bütün bu meslek guruplarının koordineli çalışmalarına bağlıdır. 5.1 Taşıt Ağırlığının Düşürülmesi Taşıt ağırlığının taşıt performansına etkisi en çok ivmelenme performansı üzerinde görülür. Newton’un ikinci kanununa göre aynı kuvvet uygulanan iki cisimden kütlesi az olanın ivmesi daha büyük olacaktır. Bunun yanı sıra ağırlık ne kadar az ise taşıtın yuvarlanma direnci de o kadar az olacaktır. Hafif araçların yakıt sarfiyatları da azdır. Taşıtların ağırlığını azaltmak için taşıtların çeşitli aksamlarında kompozit malzemelerin kullanımı artmıştır. Taşıt ağırlığını değiştirmek için taşıt üzerinde yapılabilecek değişiklikler ve bunların nasıl yapılabileceği aşağıda maddeler halinde açıklanmıştır: a) Şasi kısmı ile karoser kısımlarının ayrı ayrı yapılıp birleştirilmesi yerine bunların tek bir parça gibi yapılması bu birleştirme için kullanılan makine elemanlarını ortadan kaldıracağı, rijit bir yapı oluşturacağı ve daha ince sac kullanımını sağlayacağı için taşıt ağırlığında büyük değişmelere yol açar. Şekil–25 Ferrari 550 Marenello’ya ait bir entegre şasi.

2 Şekil–26 Hafif ve ergonomik olarak tasarımlanmış koltuklar.
b) Karoser malzemesinin değiştirilmesi ile olmuştur. Yeni otomobillerde çeliğin yanına karoser alaşım elementi olarak Alüminyum kullanılmaktadır. Alüminyum alaşımı kullanılarak taşıtın ağırlığının %17 azaltıldığı görülmüştür. c) Aksesuar olarak nitelenen parçalar taşıtın tamponundan gösterge paneline, kapı tutacaklarından kalorifer borularına kadar büyük bir yelpaze içerisinde görünmektedir. Şu anda üretilen hemen hemen bütün otomobillerde bu parçalar plastik veya plastik benzeri kompozit malzemelerden üretilmektedir. d) Taşıtın aktarma organlarını ve akslarını üzerinde taşıyan ön ve arka traversler ile süspansiyon sistemi, alt salıncak ve döndürme çubuğu gibi elemanların tasarımlarında yapılan değişiklikler bu parçaların daha hafif yapılmasını sağlamıştır. e) Taşıtın motorunun en rijit şekle sahip olduğu ve çevresindeki sistemlerle birlikte bir çelik bloğu andırdığı gözden kaçmaz. Son 15 yıl içerisinde motorlar üzerindeki değişiklikler ortalama bir motorun ağırlığını 15 kg civarında düşürülmesini sağlamıştır. Bunu çevresindeki sistemlerle birlikte düşündüğümüzde bu ağırlık azalmasının kg’ı bulabilir. f) Yeni nesil otomobillerdeki koltuklar şu andaki büyük ve dolgun şekline karşın gittikçe incelmektedir. Fakat bu yeni tip koltuklardan bir tanesi Şekil-26’da görülmektedir. Bunların yanı sıra jantların ağırlıklarının azaltılması, izolasyon malzemelerinin değiştirilmesi, far camlarının plastikleriyle değiştirilmesi, tavan ve taban döşemelerine kadar birçok küçük değişiklikte bu konu altında ele alınmaktadır. Şekil–26 Hafif ve ergonomik olarak tasarımlanmış koltuklar.

3 5.2 Yuvarlanma Direncinin Düşürülmesi
Taşıt lastiklerinin yuvarlanma direncinin düşürülmesinde üç etken önem taşımaktadır. Bunlardan birincisi önceki bölümde anlatılan taşıt ağırlığının düşürülmesidir, ikincisi daha sonraki bölümde anlatılacak olan aerodinamik kuvvetin hareket doğrultusuna normal bileşeni olan aerodinamik kaldırma kuvveti ve sonuncusu da lastiğin yapısal değişiklikleridir. Lastikteki yapısal değişiklik yapım malzemesi ile lastiğin tasarım şeklini içermektedir. Lastiğin yuvarlanma direncinin azaltılması için yapılması gerekenler ve aynı zamanda bu değişikliklerdeki sınırlamalar aşağıda maddeler halinde anlatılmıştır. a) Lastiğin yapısı yuvarlanma direncinde en önemli kriteri oluşturmaktadır. Radyal lastik, çapraz katlı lastiğe oranla daha düşük yuvarlanma direnç katsayısına sahiptir. Bunun yanı sıra şambrelsiz lastiklerde yuvarlanma direnç katsayısı, şambrel kullananlara göre daha düşük değerlere sahiptir. b) Lastiğin yuvarlanma direncini düşürmek için yapılabilecek diğer bir değişiklik lastiğin yapım malzemesindedir. c) Bu konu üzerindeki diğer önemli etken ise lastiğin tasarımıdır. Kalın yan duvarlar, kalın ve rijit diş yapıları, karkas yapının katmanlarının sayısı ve karkas içerisinde kullanılan liflerin çeşidi yuvarlanma direncini artıran diğer önemli özelliklerdir. d) Yuvarlanma direncini azaltmak için taşıt kullanıcılarının da yapması gereken şeyler vardır. Bunların başında kullanım amacına göre lastik seçmek gelmektedir. Genelde şehir içi ve stabilize yollarda kullanılan bir taşıta yüksek performans lastiklerinden takmak yuvarlanma direncini düşürmekten daha çok, cebimizdeki para miktarını düşürür. Yapılması gerekli diğer önemli şey ise lastiğin sürekli bakımının yapılmasıdır. Yuvarlanma direncindeki en önemli unsurlardan biride lastiğin şişirme basıncıdır. Lastik basıcı sürekli kontrol edilmeli ve aynı seviyede tutmak yerine kullanım yerine göre şişirmek en uygundur. 5.3 Aerodinamik Direncin Düşürülmesi Taşıt performansını arttırmak için en köklü değişiklikler aerodinamik özellikler üzerindedir. Aerodinamik stilin değiştirilmesi sırasında taşıtın yapısal tasarımı, yol tutuş kabiliyeti, güvenilirliği ve hepsinden önemlisi kolay üretilebilirliği gibi birçok konu göz önünde tutulmalıdır. Aerodinamik değişiklikler taşıtın dış cephesi ile ilgili olduğu için gerekli teknik üstünlükleri sağlamakla birlikte müşterinin hoşuna gidecek nitelikleri de içermelidir.

4 Tablo–4 Taşıt uzunluğunun yüksekliğine oranının CD’ye etkisi.
5.3.1 İdeal Aerodinamik Şekil Taşıtın genel şekli yolcu sayısı ve koltukların yerleşimine göre belirlenir. Esas teşkil eden ölçü taşıtın maksimum kesit alanıdır. Bu ölçüye göre taşıtın gerekli konforu ve üretim ihtiyaçlarını karşılayacak tasarımı yapılır. Verilen kesit alanına göre teorik olarak taşıtın sahip olabileceği bir minimum aerodinamik direnç katsayısı bulunmaktadır. Tablo–4 de uzunluk ve yükseklik oranına göre taşıtların sahip olduğu ortalama direnç katsayıları verilmiştir. Tablo–4 Taşıt uzunluğunun yüksekliğine oranının CD’ye etkisi. Elde edilebilecek en ideal şekil ise su damlası şekli olarak bilinen yatay eksene göre simetrik şekle aittir. Bu şeklin uzunluğunun yüksekliğine oranı 2,4 olduğunda aerodinamik direnç katsayısı 0,04’e kadar düşmektedir. Bu oran şekil üzerindeki normal basınç dağılımı ile yüzeydeki hava sürtünmesinin optimum olduğu noktada gerçekleşir. Bu ideal şeklin direnç katsayısı oldukça düşük olmasına rağmen yüzeye yakın hareketlerde hava dağılımının asimetrik olması nedeniyle taşıtlar için tam olarak kullanılamaz.

5 Şekil–27 (a) Fastback otomobil, (b) normal binek otomobil.
Aerodinamik direncin en önemli kaynakları: 1- Gövde direnci; basınç dağılımının yatay bileşeninden dolayı. 2- Akışkan direnci; vortekslerin oluşmasından ve aerodinamik kaldırma kuvvetinden dolayı. 3- Sürtünme direnci; taşıt dış yüzeyinin hava ile temasından dolayı. 4- İç hava akımı; taşıt sistemi içindeki boşluklarda havanın dolaşmasından dolayı. Aerodinamik direncin diğer ana sebepleri de tekerleklerin dönmesinden dolayı ve taşıtın altından geçen havadan dolayı olanlardır. Taşıt yüzeyinde akışın bölgesel olarak hızlanmasına ve yavaşlamasına sebep olan veya akışın yönünü değiştiren her şekil gövde direncine eklenir. Taşıtın kesit alanındaki ani değişiklikler mümkün olduğu kadar azaltılmalıdır. Normal bir taşıtta kesit alanı ön kısımdan arkaya doğru gidildikçe artar ve taşıtın orta kısmını geçtik ten sonra azalmaya başlar. Taşıtın arka tarafının aerodinamik direncinin düşürülmesi olayı tasarım olarak düşünüldüğünde, deneysel ölçümlerden taşıtın arka kısmının bölgesel hava akışına göre negatif eğimli olması gerektiği görülür. Bu eğim açısı için pratik olarak kritik bir değer bulunmaktadır ve eğer bu kritik değer geçilirse hava akışı ayrılışı tetiklenir. Kritik açının değeri gelen hava akımındaki türbülans oranı veya yüzeyin pürüzlülüğü gibi genel durumlara bağlıdır, fakat genel olarak yüzeyin bölgesel hava akımına göre eğimi taşıtın arka tarafında 3 ila 5 dereceyi geçmemelidir. Bu prensip fast-back olarak bilinen taşıt tasarımlarının ortaya çıkmasına sebep olmuştur. Şekil–27 (a),(b). Bu prensip taşıtın yan kısımlarının tasarımında da göz önüne alındığı takdirde taşıtın arka yüzey alanı küçülür ve aynı zamanda arka tarafın şeklinden dolayı meydana gelen aerodinamik dirençte düşer. Şekil–27 (a) Fastback otomobil, (b) normal binek otomobil.

6 Buna benzer başka bir durumda lastiklerin oluşturduğu ark ve içinde bulundukları boşluktan hava akışının geçmesinde meydana gelmektedir. Bu genellikle havanın vorteksleri oluşturarak uzaklaşmasına yol açar. Bu olay yağışlı bir gün sonrasında taşıtın ön ve arka çamurluklarına bakıldığında kolayca görülebilir. Oluşan bölgesel türbülans çamur ve diğer pisliklerin çamurluğa yapışmasına yardımcı olurlar. Ön lastikten sonraki hava akımının ayrılması sınırlıdır, yani Şekil–28 Taşıtın lastik boşluklarında meydana gelen hava akımı ayrılmasının şekli oluşan türbülans vorteksleri taşıtın yan kenarı boyunca hareket ederken tekrar birleşirler. Arka lastiklerde meydana gelen hava akımı ayrılması genellikle taşıtın arka tarafındaki hava akımı ayrılmasıyla birleşir. Bu durum arkada meydana gelen hava boşluğunun daha da büyümesine yol açar ve aerodinamik kuvveti artırır. Bu problem için tavsiye edilen tek tasarım şekli lastiklerin bulunduğu boşlu kısmen veya tamamen kapatmaktır. Bu olay arka lastiklerde tamamen gerçekleştirilebilmesine rağmen ön lastikler hareketli olduğu için hemen hemen imkansızdır. Illinois Üniversitesinde hibrit elektrikli taşıtlar için yapılan bir araştırma tasarımında ön lastik boşluklarını tamamen kapatabilmek için iki parçalı ve parçalar birbirine menteşe ile bağlı rüzgar kalkanları yapılmış ve denenmiştir, fakat bunların kullanılmasının pratikliği şüphelere yol açmıştır. Üstü açık spor otomobillerde hava akışının ayrılması genellikle ön camın bittiği noktada başlar. Bu oluşan hava boşluğunun taşıtın hemen hemen tüm kesit alanında meydana gelmesini sağlar ve oluşan aerodinamik direnç oldukça artar. Bu şekilde oluşan aerodinamik direnci düşürmenin en iyi yolu maksimum kesit alanını mümkün olduğunca düşürmektir. Bunu gerçekleştirmek için taşıtın yolcu kabininin arka kısmındaki eğimin taşıtın ön kısmından itibaren azar azar gerçekleştirilmesidir. Bu şekilde bir yaklaşık uzunluğu 4m olan bir binek otomobilin aerodinamik direnci %40 oranında düşürülebilir.

7 5.3.2 Alt Hava Akımı ve Spoiler
Spoiler taşıtın altında hareket eden hava akımını düzenleyen araçların genel adıdır. Bu araçlardan taşıtın ön tamponuna yerleştirilmiş olanlarına “çene spoileri” veya “hava barajı”, taşıtın yan kısımlarının alt kenarına yerleştirilmiş olanlarına “etek” veya “marşpiyellik”, adı verilir Şekil–29. Şekil–29 Hava barajı ve etek görünüşü Şekil–31 Ferrari F50’nin alttan görünüşü Taşıtın altındaki hava akımı her zaman istenmeyen bir olaydır. Taşıtın altında motor, vites kutusu, şaft, diferansiyel ve egzoz boruları gibi birçok parça vardır ve bunların hepsi açıkta bulunmaktadır. Şekil–30. Bütün bu parçalar sadece aerodinamik direnci artıran türbülansa değil, aynı zamanda hava akımını yavaşlatarak aerodinamik kaldırmaya yol açarlar. Bu anlamda spoilerin görevi taşıtın alt kısmına gelen hava akımını taşıtın başka kısımlarına yönlendirmektir. Bunun sonucu olarak aerodinamik direnç ve kaldırma azaltılabilir. Genel olarak spoiler ne kadar alçak yerleştirilirse o kadar iyi sonuçlar elde edilebilir.

8 Şekil–30 Taşıtın altındaki kısımların hava akımına maruz kalışı.
Taşıtın alt kısmındaki hava akımının etkisini azaltmanın başka bir yolu da taşıtın alt kısmındaki parçaların hava akımına maruz kalmayacak şekilde yerleştirmek veya taşıtın altını tamamen kapatmaktır. Şekil–31. 5.3.3 Kanatlar Taşıtın arka kısmının sonuna bir uçak kanadı modeli yerleştirildiğinde aerodinamik kaldırma kuvvetinin düştüğünü, hatta aşağıya doğru bir net kuvvetin elde edilebildiği görülmüştür. Bu işlemin sonucunda aerodinamik direnç kuvveti ise çok az artış göstermektedir. Bu kanat taşıtın tavanından ayrılan hava akımının büyük bir bölümünü arkaya gitmeden yönlendirme etkisine sahiptir. Eğer kanat açısı arttırılırsa aşağı doğru (negatif kaldırma) net bir kuvvet bile elde edilebilir. Şekil–32 Şekil–32 Hava kanadının hava akımını yönlendirişi.

9 5.4 Atalet Direncinin Düşürülmesi
Hala hava kanadının altından geçen bir miktar hava akımı vardır. Bu Fastback olmayan taşıtlarda türbülansı engeller ve taşıtın aerodinamik direnç katsayısının aynı kalmasını sağlar. Kanat etkin olarak görevini yapabilmesi için mümkün olduğunca yüksek yerleştirilmelidir, fakat ne kadar yüksek yerleştirilirse kanatın oluşturduğu aşağı doğru net kuvvet, ağırlık merkezine göre o kadar büyük moment oluşturur. Bu moment taşıtın ön aksındaki normal kuvveti düşüreceği için ön tekerleklerin yere tutunması zorlaşacaktır, yani taşıt kontrolü azalacaktır. 5.3.4 Yer Etkisi 1970’lerde Collin CHAPMAN istenildiği kadar büyük normal kuvvet sağlayan yeni bir konu ortaya attı- “yer etkisi”. CHAPMAN Lotus 72 yarış otomobilinin alt kısmına ön tarafta dar ve arkaya gittikçe genişleyen kanallar açtı. Taşıt hareket halinde iken hava tünelin uç kısmından girip arkaya doğru genleşmektedir. Şekil–32. Bunun sonucu arka kısma doğru hava basıncı düşmektedir ve burada aşağı doğru net bir kuvvet oluşturmaktadır. Şekil–32 Yer etkisi oluşturmak için taşıtın alt kısmına yerleştirilen kanalar. 5.4 Atalet Direncinin Düşürülmesi Atalet direnci motor, vites kutusu, iletim milleri ve diferansiyel gibi radyal hareket yapan parçalardan kaynaklanmaktadır. Yine mekanikten bilindiği gibi bu atalet direnci parçanın ağırlığı, hızı ve jirasyon yarıçapı ile orantılıdır. Dolayısıyla bu direnci azaltmak için parçalar mümkün olduğunca hafif, düşük hızlı ve ağırlık merkezleri dönme eksenine yakın olmalıdır. Taşıtlarda bu şartlar kısmen sağlanabilir, fakat bu direnci tamamen yok etmek imkânsızdır. Parçaların ağırlığını azaltmak çoğu zaman en iyi çözümdür. Bunu gerçekleştirebilmek için;

10 * Parçaların malzemeleri değiştirilebilir.
* Hafif malzemeler kullanılabilir. * Tasarım teknikleri geliştirilerek aynı işlevi sağlayabilecek daha hafif parçalar üretilebilir En önemli atalet direnci kaynaklarından olan lastikler için çözüm iki türlüdür. Birincisi lastik çehre oranı düşük lastik kullanarak hareketli malzeme miktarını düşürmektir, bu aynı zamanda jirasyon yarıçapını da düşürür. İkinci çözüm ise daha ağır olan jantların malzeme ve şekil olarak yeniden tasarlanmasıdır. Yüksek performanslı taşıtlarda jant malzemesi olarak en çok Alüminyum alaşımlı çelikler kullanılır. Bu malzeme hem hafiftir hem de istenilen yorulma direncine de sahiptir. 5.5 Aktarma Organları Direncinin Düşürülmesi Bu direnç düz vitesli araçlarda otomatik viteslilere oranla daha düşüktür. Bunun en temel sebebi hidrolik tork konvertörlerinin veriminin düşük olmasıdır. Tork konvertörlerinin verimini artırmak için birçok araştırma yapılmaktadır. Yapılabilecek diğer değişiklikler ise kullanılan dişlilerin daha hassas ve pürüzsüz yapılmasıyla sınırlıdır. Özel olarak arkadan çekişli taşıtlarda bu direnci düşürmenin bir yolu vites kutusuyla diferansiyeli birbirine bağlayan milin yere göre yaptığı açıyı azaltmaktır. Bu sayede millerin bağlantısında kullanılan üniversal bağlantıların açısal değişimlerinden kaynaklanan verim düşüşleri engellenebilir.