Genel Araştırma

MOTORLU KARA TAŞITLARINDA AERODİNAMİK YAPI Aerodinamik Aerodinamik hareketli bir cismin hava akımı içerisindeki davranışının incelenmesidir. Yani hareketli cisme karşı havanın gösterdiği dirençleri inceler. Son yıllarda oldukça gelişen aerodinamik, bir bilim dalı hâline gelmiştir. İlk olarak uçaklarda uygulanmasına rağmen otomotiv sanayinde de geniş bir uygulama alanına kavuşmuştur. Aerodinamik Prensipler Hareketli Cisim Etrafında Hava Kümesi Hareketli bir cismin hızının artması hava direncinin artmasına neden olur. Bunun yanı sıra cismin şeklide önemlidir. Yani hava akışı, taşıt hızı ve ortamdaki rüzgâr hızına ve rüzgârın doğrultusuna bağlıdır. Taşıt dış yüzeyine etki eden basınçların bileşkesine, aerodinamik kuvvet denir. Taşıt kararlılığını etkilediği için dikkate alınması gerekir. En son araştırmalar neticesinde, taşıtın dış şeklinin yuvarlak hatlara sahip olması gerektiği, keskin hatlar ve gömülü olmayan parçaların rüzgâr direncine daha çok maruz kaldığı ve bu direncin aracı geri çekmeye yani yavaşlatmaya çalıştığı ispatlanmıştır. Ayrıca taşıtın gerisinde oluşan türbülans da yüzey sürtünmesini artıracaktır. Taşıta basınç merkezi denilen noktadan etkiyen aerodinamik kuvvetin formülü; Ra = 0,5. ρ . C. A. v 2 şeklindedir. v = taşıt hızı ( m / s ) ρ = havanın yoğunluğu ( kg / m3 ) C = aerodinamik katsayı ( 0,2 ile 0,5 arasında ) A = karakteristik iz düşüm alanı ( m2 ) Sabit Cisim Etrafında Hava Akışı Sabit duran taşıtın etrafından geçen havanın izlediği yolun ve durumunun izlenmesi gerekir. Bunun için mühendisler özel teknikler geliştirmişlerdir. Rüzgâr tünelinde hava, otomobil etrafında akmaya başlamadan biraz önce beyaz bir gaz püskürtülür, böylece hava akışı izlenir. Aynı zamanda bu durum bilgisayarda modellenebilmektedir. Hava, taşıtın dış hattına yapışık bir vaziyette devamlı akar, bir engel veya çıkıntıyla karşılaştığında yükselir veya alçalır ancak doğrultusu değişmez. Sürtünmeye Yol Açan Hava Viskozitesi Aerodinamik dirençler ele alındığında esas olarak şu üç etkene bağlı olarak değişmektedir. Havanın aracın arkasında oluşturduğu türbülans direnci % 80 etkiye sahiptir ve bu nedenle taşıtın ön kısmı kadar arka kısmının da biçimi önemlidir. Taşıt dış yüzeylerinden akan havanın sebep olduğu yüzey sürtünmesinden oluşan dirençtir ve toplam direncin % 10’ una denktir. Taşıtın iç kısımlarından geçen havanın neden olduğu iç dirençtir ve toplam direncin % 10’una denktir. Bu açıklamalardan da anlaşılacağı gibi sürtünmeden kaynaklanan direnç, havanın yoğunluğuna ve rüzgâr durumuna göre değişir göre değişir. Hava yoğunluğunun belirlenmesinde şu atmosferik koşullar referans alınır. Barometrik basınç = 98 ile 101 kPa arasındadır. Atmosferik sıcaklık = 15 ile 25 C° arasındadır. Ayrıca dinamik hava viskozitesinin de aerodinamik direnç katsayısının belirlenmesinde bir etkisi vardır. Basınçlara Yol Açan Hız Taştın üst ve alt kısımlarında rüzgâr ve taşıt hızından dolayı basınç oluşur. Bu basınç hava sirkülasyonuna ve kaldırma kuvvetinin oluşmasına sebep olur. Sirkülasyon nedeniyle hava akış hatları bükülerek taşıtı geriye çekmeye zorlayan girdaplar oluşur. Enerjinin korunumu kanununa göre statik ve dinamik basınçların toplamı sabittir. Formülü ise PT = PS + PD ( Toplam basınç = statik basınç + dinamik basınç) şeklindedir. Toplam basınç değişmediği için dinamik basıncın yüksek olduğu bölgelerde statik basınç yüksektir. Taşıtın dış yüzeyinde dinamik basınç yüksek, statik basınç düşüktür. Taşıtın alt kısmında ise dinamik basınç düşük, statik basınç yüksektir ve bu basınç taşıtı kaldırmaya çalışır. Yapılan bir deneyde, durgun havada 160 km / sa. hızla giden bir otomobilin ön dingile tekabül eden kaldırma kuvvetinin 1110 Newton, arka dingilde ise 665 N olduğu gözlenmiştir. GÖVDEDEKİ AERODİNAMİK ETKİLER VE İYİLEŞTİRME YÖNTEMLERİ Gövdedeki Aerodinamik Etkiler Kuvvet Çifti Etki Alanı Bir taşıta, hareket hâlindeyken ağırlık merkezinden üç yönde kuvvet etki eder. Aerodinamik kuvvet ( x ) yönünde etki eder (Rax ), ( z ) yönünde aerodinamik kuvvetin basıncın etkisiyle oluşan kaldırma kuvveti (Raz), ( y ) yönünde bu kuvvetlerin dengelenmesini sağlayan yanal kuvvetler (Ray) oluşmaktadır. Bu durumda aerodinamik kuvvetlerin bileşkesi (Ra)’yı bir kuvvet çiftine indirgenebilir. Hesaplama yaparken bu kuvvetin uygulama noktası şekilde olduğu gibi taşıtın ağırlık merkezi (G) veya tekerleklerin temas noktasında oluşan dörtgenlerin merkezi etki alanının referans noktası kabul edilebilir. Boylamasına Eksen Katsayısı Aerodinamik kuvvetler ele alındığında, şekilde de görüldüğü gibi bu kuvvetin üç birleşeni vardır. Bunlardan birincisi boylamasına ( x ) ekseni yönünde oluşan etkidir. Fiziksel olarak bir etkiye karşılık tepki oluşmaktadır. Hareketli bir taşıt için etki kuvveti taşıtın hızıyken tepki kuvveti de buna karşılık oluşan aerodinamik etki kuvvetidir. [RA = 0,5 . ρ . C . A . v 2 ] formülünden de anlaşılacağı gibi bu etki, havanın yoğunluğuna, taşıtın aerodinamik direnç katsayısına, taşıt dış alanına ve hızın karesine bağlı olarak değişir. Bunların yanı sıra taşıta birçok kuvvet etki eder. Aerodinamik direnç sadece taşıtın dış yapısıyla ve tasarımıyla alakalıdır. Boylamasına oluşan aerodinamik kuvvetin ( Rax ) formülü, R a x = 0,5 . ρ . C x. A .( v + v0 ) 2 şeklindedir. ρ = havanın yoğunluğu ( kg / m3 ) C = aerodinamik aldırma katsayısı ( 0,2 ile 0,5 arasında ) v = taşıt hızı ( m / s ) v0 = rüzgâr hızı ( m / s ) ( hareket doğrultusuna ters ise pozitif alınır ) A = taşıtın ön izdüşüm alanı ( m 2 ) Dikey Eksen Katsayısı Taşıta (z) ekseninde etkiyen bu kuvvete aerodinamik kaldırma kuvveti de denilir ( Basınçlara yol açan hız konusunda açıklanmıştır.). Aerodinamik kaldırma kuvveti, lastikle yol arasındaki temas basıncının azalmasına ve dolayısıyla taşıt performans değerlerinin ve taşıtın yön kontrolünü olumsuz yönde etkilenmesine neden olmaktadır. Bu durum hızla giden bir taşıtın kaza yapma olasılıklarını güçlendirmektedir. Taşıta etkiyen aerodinamik kaldırma kuvvetinin formülü, R a z = 0,5. ρ . CZ . A .( v + v0 ) şeklindedir. ρ = havanın yoğunluğu ( kg / m 3 ) v = taşıt hızı ( m / s ) v0 = rüzgâr hızı ( m / s ) ( Hareket doğrultusuna ters ise pozitif alınır.) C z = aerodinamik kaldırma katsayısı ( 0,2 ile 0,5 arasında ) A = karakteristik iz düşüm alanı ( m2 ) Enine Eksen Katsayısı Taşıta (y) ekseninde etkiyen kuvvet, enine eksen veya yanal kuvvet olarak adlandırılır. Hava akışı taşıtın düşey simetri eksenine paralel ise boyuna ve dikey eksende iki kuvvet oluşur. Ancak hava akışı düşey eksene belirli bir açıda etki ediyorsa bu yanal kuvvet meydana gelir. Yanal kuvvete neden olan iki etkenden birisi taşıtın virajlarda doğrultu değiştirmesi, diğeri ise taşıta herhangi bir açıda esen rüzgârdır. İşte bu durumda aerodinamik kuvvet üç birleşene ayrılır. Yanal kuvvet taşıtı aşırı dönmeye ve devirmeye çalışacağından istenmeyen bir durumdur. Bu yanal kuvvet 110 km / h hızla hareket eden bir araca 1100 N etki ederken 290 km / sa. hızla giden bir yarış otomobiline 4400 N olarak etki etmektedir. Yanal kuvvetin hesaplanması da diğer aerodinamik kuvvet birleşenleri gibidir. R a y = 0,5 . ρ . CZ . A . v0 şeklindedir. ρ = havanın yoğunluğu ( kg / m3 ) v = taşıt hızı ( m / s ) v0 = taşıta göre bağıl rüzgâr hızı ( m / s ) Cy = yanal kuvvet katsayısı A = ön izdüşüm alanı ( m2 ) Yanal kuvvet, düşey lastik kuvvetiyle karşılaştırıldığında oldukça küçüktür ve süspansiyon sistemiyle karşılanabilmektedir. Arka tarafı kısa taşıtlarda ağırlık merkezi öne daha yakın olduğu için bu tip taşıtlar dışa sapmaya daha eğimlidir ve kontrolü zordur. Taşıtın karalılığının artırılması için basınç merkezinin ağırlık merkezine yaklaştırılması gerekir. Aerodinamik Katsayılar Taşıt üzerinde aerodinamik etkiler ve kütle hareket ile kütle atalet kuvvetlerinin etkiyle yukarıda anlatılan etkiler oluşmaktadır. Taşıtın basınç merkeziyle ağırlık merkezinin çakışmasıyla da aerodinamik kuvvet, bu kuvvetlere bağlı momentler meydana getirir. Firmalarda tasarım mühendisleri, aerodinamik etkilerden oluşan kötü etkileri iyileştirmek için sürekli araştırmalar yapmaktadır. Etkilerin İyileştirilmesi Spoiler Taşıtların arka kısmına monte edilen bu parçalara kararlılık kanatçıkları da denir. Taşıt gövdesine uyumlu olarak seçilen ve monte edilen kanatçıklar, basınç merkezini ağırlık merkezi yakınlarına kaydırır. Böylece taşıta etkiyen yanal kuvvetlerin etkisi azaltılır ve taşıtın kararlılığı artırılır. Ülkemizde daha ziyade aksesuar olarak taşıtlara monte edilmektedir. Arka Rüzgârlıklar Genelde arkası kısa taşıtlarda arka camın üst kısmına veya camın tam bittiği noktaya monte edilen parçalardır. Arkası kısa taşıtlarda, kararlılığı artırmak ve taşıtın sapmasını engellemek için kullanılmaktadır. Ayrıca taşıtın gerisinde oluşan türbülansı azaltarak geri çekmeye çalışan kuvvetin oluşumunu engeller. Geliştirilmiş Jant Kapakları Jant kapakları, tekerlek jantlarını kapatarak yan hava akışlarına engel olur. Bu sayede taşıtı doğrultusundan saptırmaya çalışan yan kuvvetlerin etkisi azaltılmış olur. Önden gelen hava akımının etkisini de azaltmaktadır. Bilgisayar yardımıyla tasarlanan kapaklar, hava akımının yönünü değiştirecek ve etkisini azaltacak şekilde tasarlanmaktadır. Ön Rüzgârlıklar Taşıtların ön panelinin alt kısmına monte edilen bu parçalar, hava akımının taşıtın altından geçerek oluşturdukları kaldırma kuvvetinin etkisini azaltmak için düşünülmektedir. Bununla birlikte yan marşpiyellere de rüzgârlıklar takılmak suretiyle yan kuvvet etkileri de azaltılmaktadır. Bazı kasalı taşıtlarda, yolcu kabiniyle kasa arasındaki yükseklik arasına eğimli olarak yerleştiren rüzgârlıklar da hava akımının daha az dirençle karşılaşarak taşıt üzerinden akmasına yardımcı olur. Böylece taşıtın yakıt tüketimi az da olsa düşürülür ve çekiş kuvveti artar. Bu ekipmanlar taşıtlarda komple olarak kullanılırsa alınacak sonuçlar daha etkili olacaktır. Günümüzde her taşıt için standart olarak üretilen bu ekipmanlar, body kit olarak adlandırılmaktadır. Tasarım Aşmasında İyileştirmeler Tasarım aşamasında mühendisler, üretilecek taşıtın hava direnç katsayısını ( CW), en aza indirebilmek için çalışırlar. Öncelikle kâğıt üzerinde yapılan bu çalışmalar, daha sonra bilgisayarda simülasyon (benzetim) programları yardımıyla testler yapılarak katsayı azaltılmaya çalışılır. Son olarak prototipi oluşturulan taşıt üzerinde çeşitli testler yapılarak değerler iyileştirilir. İdeal taşıtı oluşturabilmek için keskin hatlar yerine, yuvarlak hatlar tercih edilmekte; kapı kolları, aynalar gövdeyle bütünlük oluşturacak şekilde tasarlanmaktadır. Ayrıca hava direncini azaltmak için ön cam eğimi de ideal oranda ayarlanmaktadır. Aerodinamik Testler Yol Testleri Taşıtın prototipi üretildikten sonra çeşitli testlerden geçirilerek eksikliklerinin giderilmesine çalışılır. Bu esnada taşıtın aerodinamik testlerden geçirilerek elde edilen değerlerin incelenmesi gerekir. Bu işlemler profesyonel sürücüler tarafından gerçekleştirilir. Taşıtın karşılaşabileceği tüm kötü şartlardan geçirilmesi, ileride çıkabilecek sorunları en aza indirmek için gereklidir. Bu süreç, taşıtın üretiminde en önemli ve en kritik süreçtir. Yapılacak bütün değişikliklerin kararının alınarak hemen işleme konulması gerekir. Çünkü üretime geçişte en son nokta prototipin yol testine tabi tutulmasıdır. Rüzgâr Tünelleri Rüzgâr tünelleri, bir aracın maruz kalacağı bütün hava koşularında ortaya çıkacak aerodinamik etkilerin ölçülmesinde kullanılır. Bu tünellerde, havanın hızı, ısısı, basıncı ve miktarı ayarlanarak sanal bir dış ortam oluşturulabilmektedir. Taşıtın havaya karşı gösterdiği direnç ölçülerek hava direnç katsayısı belirlenir. Bu direncin ideal değeri 0.15 ile 0.25 arasındadır. Direnç katsayısı azaldıkça taşıtın hareketi kolaylaşmaktadır. Ölçülen bu değerler kontrol odasındaki bilgisayarlar aracıyla değerlendirilir ve yapılması gerekli değişiklikler not edilir. Uçakların havadaki durumunu incelemek için geliştirilen bu tüneller bütün araç firmaları tarafından taşıt tasarımının geliştirilmesinde kullanılmaktadır. Hava ile taşıtın dış yüzeyindeki tüm etkileşimlerin incelenebildiği bu sistemler tasarım mühendislerinin işini oldukça kolaylaştırmaktadır. Rüzgâr tünelinin çalışması şu şekildedir: Pervaneyle oluşturulan hava akımı, yönlendirme kanatları ile taşıtın bulunduğu ortama doğru yönlendirilir. Klima ve ısıtıcılar yardımıyla tüneldeki havanın ısısı ayarlanmaktadır. Tekerlek tamburu taşıtın çekiş tekerlekleriyle birlikte dönerek motor gücünün, çekiş torkunun ve tekerlek fren kuvvetlerinin ölçülmesini sağlamaktadır. Kontrol odasında bütün bu ekipmanların kontrol ve ayarları yapılarak ölçülen değerler bilgisayar ortamında kaydedilmekte ve uzman ekipler tarafından taşıtın durumu değerlendirilmektedir.