Performans

Salı, 17 Ekim 2006

Her alanda olan gelişmeler gibi taşıt teknolojisindeki gelişmelerde performans artırımı üzerinedir. Performans artırımı kısaca taşıtın verimini artırmak anlamındadır, yani taşıtın güç kaynağı olan içten patlamalı motordan gelen gücün en iyi şekilde kullanılarak maksimum hız, ivmelenme, yokuş kapasitesi ve de günümüz dünyasında en önemli etkenlerinden olan ekonomikliği sağlamasıdır.   İstenilen bu performans artırımlarını yapmanın yolu taşıt üzerine gelen dirençleri azaltmaktır. Bu dirençlerden yokuş direnci ile oynamamızın imkanı yoktur ama diğer tüm dirençleri azaltmanın yolları bulunmaktadır. Bu dirençleri azaltmanın yolu bu dirençlerin taşıt performansı üzerindeki etkilerini iyi bilmektir. Projenin tamamında bu dirençlerin mekaniği anlatılmış ve etkilerini daha iyi gösterebilmek için grafiklere dökülmüştür. Yapılan kaynak taramaları ve araştırmalar özellikle aerodinamik direnç gibi hız ile olduça değişen değerler olduğunda bu direnç güçlerinin taşıtın verdiği güçle birlikte grafiğinin çizmesinin en doğru yaklaşım olduğunu göstermiştir. Çalışmalar sırasında en iyi performans değerlerinin herzaman yarış otomobillerine veya bu sınıfı sokulabilecek spor otomobillere ait olduğu görülmüştür. Bunun sebebide oldukça açıktır, çünkü en ileri teknolojiler ve en büyük reklam giderleri bu alan üzerinde yoğunlaşmıştır. Örneğin bir Formüla1 otomobilinin 1 cm2’si 5 milyon Amerikan Doları karışılığında reklamlarla kaplıdır. Bu rekabeti sürdürebilmek içinde sürekli yeni ve daha iyi buluşlar yapmak gereklidir. Bütün bu sebeplerden dolayı projede özellikle bu tip taşıtlar örnek gösterilmiş ve bu taşıtların performans değerleri baz alınarak performans artırımının önemi gösterilmeye çalışılmıştır. Proje aynı zamanda hala üretimde ve kullanımda bulunan iki binek otomobilin performans değerlerinin hesabınıda kapsamaktadır. Bu değerler elbette izafidir, çünkü bu değerlere bakılarak bir taşıtın iyi veya kötü olduğuna karar vermek oldukça güçtür. Bunun en temel sebebi bir insanın kullanacağı otomobilden ne istediğidir ve bunun fiyat, yakıt tüketimi, hız, ivmelenme, yoldışı (off-road) karakteristiği gibi birçok kriteri bulunmaktadır. Bütün bu değerlerden daha da önemlisi beğeni meselesidir onun için en iyi karşılaştırma kişinin kendi ihtiyaçlarına ve ekonomik kapasitesine göre yaptığı karşılaştırmadır. Bu araştırmanın son kısmına eklenilen performansı artırmak için neler yapılmalıdır kısmı tamamen pratik uygulama amacıyladır. Gündelik konuşmalarımızda bazen önemsiz gibi gördüğümüz tasarım detaylarının ne kadar önemli olabileceğini ve bunun tam tersine çok önemli olarak gördüğümüz parça veya araçların aslında sadece bir aksesuar olmaktan öte gidemediğini göstermek esas amaçtır. Tüm bu çalışmaları yaparken aklıma gelen en üzücü şey ise aslında ülkemizin bu konulara ne kadar az önem verdiği ve bilgi eksikliğimizdir. Bu ve daha sonra buna benzer çalışmaların kişilere ve daha da önemlisi otomobil üreticisi firmalarımıza yardımcı olması en büyük amacımızdı. 2.1 Yuvarlanma Direnci Yuvarlanma direnç kuvveti taşıt tekerleğinin yuvarlanma sırasında yol ve lastiklerdeki şekil değişitirmelerden kaynaklanır. Yuvarlanma direnci yol ile tekerrleğin değişik durumları için ayrı ayrı incelenir. Bu durumlar: Demiryolu taşımacılığında olduğu gibi, rijit tekerlek-rijit yol, Şu anda pek karşılaşılmamakla birlikte toprak zemin üzerinde hareket eden at arabasında olduğu gibi; rijit tekerlek-şekil değiştirebilen yol, Günümüzde kullandığımız binek otoların en çok karşılaştığı gibi; elastik tekerlek- rijit yol, Daha çok yol dışı (off-road) taşıtları için geçerli; elastik tekerlek-şekil değiştirebilen yol. Bu projede genellikle binek otomobiller üzerindeki direnç kuvvetleri incelendiği için iii. durumda olduğu gibi elastik tekerlek-rijit yol çifti baz alınarak inceleme yapılacaktır. Sert zeminlerdeki yuvarlanma direncinin ana kaynağı yuvarlanma sırasında lastiğin karkas yapısındaki şekil degiştimeden dolayı ortaya çıkan histerisislerdir. Diğer bir deyişle lastiğe döndürmek için verdiğimiz enerjinin tamamı dönme olayı için kullanılmamakta, bir kısmı kaybolmaktadır. Bunun yanı sıra kaymadan dolayı lastik ile yol arasındaki sürtünme, lastiğin içindeki havanın sirkülasyona (devinime) olan direnci ve lastik ile çevresindeki hava arasında oluşan fan etkisi yuvarlanma direncinin ikincil kaynaklarıdır. Yapılan deneysel çalışmalar 125~150 km/sa hızları arasında yuvarlanma direncinin %90~95’i lastiğin yapısal histerisislerinden, %2~10’u lastik ile yer arasındaki sürtünmeden ve %1.5~3.5’inin de hava direncinden kaynaklndığını göstermektedir. Radyal lastikteki yapısal histerisisler üzerine yapılan diğer bir deneysel çalışma ise bu histerisisleri %73’ünün diş kısmından, %13’ünün yan duvarlardan, %12’sinin omuz kısmından ve %2’sinin de topuk bölgesinden kaynaklandığını göstermektedir. Lastik sert zemin üzernde yuvarlanmaya başladığı zaman lastiğin karkas yapısı yer ile temas ettiği alanda şekil değiştirir. Bu şekil değiştirmenin sonucu lastiğin hareket yönündeki normal basınç diğer taraftaki basınçtan yüksek olur. Yani normal basınç merkezi lastik ekseninden hareket yönüne doğru bir miktar kayar. Bu kayma lastik eksenine göre bir moment oluşturur ve bu momente yuvarlanma direnç momenti adı verilir. Serbest yuvarlanan bir lastik düşündüğümüzde tekerlek torku sıfıra eşittir ve tekerleğin denge şartının sağlanması için yer ile temas ettiği noktadan bir kuvvet etki etmek zorundadır. İşte bu yatay kuvvete yuvarlanma direnç kuvveti denir. Bu kuvvetin normal yüke oranınada yuvarlanma direnç katsayısı adı verilir. 2.1.1 Yuvarlanma Direncine Etki Eden Faktörler Otomobillerde kullanılan şişirmeli (pnömatik) lastiklerin yuvarlanma direncine birçok faktörün etkisi vardır. Bu faktörler lastiğin yapısı ve lastiğin çalışma koşulları olarak iki ana başlık altında incelenebilir. Buna rağmen bu faktörleri birbirinden ayrı düşünmek imkansızdır. Çünkü bir faktörün değişimi diğer bir faktörün değişimini de beraberinde getirir. Örneğin taşıtın hızının artması, lastiğin sıcaklığını arttırır ve bu sıcaklık artışıda lastiğin şişirme basncını değiştirir. 2.1.1.1 Lastiğin Yapısının Yuvarlanma Direncine Etkisi Lastik üretimi radyal ve çapraz- katlı olmak üzere iki şekilde yapılmaktadır. Lastiğin bu üretim şekli onun yuvarlanma direnç karakteristiğini veren en önemli etkendir. Yapılan ölçümler radyal lastiklerin yuvarlanma direnç katsayılarının çapraz- katlılara göre oldukça iyi olduğunu göstermiţtir. Taşıt lastiklerinde 1895 yılına kadar dolgu lastikler kullanılmıştır. Bu lastiklerin yuvarlanma dirençleri oldukça yüksek olmakla beraber, hareket ettirilirken karşılaşılan atalet kuvveti de oldukça büyüktü. Atalet kuvvetinin azaltılması için yapılan çalışmalar şişme lastikleri ortaya çıkardı. Üretilen bu şişme lastikler 1946 yılına kadar çapraz katlı olarak tek tip üretiliyordu. 1946 yılında Michelin firması yeni bir lastik tipi olan radyal lastiğin patentini aldı. Bu tarihten itibarende radyal lastiğin kullanımı bir çığ gibi büyüdü. Günümüzde otomobillerde kullanılan lastiklerin hemen hemen tamamı radyal lastiktir. Radyal lastiğin yuvarlanma direncinin çapraz- katlıdan düşük olmasının ana sebebi çapraz- katlı lastiklerde belirli bir açı ile döşenmiş lif tabakalarının lastiği şekil değiştirmeleri sırasında birbirleri arasında bir kayma hareketi yaparak eneji kaybına sebep olmalarıdır. Çapraz- katlı lastiklerin yuvarlanma dirençleri daha yüksek olmasına karşılık yük taşıyan araçlarda halen yaygın olarak kullanılmaktadır. Çünkü bu lastiklerin yük kapasiteleri radyal lastiğe göre daha yüksektir. Lastiğin üretim tipinin yanı sıra lastiğin diş kalınlığı, diş şekli, yanak kalınlığı, yanak genişliği ve çapraz- katlı lastikte katmanların sayısı da yuvarlanma direncini etkiler. Lastiğin dişlerinin ve yanağının kalınlığı şekil değiştirmeyi zorlaştırdığından yuvarlanma direncinin artırır. Lastiğin yanak yükseklğinin azaltılması yuvarlanma direncini düşürür, çünkü şekil değiştiren malzeme miktarı (alan) azalır, yani daha az enerji kaybı olur. Fakat lastiğin yanak genişliğinin fazla düşürülmesi, lastiğin temel işlevlerinden olan darbeleri engelleme görevinin yapamaması ile sonuçlanır. Lastiğin lif katmanlarının sayısının arttırılması da bu katanlar arasındaki kaymaların artmasına sebep olacağından yuvarlanma direncini arttırır. Lastiğin diş şeklinini belirli bir kriteri yoktur. Genellikle büyük bloklar halinde diş yapılmış lastiklerin yuvarlanma direnci daha büyüktür, fakat bu küçük dişli yapılmış lastiklerin kesinlikle düşük yuvarlanma direncine sahip oldukları anlamına gelmez. Yuvarlanma direncini etkileyen diğer bir yapısal nitelikte lastiğin yapı malzemesidir. Şu anda lastik malzemesi olarak en çok kullanılan madde sentetik kauçuktur. Sentetik kauçuğun yuvarlanma direnci doğal kauçuktan daha yüksektir, fakat doğal kauçuğun aşınma dayanımının düşüklüğü lastik malzemesi olarak kullanımını azaltmıştır. Diğer bir lastik malzemesi olan bütil kauçuk yol tutuşu ve kontrol kolaylığı bakımından sentetik kauçuktan daha iyidir, fakat yuvarlanma direnci çok daha yüksektir. SAE tarafından yapılan çalışmalar sentetik kauçuğun yuvarlanma direncinin doğal kauçuktan 1.06 kat daha yüksek ollduğunu göstermiştir. Bütil kauçuğun yuvarlanma direnci ise doğal kauçuğun 1.35 katıdır. Lastiğin malzemesinin yanı sıra içindeki liflerin ve katmanların malzemeleri de yuvarlanma direncin de etkilidir. Çelik lifli lastiklerin yuvarlanma dirençleri sentetik lifli olanlara göre daha yüksektir. Bu yüzden otomobil lastiklerinde çelik liflerin kullanımı yavaş yavaş azalmaktadır. Bunun yerine çekme mukavemeti yüksek sentetik lifler kullanılmaktadır. Her ne olursa olsun çeliğin mukavemeti sentetik liflerden daha yüksek olduğundan yük taşımada kullanılan çoğu araçların lastiklerinde halen çelik lifler kullanılmaktadır. 2.1.1.2 Lastiğin Çalışma Şartlarının Yuvarlanmma Direncine Etkisi Lastiğin yuvarlanma direncinin çalışma şartlarına göre değişimi aşağıda maddeler halinde anlatılmıştır. a) Yüzey Şartları Sert ve düzgün yüzeylerdeki yuvarlanma direnci bozuk yol şartlarına göre oldukça düşüktür. Yumuşak yüzeylerde yuvarlanma direncinin artmasının sebebi lastik temas alanındaki normal basıncın daha da öne kaymasıdır, yani lastik zemine batma iktarına göre küçük bir basamağı geçiyormuş gibi davranır. Bundan dolayı yumuşak zeminlerde çalışacak taşıtların lastiklerinin zemine batma miktarı, yani normal basınç şiddeti, azaltılmalıdır. Bunu sağlayabilmek için daha geniş lastikler kullanılabileceği gibi daha sonra da bahsedileceği gibi lastiğin şişirme basıncı azaltılarak temas alanı arttırılabilir. Lastiğin ıslak veya karlı yollardaki davranışı da yumuşak zemindeekine benzemektedir, yani bu şartlar altında da yuvarlanma direnci artmaktadır. b) Lastik Şişirme Basıncı Lastik şişirme basıncı direk olarak lastiğin esnekliği ile ilgilidir. yolun yumuşaklığına göre şişirme basıncının yuvarlanma direncine olan etkisi farklı farklıdır. Sert zeminlerde şişirme basıncının yüksek olması yuvarlanma direncini düşürür. Bunun sebebi yüksek basınçta lastiğin şekil değiştirmesinin azalması yani yapısal histerisislerinin azalmasıdır. SAE’nin bu konu ile ilgili yaptığı çalışmalar şişirme basıncının çapraz- katlı lastiklerin yuvarlanma dirençleri üzerinde daha etkili olduğunu göstermiştir. Örneğin radyal lastiğin şişirme basıncını yarıya indirdiğimizde yuvarlanma direnci 1.27 katına çıkmasına karşın çapraz- katlıda bu oran 1.92 dir. Kum gibi yumuşak zeminlerde lastik şişirme basıncının arttırılması zemine batma miktarını arttıracağı için yuvarlanma direncini Şekil 2.1’de görüldüğü gibi arttırır. Buna karşın lastik şişirme basıncının azaltılması yapısal histerisisleri arttıracağı için yumaşak zeminlerde lastik şişirme basnıcının optimum bir değeri vardır ve bu değer batmaya karşı yapılan iş ile içi yapısal histerisislerden dolayı kaybolan işlerin toplamının en az olduğu noktadır. Şekil 2.1: Yuvarlanma direnç katsayısının şişirme basıncıyla değişimi Şişirme basıncı sadece yuvarlanma direncini değil Şekil 2.3’de gösterildiği gibi lastiğin aşınma ömrünü de etkiler. Şekilde 165 kPa (24 psi) daki aşınma oranı referans gösterilmiştir. Görüldüğü gibi aşınma ömrüne lastik şişirme basıncının etkisi radyal lastiklere göre çapraz- katlı lastiklerde daha fazladır. Şekil 2.2: Lastik şişirme basıncı ile aşınma indeksinin değişimi c) Hız Hızın artışı ile lastiğiin şekil değiştirmesi için gerekli iş ve lastiğin yapısındaki titreşimler arttığı için lastiğin yuvarlanma direncide artar. Radyal lastiğin yuvarlanma direncinin hız ile değişimi Şekil 2.3’de, çapraz- katlı lastiğinki ise Şekil 2.4’de verilmiştir. Şekil 2.3: Radyal lastiğin yuvarlanma direnç katsayısının hız değişimi. Şekil 2.4: Çapraz- katlı lastiğin yuvarlanma direnç katsayısının hız ile değişimi. Lastiğin dizaynında ve çalışma şartlarındaki parametrelerin çokluğu ve bunların oluşturduğu kompleks ilişki yüzünden lastiğin yuvarlanma direncini veren analitik bir formülün çıkarılması hemen hemen imkansızdır. Bu yüzden lastik yuvarlanma direci ile ilgili hesaplar tamamen deneysel verilere dayanmaktadır. SAE lastik yuvarlanma direncinin ölçülmesi ile ilgili bazı prosedürler ortaya koymuştur. Bu prosedürlerin uygulanması sonucu elde edilen deneysel verilerle ampirik formüller oluşturulmuştur. Bu formüller bazı parametrelerin sabit tutulduğu kabulü ile ortaya çıkmıştır. Örneğin yük ve lastik şişirme basıncı sabit tutularak, radyal bir lastiğin yuvarlanma direnç katsayısı ile hız arasındaki ilişki:  [2.1] çapraz- katlı bir lastiğin yuvarlanma direnç katsayısı ile hız arasındaki ilişki ise  [2.2] dir. Bu formüller hızın maksimum 150 km/sa olması durumunda geçerlidir. Taşıt performansı için yapılan ön hesaplamalarda hızın lastik yuvarlanma direncine olan etkisi ihmal edilebilir. Bunun yerine yuvarlanma direnç katsayısının Tablo 2.1’de verilen ortalama değerleri kullanılabilir. Lastik tipi  Yüzey   Beton  Sert toprak  Kum   Yolcu arabası  0.015  0.08  0.30   Kamyon  0.010  0.06  0.25   Traktör  0.02  0.04  0.20   Tablo 2.1: Yuvarlanma direç katsayısının ortalama değerleri. Hız belirli bir limiti aştıktan sonra yuvarlanma direnci iyice artar. Eşik hızı da denen bu hızadan sonra lastik temas alanında oluşan şekil değiştirmeler geri normal hali olan dairesel şekline dönemez ve üstel sönümlü dalgalar oluşur. Bu dalgaların genliği lastiğin yerden ayrıldığı anda en büyüktür ve lastik çevresi boyunca üstel olarak sönümlenir. Bu dalgalarin oluşumu enerji kaybını iyice arttırarak ısı oluşumunu arttırır ve dolayısıyla lastik yuvarlanma direncini de artırır. Bu dalga oluşumunun devam ettirilmesi yani eşik hızının üstünde seyir edilmesi sonunda lastiğin patlaması kaçınılmazdır. İşte bu nedenle lastiğin malzemesine ve yapımına göre bir hız sınırı vardır ve bu limit değer lastik üzerinde bir harf ile gösterilmiştir. d) Çalışma Sıcaklığı Lastiğin çalışma sıcaklığı yuvarlanma direncini iki yönde etkiler. Bunlardan birincisi lastiğin içindeki havanın sıcaklığının değişimiyle şişirme basıncının değişmesi, ikincisi ise lastik malzemesinin sıcaklığının değişimi ile malzemenin katılığının, yani yapısal histerisisinin, değişimidir. Lastiğin içi sıcaklığı ve omuz sıcaklığı ile yuvarlanma direnç katsayılarının değişimi Şekil.2.5 ve Şekil 2.6’de verilmiştir. Şekil 2.5: Lastik içi sıcaklığının yuvarlanma direnç katsayısına etkisi. Şekil 2.6: Yuvarlanma direnç katsayısının omuz sıcaklığı ile değişimi Şekil 2.6 incelendiğinde –10°C’deki yuvarlanma direnç katsayısının 60°C’dekinin 2.3 katı olduğu görülebilir. Buradan lastik yuvarlanma direnç katsayısı ile ilgili temel faktörlerden birinin lastik omuz sıcaklığı olduğu anlaşılır. Burada hatırlanması gerekli önemli bir nokta ise ortam sıcaklığı ile lastik omuz sıcaklığının aynı olmadığıdır. e) Lastik Çapı Lastiğin çapı ile yuvarlanma direnç katsayısı arasındaki ilişki Şekil 2.7’de verilmiştir. Buradan sert zeminlerde lastik çapının yuvarlanma direnç katsayısı üzerinde pekte etkili olmadığı görülmektedir. Diğer taraftan yumuşak zeminlerde oldukça etkilidir.

 

< Önceki		Sonraki >

ADnet Reklamları	Siz de reklam verin