5. TAŞIT PERFORMANSINI ARTTIRMAK

5.1 Taşıt Ağırlığının Düşürülmesi

Taşıt ağırlığının taşıt performansına etkisi çok önemlidir. Bu etki 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 direncide o kadar az olacaktır, bu da taşıt performansını arttıran diğer bir sebep olacaktır. Bir performans kriteri olarak gösterilmemekle birlikte hafif araçların yakıt sarfiyatlarının da az olduğu bilinmesi gereken diğer bir noktadır.

Taşıt ağırlığını düşürmenin birçok yolu vardır, çünkü taşıt üzerinde malzemesi ya da şekli ile oynanacak çok fazla parça bulunmaktadır. Son zamanlarda binek taşıtların ağırlığını azaltmak için taşıtların çeşitli aksamlarında kompozit malzemelerin kullanımı artmıştır. Tabi bu elbette tek başına bir çözüm değildir. Kompozitler ağırlıklarına oranla çok dayanıklı malzemeler olmasına karşın aynı uygulama için çelik veya diğer metallerin tasarımı ile kompozit malzemelerin tasarımları oldukça değişiktir. Bunun en önemli sebebi ise kompozit malzemelerin metal malzemeler gibi her yöndeki özelliklerinin aynı olmamasıdır, yani bir eksene göre oldukça dayanıklı olan bir kompozit malzeme diğer eksene göre kırılgan veya tokluğu az bir malzeme olabilir.

Taşıt ağırlığını değiştirmek için taşıt üzerinde yapılabilecek değişiklikler ve bunların nasıl yapılabileceği aşağıda maddeler halinde açıklanmıştır:

1. Taşıt üzerindeki en büyük ağırlık indirimi taşıtın dış çerçevesi yani karoseri kısmında yapılabilir. Bu yöndeki en büyük değişim 1960’lı yıllarda öne sürülen ve 1970’li yılların ortalarından itibaren uygulanmaya başlayan entegre şasi (integral body) ile olmuştur. Bu yöntem taşıtın şasi kısmı ile karoseri kısımlarının ayrı ayrı yapılıp birleştirilmesi yerine bunların tek bir parça gibi yapılması anlamına gelmektedir. Şekil 5.1. Bu birleştirme için kullanılan makina elemanlarını ortadan kaldırmanın yanı sıra, daha rijit bir yapı oluşturduğu için, daha ince sac kullanımını sağlıdığı için taşıt ağırlığında büyük değişmelere yol açmıştır.

    
   Şekil 5.1: Ferrari 550 Marenello’ya ait bir entegre şasi.

2. Karoseri üzerindeki diğer bir ağırlık azaltılması karoseri malzemesinin değiştirilmesi ile olmuştur. Yeni otomobillerde çeliğin yanına karoseri alaşım elementi olarak Aluminyum kullanılmaktadır. BMW firması yeni üretimine başladığı 3 serisi otomobillerinde Aluminyum alaşımı kullanılarak taşıtın ağırlığının %17 azaltıldığını duyurmuştur. Bunun yanısıra karoseri malzemesi olarak kompozit malzemelerin kullanımıda artış göstermektedir. Uzmanların ifadesine göre önümüzdeki 10 yıl içerisinde çoğu taşıtın kompozit karoseriye sahip olacağı belirtilmektedir. Şu anda bu malzeme sınırlı olarak bazı kısımlarda kullanılmaktadır. Örneğin Renault firması ürettiği 1999 model Clio otomobillerindeki ön çamurlukları esnek kompozit malzemeden üretmiştir. Taşıtın tamamının bu malzemeler ile üretimi hemen hemen yok gibidir. Plymouth firması Prowler adını verdiği yeni seri üretim otomobilinin tüm karoserisini Hylite adını verdiği bir kompozit malzeme ile yapmıştır. Bu malzeme 0,2 mm kalınlığında iki Aluminyum tabaka arasına 0,8 mm kalınlığında Polipropilen doldurularak yapılmıştır.
3. Taşıtı ağırlığının düşürülmesinde en önemli ikinci konu taşıtlarda aksesuar olararak nitelenen parçalardır. Bu 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. Hatta hemen hemen tüm otomobillerdeki yakıt deposu bile plastik bazlı kompozitlerden yapılmıştır. Son yıllardaki istatistiklere bakıldığında taşıt üzerinde kullanılan malzemeler içerisinde ağırlık olarak bakıldığında bile plastiğin yerinin oldukça yukarılarda olduğu görülmektedir. Şekil 5.2’de 1985 yılı ile 1995 yılları istatistiklerine göre taşıt üretiminde kullanılan malzemeler ve yüzdeleri verilmiştir. Şekildende görelebileceği gibi demir ve çeliğin kullanımı gittikçe azalmaktadır. Bu verilere göre geçen 10 yıllık süreç içerisinde taşıt ağırlığının %10 düşmüştür. 

   

   Şekil 5.2: Otomobil yapımında kullanılan malzemeler.

4. Bu konu üzerindeki diğer önemli bir uygulamada taşıtın aktarma organlarını ve akslarını üzerinde taşıyan ön ve arka traversler ile süspansiyon sistemi üzerindeki değişikliklerdir. Örneğin kullanılan alt salıncak ve döndürme çubuğu gibi elemanların tasarımlarında yapılan değişiklikler bu parçaların daha hafif yapılmasını sağlamıştır. Otomobilin icadından sonra 1960’lı ve hatta 1970’li yıllara kadar kullanılan yaprak yaylı süspansiyon sisteminden uzaklaşılmasıda bu konuda ne kadar büyük mesafeler katedildiğini göstermektedir.
5. Taşıt üzerindeki çeşitli sistemler incelendiğinde taşıtın motorunun en rijit şekle sahip olduğunu ve çevresindeki sistemlerle birlikte bir çelik bloku andırdığı gözden kaçamaz. Otomotiv mühendisleride bu konuda uzunca bir süredir malzeme ve tasarım ekipleri ile birlikte çalışmaktadırlar. Son 15 yıl içerisinde motorlar üzerindeki değişiklikler ortalama bir motorun ağırlığının 15 kg civarında düşürüldüğünü göstermektedir. Bunu çevresindeki sistemlerle birlikte düşündüğümüzde bu ağırlık azalmasının 30-35 kg’ı bulacağı şüphe götürmez bir gerçektir. Maserati firmasının coupe modelinin motorunda yapılan çalışma ile motor ağırlığının 27,5 kg düşürüldüğü açıklanmıştır. Ağırlıktaki bu azalmayı sağlamak için motorun silindir kapağı ile ana blokunda Aluminyum alaşımı kullanıldığı, bu sırada motorun dayanıklılığını yitirmemesi için silindir gömleklerinin kalınlıklarının ve alaşımlarının değiştirildiği belirtilmiştir. Bununla birlikte motor yağ pompası, yağ flitresi gibi motor üzerinde bulunan parçalarında etkinliklerinin artırılarak şekil ve tasarım değişikliğine gidildiği anlatılmaktadır.
6. Ağırlığı düşürmek için yapılan çalışmalar sürücü ve yolcuların kullandığı aksesuarlara kadar genişletilmiştir. Yeni nesil otomobillerdeki koltuklar şu andaki büyük ve dolgun şekline karşın gittikçe incelmektedir. Fakat bu değişiklik yapılırken konfor ve ergonomiden de ödün verilmemektedir. bu yeni tip koltuklardan bir tanesi Şekil 5.3’te 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 5.3: Hafif ve ergonomik olarak tasarımlanmış koltuklar.

5.2 Yuvarlanma Direncinin Düşürülmesi

Taşıt lastiklerinin yuvarlanma direncinin düşürülmesinde üç etken önem taşmaktadır. 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 sonuncusuda lastiğin yapısal değişiklikleridir.

Lastikteki yapısal değişiklik yapım malzemesini ile lastiğin tasarım şeklini içermektedir. Fakat konu sürekli ve yüksek hızlarda yerle temas eden, aynı zamanda da taşıtın tümünü, daha da önemlisi bizi taşıyan bir elemanın tasarımı olduğunda birçok sınırlayıcı etkenle karşılaşıyoruz. Lastiğin yuvarlanma direncinin azaltılması için yapılması gerekenler ve aynı zamanda bu değişikliklerdeki sınırlamalar aşağıda maddeler halinde anlatılmıştır.

1. Daha önceki bölümlerde de açıklandığı gibi 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.
2. Lastiğin yuvarlanma direncini düşürmek için yapılabilecek diğer bir değişiklik lastiğin yapım malzemesindedir. Bu malzemelerin her birinin kendine özgü özellikleri vardır. Örneğin en çok kullanılan sentetik kauçuğun ve bütil kauçuğun yuvarlanma direnç katsayıları doğal kauçuğun sırasıyla 1,06 ve 1,35 katı kadardır, fakat doğal kauçuğun ömrünün bu malzemelerin altında olması nedeniyle sadece özel amaçlı uygulamalarda kullanılmaktadır.
3. 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 çeşiti yuvarlanma direncini artıran diğer önemli özelliklerdir. Lastik tasarımı son zamanlarda oldukça yol katetmiştir. Şu anda Bridgestone firmasınında hayata geçirdiği “sıfır topuk teknolojisi” bu konu üzerindeki önemli çalışmalardandır. Bu teknoloji lastiğin rijitliğini azaltmak ama bunu yaparken ömrünü ve dayanıklılığını azaltmamayı amaçlamaktadır. Bunun yanısıra Michelin firması yeni ürettiği Pilot tipi yüksek performans lastiklerinde yeni bir kauçuk denemektedir. Firmaların araştırmalarını yoğunlaştırdığı diğer bir konuda karkas yapıda kullanılan liflerdir. Gerekli mukavemeti gösterirken aynı zamanda lastiğin yapısal histerisislerini azlatmayı amaçlamaktadırlar. Son zamanlarda dikkat çekici bir gelişmede lastik üreten firmaların mevsimler göre lastik tiplerini arttırmalarıdır. Bundaki amaç her çevre şartına uyacak konvansiyonel lastikler yapmak yerine mevsim özelliklerine göre lastik dişlerinin yapılarak yuvarlanma direnci ve ömür konusunda gelişimlere imza atmaktır.
4. Yuvarlanma direncini azaltmak için lastik üretici firmaların yapması gereken şeylerin yanısıra taşıt kullanıcılarınında yapması gereken şeyler bulunmaktadır. 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.

Gelecekte lastiklerin kullanım performanslarının yanı sıra gürültü emisyonları konusunda da araştırılmaların yapılmaya başlaması kimseyi şaşırtmamalıdır. Gürültünün en önemli sebebi lastiğin diş elemanlarının kenar kısımlarının yol yüzeyine çarpmasıdır. Yaklaşık 100 km/sa lik bir hızda ilerlerken yeni bir lastiğin dişi hemen hemen her milisaniyede yol yüzeyine çarpar.

Lastik yuvarlanda direncinin düţürülmesi için yapılması gerekenler ve bunların lastiğin diğer performans değerlerine etkisinin bir özeti Tablo 5.1’de verilmiştir.

Tablo 5.1: Lastik yuvarlanma direncinin düşürülmesin ve yan etkileri

5.3 Aerodinamik Direncin Düşürülmesi

Taşıt performansını arttırmak için en köklü değişiklikler aerodinamik özellikler üzerindedir. Taşıtın aerodinamik stilinin değiştirilmesi tasarımcı, aerodinamik uzmanları, mühendisler ve üreticilerin birlikte ve oldukça koordineli çalışmalarıyla gerçekleştirilir. Aerodinamik stilin değiştirilmesi sırasında taşıtın yapısal tasarımı, yol tutuş kabiliyeti, güvenilirliği ve hepsinden önemlisi kolay üretilebilirliği gibi birçok konu gözönünde tutulmalıdır. Aerodinamik tasarım taşıtın performansı ile direkt olarak alakalıdır. Bundaki en önemli etken ise taşıtın şeklidir.

Aerodinamik değişiklikler taşıtın dış cephesi ile ilgili olduğu için gerekli teknik üstünlükleri sağlamakla birlikte müşterinin hoşuna gidecek nitelikleride içermelidir. Bütün bu nedenden dolayı aerodinamik araştırmalar oldukça uzun ve yorucu çalışmalar içerir. Taşıta son şekli verilmeden önce yüzlerce defa prototipler üzerinde ve hava tünellerined deneyler yapılır. Şekil 5.4 Bu çalışmaların zor olmasının diğer bir sebebi taşıtın bir kısmında yapılan bir tasarım hatasının sadece o kısmını değiştirilerek giderilememesinden dolayıdır.

Şekil 5.4: Hava Tüneli.

Aerodinamik tasarımdaki iki ana gereklilik aerodinamik direnç katsayısının düşürülmes ve aerodinamik kaldırma katsayısının düşürülmesidir. Diğer önemli bir hususta taşıtın yan kuvvetlere verdiği tepkidir.

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. Şekil 5.5’te uzunluk ve yükseklik oranına göre taşıtların sahip olduğu ortalama direnç katsayıları verilmiştir.

Şekil 5.5: Taşıt uzunluğunun yüksekliğine oranının C_D’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.

Bu değerlere karşın günümüzün iyi tasarımlanmış spor ve yarış otomobilleri ancak 0,2 ile 0,3 arasında direnç katsayılarına sahiptir. Bu katsayı farkları çoğunlukla ideal şekilden sapmalardan kaynaklanan ikincil sebeplerdendir. Bu sebepler taşıt tasarımındaki yolcu kabininin şekli gibi pratik çalışmalardan kaynaklanmaktadır. Analizi tekrar incelemek için direnç katsayısını aşağıdaki gibi gösterirsek;

buradaki D C_D ideal ţekilden sapmalardan dolayı oluşan aerodinamik kuvvetleri ifade etmektedir.

Ideal şekilden ilk sapma kaçınılamaz bir sebep olan mekanik bakış açısındandır. Taşıt tekerlekler üzerinde hareket etmektedir ve bu tekerlekler arasındaki boşluk en önemli sapmayı gerçekleştirmektedir. Ana şekle diğer gerekli bir eklemede yolcu bölümüdür. Bu kısım sürücünün yolu görebilmesi için gerekli bir çıkıntıdır ve aynı zamanda şekil üzerinde düzgünce ilerleyen hava akımına karşı bir engeldir. Bu dış şekil değişikliklerinin yanı sıra taţıtın içerisindeki boşluklardaki hava akımıda diğer bir problemdir. Ideal şeklin normal bir binek otomobille karşılaştırılması sonucu elde edilecek sonuç direnç artışının toplam artışın %60’ı olduğudur.

Taşıt tasarımcıları iyi bir aerodinamik şekle ulaşmak için pratik metodlar kullanırlar, fakat bunun için ideal aerodinamik şekilden ne kadar uzaklaşıyorum sorusu bizi daha iyi bir sonuca götürür. Aerodinamik direncin en önemli kaynakları:

1. Gövde direnci; basınc 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. Iç hava akımı; taşıt sistemi içindeki boşluklarda havanın dolaşmasından dolayı.

Aerodinamik direncin diğer ana sebepleride tekerleklerin dönmesinden dolayı ve taşıtın altından geçen havadan dolayı olanlardır. Gövde direnci yatay basınç bileşenini hava akış yönüne göre integre edilere hesaplanabilir. Bu metod pek pratik değildir, fakat işlemin görüntülenmesi ve gövde direncinin düşürülmesi yollarının bulunmasında yardımcı olabilir. Taşıt yüzeyinde akışın bölgesel olarak hızlanmasına ve yavaşlamasına sebep olan veya akışın yönünü değiştiren her şekil gövde direncine eklenir. Taşıtın üst kısmında yolcu bölümünde hava ön cama geldiği zaman ivmelenir ve yön değiştirir. Bunun için tasarımda bu gibi etkenler gözönüne alınarak taşıtın kesit alanındaki ani değişiklikler mümkün olduğu kadar azaltılmalıdır. Normal bir taşıtta kesit alanı ön kısımdan arkaya doğru gidildikçe artar ve taşıtın orta kısmını geçtikten sonra azalmaya başlar. Eğer bu dA/dx gibi bir türevle ifade edilirse aerodinamik gövde direncinin az olması için bu türevin mümkün olduğu kadar küçük olması gereklidir.

Aerodinamik direnci düşürmek için hava akışının kanallardan iletilmesi işleminden kaçınılmalıdır. Bölgesel hava akışlarını taşıt üzerinden kolaylıkla ileten şekiller bölgesel hız artışlarına sebep olurlar. Bunun gibi bölgesel hava jetleri taşıtın üzerindeki ana hava akış şeklini keserler ve çevresindeki havadan daha hızlı hareket etmesinden dolayı türbülansa sebep olurlar, bu da gövde direncine eklenir. Bu tip oluşumlar ön farların taşıtın kaputu üzerine yerleştirilmesinden dolayı meydana gelir.

Taşıtın arka tarafında, kesit alanındaki ani değişiklikten dolayı hava akışının yavaşladığı bir viskoz boundry layer vardır. Bu basıncın artmasına ve ayrılma noktasına kadar yada hava akışı dış ortamın hava şartlarına uyana kadar akışın basınca karşı iş yapmasına yol açar. Ayrılma çizgisi (separation line) yüzey üzerindeki oldukça küçük objeler sebebiyle, veya tasarımdaki ufak detaylardandolayı aniden meydana gelebilir, bunun için bu bölgenin tasarımına oldukça dikkat edilmelidir.

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 5.6(a),(b). Bu prensip taşıtın yan kısımlarının tasarımında da gözönüne alındığı takdirde taşıtın arka yüzey alanı küçülür ve aynı zamanda arka tarafın şeklinden dolayı meydana gelen aerodinamik direçte düţer.

Şekil 5.6: (a) Fastback otomobil, (b) normal binek otomobil.

Bu tasarım şekli bize ayrılma çizgisinin hemen hemen taşıtın arka kenarında oluşmasından dolayı bir optimizasyon sağlar. Hava akışının ayrılmasına diğer bir etkende arka yüzeyler üzerine yerleştirilen çeşitli çıkıntılardır. Bu çıkıntılar ayrılma çizgisini taşıtın arka kenarından daha önce olmasına yol açar ve aerodinamik direnci arttırır. Bu çıkıntılara en güzel örnek taşıt gövdesine iyi yerleştirilememiş camlardır. Bu da taşıtın aerodinamik direncini arttıran birçok küçük tasarım detayından başka birşey değildir.

Buna benzer başka bir durumda lastiklerin oluşturduğu ark ve içinde bulundukları boşluktan hava akışının geçmesinde meydana gelmektedir. Şekil 5.7. Bu problemi çözmek pratik olarak çok zordur, çünkü lastiğin dönmesi ve alttan gelen hava ile karşılaşması ön ve arka tekerleklerde havanın lastik boşluğunu izlemesine yol açar. Bu genellikle havanın vorteksler 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 5.7: 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 büyümesin yol açar ve aerodinamik kuvveti artırır. Bu problem için tavsive 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. Ilinois 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.

5.3.2 Alt Hava Akımı ve Spoyler

Spoyler taşıtın altında hareket eden hava akımını düzenleyen araçların genel adıdır. Bu araçlardan taşıtın ön tamponuna yerleştirilmiş olanlarına “çene spoyleri” veya “hava barajı”, taşıtın yan kısımlarının alt kenarına yerleştirilmiş olanlarına “etek” veya “marşpiyellik”, Şekil 5.8, adı verilir. Spoylerin işlevinin anlaşılması için öncelikle taşıtın altındaki hava akımından bahsetmek gereklidir.

Şekil 5.8: Hava barajı ve etek.

Taşıtın altındaki hava akımı herzaman istenmeyen bir olaydır. Taşıtın altında motor, vites kutusu, şaft, diferansiyel ve egsoz boruları gibi birçok parça vardır ve bunların hepsi açıkta bulunmaktadır. Şekil 5.9. Bütün bu parçalar sadece aerodinamik direnci artıran türbülansa değil, aynı zamanda hava akımını yavaşlatarak aerodinamik kaldırmaya yol açarlar.

Bu anlamda spoylerin görevi taşıtın alt kısmına gelen hava akımını taşıtın başka kısımlarına yönlendirmektir. Bunun sonucu olarak aerodinamik direnç ve kaldırma azaltılabilir. Genel olarak spoyler ne kadar alçak yerleştirilirse o kadar iyi sonuçlar elde edilebilir. Bunu yarış otomobillerinde gerçekleştirmek ne kadar mümkün olsada, binek otomobillerde gerçekleştirmek o kadar zordur.

Şekil 5.9: Taşıtın altındaki kısımların hava akımına maruz kalışı.

Taşıtın alt kısmındaki hava akımının etkisini azaltmanın başka bir yoluda taşıtın alt kısmındaki parçaların hava akımına maruz kalmayacak şekilde yerleştirmek veya taşıtın altını tamamen kapatmaktır. Şekil 5.10.

Şekil 5.10: Ferrari F50’nin alttan görünüţü.

5.3.3 Kanatlar

1960’lı yılların başında Ferrari mühendisleri taşıtın arka kısmının sonuna bir uçak kanadı modeli yerleştirildiğinde aerodinamik kaldırma kuvvetinin ciddi bir biçimde düştüğünü, hatta aşağıya doğru bir net kuvvetin elde edilebildiğini gördüler. 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 5.11.

Şekil 5.11: Hava kanadının hava akımını yönlendirişi.

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. Formüla 1 gibi yarış otomobillerinde bu etkiyi ortadan kaldırmak için otomobilin ön kısmınada kanat yerleştirilerek her iki akstada istenilen aşağı doğru net kuvvet (downforce) elde edilebilir. Yüklü ağırlığı 750kg civarında olan bir Formüla 1 otomobili 290 km/sa’lik bir hıza çıktığı zaman bu kanatlar sayesinde yere etkiyen toplam normal kuvveti 2500kg’a kadar çıkmaktadır.

5.3.4 Yer Etkisi

Aerodinamik kanatlar kaldırma kuvveti için iyi bir çözüm olmasına rağmen yarış otomobilleri tasarlayan mühendisler için hala isteklerinden uzaktır. Normal bir Formüla 1 otomobili viraj alırken 4g’lik bir ivmeye maruz kalır ve bunu yenebilmek için lastikleri yere iyice tutunmasını sağlayacak yeterli normal kuvvete ihtiyacı vardır. Büyük kanatlar yerleştirmek bunu karşılayabilmesine karşın, aerodinamik direnç katsayısını oldukça artırmaktadırlar.

1970 lerde Colin 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. Taşıtın alt kısmın hemen hemen yere deymekte olduğundan bu kanallar nerdeyse kapalı bir kanal gibi görünmekteydiler. Taşıt hareket halinde iken hava tünelin uç kısmından girip arkaya doğru genleşmektedir. Şekil5.12. Bunun sonucu arka kısma doğru hava basıncı düşmektedir ve burda aşağı doğru net bir kuvvet oluşturmaktadır.

Şekil 5.12: Yer etkisi oluşturmak için taşıtın alt kısmına yerleştirilen kanalar.

Yer etkisinden faydalanılması yarışlarda kanatlara göre oldukça üstünlükler sağladı ve yarış komisyonu tarafından kullanımı yasaklandı. Bunun üzerine Gordon MURRAY aynı düşük basıncı elde etmek için taşıtın alt kısmının arka tarafına güçlü bir fan yerleştirdi ve aynı sonucu elde etti.

Bu prensibin normal taşıtlarda kullanımı pek mümkün değildir, çünkü binek otomobiller yerden oldukça yüksektir.

5.4 Atalet Direncinin Düşürülmesi

Daha önceki bölümlerde anlatıldığı üzere atalet direnci motor, vites kutusu, iletim milleri ve diferansiyel gibi radyal hareket yapan parçalardan kaynaklanmaktardır. 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 imkansızdır. Parçaların ağırlığını azaltmak çoğu zaman en iyi çözümdür. Bunu gerçekleştirebilmek için parçaların malzemeleri değiştirilebilir. Örneğin önceki yıllarda kayış kasnaklarının malzemesi olarak dökme demirin kullanımı oldukça yaygın olmasına karşın, şu andaki modern taşıtlarda pirinç gibi daha hafif malzemeler tercih edilmektedir. Ağırlığı azaltma konusunda atılan diğer önemli adımlar ise tasarım teknikleri geliştirilerek aynı işlevi sağlayabilecek daha hafif parçalar üretmektir. Diğer alanlarda olduğu gibi kompozit malzemelerin kullanımı bu alanda da artış göstermektedir. Fazal yük gelmeyen kasnaklar ve pervaneler plastik ve polimer kompozitlerinden yapılmaktadır.

Parçanın hızının düşürülmesi ve jirasyon yarıçapının değiştirilmesi daha karmaşık bir olaydır. Bu değerlerin düşürülmesi motor hızı, vites kutusu dişli oranları ve diferansiyel oranı gibi bağlı olduğu birçok parametre bulunmasından dolayı yeni tasarımlar gerçekleştirmek oldukça zordur. Buna karşın daha dengeli motorlar üretilerek taşıtın volan büyüklüğünün azaltılması gerçekleştirilmektedir.

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 yarıçapınıda düşürür. Ikinci çözüm ise daha ağır olan jantların malzeme ve şekil olarak yeniden tasarlanmasıdır. Kullanılan jantlardaki malzeme miktarını azaltmak için jant çemberi ile aks mili arasındaki bağlantı şekilleri oldukça değiştirilmiş ve eski tip rijit jantlardan uzaklaşılmıştır. Taşıt satışlarında bile jant malzemesi bir performans kiti olarak gösterilmektedir. Şu anda yüksek performanslı taşıtlarda en çok kullanılan jant malzemesi Aluminyum alaşımlı çeliktir. Bu malzeme hem hafiftir hem de istenilen yorulma direncinede sahiptir.

5.5 Aktarma Organları Direncinin Düşürülmesi

Bu direnç düz vitesli araçlarda otomatik viteslilere oranla daha düţüktür. Bunun en temel sebebi hidrolik tork konvertörlerinin veriminin düşük olmasıdır. Tork konvertörlerinin verimini artırmak için birçok araştırma yapılmaktadır. Buna en yakın örnek Ferrari firmasının F-50 modelinde kullandığı değiştirilmiş Formüla 1 otomatik vites kutusudur. Bu vites kutusunun verimi normal bir vites kutusuna oranla %10 daha yüksektir.

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.