formula sae süspansi̇yon modeli̇ ve sanal yol testleri̇

DANIŞMAN

DOÇ.DR.NECMETTİN KAYA

PROJE SORUMLULARI

OKAN DENİZ

ANIL BAYTEMUR

FORMULA SAE

ARACI

SÜSPANSĠYON MODELĠ

VE

SANAL YOL

TESTLERĠ

FORMULA SAE NEDĠR?

• Formula SAE, Society of Automotive Engineers ( SAE )’in üniversiteler

arasında 1981 yılından beri her sene düzenlediği, dünyanın pek çok

ülkesinden öğrencilerin formula tipi tek kişilik açık kokpit yarış araçları

tasarlayıp üreterek katıldıkları bir mühendislik çalışmasıdır.

Şekil 1.Formula SAE Aracı

Formula SAE Kuralları-Genel Kurallar

Yarışma statik ve dinamik etkinliklerden oluşmaktadır. Yarışma etkinlikleri

araçların mühendislik tasarımını ve performansını test etmektedir. Araçların

tasarımı belirli kurallar çevresinde gerçekleştirilmektedir. Bu kurallar ;

1. Araç en az 1525 mm ’lik bir dingil mesafesine sahip olmalıdır.

2. Aracın küçük olan aks aralığı (ön ya da arka) daha büyük olan aks

aralığının %75’inden az olmamalıdır.

3. Zemine yakınlık, çekiş etkinlikleri sırasında aracın parçalarını ( tekerlekler

dışında ) yere değmesini önlemeye yetecek seviyede olmalıdır.

4. Arabanın tekerlekleri 203.2 mm (8.0 inç) ya da daha geniş çapta olmalıdır.

5. Sürücü oturmuş haldeyken en az 50.8 mm (2 inç) ’lik tekerlek hareketi ile

tamamen operasyonel bir süspansiyon sistemiyle donanımlı olmalıdır.

6. Araç her iki taraftan da 1.5 G ’ye tekabül eden 57 derecelik bir açıyla yana

yatırıldığında devrilmemelidir.

7. Aracın toplam motor hacmi maksimum 610 cm3 olmalıdır.

Formula SAE Dinamik Etkinlikler

• Ġvmelenme Etkinliği : İvmelenme etkinliği arabanın düzgün bir yolda, düz

bir çizgide hızlanmasını değerlendirir.

• Skid-Pad Etkinliği :Skid-Pad etkinliği kavramı arabanın düz bir zeminde

sürekli dönüş yaparken viraj alma gücünü ölçmek için kullanılır.

• Autocross Etkinliği : Autocross etkinliği kavramı, yarışan araçların engeli

olmadan, dar bir pistte aracın manevra kabiliyeti ve kullanım niteliklerini

değerlendirmek için kullanılır. Autocross pisti gaz ve fren performans

özelliklerini değerlendirmek için kullanılır.

SÜSPANSĠYON SĠSTEMĠ

• Araç gövdesi ile tekerlekler arasına yerleştirilen süspansiyon sistemi, yolun

yapısından kaynaklanan titreşimleri sönümlemek üzere tasarlanmıştır.

Süspansiyon sistemi sürüş konforu ve güvenliği açısından ihtiyaç duyulan

bir sistemdir. Direksiyon sistemi, ön düzen geometrisi ve tekerleklerle bir

bütünlük içerisinde çalışır. Aracın yol tutuş yetenekleri sürüş güvenliğinin

sağlanmasındaki en önemli faktördür. Süspansiyon sistemi aracın ağırlığını

taşıdığı gibi lastiklerin yola tutunmasını da sağlamalıdır. Aracın yol tutuşu

hayati önem taşır; çünkü aracın aktif güvenliği, dengesi ve konforu bu

sistemin sağlıklı çalışmasına bağlıdır.

Şekil 2.Araç Üzerinde Süspansiyon Görünümü

SÜSPANSĠYON GÖREVLERĠ

• Yolcuları veya taşınan yükü korumak ve sürüş konforunu iyileştirmek

amacıyla yol yüzeyinin yapısından kaynaklanan titreşimleri, salınımları ve ani

şokları sönümleyerek yumuşatır.

Yol yüzeyi ile tekerlekler arasındaki sürtünmeye bağlı olarak ortaya çıkan

sürüş ve fren kuvvetlerini gövdeye aktarır.

Akslar üzerinde gövdeyi taşır ve gövde ile tekerlekler arasındaki uygun

geometrik ilişkiyi sağlar.

Yol ile tekerlekler arasında teması kaybetmeden güvenli dönüş yapmayı

sağlar.

ARAÇTA MEYDANA GELEN SALINIMLAR

• Sallantı

• Yan Yatma

• Zıplama

• Gezme

Şekil 3.Araç Salınımlar

SÜSPANSĠYON ÇEġĠTLERĠ

• Sabit ( Bağımlı ) Süspansiyon Donanımı

Sağ ve sol tekerlekler birbirlerine bir aks veya aks kovanı ile bağlanır ve yol

darbelerini birlikte karşılayıp sönümleyen donanımlardır.

• Serbest ( Bağımsız ) Süspansiyon Donanımı

Tekerlekler birbirlerinden bağımsız olarak yol darbelerini karşılayan ve

sönümleyen donanımlardır.

Şekil 4.Sabit Süspansiyon Şekil 5.Serbest Süspansiyon

FORMULA SAE ARACI SERBEST SÜSPANSĠYON SĠSTEMĠ

BĠLEġENLERĠ

Şekil 6.Ön Süspansiyon Görünümü

1) HUB

Hub mili fren elemanlarının yerleştirilmesi için ön ve arka süspansiyon için

dizayn edilmiştir.

Şekil 3. Hub

2) UPRIGHT

Dik duran destekleyici direk kontrol kollarına yataklık yapan elemandır.

Süspansiyon sisteminde hub parçasına bağlıdır. Şekilde görüldüğü gibi parça

üst ve alttan olacak şekilde ağızlar boşaltılmıştır ve bunlar maksimum yük al-

tında alt küresel rot çubuğunun eğilmesine neden olur.

Şekil 4. Upright

3) KONTROL KOLU ( Control Arm )

Kontrol ve süspansiyon kolları dairesel boru şeklindedir. Kontrol kolu farklı

türde malzemeler kullanılarak ve farklı ölçülerde üretilebilir. Kollardaki bu

çeşitlilik sistemin tutarlılığı üzerinde kötü etki yapmakta olup aracın dönüşünü

zorlaştırır.

Şekil 5. Kontrol Kolu

4 )BEL KRANK ( Bell Crank )

Süspansiyon sisteminin yapısal bir elemanı olup, mekanik hareketin yönünü

değiştirerek sönümleme sistemine iletir.

Şekil 6. Bel Krank

5)YAYLAR ve DAMPERLER ( Springs and Dampers )

Yay ve damper sistemi içinde sıvı bulunan silindirik bir parça ve bu parçanın

etrafına sarılı yaydan ibarettir ve sisteme gelen darbe ve titreşimleri absorbe

edip sönümlemektedir.

Şekil 7. Yay ve Damper

6) BAĞ ÇUBUĞU ( Tie Rod)

Genellikle gerilimsiz bir eleman olup direksiyondan aldığı hareketi ön

tekerleklere iletir.

Şekil 8. Bağ Çubuğu

7) SALLANMA ÇUBUĞU ( Sway Bar)

Araç süspansiyonunun bir tarafından hareketi alan ve onu ileten bir gerilim

elemanıdır.

Şekil 9. Sallanma Çubuğu

8) ĠTĠCĠ ÇUBUK ( Push Rod )

Tekerlek hareketini bel krank ve sönümleme sistemine transfer eden yapısal

elemandır.

Şekil 10. İtici Çubuk

ÖN DÜZEN AÇILARI

1.KAMBER AÇISI

Taşıtın ön tekerleklerine önden bakıldığında düşey eksene göre, tekerleğin üst

kısmının aracın merkezine ya da dışarı doğru eğimine kamber açısı denir.

Tekerleğin üst kısmı dışa doğru belirli bir açı ile eğim yapıyorsa pozitif

kamber, içe doğru eğimli ise negatif kamber olarak tanımlanır.

Şekil 11. Kamber Açısı

KAMBER AÇISI FAYDALARI

• Lastiğin yol yüzeyine iyi bir temas yapmasını sağlar.

• Pozitif kamber, yere temas noktasını yük ekseninin yere temas noktasına

getirerek, meydana gelen momenti azaltır. Böylece direksiyon kolaylığı

sağlar.

• Aracın ağırlığını dingil başına momentsiz bindirerek, dingil pimi burcunda

veya rotillerdeki sürtünmeyi azaltarak direksiyon kolaylığı sağlar.

• Tekerleğe gelen normal tepki kuvvetinden dolayı dingil pimi veya rotillerde

meydana gelen yük ve aşınmaları azaltır.

• Gereğinden fazla pozitif kamber açısı tekerleğin dıştan aşınmasına, negatif

kamber açısı ise içten aşınmasına neden olur.

• Kamber açısının iki tarafta eşit olmaması taşıtın bir tarafa çekmesine neden

olur, Taşıt, pozitif kamber açısının büyük olduğu tarafa çekme yapar. İki

tekerlek arasındaki kamber açısı farkı 0.5˚ ‘den büyük olmamalıdır.

2.KĠNG-PĠM AÇISI

Dingil piminin (başlık pimi ya da king-pim) üst kısmının taşıt merkezine doğru

eğimidir. Günümüzde kullanılan serbest süspansiyon sistemlerinde alt ve üst

salıncak rotillerinin eksenlerini birleştiren doğru ile düşey eksen arasında

meydana gelen açıdır.

Şekil 12. King-Pim Açısı

KĠNG-PĠM AÇISI AMACI VE FAYDALARI

Fazla kambere olan ihtiyacı azaltır.

Tekerleğin temas noktasını pim ekseninin yol yüzeyini kestiği noktaya

yaklaştırarak yol darbelerinin ön takım ve direksiyon sisteminin üzerindeki

olumsuz etkileri azaltır.

Dönüşlerde direnç momentini azaltarak direksiyon momenti sağlar.

Dönüşlerden sonra tekerleğin tekrar düz konuma gelmesini sağlar.

Direksiyon geri toplama momentinin oluşmasını sağlar.

3.KASTER AÇISI

Taşıt tekerleklerine yandan bakıldığında görülen, dingil piminin veya alt ve üst

salıncak rotillerini birleştiren doğrunun taşıtın önüne veya arkasına doğru

yaptığı eğime kaster denir. Tekerleğe yan tarafından bakıldığında pimin üst

kısmının arkaya doğru eğimi "Pozitif Kaster", tersi ise "Negatif Kaster”

olarak adlandırılır. Günümüz taşıtlarında her iki duruma da rastlamak

mümkündür.

Şekil 13. Kaster Açısı

KASTER AÇISININ AMACI VE ETKĠLERĠ

Kaster açısının asıl amacı hareket kararlılığı sağlamaktır. Pozitif veya negatif

kaster verilmiş aracın tekerleklerinde yolun durumundan dolayı sapma

meydana geldiğinde ,tekerlekler tekrar eski konumuna gelir.

Taşıta kolay manevra yapma imkanı sağlar.

Gereğinden fazla büyük kaster açısı direksiyonu zorlaştırır, aşırı yol darbesi

etkisi ve titreşimlere neden olur.

Gereğinden küçük kasterde ise düşük hızlarda direksiyon kolaylığı sağlandığı

halde yüksek hızlarda direksiyon kontrolü azalır ve taşıt sağa sola gezinti yapar.

Pozitif kasterli bir taşıtta kaster açısının küçük olduğu tekerlek tarafına, negatif

kasterli bir taşıtta ise açının büyük olduğu tarafa doğru çekme meydana gelir.

Dönüşlerden sonra tekerlekler tekrar düzgün konuma getirilmeye çalışıldığında

direksiyonun kolayca toplanmasına yardımcı olur.

4.TOE AÇISI

Aracın boyuna merkez ekseni ve tekerlek düzleminin eğiminin çizgisi ve yer

düzlemi ile arasındaki açıdır. Tekerlekler içe yatıksa ‘’ Toe-In’’, dışa yatıksa

‘’Toe-Out’’ olarak adlandırılır. ‘’Toe-In’’ sabit yanal kuvvetleri hareket

süresince aracın merkez eksen çizgisine doğru yönlendirdiğinden daha stabil

olur. Tekerleği maksimum darbeden korumak ve aracın savrulmasını önlemek

için gereklidir.

Şekil 14. Toe Açısı

TOE AÇISININ AMACI VE ETKĠLERĠ

• Taşıt düz yolda hareket ederken tahrik tekerleklerinin ve yükün etkisi ile ön

tekerlekler, arkadan itişli araçlarda genellikle dışa doğru açılmaya, önden

çekişli araçlarda ise içe doğru kapanmaya zorlanır. Bu nedenle önden

çekişli araçlarda ön tekerleklere toe-out, arkadan çekişli araçlarda toe-in

verilir.

• Fazla miktarda toe-in veya toe-out verilmişse bu durum tekerleklerde

yuvarlanma direncinin artmasına neden olur. Ayrıca tekerleklerin, içten

veya dıştan anormal derecede düzensiz aşınmalarına yol açar.

• Kullanılan lastiklerin de verilen toe değerlerine etkisi vardır. Mesela, radyal

dokulu lastik kullanılan taşıtlara, bias dokulu lastik kullanılanlara göre daha

düşük toe değeri verilmektedir. Çünkü radyal gövdeli lastiklerin yanal

kuvvetlere karşı direnci daha fazladır.

SÜRÜġ ESNASINDA ORTAYA ÇIKABĠLECEK DURUMLAR

1.OVERSTEER DURUMU

Aracın direksiyon aracılığıyla verilen dönme açısına fazla tepki vermesi

durumudur. Yani, ideal koşullarda kendi çevresinde 60 dönerek bir virajı

alması gereken aracın arka ucunun dışarı doğru ötelenmesiyle kendi

çevresinde 60 ’den fazla dönerek yoldan çıkmasıdır. Viraja girilip frene

basıldığında arka lastikler ön lastiklerden ince ise olur.

Şekil 15. Oversteer Durumu

2.UNDERSTEER DURUMU

Aracın direksiyon aracılığıyla verilen dönme açısına az tepki verme

durumudur. Yani, ideal durumda kendi çevresinde 60 dönerek bir virajı alması

gereken aracın ön ucunun (arkasına göre) dışarı doğru daha çok ötelenmesiyle

kendi çevresinde 60 ’den az dönerek burnunun virajın dışına doğru

yönelmesidir. Viraja girdikten sonra hızlanıldığında ve arka tekerleklerin ön

lastiklerden kalın olması halinde olur.

Şekil 16. Understeer Durumu

FORMULA SAE ARACI ÖN SÜSPANSĠYON SĠSTEMĠ

Şekil 17. Ön Süspansiyon Sistemi

Ön süspansiyon sistemi ;

• Kontrol Kolları ( control arms ) ,

• Miller (spindles ) ,

• Bel Krank (bel crank ) ,

• Sallanma Çubuğu ( sway bar ) ,

• İtme Çubuğu ( push rod )

• Direksiyon Sisteminden ( steering system ) oluşmuştur.

FORMULA SAE ARKA SÜSPANSĠYON SĠSTEMĠ

Şekil 18. Arka Süspansiyon Sistemi

Arka süspansiyon sistemi ön süspansiyon sistemine çok benzemektedir.

Aralarındaki temel farklılık arka süspansiyona tahrik aksları ( Drive Axles )

eklenmiştir. Arka süspansiyon sisteminde direksiyon aksamı olmamasına

rağmen , arka süspansiyon bağlantı çubuğu kullanılarak kontrol kollarını

sadece dikey doğrultuda harekete sınırlandırmaktadır.

ADAMS SANAL YOL TESTLERĠ VE ANALĠZLERĠ

• Formula SAE aracının süspansiyon analizleri yapılırken ADAMS 2012programı kullanılmıştır. ADAMS programında araç üzerinde belirliparametreler değiştirilerek optimum sonuçlar ile aracın yüksek derecede yoltutuş kabiliyeti ve dengeli bir şekilde yol alması amacıyla analizler yapılmıştır.Süspansiyon parametrelerinde değişimin tekerlek deplasmanı boyuncaolabildiğince minimum seviyede olması amaçlanmıştır.

• Süspansiyon parametreleri tekerlek düzeneğinin sahip olduğu toe, kamber,kaster, king-pim açıları ve tekerleğin düşey eksende yaptığı deplasmandeğeridir.

• Analiz şartlarımızın başında öncelikle aracın sağlıklı bir şekilde yol almasıgöz önünde bulundurularak çıkarımlar yapılmıştır. Aracımız bir yarış arabasıolduğu için konfor şartı testlerimiz sırasında göz ardı edilmiştir.

• Aracın testlerinde viraj alma durumunda yoldan çıkma, paralel tekerlekdeplasmanı durumunda parametrelerin minimum değerde değişmesi vesüspansiyon sisteminde kullanılan yayın rijitlik katsayısı değiştirilerek aracagelen kuvvet değişimi incelenmiştir.

1. Süspansiyon sistemi olarak ADAMS programının içinde var olan Formula

SAE araç modülü kullanılmıştır.

Şekil 19. Formula SAE Aracı Hazır Modeli

2. Aracın ön süspansiyon sistemi çağrılarak sahip olduğu parametrelerden toe

ve kamber açısı değiştirilerek paralel tekerlek deplasmanı testinde minimum

değişimi verecek optimum açı değerleri elde edilmeye çalışılmıştır. Bu analiz

sonucunda aşağıdaki grafikte görüldüğü gibi toe açımız +2.0 , menzil

aralığımız +1.7857 ile +2.1 arasındadır. Bu değerler farklı deplasmanlar için

yapılan değerlendirmeler sonucunda minimum değişikliği veren sonuçlar

olarak elde edilmiştir.

Şekil 1. Açı Değişim Grafiği

Animasyon 1.Tekerlek Deplasmanına Göre Açı Değişimi ve Araç Animasyonu

3. Teker hareketi boyunca üç kuvvet değeri gözlenir. İtici çubuk sadece ‘’y’’

ve ‘’z’’ ekseni boyunca yerleştirilmiştir ve grafikten gözlemlendiği gibi

kuvvet sadece eksenel yönlerde meydana gelmektedir. Bu itici çubuk

malzemesinin daha hafif ve çok fazla mukavemet değerine gerek

duyulmayan malzemeden yapılmasını desteklemektedir. Bu malzemeye

örnek olarak Karbon-Fiber malzemesi verilebilir. Karbon-Fiber boru en

fazla 5120.8 N ‘ a dayanabilmektedir.

Şekil 2. İtici Çubuğa Düşen Kuvvet Grafiği

Animasyon 2.Tekerlek Deplasmanına Göre Kuvvet Değişimi ve Araç Animasyonu

4.Arka süspansiyon analizinde amaç kamber , kaster ve toe açılarını sıfır

derece yakınlarında sabit tutmaktır. Tekerlek hareketi boyunca kamber açısı

-0.65˚ civarındadır. Kamber açısının düşük değeri tekerleğin yol yüzeyi ile

her zaman maksimum temasta olduğunu göstermektedir. Tekerlek hareketi

boyunca toe açımız 0.5˚ ve sabittir. Bu açı bize tekerlek hareket menzili

boyunca tekerlek yüzeyinin çok iyi bir sürüşe neden olacağını

göstermektedir.

Şekil 3. Arka Süspansiyon Açı Değişim Grafiği

5.Teker hareketine göre itici çubuk kuvvetleri sadece eksenel kuvvetleri

içermektedir. Sıkıştırma süresinde itici çubuk sadece eksenel kuvvetlere

maruz kalmaktadır. Buna bağlı olarak ön süspansiyon sisteminde olduğu

gibi daha hafif ve daha az mukavemete sahip bir malzeme seçilebilir. Buna

örnek olarak Karbon-Fiber malzeme gösterilebilir.

Şekil 4. Arka Süspansiyon İtici Çubuk Kuvveti Grafiği

6.Yay rijitlik katsayısına göre yapılan analizde ilk olarak k = 50 N/mm

olarak alınmıştır. Bu değerde, 20 mm tekerlek deplasmanında grafikten

okunan tekerlek kuvveti F = 1000 N ‘dur. F = -k x denkleminden yayın

sıkışma miktarı x = 20 mm olmaktadır.

Şekil 5. Kuvvet-Rijitlik Grafiği

7.Yay rijitlik katsayısı k = 75 N/mm olduğu durumda tekerleğe gelen

kuvvet 20 mm tekerlek deplasmanında grafikten okunan tekerlek kuvveti

F = 1243 N ‘dur. F = -k x denkleminden yayın sıkışma miktarı

x = 16.57 mm olmaktadır.

Şekil 6. Kuvvet-Rijitlik Grafiği

ÖZETLE ;

1.TOE AÇISI = +2.0˚ , KAMBER AÇISI = -1.0˚ için paralel tekerlek hareketi

analizinde ön süspansiyon sisteminin sahip olduğu değerlerde minimum

değişim gözlenmiştir.

2.Arka süspansiyon sistemi için minimum toe ve kamber açılarının en iyi yol

tutuşuna imkan sağladığı gözlenmiştir.

3.Sonuç olarak aynı tekerlek deplasman değerlerinde yay rijitlik katsayısının

artması ile tekerleğe ve dolayısı ile araca gelen kuvvet artmaktadır. Bununla

beraber yayın sıkışma miktarı azalmaktadır. Görüleceği üzere sert bir yay hafif

yüklerde darbelerin bir kısmını araca verir ve kontrolsüz bir sürüşe neden olur.

BÜTÜN ARAÇ ANALİZLERİ

Bütün araç olarak yol testleri yapıldığında aracın sahip olduğu parametreler

dahilinde aracın yol tutuş kabiliyeti ve davranışı gözlenebilmektedir. Araçtan

istenilen en önemli şey iyi bir yol tutuş kabiliyeti ve olabildiğince araç değerlerinde

minimum değişimdir. Yol tutuş kabiliyeti ve aracın dengeli bir şekilde seyir

sürebilmesi için kaster, kamber ve toe açıları değiştirilerek en iyi sonuç elde

edilebilir. Açıların yanında aracın ivmelenme faktörü de göz önünde

bulundurulmalıdır. İlk olarak aşağıdaki değerlere göre analiz yapıldığında ;

• Yarıçap = 8 m, dairesel pist, Toe Açısı = +1.0˚, Kamber Açısı = -1.0˚, İvme = 1.0

m/s2

Şekil 7. Lastiğe Gelen Kuvvet Grafiği

Animasyon 3.Kuvvet Değişim Grafiği ve Araç Animasyonu

Tekerleğe gelen kuvvetin sabit olduğu ve aracın yoldan çıkmadığı görülmektedir.

• Yarıçap = 8 m , dairesel pist, Toe Açısı = +1.2˚ , Kamber Açısı = -1.0˚ , İvme = 1.0 m/s2

• Tekerleğe gelen kuvvetin sabit olmadığı ve bir noktadan itibaren azaldığı yani aracın yoldan çıktığı görülmektedir.Sonuç olarak aracımızın toe açı değeri > + 1.2˚ olduğunda araç yoldan çıkmaktadır.

Şekil 8. Tekerleğe Gelen Kuvvet Değişimi Grafiği

Aracımızın toe açısına bağlı olarak yol tutuş kabiliyetini gözlemledik.Kamber açısının bu duruma etkisi araştırıldığında ;


• Tekerleğe gelen kuvvetin sabit olduğu ve aracın yoldan çıkmadığı görülmektedir.



• Sonuç olarak denilebilir ki aracın değişik kamber açılarında yoldan çıkmadığı görüldüğüne göre araç tasarım parametrelerinin izin verdiği sürece tek başına kamber açısının yol tutuş kabiliyetine bir etkisi yoktur.



• Toe açı değeri ‘’ 1.2˚ ‘’ olmasına rağmen tekerleğe gelen kuvvetin sabit kaldığı ve dolayısıyla aracın yoldan savrulmadığı görülmektedir. Bunun nedeni kamber açı değerinin ‘’ -2.0˚ ‘’ olmasıdır. Kamber açısı değeri arttırılarak aracın yol tutuş kabiliyeti arttırılabilir.


ÖZETLE ;

1) TOE AÇISI > +1.2˚ olduğunda aracın yoldan çıktığı görülmektedir.

2) KAMBER AÇISININ tek başına aracın yol tutuş kabiliyetine bir etkisi

olmadığı gözlenmektedir.

3) KAMBER AÇISININ arttırılması yoldan savrulan bir aracın yol tutuş

kabiliyetini arttırmaktadır.

GENEL SONUÇLAR

Tablo 1.Sonuç tablosu

ÇALIŞMAMIZDA

YARDIMLARINI ESİRGEMEYEN

VE

EMEĞİ GEÇEN

HERKESE

TEŞEKKÜRÜ BORÇ BİLİRİZ!