2. FORMULA SAE
ARACI
SÜSPANSĠYON MODELĠ
VE
SANAL YOL
TESTLERĠ
3. 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
4. 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.
5. 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.
7. • 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
8. 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.
9. ARAÇTA MEYDANA GELEN SALINIMLAR
• Sallantı
• Yan Yatma
• Zıplama
• Gezme
Şekil 3.Araç Salınımlar
10. 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
13. 1) HUB
Hub mili fren elemanlarının yerleştirilmesi için ön ve arka süspansiyon için
dizayn edilmiştir.
Şekil 3. Hub
14. 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
15. 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
16. 4 )BEL KRANK ( Bell Crank )
Süspansiyon sisteminin yapısal bir elemanı olup, mekanik hareketin yönünü
değiştirerek sönümleme sistemine iletir.
Şekil 6. Bel Krank
17. 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
18. 6) BAĞ ÇUBUĞU ( Tie Rod)
Genellikle gerilimsiz bir eleman olup direksiyondan aldığı hareketi ön
tekerleklere iletir.
Şekil 8. Bağ Çubuğu
19. 7) SALLANMA ÇUBUĞU ( Sway Bar)
Araç süspansiyonunun bir tarafından hareketi alan ve onu ileten bir gerilim
elemanıdır.
Şekil 9. Sallanma Çubuğu
20. 8) ĠTĠCĠ ÇUBUK ( Push Rod )
Tekerlek hareketini bel krank ve sönümleme sistemine transfer eden yapısal
elemandır.
Şekil 10. İtici Çubuk
22. 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
23. 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.
24. 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
25. 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.
26. 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
27. 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.
28. 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
29. 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.
31. 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
32. 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
33. FORMULA SAE ARACI ÖN SÜSPANSĠYON SĠSTEMĠ
Şekil 17. Ön Süspansiyon Sistemi
34. 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.
35. 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.
37. • Formula SAE aracının süspansiyon analizleri yapılırken ADAMS 2012
programı kullanılmıştır. ADAMS programında araç üzerinde belirli
parametreler değiştirilerek optimum sonuçlar ile aracın yüksek derecede yol
tutuş kabiliyeti ve dengeli bir şekilde yol alması amacıyla analizler yapılmıştır.
Süspansiyon parametrelerinde değişimin tekerlek deplasmanı boyunca
olabildiğince minimum seviyede olması amaçlanmıştır.
• Süspansiyon parametreleri tekerlek düzeneğinin sahip olduğu toe, kamber,
kaster, king-pim açıları ve tekerleğin düşey eksende yaptığı deplasman
değeridir.
• Analiz şartlarımızın başında öncelikle aracın sağlıklı bir şekilde yol alması
göz önünde bulundurularak çıkarımlar yapılmıştır. Aracımız bir yarış arabası
olduğu için konfor şartı testlerimiz sırasında göz ardı edilmiştir.
• Aracın testlerinde viraj alma durumunda yoldan çıkma, paralel tekerlek
deplasmanı durumunda parametrelerin minimum değerde değişmesi ve
süspansiyon sisteminde kullanılan yayın rijitlik katsayısı değiştirilerek araca
gelen kuvvet değişimi incelenmiştir.
38. 1. Süspansiyon sistemi olarak ADAMS programının içinde var olan Formula
SAE araç modülü kullanılmıştır.
Şekil 19. Formula SAE Aracı Hazır Modeli
39. 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
41. 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
43. 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
44. 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
45. 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
46. 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
47. 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.
49. 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
51. 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
Şekil 8. Tekerleğe Gelen Kuvvet Değişimi Grafiği
• 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.
53. Aracımızın toe açısına bağlı olarak yol tutuş kabiliyetini gözlemledik.Kamber
açısının bu duruma etkisi araştırıldığında ;
• Yarıçap = 8 m , dairesel pist, Toe Açısı = +1.0˚ , Kamber Açısı = -2.0˚ , İvme = 1.0
m/s2
Şekil 9. Tekerleğe Gelen Kuvvet Değişimi Grafiği
• Tekerleğe gelen kuvvetin sabit olduğu ve aracın yoldan çıkmadığı görülmektedir.
54. • Yarıçap = 8 m , dairesel pist, Toe Açısı = +1.0˚ , Kamber Açısı = -7.0˚ , İvme = 1.0
m/s2
Şekil 10. Tekerleğe Gelen Kuvvet Değişimi Grafiği
• 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.
55. • Yarıçap = 8 m , dairesel pist, Toe Açısı = +1.2˚ , Kamber Açısı = -2.0˚ , İvme = 1.0
m/s2
Şekil 11. Tekerleğe Gelen Kuvvet Değişimi Grafiği
• 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.
57. 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.