i
NKUBAP.00.MB.AR.14.02
GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ARAÇ İÇİN GÖVDE TASARIMI VE İMALATI
Yürütücü: Yrd.Doç.Dr.Erdal KILIÇ Araştırmacı: Doç.Dr.İlker ÇELEN
Yrd.Doç.Dr.Soner ÇELEN Araş.Gör.Eray ÖNLER
2014
ii ÖNSÖZ
Güneş arabası gibi enerji verimliliği en üst düzeyde tutulmaya çalışılan araçlarda enerji kayıplarının %50-75 arası aerodinamik sürüklenme kuvvetinden oluşmaktadır.
Bu sebepten aracın aerodinamik tasarımının önemi oldukça fazladır. Güneş arabası tasarımında 5 önemli nokta bulunmaktadır. Bunlar sırasıyla;
İyi aerodinamik yapı
Düşük yuvarlanma dirençli lastikler
Hafif yapı özellikleri içeren konstrüktif öğeler
Yüksek verimli elektriksel sistem
Maksimum güneş enerjisi
olarak sıralanabilir. Araç tasarımı yukarıda verilen 5 önemli nokta etrafında kurallar çerçevesinde şekillenmektedir. Bu süreç uzun optimizasyonlar isteyen, sonuca ulaşmanın pek de kolay olmadığı uzun bir araştırma-geliştirme sürecidir.
Gerek taşıt gerekse hava mutlak olarak sabit olmayıp arada bir bağıl hız olacağından aerodinamik kuvvetler oluşur. Bu kuvvetlerin nedeni araç gövdesi üzerindeki dış akış ile araç içindeki iç akıştır. Oluşan direncin % 90’dan fazlası dış akıştandır. Genel olarak sürüklenme katsayısı (CD), kaldırma katsayısı (CL), moment katsayısı (CM) otomobiller için aerodinamik karakteristikleri ifade eder. Bu katsayılar küçüldükçe aracın manevra, hızlanma, yol tutuş kabiliyeti gibi özelliklerinde de iyileşme görülür.
Aracın hava sürtünmesini yenmek için harcayacağı enerji miktarı da küçüleceğinden yakıt sarfiyatında önemli bir azalma gözlenir.
CD değeri bir cismin dış formu sebebiyle düzgün doğrusal akım içinde oluşturduğu süreksizlik ve türbülans gibi akım bozuntularının sonucu ortaya çıkar. Dış form itibariyle cisim ne derece az bozuntuya sebep olursa sürüklenme katsayısı ve buna bağlı olarak sürüklenme kuvveti de o derece küçük olur. Hızı ve geometrik boyutları belli olan bir aracın hava direnç kaybını azaltmanın tek yolu aracın dış formuna bağlı olan sürüklenme katsayısı CD 'yi azaltmaktır. CD değerinin azaltılması; binek araçları için ekonomik açıdan, belli hıza çıkması istenen araca daha küçük motor takılabilmesi anlamına gelir. Yarış arabalarında ise yüksek performans hedeflendiğinden motor gücü sabit bir aracın daha yüksek hıza erişebilmesi CD
değerinin önemini ortaya koyar.
Sürüklenme katsayısı CD 'nin azaltılabilmesi için araç formları gün geçtikçe aerodinamikteki adıyla damla formuna benzetilmeye çalışılmaktadır. En ideal şekil ise su damlası şekli olarak bilinen yatay eksene göre simetrik şekle aittir. Damla formunun özelliği doğrusal akımda bilinen en az bozuntuya sebep olan yapı olmasıdır.
iii
Tasarımımızda kullanacağımız monokok terimi Yunanca “tek” (mono) ve Fransızca
“kabuk” (coque) kelimelerinin birleşmesi ile oluşur. Bu terim, bir yapının (tekne, uçak, araba şasisi vs.) dış yüzeyini kullanarak yapısal yükün desteklenmesine olanak sağlayan bir üretim tekniğini ifade etmektedir. Geleneksel imalat tekniklerinde ilk etapta yükü taşıyacak olan iskeletin (şasinin) üretimi yapılır ve daha sonra bu yapı yük taşımayan bir kabuk ile kaplanır. Monokok gövde imalatında ise bu iskelet yapının kabuğu ile birlikte üretilerek yapıya etkiyen yükün tüm yapıya dağılmasına olanak verir. Güneş arabalarında hafifliğin ön planda olması, gövde konstrüksiyonunun daha ince olmasını gerektirmektedir. Özellikle monokok gövdeye alt ve üst salıncaklardan etki eden kuvvetlerin şasi ile birlikte tüm gövdeye yayılması, ağır ve hantal bir şasi yerine, göreceli olarak daha ince destekler kullanılmasını mümkün kılarak tasarımda istenilen hafifliğin elde edilmesine olanak sağlar.
Tasarımın ilk aşamasında gövdenin üç boyutlu katı modeli oluşturulmuştur. Modelin oluşturulmasında Solidworks katı modelleme programından yararlanılmıştır.
Kalıbın çıkarılmasında şu aşamalar gerçekleştirilmiştir. Öncelikle Solidworks programı ile katı modeli oluşturulan alt kabuğun üzerinden belirli aralıklarla (300- 400 mm) kesitler alınmıştır. Bu kesitlerin alınması sırasında kalıptaki dişi erkek durumları göz önünde bulundurularak orjinal kabuk modelinin dış yüzeyi kaburga üzerine kaplanacak malzemenin (alüminyum) kalınlığı kadar küçültülmüştür. Alınan kesitlerin 1:1 ölçeğinde kağıtlara çıktıları alınıp bu çıktılar doğrultusunda en geniş bölgelere göre en ve boy ölçüleri çıkartılıp 18 mm' lik alimünyum dikdörtgen biçiminde kesilmiştir. Kesilen ve numaralandırılan bu dikdörtgen alimünyum üzerine daha önceden alınan çıktılar yardımıyla kesit geometrileri aktarılmıştır. Tekrar kesilen ve son halini alan alimünyumların dış çevreleri düzeltilmiş ve üzerlerine geçme kanalları açılmıştır. Üzerlerine geçme kanalları açılan alimünyum levhaları birleştirilerek kaburga oluşturulmuştur.
Projemize desteklerinden ötürü NKU Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi’ ne teşekkür ederiz.
iv İÇİNDEKİLER
ÖNSÖZ ii
İÇİNDEKİLER iv
ŞEKİL LİSTESİ v
ÖZET vi
ABSTRACT vii
1.GİRİŞ 1
2. MATERYAL VE METOT 3
3. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA 9
4. SONUÇ 11
5. KAYNAKLAR 12
v ŞEKİL LİSTESİ
Şekil 1. Solidworks 3D model çizimi 3
Şekil 2. Kalıp oluşturulması 4
Şekil 3. Gövdenin kaburga resmi 5
Şekil 4. Kalıbın rahatça çıkabilmesi için jel kimsayallar ile kaplanması 6
Şekil 5. Cam elyaf üzerine epoksi uygulaması 6
Şekil 6. Gövdenin aerodinamik analizi 7
Şekil 7. Güneş arabası basınç dağılım eğrileri 9
Şekil 8. Sürücünün araç içindeki pozisyonu 10
Şekil 9. FORMULA G 2014 yarışlarına katılan aracımız 10
vi ÖZET
Çağımızda kullanılan enerji kaynaklarının gün geçtikçe azalması ve çevreye verdikleri zararların gittikçe tehlikeli boyutlara ulaşması, tüm dünyada yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları konusunda yapılan araştırmaların hız kazanmasına neden olmuştur. Bu kaynaklardan en bol ve neredeyse sınırsız miktarda olan güneş enerjisinden elde edilen elektrik enerjisinin kullanımı, petrol bazlı enerji kaynaklarına büyük bir alternatif olarak göze çarpmaktadır. Bu çalışmada güneş enerjisi ile çalışan bir araç için monokok gövde tasarımı ve imalatı ele alınmaktadır. Tasarımda, güneş panellerinden elde edilen kısıtlı enerjinin en verimli şekilde kullanılabilmesi için aracın mümkün olduğunca hafif imal edilmesi ve aerodinamik sürtünme direnci en aza indirecek bir aerodinamik şekil ile yapılması planlanmıştır. Bu amaçla aracın fiberglastan alt ve üst kabuk olarak imal edilmiştir. Elde edilen gövde TÜBİTAK'ın düzenlediği 2014 Formula G Yarışlarında üniversitemizi temsilen Güneşinoğlu takımının güneş arabasında kullanılmıştır.
vii ABSTRACT
Nowadays,increasing amount of energy use and limited energy sources are important problem for all over the world. Because of this there is an increasing concern about new and renewable energy source researchs. Especially solar energy is a great alternative to petroleum-based energy sources and it is nearly limitless.In this study a monocoque body design and manufacturing of this body was examined.
In design, the limited energy obtained from the solar panels to be used in the most efficient way, manufacturing of the vehicle is made as light as possible with a good aerodynamic shape for minimizing aerodynamic drag resistance. For this purpose the lower and upper shell of the vehicle has been manufactured from fiberglass. This body was used for NKU Gunesinoglu Solar Car team, at FORMULA G 2014 which is organized by TUBITAK.
1 1. GİRİŞ
Çağımızda kullanılan enerji kaynaklarının gün geçtikçe azalması ve çevreye verdikleri zararların gittikçe tehlikeli boyutlara ulaşması, tüm dünyada yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları konusunda yapılan araştırmaların hız kazanmasına neden olmuştur. Bu kaynaklardan en bol ve neredeyse sınırsız miktarda olan güneş enerjisinden elde edilen elektrik enerjisinin kullanımı, petrol bazlı enerji kaynaklarına büyük bir alternatif olarak göze çarpmaktadır.
Günümüzde petrole dayalı enerji kaynaklarının hızla tükenmesi ve çevreye verdiği zararların artık iyiden iyiye görünür olması, yenilenebilir enerji kaynaklarının otomotiv sektöründe ne kadar kullanılabilir olduğu sorusunu ortaya çıkarmıştır. Bu amaçla otomobil üreticisi firmalar hibrid araç tasarımlarına başlamışlardır. Hibrid araçlar, düşük hızlarda benzin motoru yerine elektrik motorunu kullanmakta ve bu sayede emisyon salınımını azaltmaktadır. Elektrik motorunun çalışması için gerekli enerji, içten yanmalı motor çalıştırıldığı zamanlarda ya da frenleme sırasında aküleri şarj etmektedir. Sadece elektrik motoru kullanarak bu motorun ihtiyaç duyduğu enerjinin güneş hücrelerinden sağlanması fikri, gelişen teknoloji ile daha da destek bulmaya başlamıştır. Günümüzde düşük verimli güneş hücrelerinin veriminin yükseltilmesi için çalışmalara hız verilmiştir. Günümüzde enerjisini güneş hücrelerinden sağlayan elektrik motorlu taşıtların, içten yanmalı motor kullanan taşıtların güçleri ile kıyaslanması mümkün değildir. Bu yüzden tasarımı yapılacak olan güneş arabalarının günümüz otomobillerine göre çok daha hafif ve aerodinamik acıdan çok daha gelişmiş olmaları gerekmektedir. Güneş enerjisinin her an aynı değerlerde kullanılabilmesi ise doğal olarak imkansızdır. Daha uygun ve güç/ağırlık oranları daha yüksek bataryaların geliştirilmesi bu alanda bulunan başka bir araştırma konusudur . Sonuçta, sınırlı enerjinin daha verimli kullanımı amaçlanan güneş araçlarında, üretilecek gövdenin tasarımı büyük önem taşımaktadır. Kullanılacak olan enerjinin kısıtlı olması ve verimli kullanılması gerekliliği bu konuda sadece verimli enerji kullanımına dayalı yarış stratejisi araştırmalarının yapılmasının bile yolunu açmıştır.
Bu çalışmada güneş panellerinden elde edilen kısıtlı enerjinin en verimli şekilde kullanılabilmesi için aracın mümkün olduğunca hafif imal edilmesi planlanmıştır.
Tasarımı yapılacak kabin, aerodinamik açıdan en uygun modeli belirleyip günlük hayatımızda da enerji verimliği dikkate alındığında diğer ulaşım araçlarının tasarımına öncülük edecektir.
Beccaria ve arkadaşları 1999’da HIPERROAD (high performance road vehicle) adını verdikleri yazılım sistemini geliştirmişler ve bu yazılımı çok işlemcili bilgisayarlarda (parallel computing) kullanmışlardır. Araç tasarımının ilk safhalarında aerodinamik optimizasyon yapılabilmesini sağlayan bu sistem ile Ferrari F550 aracı test edildiğinde bilgisayar verileriyle ölçülen aerodinamik özelliklerin tutarlı olduğunu görmüşlerdir.
Kieffer ve arkadaşları (2006) tarafından yapılan çalışmada Formula Mazda yarış aracının ön ve yan kanatları k- ε modelini kullanan Star-CD CFD (computational
2
fluids dynamic) yazılımı ile analiz edilerek, akışı farklı hücum açıları ve yer etkisi için incelemişlerdir. Aracın yol tutuşu ve dengesi göz önünde bulundurulduğunda ön kanat tasarımının yer etkisi ile değerlendirilmesi ve her iki kanadın aerodinamik performansının önemli ölçüde farklı hücum açıları tarafından etkilendiği sonucuna varmışlardır.
Gümüşlüol ve arkadaşları (2006) tarafından yapılan çalışmada geçiş durumunda olan taşıtların aerodinamik etkileşimleri rüzgâr tünelinde deneysel olarak incelenmiş ve sollamanın başladığı pozisyonda, geçecek modelin önündeki yüksek basınçlı bölgenin, geçilecek modelin arkasında oluşan düşük basınçlı bölge ile etkileşmekte olduğunu böylece hem öndeki hem de arkadaki aracın üzerindeki kuvvetlerin tek aracın yalnız seyahatinde oluşan sürüklenme kuvvetinden daha az oluştuğu sonucuna varmışlardır.
Dong Sun ve arkadaşları (2006) aerodinamik deneyler sonucunda elektrikle çalışan küçük hava taşıtı geliştirmişlerdir. İki tip kanat gövdeli (üçgen ve kare) taşıt prototipini rüzgâr ve su tünellerinde test etmişlerdir. Üçgen modelin kareye oranla daha yüksek kaldırma katsayısına sahip olduğu, daha az girdap oluşturduğu ve böylelikle daha iyi dinamik performans gösterdiği sonucuna varmışlardır
Gören ve ark. (2007), güneş enerjisi ile çalışan bir araç için monokok gövde tasarımı ve imalatını ele almışlardır. Aracın fiberglastan alt ve üst kabuk olarak modeli yapılmış ve daha sonra bu model üzerinde yapılan değişiklikler ve iyileştirmeler ile karbon kompozit gövde imalatına geçmişlerdir. Elde edilen gövde TÜBİTAK'ın düzenlediği 2005 Formula G Yarışlarında Solaris takımının Erke isimli güneş arabasında kullanmıştır.
Demircioğlu, T. K. (2007). , SOLIDWORKS ’te tasarlanan Ferrari F1 yarış aracı üzerinde ANSYS CFX yazılımı (k-epsilon modeli) kullanılarak üç-boyutlu SAD (Sayısal Akışkanlar Dinamiği) hava akış simülasyonu uygulanmıştır. “CFX-mesh” te ağ yapısı sonlu elemanlar yöntemi kullanarak oluşturmuş. “CFX-pre” de sınır şartları olarak serbest akış hızı (130 km/h) ve hava akış özellikleri belirlenmiştir. Hesaplama esnasında sürüklenme ve kaldırma kuvvetleri gözlemlenmiş ve kuvvet değerlerinin yakınsama davranışı ortalama bir seviyeye eriştiği zaman, “CFX-solver” durdurulup kaldırma ve sürüklenme katsayıları gibi aerodinamik karakteristikler “CFX-post”
kullanılarak hesaplanmıştır. Aracın yüzeyinde ve çevresindeki hız ve basınç dağılımları akış çizgileri, vektörler ve eş büyüklük eğrileri şeklinde grafik olarak gösterilmiştir.
Özer, K. B. (2010), yaptığı çalışmasında ARIBA 5 güneş arabasının en uygun aerodinamik tasarımını yapmıştır. Aracın bileşenlerinin boyutlarının belirlenmesiyle tasarıma başlanmış, daha sonra bileşenlerde kullanılacak kanat profilleri 2B analizler yardımıyla tek tek karşılaştırılarak kullanılabilecek en uygun profiller belirlenmiştir.
Daha sonra CAD modellemesi yapılan ARIBA 5’in bir CFD programı yardımıyla bazı 2B ve 3B akış analizleri yapılmıştır.
3
Serin, O. (2011), İstanbul Teknik Üniversitesi Güneş Arabası Ekibi’nin, Avustralya Kıtası’nda 2 yılda bir düzenlenen World Solar Challenge (WSC) Dünya Güneş Arabaları Yarışı için başlangıç sıralamasını belirleyecek pist etabında, aracın pist yarış performansını arttırmak amacı ile hazırlanmış dinamik simülasyonu ile uzun yol yarış simülasyonunu çalışmıştır.
.
2. MATERYAL VE METOT
Geleneksel imalat tekniklerinde ilk etapta yükü taşıyacak olan iskeletin (şasinin) üretimi yapılır ve daha sonra bu yapı yük taşımayan bir kabuk ile kaplanır. Monokok gövde imalatında ise bu iskelet yapının kabuğu ile birlikte üretilerek yapıya etkiyen yükün tüm yapıya dengeli dağılması sağlanır. Güneş arabalarında hafifliğin ön planda olması, gövde konstruksiyonunun daha ince olmasını gerektirmektedir.
Özellikle monokok gövdeye alt ve üst salıncaklardan etki eden kuvvetlerin şasi ile birlikte tüm gövdeye yayılması, ağır ve hantal bir şasi yerine, göreceli olarak daha ince destekler kullanılmasını mümkün kılarak tasarımda istenilen hafifliğin elde edilmesine olanak sağlar. Aracımızın gövde tasarımında sırasıyla şu işlemler yapılmıştır.
2.1. Gövdenin Üç Boyutlu Modellenmesi :
Tasarımın ilk aşamasında gövdenin üç boyutlu katı modeli oluşturulmuştur. Modelin oluşturulmasında SOLİDWORKS katı modelleme programından yararlanılmıştır.
Şekil 1. Solidworks 3D model çizimi
Şekil 1’ de Solidworks programı ile oluşturulan 3D araç modeli görülmektedir.
4 2.2. Malzeme Seçimi :
Gövde imalatında kullanılan kompozit malzemeler iki ayrık bileşenin (matris ve takviye elemanı) çeşitli imalat teknikleri yardımı ile bir araya getirilmesi ile oluşan yapılardır. Öğelerden biri genellikle cam elyaf, karbon, boron veya kevlar gibi güçlü bir liftir. Bu lifler yapıya yüksek dayanım kazandırırlar. Ayrıca matris olarak adlandırılan yapı, monokok gövde yapısının istenen dizayn parametrelerine ulaşılması açısından önem kazanmaktadır. Maliyet olarak ele alındığında kompozit malzeme imalatında önemli olan, kullanım yeri ve nasıl kullanılacağıdır. Hafifliğin veya çevresel şartlara karşı gösterilen direncin önemli olduğu durumlarda kullanılan malzeme miktarı ve işçilik hassasiyeti oranında maliyetler yükselmektedir. Bu yüzden güneş arabası imalatında göreceli olarak daha ucuz olan cam elyaf ile monokok gövdenin modeli üretilmiştir. Böylelikle malzeme maliyetleri mümkün mertebe düşürülmeye çalışılmıştır.
2.3. Kalıp İmalatı :
Çalışmada SOLİDWORKS programı ile modellenen alt ve üst kabukların imalatında kalıplama yönteminin kullanılmasına karar verilmiştir. Bu teknikte kompozit malzeme daha önceden oluşturulan bir kalıp üzerine giydirilip esas geometrilerin oluşturulacağı dişi kalıplar elde edilmiştir.
Şekil 2. Kalıp oluşturulması
5
Kalıbın çıkarılmasında şu aşamalardan geçilmiştir (Şekil 2);
• Öncelikle SOLİDWORKS programı ile katı modeli oluşturulan alt kabuğun üzerinden belirli aralıklarla (300- 400 mm) kesitler alınmıştır. Bu kesitlerin alınması sırasında kalıptaki dişi erkek durumları göz önünde bulundurularak orijinal kabuk modelinin dış yüzeyi kaburga üzerine kaplanacak malzemenin kalınlığı kadar küçültülmüştür.
• Alınacak kesitlerin 1:1 ölçeğinde kağıtlara çıktıları alınmıştır.
• Bu çıktılar doğrultusunda en geniş bölgelere göre en ve boy ölçüleri çıkartılıp 18 mm' lik alüminyumlar dikdörtgen biçiminde kesilmiştir.
• Kesilen ve numaralandırılan bu dikdörtgen alüminyum plakalar üzerine daha önceden alınan çıktılar yardımıyla kesit geometrileri aktarılmıştır.
• Tekrar kesilen ve son halini alan alüminyum plakaların dış çevreleri zımpara yardımıyla düzeltilmiş ve üzerlerine geçme kanalları açılmıştır.
• 5m uzunluğunda ve 20x20 mm kesit ölçülerine sahip iki adet alüminyum profil alınarak üzerlerine kaburga geçme kanalları açılmıştır.
• Uzerlerine geçme kanalları açılan kesit alüminyum plakalar birleştirilerek kaburga oluşturulmuştur (Şekil 3) .
Şekil 3. Gövdenin kaburga resmi 2.4.Alt ve Üst Gövdenin Dökümü:
Alt ve üst gövdenin kalıpları hazırlandıktan sonra kompozit malzemenin kalıp içerisine dökülmesi işlemi gerçekleştirilmiştir. Burada önem verilmesi gereken bir nokta, dökülen malzemenin kuruduktan sonra kalıp içerisinden rahatça çıkarılabilmesi için malzeme yerleştirilmeden kalıp içerisinin jel kimyasallar ile kaplanmasıdır (Şekil 4). Prosesin aşamaları şu şekilde özetlenebilir:
6
Şekil 4. Kalıbın rahatça çıkabilmesi için jel kimsayallar ile kaplanması
• Jelin sürülmesinin ardından yapılan ilk modelde cam lifleri birbirleri ile 45° açı yapacak şekilde serilmiştir.
• Cam elyaflar serildikten sonra üzerlerine matris malzemesi olan epoksi sürülüp malzeme 48 saat kuruma sürecine bırakılmıştır (Şekil 5). Kalıp içerisinde kabuk kururken bir yandan da desteklerin üretimine geçilmiştir. Destekler kabuğun rijit olmasını sağlayan, alt ve üst salıncakların ve arka tahrihin bağlanacağı yapılardır.
Destek elemanları olarak balpeteği yapılı kompozit malzeme kullanılmıştır. Bu yapılar iki ince fakat rijit kompozit katman arasına hafif fakat daha kalın balpeteği yapı yerleştirilip bunların birbiri ile kimyasal olarak bağlanması ile oluşur. Hafiflik ve dayanıklılık acısından büyük avantaj sağlayan yapılardır.
Şekil 5. Cam elyaf üzerine epoksi uygulaması
• Hazırlanan destekler kalıp içerisindeki alt gövdenin belirlenen yerlerine oturtulup epoksi ile gövdeye birleştirilmiş ve kurumaya bırakılmıştır. Böylelikle monokok alt gövde modeli elde edilmiştir.
• Monokok alt gövde kuruduktan sonra kalıptan çıkarılıp ve üzerine bazı iyileştirmeler yapılmıştır. Özellikle gövdeye kuvvetin geldiği noktalarda fazla malzeme atılması, gerektiği yerlerde burulmaların engellenmesi için ekstra desteklerin atılması ve
7
ağırlıktan kaçınmak için modelden malzeme çıkarılması gibi işlemler aracın performansını arttırıcı iyileştirmeler olarak göze çarpmaktadır.
• Yukarıda açıklanan prosesin aynısı üst gövde için de yapılmıştır. Buradaki tek fark üst kabuğun sadece panelleri taşıyacak olması nedeni ile alt kabuğa göre çok daha ince ve hafif olmasıdır. Bunun yanında ust gövdenin aerodinamik yapısı, aracın devrilmemesi ve yüksek hızlara dengeli bir şekilde çıkabilmesi için çok önemlidir. Bu acıdan birleşmiş alt ve üst gövdenin bir bütün olarak, SOLİDWORKS programında çizilen modellerinin aerodinamik olarak analizleri yapılmıştır (Şekil 6).
Şekil 6. Gövdenin aerodinamik analizi
Şekilde yeni nesil aracın tasarımından sonra katı modeline uygulanan akışkan analizi görülmektedir. Analizde araç, 80km/s hızla gittiği kabul edilmiş ve laminer akış aracın ilk 1.5 mt’sinde sağlanmıştır. Araç için bulunan CD katsayısı klasik bir araçtan oldukça düşük olduğundan aerodinamik olarak da yeterlilik sağlanmıştır.
2.5. Sürükleme Kuvveti (drag force) (FD) ve Kaldırma Kuvveti (lift force) (FL) Taşıta son şekli verilmeden önce yapılan bir tasarım hatası sadece o kısmını değiştirilerek giderilemez. Bu yüzden ölçekli, birebir prototipler veya modeller kullanılır, hava tünellerinde deneyler ve analizler yapılır. Aerodinamik sürükleme ve kaldırma katsayısının düşürülmesi tasarımdaki iki önemli unsurdur.
Araç üzerine etki eden aerodinamik kuvvetin serbest akış hızına ve yere paralel, taşıtın ileri hareket yönüne zıt yöndeki direnç kuvvetidir. Karayolu taşıtlarına etkiyen en büyük aerodinamik kuvvet bileşeni genellikle aerodinamik sürükleme kuvvetidir.
Bir binek taşıtı için oluşan aerodinamik sürükleme kuvvetinin (FD) % 90’dan fazlası şekil direnci nedeniyle oluşmaktadır. Aerodinamik sürükleme kuvveti motorun sağladığı çeki kuvveti ile karşılanmaktadır. Onun için sürükleme kuvveti, gerekli motor gücünde ve dolayısıyla da yakıt tüketiminde etkilidir. Herhangi bir hızdaki yakıt
8
tüketimi direkt olarak gerekli olan güç ile orantılıdır. Aerodinamik direnci yenmek için gerekli güç, motor gücünün büyük bir kısmını oluşturmaktadır.
Aerodinamik sürükleme kuvveti : FD = ½ ρ.V2.A.CD
A taşıt kesit alanını, V taşıtın rüzgâra göre bağıl hızını, ρ havanın yoğunluğunu göstermektedir.
Taşıt hareket (serbest akış hızı) doğrultusuna ve yere dik aerodinamik kaldırma kuvvetidir. Otomobil aerodinamiğinde uçakların tersine kaldırma kuvvetinin küçük olması istenir. Kaldırma kuvvetinin düşük olması aracın yol tutuşunun iyileşmesine ve özellikle virajlarda savrulmamasına yardımcı olur. Ancak ters yönde etki edecek bir baskı kuvveti de, araç ve tekerlek arasındaki sürtünme kuvvetini artıracağı için yakıt sarfiyatında artışa ve hızlanma kabiliyetinde düşüşe neden olacaktır. Bu nedenle imalatçılar aerodinamik yapıyı kullanarak kaldırma kuvvetini belirli bir seviyede tutmayı amaçlarlar.
Kaldırma kuvveti:
FL = ½ ρ.V2.A.CL
CL kaldırma katsayısını ifade eder.
Sürükleme kuvveti ve kaldırma kuvvetlerini minimum tutarak araç gövde tasarımı yapılmıştır.
9 3.ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA
Şekil 7. Güneş arabası basınç dağılım eğrileri
Solidworks programında araç 80 km/saat sabit hızda giderken araç profili üzerinde oluşan basınç dağılım eğrileri Şekil 7’ de görülmektedir. Kullandığımız araç profili üzerine düşen en yüksek basınç değeri 101.4 kPa olarak aracın kuyruk kısmında görülmüştür. En düşük basınç değeri ise 101.1 kPa olarak aracın düz yüzeylerinde görülmüştür.
Aracın ön burun bölgesinde, sürücü kabini bölgesinde, dış kenarlarında ve arka kuyruk bölgesinde basınç değerlerinin arttığı gözlenmiştir. Aracın keskin hatlara sahip olmayan düz yüzeylerinde araç yüzeyine düşen basıncın azaldığı görülmüştür.
Tekerlek bölgesinin aerodinamik formda muhafaza ile çevrelenmesi sonucunda aracın aerodinamik sürtünmesi azaltılmış ve taşıtı yukarı doğru kaldırmaya çalışan kuvvet sınırlandırılmıştır.
Taşıt dış yüzeyine monte edilen dikiz aynaları, ikaz lambaları, anten gibi unsurların olmaması aracın aerodinamik yapısını iyileştirerek, oluşacak enerji kayıplarını minimize etmektedir.
Simülasyon sonuçlarında kenar bölgelerde daha yüksek basınç olduğu görülmüştür.
Bu noktalardan havanın en düşük sürtünme ile geçebilmesi için fiberglastan yapılan gövdenin keskin kenarları alüminyum destekler ile yuvarlatılmıştır.
Kalıptan kaynaklanan, yüzeydeki pürüzler azaltılarak laminer akış bölgesi artırılabilir.
Böylece aracın aerodinamik sürtünmesi azaltılacaktır. Yüzeydeki pürüzler çelik macunu kullanılarak kapatılmış ve zımpara ile pürüzsüz hale getirilmiştir.
Taşıtı yere yaklaştırmak ve aerodinamik direnci azaltmak için süspansiyon sistemi elemanlarından olan amörtisör üst bağlantı noktaları kısaltılmıştır.
10
Kabin bölgesindeki türbülans hava akışını azalmak amacıyla taşıtın yanal yüksekliği sürücü koltuğu 25° arkaya yatırılarak azaltılmıştır (Şekil 8).
Şekil 8. Sürücünün araç içindeki pozisyonu
Aracın ağırlının azaltılması için güneş panellerinin geleceği kısımların altı kesilerek çıkartılmıştır.
Yaptığımız araç FORMULA G 2014 yarışlarına katılmıştır. Bu seneki yarışlarda aracın ağırlığı, FORMULA G 2013 yarışlarına katıldığımız su kontraplağından yapılmış olan aracımızdan %60 oranında azaltılarak hafifletilmiştir. Böylece enerji yönünden tasarruf elde edilmiştir.
Şekil 9. FORMULA G 2014 yarışlarına katılan aracımız
11 4.SONUÇ
Aracın kanat profilinde olan yapısal özelliği nedeniyle aerodinamik kayıplar azaltılmıştır. Araç yüzeyindeki pürüzler giderilerek aracın ideal aerodinamik yapıya ulaşmasına çalışılmıştır. Kullanılan fiberglas malzeme sayesinde araç hafifletilerek enerji kayıpları azaltılmıştır.
Taşıt dış yüzeyine monte edilen dikiz aynaları, ikaz lambaları, anten gibi unsurların olmaması aracın aerodinamik yapısını iyileştirerek, oluşacak enerji kayıplarını minimize etmektedir. Bu amaçla taşıt üzerine konulan dikiz aynaları mümkün olduğunca küçük seçilmiştir. Aracın dışında aynalardan başka bir uzantı bulunmamaktadır.
Simülasyon sonuçlarında kenar bölgelerde daha yüksek basınç olduğu görülmüştür.
Bu noktalardan havanın en düşük sürtünme ile geçebilmesi için fiberglastan yapılan gövdenin keskin kenarları alüminyum destekler ile yuvarlatılmıştır. Bu sayede aracın kenarlarında oluşacak sürtünme azaltılmıştır.
Tekerlek bölgesinin aerodinamik formda muhafaza ile çevrelenmesi sonucunda aracın aerodinamik sürtünmesi azaltılmış ve taşıtı yukarı doğru kaldırmaya çalışan kuvvet sınırlandırılmıştır.
Taşıtı yere yaklaştırmak ve aerodinamik direnci azaltmak için süspansiyon sistemi elemanlarından olan amörtisör üst bağlantı noktaları kısaltılmıştır. Böylece araç yere yakın bir konuma getirilmiştir.
Gövdesini tasarladığımız bu araç TÜBİTAK tarafından düzenlenen FORMULA G 2014 yarışlarında üniversitemizi temsil etmiş ve yarışı 11. sırada tamamlamıştır.
12 5.KAYNAKLAR
Gören, A., Baer, Ö. Ve Polat, C. (2007). Güneş Enerjisi İle Çalışan Araç için Monokok Gövde Tasarımı ve İmalatı, Mühendis ve Makine Dergisi, Cilt: 48, Sayı:
569.
Demircioğlu, T. K. (2007). Bir Araç Modelinin Aerodinamik Analizi ve Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Simülasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir Üniversitesi.
Özer, K. B. (2010). ARIBA 5 Güneş Arabasının En Uygun Aerodinamik Tasarımının Yapılması, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul TeknikÜniversitesi.
Serin, O. (2011). Güneş Arabası Yarış Simülasyonu, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi.
Kieffer, W., Moujaes, S., and Armbya, N., "CDF study of section characteristics of formula mazda race car wings", Mathematical and Computer Modelling, 43, 11-12, (2006) 1275.
Beccaria, M., Buresti, G., Ciampa, A., Lombardi, G., Gentzsch, W., Paap, H.-G. And Vicere, A., "High-performance road-vehicle optimised aerodynamic design:Apllication of parallel computing to car design", Future Generation Computer Systems, 15, 3, (1999) 323.
Gümüşlüol, Ü., Çetinkaya, T.A. ve Albayrak, K., "Geçiş durumundaki taşıtların aerodinamik etkileşimlerinin deneysel olarak incelenmesi", Mühendis ve Makine, 47, 561, (2006) 28.
Dong Sun, Huaiyu Wu, Chi Ming Lam and Rong Zhu, "Development of a small air vehicle based on aerodynamic model analysis in the tunnel tests", Mechatronics, 16, 1, (2006) 41.
