AERODİNAMİK KUVVETLER Taşıtın hareketi sırasında, hava

AERODİNAMİK KUVVETLER
Taşıtın hareketi sırasında, hava hareketine bağlı olarak gelişen aerodinamik kuvvetler, taşıtın
performansını etkilemektedir. Hava akışı, taşıtın hızına ve ortamın rüzgâr hızına bağlımlıdır.Taşıtın hızı,
sayısal değer ve yön bakımından sürekli olarak deyişmektedir.Rüzgarın hızı ise bölgesel topografya ve
atmosferik koşullara bağımlı olarak değişmektedir. Tüm taşıt yüzeyine dağılmış olan basınçların bileşkesi
olan aerodinamik kuvvet, basınç merkezi adı verilen bir noktaya etki etmekte, taşıtın kullanım ve
yönlendirme karakteristiklerini olumlu veya olumsuz biçimde etkileyen koşullar yaratmaktadır.
Aerodinamik kuvvet;taşıt kararlılığı bakımından dikkate alınması gereken önemli bir kuvvettir.
Bileşke aerodinamik kuvvetin, taşıtın ileriye doğru hareketine karşı olan bileşenine.”aerodinamik direnci”
denilmektedir. Aerodinamik kuvvetin diğer önemli iki bileşeni ise, aerodinamik kaldırma (lift)ve yanal
kuvvetlerdir. Aerodinamik kaldırma kuvveti, lastiklerle zemin arasındaki tutunma tutunma kuvvetini
azaltarak, taşıtın yönlendirme ve tahrik karakteristiklerini; aerodinamik yanal kuvvet ise, taşıt kararlılıgını
etkilemektedir.Şekil1’de aerodinamik kuvvet ve temel bileşenleri görülmektedir.
AERODİNAMİK DİRENÇ
Sabit hızlı bir akışkan bir gövde etrafında aktığından, iki bileşenden oluşan bir direnç kuvveti oluşur. Bu
bileşenler, yüzeyin yapışkanlık etkisine bağımlı yüzey sürtünme direnci ve gövdeye etki eden ana akış
(taşıtın boşaldığı hacmin gerisinde kalan uyartım akımı ‘wake’ dahil) basınç dağılımının sonucu olarak
meydana gelen basınç direncdir.Akış doğrultusunda basıncın artığı kısımlarda veya yüzeyin
doğrultusunda keskin değişmeler olduğunda, akış hatlarında ayrılma meydana gelir. Şekil 2 Yüzeyden
uzaktaki hız
Gradientleri sıfır olduğunda ters akış olur. Ayrılma basıncın artmasını önler ve bu basınç direncine ters bir
etki yapar. Yüzeye en yakın olan ters akış, sadece yüzey direncini çok az miktarda olmak üzere azaltır.
Ayrılan akışın tekrar gövdeye yapışmasını, devamındaki yüzey geometrisine bağımlıdır.Ters akış, geniş
düzensiz girdaplar oluşturarak, ana ana akışkan enerji kaybına sebeb olmaktadır. Ayrılmanın olmadığı
streamline gövdenin aerodinamik direnc katsayısı 0,15 kadardır.Herhangi bir ayrılma, direnci önemli
ölçüde artırdığından, yüksek yüzey sürtünmesinin olduğu durumlarda bile mümkün olduğunca
azaltılmalıdır.Sınır tabakadaki türbülans, yüzey sürtünmesini artırır, fakat yüzeye yakın olan akışkanın
momentumunun yüksek olması, ayrılmanın oluşumunu geçiktirir ve direncte bir miktar azalmaya neden
olabilir.
Basınç merkezi adı verilen bir noktaya etki eden aerodinamik kuvvet, genelikle şu genel eşitlikle ifade
edilir.
Ra =0,5 p C A v²
p = havanın yoğunluğu kg / m³,
C =aerodinamik katsayısı,
A =karakteristik iz düşüm alanı m²,
V =taşıtın hızı, m / s dir.
Basınç merkezi,bileşke aerodinamik kuvvetin etki ettigi noktalardır ve ağırlık merkezinin aksine –ki o da
yükün etkisindedir-, sabit değildir ve hava akışına bağımlıdır. Yüksek hızlarda, öne doğru kayma
eğilimindedir.
Taşıtın biçimi ile ilgili olan aerodinamik katsayısı; rüzgârın geliş açısı; iç direnç olarak da adlandırılan
soğutucu hava akışı, taşıtın havalandırılırması (özellikle pencereler açık iken), zemin, üst bagaj vb ninde
etkisi altındadır. Rüzgarın geliş açısının aerodinamik direnç katsayısına etkisi şekil 3 de görülmektedir.
Aerodinamik katsayısı aynı zamanda, reynold sayısının da bir miktar etkisi altındadır, şekil 4 bilindiği gibi
reynold sayısı;
Re=pvd
u
burada; p: yoğunluk, kg / m³
v : hız,m /s
d : karakteristik boyu,m,
u : dinamik vizkosite. kg /ms
Taşıtı etkileyen aerodinamik direnç, esas olarak şu üç elemanlardan oluşmaktadır:
1:Taşıtın arka kısmın boşaltıgı bölgede meydana gelen türbilansın oluşturduğu direnç, özellikle arka kısım
olmak üzere, taşıt gövdesinin biçimine bağımlıdır. Aerodinamik en önemli bileşeni budur ve toplam
aerodinamik direncin, %80’i kadardır.
2:Taşıtın dış yüzeylerinden akan havanın neden olduğu yüzey sürtünmesi. Normal durumdaki bir
otomobilde bu bileşen, toplam aerodinamik direncin, %10’ u kadardır.
3:Soğutma ve havalandırma amacıyla taşıtın radyatör sisteminde veya iç kısımlarından geçen havaya
bağlı olarak oluşan iç direnç. Bu birlite, toplam direncin %10’ u kadardır.
Hesaplamaları basitleştirmek amacıyla, bu kuvvetlerin tümü tek bir kuvvete indirgenir ve aerodinamik
direnç olarak adlandırlır.Toplam aerodinamik kuvvetin, taşıtın hareketi doğrultusundaki bileşeni olan
aerodinamik direnç;
Rax =0,5 p Cx A (V +,- Vo)²
Eşitliği ile hesaplana bilir. Burada ;
Cx:aerodinamik direnç katsayısı.
A:taşıtın ön iz düşüm alanı, m²,
V:taşıtın hızı m / s,
Vo:hareket doğrultusundaki rüzgar hızı, m / s (harekete karşı ise pozitif)dir.
Hızlar km / h yazılmak istendiğinde ise;
Rax=0,0386 p Cx A (V +,- Vo)²
Eşitliği kullanılabilir.
Havanın yoğunluğu (p) nun belirlenmesinde kullanılan atmosferik koşullar genellikle;
Baromik basınç =98...101kPa,
Atmosferik basınç =15...25 santigrat derece arasındadır.
AERODİNAMİK DİRENÇ KASYISI VE ÖN İZ DÜŞÜM ALANI
Aerodinamik dirençi etkileyen ve belirli oranlarda taşıtın imaltçısı tarafından konturol edilen faktörler,
aerodinamik direnç katsayısı ve taşıtın ön iz düşüm alanıdır.Çizelge 1’de, çeşitli tiplerdeki taşıtların
aerodinamik direnç katsayıları verilmiştir.Aerodinamik direnç katsayısı (Cx), tam veya küçültülmüş ölçekli
taşıt modelleriyle,şekil 5’de bir örneği verilen rüzgar tünellerinde veya yol deneyi yavaşlam metodu ile
belirlenmektedir.Yol deneyi yavaşlama metodu ile belirlenmektedir.Yol deneyi yavaşlama metodunda
taşıt, rüzgarsız bir havada ve düz yolda, belirli bir hızla giderken, vites boşa alınarak serbest bırakılmakta
ve ölçümeler yapılmaktadır.
Taşıt Cx katsayısı
Açık spor 0,5-0,7
Pikap 0,5-0,6
Arkası uzun 0,4-0,55
Farlar, arka tekerler, yedek lastik gövde içinde,
Kama biçimli gövde 0,3-0,4
En avantajlı aerodinamik biçim 0,15-0,20
Otobüs 0,6-0,7
Kamyon, treyler 0,8-1,5
Motosiklet 0,6-0,7
Çizelge 1 Bazı taşıtların aerodinamik katsayıları
Çizelge 2’de 1450 kg ağırlığında ve 2,5 m² ön iz düşüm alanına sahip bir taşıtla yapılan ölçümeler ve
hesaplamaların sonuçları belirlenmiştir. çizelge 3’de ise, bazı tasarım değişikliklerinin Cx e etkisini
göstermektedir. Çizelgedeki (-) işaretli sayılar iyileşmeyi, (+) işaretli sayılar ise kötüleşmeyi ifade
etmektedir. Çizelge 4’te, bazı otomobillerin Cx katsayıları ve ön izdüşüm alanları verilmiştir.
1. deneme 2. deneme
İlk hız (km/h)
Son hız(km/h)
İki hız arası süre(s) Va1=60
Vb1=55
t2=4 Va2=15
Vb2=10
t2=7,5
Ortalama hız(km/h) V1=57,5 V2=12,5
Ortalama yavaşlama ivmesi
(km/h.s) a1=Va1-Vb1 =1,25
t1 A2 =Va2-Vb2 =0,67
t2
Aerodinamik katsayı
Cx = 6m(a1-a2) =0,58
A(V1²-V2²)
Yuvarlanma direnci
Fro=28,2(a2v1²-a1v2²) =0,018
10(V1²- V2²)
Çizelge 2 yol deneyi ile aerodinamik katsayısı ve yuvarlanma direnci
Taşıt Cx A(m²) CxA
Audi 100 0,30 2,05 0,615
Porsche 035 1,82 0,637
Mercedes190E/23-16 0,32 1,92 0,614
Renault 25 TS 0,35 1,75 0,613
Ford Sierra 1,6 0,36 1,96 0,706
Fiat 126 0,47 1,51 0,710
Peugeot 205 GT 0,39 1,75 0,683
Çizelge 4 bazı otomobillerin Cx katsayıları ve ön iz düşüm alanları
AERODİNAMİK KALDIRMA (LIFT)
Sınır katman dışındaki akışı tanımlamak üzere kullanılan potansiyel akış teorisine göre, taşıtın üst ve alt
kısımları arasındaki basınç farkı, taşıtın etrafında hava sirkülâsyonuna ve kaldırma kuvveti oluşmasına
sebeb olur.
Sirkilasyanun varlığı, akış hatlarının bükülmesine ve taşıtın arkasında şekil 6’da görülene benzer
girdapların oluşmasına sebeb olur.
Enerjinin korunumu genel kanuna göre; herhangi bir akışın her noktasındaki, statik ve dinamik basınçların
toplamı sabittir.
Pa+Pd=Pt
Ve dinamik basınç;
Pd= pv²
2
dir.burada;
p:havanın yoğunluğu kg/m³
v:havanın hızı m/s dir.
Bu eşitlik, ‘bernouilli teoremi’ olarak da adlandırılır havanın akış hızı artıkça, dinamik basınç karesi ile
orantılı olarak yükselmektedir.Toplam basınç değişmediğine göre; dinamik basıncın yüksek olduğu
bölerlerde, statik basınç azalmaktadır, şekil 7’de bu durumda, hava hızını daha düşük olduğu taşıtın alt
yüzeyine etkiyen statik basınçtan daha fazla olacak ve fazla basınç taşıtı yukarıya doğru kaldırmaya
çalışaçaktır.Aerodinamik kaldırma (lift), lastikle zemin zemin arasındaki normal yükün azalmasına sebeb
olmaktadır. Temas basıncının azalması, taşıtın performans karakteristikleri ile yön kontürolü ve
kararlılığını olumsuz biçimde etkilemektedir. Tipik bir otomobille, durgun havada ve 160 km/h hızda
yapılan denemeler sonucunda, ön dingildeki pozitif kaldırma kuvvetinin, 110 N a kadar ulaştığı tespit
edilmiştir. Bu değer, ön dingil yükünün %20....25’i kadardır. Aerodinamik kaldırmanın arka dingiline etkisi
ise, 665 N kadar oluşmuştur.
AERODİNAMİK YANAL KUVVET
Hava akışı taşıtın düşey simetri düzlemine paralel ise, bu düzleme etkiyen bileşke hava kuvveti, bilinen iki
bileşen olan aerodinamik direnç ve aerodinamik kaldırma kuvvetine ayrılabilir. Ancak; hava akışı taşıtın
düşey simetri düzlemine herhangi bir açıda ise, akış hattı simetriktir ve yanal bir kuvvet oluşur. Yanal
kuvvete neden olan iki etkenden birisi, taşıtın dönüşlerde doğrultu değiştirmesi, diğeri de taşıta doğru
herhanği bir açıda esen rüzğardır.Bileşke aerodinamik kuvvet bu durumda aerodinamik direnç,
aerodinamik kaldırma ve yanal kuvvet olmak üzere üç bileşene ayrılarak değelendirilir, yanal kuvvet; 110
km/h hızla seyreden bir otomobilde, 1100 N a; 290 km/h hızla seyreden bir yarış otomobilinde ise 4400
N’a kadar ulaşabilmektedir.
Yanal kuvvetin belirlenmesi de, diğer aerodinamik kuvvetler gibidir
:
Ray =0,5 p Cy A Vo² burada;
Cy:boyutsuz yanal kuvvet sayısı,
A:ön iz düşüm alanı m²,
Vo:taşıta göre bağıl rüzgâr hızı, m/s’dir.
Şekil 9’da Cy nin, taşıt boyutlarını ve sapma açısına bağımlı deyişimi görülmektedir. Yanal kuvvet
katsayısı için yaklaşık bir eşitlik;
Cy = Yanal alan B(0,005+0,0019)
Ön izdüşüm alanı
Şeklinde verilmektedir.
B: sapma açısı,
Nf:yanal kuvvet oranlama katsayısıdır.
Şekil 10’da yanal kuvvet sayısı merkezi adı verilen bir nokta bulunmaktadır. Bu nokta, ön ve arka
lastiklerin yanal kuvvet katsayılarının etki merkezidir. Tüm hızlardaki kararlı seyir hallerinde, yanal kuvvet
katsayısı merkezi, ağırlık merkezinin arkasında olmalıdır.Yanal kuvvet katsayısı merkezi de, basınç
merkezi gibi, sabit değildir ve her iki dingilin yük yük transfer karakteristikleri ile döndürülen dingilin
tahrikinin etkisi altındadır. Basınç merkezinin yanal kuvvet katsayısı merkezinin arkasında kalması
durumunda, taşıt daha karalı olaçaktır.Eğer basınç merkezi, ağırlık merkezinin önünde kalırsa, dinamik
karasızlık oluşarak, ön dingilde daha büyük kayma açısının gerekli olması nedeniyle ‘dışa sapmaya’
(sürüş rotasından uzaklaşma eğilimi); basınç merkezi arkada kaldığında ise ’içe sapmaya’ (rotaya dönüş
eğilimi) nede olacaktır, şekil 11’de taşıtın basınç merkezi, her zaman aerodinamik yana kuvvetten uzak
yöne doğru kaymaktadır. Yana kuvvet etkidiğinde dışa sapan bir taşıt,rüzgâr kesildiğinde orijinal
yörüngesinden daha da uzaklaşırken; içe sapan taşıt geriye düzelerek kendi orijinal yörüngesine geçer.
Yanal kuvvet, düşey lastik kuvveti ile karşılaştırıldığında, oldukça küçüktür.Küçük yanal kuvvetlerin etki
ettiği durumlarda, düşey lastik kuvvetiyle yanal kuvvetler arasındaki ilişki; doğrusal olamadığından, pek
önemli değildir ve serbest süspansiyonla karşılanmaktadır.
Yanal kuvvetin etki ettiği noktada, genelikle ağırlık merkeziyle çakışmaz ve taşıtın biçimine bağımlı olarak,
taşıtın merkezinin biraz önlerinde bulunur........basınç merkezi daha da önde bulunan daha da kısa
taşıtlar, dışa sapma eğilimidir ve kontrolleri daha da zordur. Aerodinamik yanal kuvvete karşı doğrultu
kararlılığını geliştirmek için, basınç merkezi taşıtın ağırlık merkezi yakınında olmalıdır.
Basınç merkezi, arkaya monte edilen kararlılık kanatçıklarıyla (spoiler) arkaya, ağırlık merkezi
yakınlarında kaydırılabilir.Ançak, pratikte , yarış otoları ve özel tasarımlar dışında bu yöntem pek
uyğulanmamamktadır.
AERODİNAMİK MOMENTLER
Taşıtın basınç merkezine etki eden aerodinamik kuvvet, bu noktaya göre her hangi bir moment
oluşturmaz.Ançak, taşıtın kütle hareket ve kütle atalet kuvvetlerinin etki ettiği ağırlık merkezleriyle basınç
merkezinin nadiren bir noktada çalışmaları nedeniyle, aerodinamik kuvvet, ağırlık merkezine göre bir
moment meydana getirir. Bu moment ;aerodinamik kuvvet ile basınç merkezi (p) ve ağırlık merkezi (g)
arasındaki mesafenin çarpımına eşittir. Kuvvet konusundakine benzer olarak aerodinamik moment de,
vardır.
Bunlar ;
1)X eksenine göre moment, devrilme momenti, Mx
2)Y eksenine göre moment,şahlanma momenti,My,
3)Z eksenine göre moment, sapma momenti, Mz dir.
AERODİNAMİK DEVRİLME MOMENTİ
Aerodinamik devrilme momenti, yanal kuvvet (Ray) tarafından üretilmektedir.Bu momentin etkisi;taşıt
rüzgarsız dönüş yaparken veya yanal rüzgârın estiği ortamda seyrederken ortaya çıkarak, taşıtın
kararlılığını ve tutunma karakteristiklerini etkiler. Devrilme momenti, santrifüj kuvvete ek bir kuvvet
olduğundan, özellikle dönüşlerde önemlidir. Devrilme momenti;
Mx =Ray . z
eşitliği ile hesaplanabilir. Burada;
z:ağırlık merkezi ile basınç merkezi arasındaki düşey mesafe, m dir.
AERODİNAMİK ŞAHLANMA MOMENTİ
Ağırlık merkezi etrafındaki şahlanma momenti; süspansiyon reaksiyonları ve taşıt-zemin ilişkileri dikkate
alındığında önemlidir. Şahlanma momenti, şekil 11’de görüldüğü gibi aerodinamik direnç ve aerodinamik
kaldırma kuvvetleri tarafından üretilmektedir.
Şahlanma momenti;
My=Rax.Z + Raz .X
Veya
My=0,5 p Cmy A V²
Eşitlikleriyle hesaplanabilir.Burada;
Z:ağırlık merkeziyle basınç merkezi arasındaki düşey mesafe m,
X:ağırlık merkeziyle basınç merkezi arasındaki uzunlamasına mesafe m,
Cmy:şahlanma momenti katsayısı (Cmy=yaklaşık olarak 0,05-0,20),
A:ön izdüşüm alanı,m²m
L:karakteristik taşıt uzunluğu (dingiller arası mesafe) m, dir.
AERODİNAMİK SAPMA MOMENTİ
Aerodinamik sapma momenti, aerodinamik yanal kuvvet tarafından oluşturulan bir momentir.Sapma
momenti;
Mz=Ray.X
Eşitliği ile hesaplana bilir.
Sapma momenti, taşıt kararlılığı ve açısından önemlidir.