| |
|
Özel Dosya
F1 Lastikleri – Bölüm I
 |
17.06.2008
F1 Lastikleri – Bölüm I
|
Lastikler hiç şüphesiz Formula 1’in en önemli konularından biri olarak, sporun 60 yıla uzanan tarihi boyunca gündemimizi işgal ettiler, ediyorlar ve etmeye de devam edecekler. Üreticiler arasında yaşanan savaşlar, teknoloji casuslukları, hamur tipleri, kopan parçalar, yeni getirilen kurallar, pitstop enstantaneleri, vb. bir çok şekilde gündemimize girdi lastikler. Diğer yandan, lastik konusunun Padokf1 için ayrı bir önemi var, çünkü her ne kadar kendisi alçak gönüllüğü elden bırakmasa da, Şef Editörümüz Poyraz Savcı Türkiye’deki lastik sektörünün duayenlerinden birisidir. 2004 yılında Padokf1.com ekibine katıldığım günden beri, bahsetmiş olduğum nedenden ötürü, Formula 1 lastikleri ile ilgili olarak Padokf1’e ve okuyucularına yakışacak bir dosya hazırlamak fikri ile meşgul olsam da, gerek gündem gerekse Formula 1 dışı yaşamdaki yoğunluk buna izin vermedi. En nihayetinde 4 yıl gecikme ile de olsa, Padokf1.com’a yakışacak bir dosyayı 2008 yılı içerisinde tamamladık. Lastikler ile ilgili özel dosyayı sizinle paylaşmadan önce, bu özel dosyanın hazırlanmasında büyük pay sahibi olan Elgün Emre YAMANER’e teşekkürlerimi iletmek istiyorum. Kendisi olmasaydı sanırım elimde mevcut olan bilgilerin bir çoğu hala bir yazı dizisi halini almamış olacaktı. Beğenerek okumanız dileğiyle…
1- GİRİŞ
Lastikler yarış araçlarının sofistike yapısı içinde imalatı ve yapısı hemen hemen en karışık olan elemanlardır. Lastikler bir yarış aracının yer ile direk olarak bağlantısını sağlayan ve araç tarafından üretilen gücün yere aktarımını sağlayan yegane elemanlardır. Bununla birlikte aracın kontrol stabilitesini sağlanabilmesi de süspansiyon sistemi ile birlikte direk olarak lastikler ile ilintilidir.
Bir yarış aracını yatay bir düzlem üzerinde ivmelendirmek için gerekli olan kuvvetler ana prensip olarak lastik tarafından oluşturulmaktadır. Bu nedenle lastik davranışlarının anlaşılması daha büyük bir "g-g" diyagramı elde edebilmenin önemli anahtarlarından biridir. Daha büyük bir g-g diyagramı ise doğal olarak daha geniş bir aralıkta stabil olarak hareket serbestliği yetisini yarış aracına kazandırmaktadır. (G-G diyagramları hakkında hazırlanmış olan detaylı bir özel dosyayı Padokf1.com’un özel dosyalar bölümünde bulmanız mümkün.)
Pnömatik (basınçlı hava ile çalışan) bir lastik tarafından üretilen kuvvet ve tork (moment), aracı bir çok yoldan etkilemektedir. En belirgini; lastiklerin aracın ağırlığını taşırken aerodinamik kuvvetler veya yol yüzeyi kaynaklı dikey yükleri de üzerlerinde taşımasıdır. Lastiğin yol yüzeyi ile olan etkileşimi "g-g" diyagramında da belirtilen manevra kuvvetleri için gerekli olan çekiş, fren ve viraj kuvvetlerini oluşturur. Lastikler aynı zamanda yarış aracını kontrol ve stabilize edebilmek için yararlı kuvvetler üretirken, diğer yandan da rüzgar ve yol kaynaklı hareketi olumsuz etkileyen kuvvetlere de karşı koyarlar. Lastik, yönlendirme sisteminde merkezleme etkisini arttıran bir yönlendirme torku meydana getirir ve bu tork direksiyon vasıtasıyla sürücü tarafından hissedilir.
Lastikler, moment üretebilme kapasitelerinin belirlenebilmesi için çeşitli farklı şartlarda test edilirler. Bu testler, kullanılan ekipmanların kapasitesine göre laboratuarlarda veya yol şartlarında gerçekleştirilebilirler. Verilen herhangi bir test şartı için, yol ile lastik arasındaki kuvveti gösteren sadece bir bileşke kuvvet vardır ve lastik çalışma koşulları değiştikçe bu bileşke kuvvetinde büyüklüğü, orijin noktası ve açısı değişmektedir. Bileşke kuvvet vektörünün daha iyi analiz edilebilmesi için kuvvet altı ayrı parçaya ayrılmıştır.
1.1- Lastiklerde Kuvvet Üretimi:
Lastiğin mekaniğinin temelinin anlaşılabilmesi için temel olarak iki konseptin bilinmesi gerekmektedir.
Hangi malzemeden yapılmış olursa olsun, bütün yapılar uygulanan kuvvetle şekil değiştirmektedir (ya da her cisim birer yaydır). Cisimler ya kalıcı şekilde deforme olmaktadır, ya da eski hallerini yeniden almaktadırlar. Lastikler uygun deformasyona uğradıkları anda dikeydeki, yataydaki ve yanal kuvvetleri, tek tek veya bu üçlünün birer kombinasyonu olarak taşıyan mekanizmalardır.
Temelde anlaşılması gereken ikinci konu ise sürtünmedir. Herhangi iki yüzey birbirlerine bastırıldıkları zaman, birbirleri üzerinde onları kaymaya zorlayan bir güç ile birbirlerine dayanmaktadırlar (belirli bir üst yüke kadar, rölatif olarak birbirlerine göre sürüklenmeye yada kaymaya başladıkları an). Klasik mekanik teori en büyük sürüklenme kuvvetini, yüzeyleri birbirine tutan yük olarak tanımlamış ve bu yükün üzerine çıkmanın mümkün olmadığını ortaya koymuştur (hemen hemen tüm metaller için bu böyledir ve sürtünme katsayısı da her zaman 1 değerinden küçüktür). Fakat çok kompleks sürtünme yapıları olan lastiklerin bu kurala tam manasıyla uyduğunu söylemek zordur. Ama ilk olarak basit temelde inceleme yapabilmek için, klasik sürtünme kanununun temel kabul edilmesi daha yararlı olacaktır.
İlk olarak lastiklerin dikey yük dayanımlarını ve reaksiyonlarını incelemek için, model olarak bir balon veya pnömatik esnek bir membran yay ele alınabilir. Modelde yükün artışı ile birlikte hacmin küçülmesi ile birlikte basınç artacaktır. Yük artışının bir kısmı elastik deformasyonla karşılanacaktır. Bir lastiğin yüzeyi doğal olarak bir balona göre çok serttir, ancak çalışma prensibi sistem olarak aynıdır. Düzgün bir yüzey üzerine basınç uygulanacak olursa basınç * alan = yük eşitliği sağlanana dek; yükün (kuvvetin) uygulanmış olduğu alandaki yüzey büyümeye (genişlemeye) devam edecektir. Yaklaşım olarak lastiğin yan duvarları da yük taşınmasına dikey birer yay gibi davranarak yardım etmektedirler.
İncelenmesi gereken diğer nokta; lastik üzerindeki uzunlamasına (boylamasına) kuvvetlerdir. Dikey yük lastik ile yol arasında bir temas yüzeyi oluşmasına neden olmaktadır. Bu temas yüzeyi, yol ve lastikler sonsuz rijitliğe sahip olmadıklarından dolayı bir doğru veya nokta şeklinde değil, bir temas alanından ibarettir. Eğer tekerlekler dönüyor olmasaydı; lastik, herhangi bir stabil cismin herhangi bir yüzey üzerindeki statik durumundaki kadar boylamasına ve yanal bir kuvvet oluşturabilirdi. Başta harekete karşı direnir, sürtünme kuvveti yenildikten sonra ise kaymaya başlardı. Sürücü frenleme esnasında tekerleği kilitlediğinde oluşan durum budur. Dönen bir lastik çok nadiren bu modelin dışında davranır.
Şekil 1 – Lastiklerde Uzunlamasına Kuvvet Dağılımı
Şekil 1’de, bir lastiğin çekiş gücü elde edilen temas noktasındaki kabuğunun genişletilmiş bir kesiti görülmektedir. Kabuk tarafından uzunlamasına yükün taşınabilmesi için,kabuğun kesme şeklinde deformasyona uğraması lazımdır. Bir cisim içindeki paralel yüzeylerin paralelliğini koruyarak kendilerine paralel doğrultudaki deformasyona kesme deformasyonu denir. Fakat, temas alanının giriş ve çıkış bölgelerinde kabuk tarafından bir yük taşıma söz konusu değildir,çünkü kabuk yolla temas halinde değildir. Dolayısıyla bu bölümde kesme deformasyonu oluşmamaktadır. Deformasyon, giriş bölgesinin arkasından itibaren gitgide artan bir şekilde gelişir ve kabuğun üst ve alt kenarları arasında rölatif bir hareket meydana getirir. Bu demektir ki, kabuğun yolla temas ettiği yerde, kabuğun üst ve alt kısımları farklı hızlarda hareket etmektedir.
Lastiğin çıkış bölgesinde (lastiğin yoldan ayrılmaya başladığı bölge); kabuk üzerindeki yük yolla temas kesilmeye başladığı için azalmaya başlamaktadır. Yükün azalmaya başlaması ile birlikte dış kabuğun alt kesiminin üst kısma göre yavaş olan hızı, kesme deformasyonunun azalmaya başlaması ile birlikte ve lastiğin yay özelliği sebebiyle yeniden eski haline dönmek istemesinden dolayı artmaya başlayacaktır. Basitçe söylemek gerekirse, dış kabuğun alt ve üst kısımlarının hızları çıkış bölgesinde yeniden eşitlenmeye başlayacaktır. Alt ve üst kısmın hızının bir anda eşitlenmesi mümkün değildir. Bu yüzden lastikle yol arasında bir anlık bir kayma meydana gelir. Çekiş kuvveti büyümeye başladıkça kesme deformasyonu da artmaya başlayacaktır. Artan kesme deformasyonundan dolayı ise, kabuk kısmının alt ve üst yüzeyleri arasındaki hız farkı artmaya başlayacaktır. Oluşan hız farkı ise kayma bölgesinin büyümesine sebep olacaktır (kayma bölgesi, hız arttıkça çıkış bölgesinden giriş bölgesine doğru büyümeye devam edecektir). Kayma bölgesi, lastiğin giriş bölgesine ulaştığı anda ise, artık tekerlekler üzerinden yola herhangi bir çekiş kuvvetinin aktarılması mümkün değildir (kayma bölgesinin, temas yüzeyinin girişine, yani giriş bölgesine ulaştığı anda tekerlekler spin atmaya başlamış demektir). Kabuktaki hız farkı, çekişi oluşturan kuvvetin etkisindeki bir ölçü olarak ortaya çıkmaktadır ve kayma oranı tanımının oluşmasına katkıda bulunmaktadır. Kayma oranı, kabuktaki hız farkının gerçek yol hızına oranıdır. Frenleme esnasında, bu sistem tam tersi olarak meydana gelir.
Kabuktaki yükler deforme olan lastiğin yan duvarları vasıtası ile tekerleğin bütününe iletilmektedir. Bu deformasyon, aynı zamanda kayma oranını da etkilemektedir. Kayma oranı, ABS ve çekiş kontrol sistemleri tarafından ölçülür, böylece lastiğin ne zaman kilitleneceği veya spin atacağı tespit edilmiş olur.
Şekil 2 – Lastik Yanal Kuvvet Dağılımı
Yanal kuvvetlerin oluşumu da benzer şekildedir. Şekli 2’de görüldüğü gibi dış kabuk kısmı yanal olarak deformasyona uğramakta ve çıkış bölgesinde lastik yeniden eski haline dönerken (alt ve üst bölge hızları eşitlenir iken) oluşan kayma bölgesi, bir önceki model ile benzer olup bu sefer uzunlamasına yönde değil yanal doğrultuda oluşmaktadır. Yanal deformasyonun oluşumunun nedeni, lastiğin dönüş yönünün aracın dönüş yönünden herhangi bir şekilde farklı olmasıdır. Direksiyonun en ufak bir hareketinde dahi lastik üzerinde yanal deformasyon oluşmaktadır. Araç hareket yönü ile lastiğin dönüş yönü arasındaki açısal fark kayma açısı olarak adlandırılmaktadır. Lastik döndükçe kabuk ve yol arasındaki herhangi bir temas noktası lastik merkezine göre köşelere doğru yer değiştirir ve böylece kabuk yanal yönde de kesme gerilmesine maruz kalır (yanal kesme deformasyonunun oluşabilmesi için lastik yönünün aracın hareket yönünden sonsuz küçük açıda kadar farklı olması yeterlidir, lastiklerin viraj girişi ve çıkışlarındaki tüm direksiyon hareketleri ve yüksek hızdan dolayı aşırı yanal kesme deformasyonuna uğrarlar). İki yön arasındaki fark kayma açısını vermektedir. Uzunlamasına yükler lastik yan duvarlarının yardımı ile tekerlek bütününe iletildikleri gibi yanal deformasyonlardan dolayı oluşan kuvvetler de yan duvarlar yardımıyla tekerlek bütününe iletilirler. Kayma açısının büyümesi ile birlikte, dış kabuktaki yanal kesme yükü artmaya başlar ve kesme yükünün artmaya başlaması ile birlikte şeklide görülen kayma alanı lastiğin yol temas alanının giriş bölgesine doğru ilerlemeye başlar. Kayma alanı giriş bölümüne ulaştığında ise lastik üzerinde yük kuvvet taşınamaz duruma gelmiştir. Bu durumda ise lastik yan tarafa doğru kaymaya başlayacaktır.
Yanal kuvvet bir başka yolla daha oluşturulabilir. Eğer lastiklere kamber verilirse (kamber açısı; kavis açısı-otomobil tekerleğinin düşey düzlemden dışarı doğru yapmış olduğu açı bu konuya ilerleyen bölümlerde daha detaylı olarak değinilecektir.) temas yüzeyinde, kavis eğim açısından dolayı oluşan temas yüzeyinin deformasyonu, kamber itiş kuvvetini oluşturur. Lastiğin dönüşü esnasında, deformasyona uğramış olan yüzey yapısı itibari ile yeniden doğrusallaşmaya (düzelmeye) zorlandığından dolayı yanal bir kuvvet oluşur. Oluşan bu etki daha geniş bir tabanlı lastikte, daha az kullanışlıdır. Gerekli olan kamberi yaratmak lastiğin belirli bir kenar kısmını gereğinden fazla yüklenmesine sebep olabilir.
Lastiğin dış kabuk kısmı, uzunlamasına ve yanal kuvvetleri, mekanik iç kilitleme ve moleküler bağ yapısının bir kombinasyonu ile yol yüzeyine iletir. Yol yüzeyi düzensiz olduğu için, kabuğun kauçuğu bu düzensizliklerin içine doğru deforme olarak yolu kavrama işlemini gerçekleştirir. Lastiğin yol yüzeyini ne kadar sıkı kavradığı, yol yüzeyinin detaylarına, kesme gerilmesinden ne kadar kurtulabildiğine, kauçuk sertliğine (ki bu lastik sıcaklığına bağlıdır) ve ivmelenmesinde aşınmalara sebep olan kesme kuvvetinden korunabilme kabiliyetine bağlıdır. Lastikteki bu iletimi sağlayan moleküler bağı ise temel anlamda basit post it (not kağıtları) kağıtlarına benzetmek mümkündür. Bu kağıtlar istenilen bir yüzeye yapışabilirler fakat daha sonra hareket ettirilebilirler ve sökülebilirler. Bağ yapısı, yapıştırıcıdan ve yapıştığı yüzey materyalinden daha zayıf bir yapıya sahiptir. Post it kağıtlarına benzer olarak, kabuktaki kauçuk malzemesi yüzeylere diğer maddelerden daha iyi yapışabilmektedir. Bu sebeple lastiğin malzeme bileşimi üzerine çalışan mühendislerin yol yüzeyini makro ve mikro düzeylerde inceleyerek, sıcaklık faktörünü de göz önüne alarak en iyi malzeme bileşimini seçmeleri gerekmektedir.
2- LASTİK DİZAYN KARAKTERİSTİKLERİ
2.1- Lastiklerin Konstrüksiyonu:
Lastikler çok kompleks kompozitlerden imal edilmişlerdir. CFR, karbon fiber karışımı, kevlar, cam, çelik, suni tekstil fiberi, naylon, yada doğal pamuk fiberi ve eklenebilen spesifik materyaller birlikte uygun yönde, uygun imalat yöntemi ile birleştirilerek kauçuk kalıbında (lastiğin döküm kalıbında) bir araya getirilirler. Fiber materyallerinin birleştirilme yöntemleri, birleştirilme yönleri ve kauçuk spesifikasyonları; lastik kısımlarından istenen özellikler doğrultusunda lastik bütününde farklılıklar arz etmektedir. Bir yarış lastiğinin konstrüksiyon prensiplerinin daha net olarak anlaşılabilmesi için, normal basit bir yol lastiği ile aralarındaki farklılıklar incelenebilir.
Eğer bir iç tüp alınıp ve hava ile şişirmeye başlanırsa, çevre çemberinin çapı ve tüpün çapı yükselen basınçla birlikte artmaya başlayacaktır. Bu şekilde ne tekerlek üzerinde kalabilecek ne de patlamadan yüksek basınçlı halde durabilecektir. İç lastik kısmının kabuğu iki yararlı özelliğe sahip olmalıdır:
1- Lastikte kılavuz çemberler (Halkalar) bulunmalıdır. Bu halkalar sayesinde oluşan çevresel yükler ile lastiğin çapının değişimi korunmaktadır. Kullanılan bu çevresel halkalar için çelik halatlar kullanılmaktadır.
2- Lastikler gerilmelere karşı rijit davranan, bükülmeye karşı daha esnek olan ve iki ana çelik çember arasında bağlı bulunan iç tüpün çapının büyümesini önleyecek yapıdaki iplikçiklere sahip olmalıdır. Bu iplikçikler çeşitli fiber-kevlar veya yarış lastikleri için özel olarak imal edilen düşük ağırlıklı karbon yapılardan oluşabilirler.
Tekerlek bütünü ile halkalar yeteri kadar iyi monte edilebilir, jant kısmı ile de düzgün bir birleştirme sağlanıp hacim iyi bir şekilde hapsedilirse iç lastik kullanımından kaçınılabilir (Şekil 3).
Şekil 3 - Kemeri Bulunmayan Radyal Lastik
Bu sistem ile daire şeklinde, yuvarlak silindirik tüp şekilde, büyük sapmalara sebep olmadan yük taşıyabilecek şekilde yüksek basınçlara kadar şişirilebilen bir lastik elde etmek mümkündür. Fakat bu şekil geniş bir yarış lastiği için yanlış bir konstrüksiyon seçimidir. Daha geniş ve düz tabanlı bir lastik elde edebilmek için kauçuk ve fiberden üretilmiş olan kemer olarak adlandırılan daha rijit bir kısım lastiğin üst kısmına monte edilmelidir (Şekil 4). Bu sistem “kemer” olarak adlandırılır ve yine katı, hafif ağırlıklı fiberler kullanılmıştır. Kemer kısmının sahip olması gereken ideal flexibiliteyi (esnekliği) sağlayan kevlar modeli lastik konstrüksiyonu için ideal fiber konstrüksiyonunu oluşturmaktadır. Kemer, iç basınç yüklerinin karşılanması işlevinin yanı sıra lastiğin dönme esnasında oluşturduğu merkezcil kuvvetlerin karşılanmasında da yardımcı olmaktadır.
Çevredeki kılavuz halkaları birbirine bağlayan fiberler tamamen radyal bir biçimde tasarlanabileceği gibi (radyal lastikler) belirli bir açı ile çapraz şekilde kat kat da tasarlanabilirler (çapraz katlı lastikler) - (Şekil 5). Bu fiberler kord ipliklerinin çevresinden dolanarak, dış kabuktaki yükleri tekerlek bütününe iletirler. Fiberler, dönel kuvveti ve uzunlamasına yükleri istenilen şekilde transfer edebilmeleri için eğim açısına sahip olmalıdırlar. Tamamen kusursuz üretimi yapılmış olan radyal lastiklerde bu eğim açısını sağlayabilmek için lastik bükülerek yapısında gerekli deformasyonu sağlar.
Radyal yarış lastikleri çok büyük torklar iletmek zorundadırlar, ve aşırı burulma istenmeyen bir durumdur çünkü burulmadan dolayı oluşan burulma titreşimleri pik kayma açısının aşırı derece büyümesine neden olurlar. Dolayısıyla, radyal lastiklerde bile kordlara doğru bir ilk eğim mevcuttur. Alternatif kord tabakaları, pozitif ve negatif eğim açılarıyla yapılarak frenleme ve hızlanma torklarının iletiminin sağlanması gerçekleştirilir.
Şekil 4 – Kemerli Radyal Lastik
Şekil 5 – Radyal ve Çapraz Katlı Lastiklerde Bağ Yapısı
Kordlardan oluşan lastik yan duvarları uğradıkları deformasyon açısından istenilen yükü dış kabuktan teker bütünün iletebilecek kadar iyi yapıda değillerdir. Yan duvarları istenilen kadar sertleştirebilmek ve aynı zamanda kayma açısını da küçük tutabilmek için lastik yan duvarları olabildiğince kısa tutulur ve ek olarak fiberle güçlendirilmiş kauçuklu ek bir katmanla sağlamlaştırılırlar (Şekil 6). Bu sayede kenar duvarlar birer dirsek veya kiriş görevi görerek yanal yüklerin iletilmesine katkıda bulunurlar. Halkadan omuza geliştirilmiş sertlik (katılık), lastiğe istenen karakteristiğin verilmesi için iyice ayarlanır. Kabuk kauçuğu kemerin çevresine sardırılmıştır.
Şekil 6 – Yan Duvarın Katılaştırılması
Bu özellikleri sağlayacak şekilde hazırlanan konstrüksiyon ve malzeme kompositleri bir araya getirilerek kauçuk ergiyiği ile birleştirilerek; şişirme işleminden sonra fiberlerde gerilme sağlanabilecek, sertlik karakteristiklerine uygun, ivmelenme, frenleme, viraj giriş ve çıkışlarında istenilen dikey, yanal ve uzunlamasına yükleri taşıyarak istenilen performansı elde edebilecek hale getirilmiş olur.
Lastiklerin imalatında kullanılan kauçuk konstrüksiyon kompozitlerinin bileşimleri çok iyi saklanan sırlardır. Her parça, kabuk kauçuğu (sürtünme özellikleri önemlidir) veya yan duvar (katılık ve sönümleme önemlidir) olmasına göre farklı bir formüle sahiptir. Lastiğin ısınmasına sadece iletilen güç ve absorbe edilen enerji sebep olmamaktadır, ayrıca hareket esnasındaki dikey, yatay yükler ve oluşan yamukluklar ve deformasyonların hepsi de ısınmaya yol açmaktadır. Lastiğin ana iskeletindeki kauçuğun lastikteki titreşimleri sönümlemek için bir miktar sönümleme özelliğinin olması istenmektedir, ancak bu özelliğin çok fazlası yan duvarlarda aşırı ısınmaya yol açacaktır, ki bu durum genellikle lastiğin yüksek hızlarda patlamasına yol açan çok tehlikeli bir durumdur. Bunun bir dengeye oturtulması gerekmektedir, ve bu konu kauçuk mühendislerinin önemini ortaya çıkarmaktadır.
Kabuk kauçuğu aşağı yukarı 110-130 °C optimum sıcaklıkta çalışacak şekilde formüle edilir. Sıcaklık daha düşük olursa, yol tutuş düşer, daha yüksek olursa da, kauçuk kabarır. Lastik spin atmadıkça veya çok fazla kaymadıkça, en yüksek sıcaklığa ulaşılmaz, ki bu durumlarda yüzey yanmıştır, fakat kabuk ve iskelet arasında maksimum bozulma meydana gelmiştir. Bu sebeplerle lastik mühendisleri lastikleri hassas uçlarla ölçmelidirler. Lastikleri optimum sıcaklıkta çalışacak şekilde tasarlamak lastik ve şase mühendislerinin ortaklaşa yüklendikleri önemli bir iştir.
Hazırlayanlar: Orkun ÖZENER - Elgün Emre YAMANER
Kaynak: Formula 1 Technology (Peter Wright) |
 |
 |
|
| Diğer Özel Dosya |
|
|
|
|
|
|
|
 |
