Formula Student Tasarla, Üret, Yarış !

group-shot

 

FS-Uni-Strathclyde-Msport-side

Formula SAE, 1981’de ABD’de SAE (Society of Automotive Engineers) tarafından, endüstriye kalifiye mühendisler yetiştirme amacıyla üniversiteler arasında düzenlemeye başlanan yarışmadır. ABD dışındaki ülkelerde genellikle “Formula Student” adı altında yapılmaktadır. Formula Student’ta öğrenciler açık tekerlekli, Formula konseptinde bir araç tasarlar, üretir ve testlerini yapar.

 

Günümüzde 14 ülkede bu yarışma düzenlenmektedir (ABD, Almanya, İngiltere, İtalya, Avusturya, İspanya, Macaristan, Çek Cumhuriyeti, Rusya, Çin, Japonya, Avustralya, Brezilya, Hindistan) Tüm yarışmalar bazı ufak değişiklikler dışında aynı temel kurallara bağlıdır. Formula SAE kural kitabı yaklaşık 190 sayfadır. Bu kurallar araç konseptini çok kısıtlamamaktadır ve daha çok güvenliğe ve yarışma düzenine yöneliktir. Araçlar yarışmada dikkatle incelenerek, kural kitabına uymayan veya güvenli bulunmayan araçlar yarışmanın pist üzerindeki etaplarına katılamazlar.

 

Yarışmanın Kısımları ve Puanlama

Mühendislik Tasarımı  (Engineering Design)  (150 / 1000)

Bu kısım yarış aracının mühendislik açısından tasarımını içerir, görsel tasarım ön planda değildir. Yarışmaya gelmeden önce hakemlerin incelemesi ve fikir edinmesi için 8 sayfalık kısa bir “Tasarım Raporu” jüriye sunulur. Yarışmada belli bir süre içerisinde (genellikle 45 dk – 1 saat) Tasarım aşamasında verilen kararlar, uygulanan konseptler, bilgisayar destekli yapılan tasarım ve analizler bu kısımda yer alır. Öğrenciler jüri karşısında bu aşamada neyi neden yaptığının cevabını verir.

Maliyet ve Üretim  (Cost & Manufacturing)  (100 / 1000)

Araç üzerinde yer alan her parçanın maliyetini belirtmelidir. Tasarım aşamasında maliyet/performans oranını aşağıda tutabilecek tasarımlar bu bölümde takımlara ekstra puan kazandırmaktadır. Araç üzerindeki bir parçayı tedarik etme yada üretme kararları bu aşamada jüriye sunulur.

İş Sunumu  (Business Presentation)  (75 / 1000)

Bu bölümde profesyonel bir firma gibi, jüriye bir iş sunumu gerçekleştirilir. Firmanızın işleyişi, stratejileri burada sunulur.

Skid-Pad  (75 / 1000)

Bu etapta sürücü 15 metrelik daire çaplarına sahip 8 şeklindeki pistte 2 kez tur atar. Her sürücünün 2 deneme hakkı vardır. Amaç bu etabı en kısa sürede tamamlamaktır.

Hızlanma  (Acceleration)  (100 / 1000)

Bu etapta araç başlangıçta durağan halde 75 metrelik bir düzlük üzerinden hızlanır. Her sürücünün 2 kez deneme hakkı vardır. Amaç bu etabı en kısa sürede tamamlamaktır.

Autocross  (125 / 1000)

Bu etapta araç 800 metrelik bir pistte zig zaglı bir yolda hareket eder. Her sürücünün 2 deneme hakkı olduğu etabı takımlar en kısa sürede tamamlamaya calışırlar.

Dayanıklılık  (Endurance)  (275 / 1000)

Önceki tüm etapları geçen takımlar dayanıklılık yarışına katılmaya hak kazanır. Bu etapta 22 kilometrelik bir mesafe kat edilir. 11 Km bir sürücü, 11 km diğer sürücü yarışır. İlk 11 km sonunda sürücü değişimi yapılır. Pist üzerinde araçlar birbirini ancak geçiş bölgesi adı verilen kısımlarda geçebilir. Önemli olan yarışı başarıyla en kısa sürede ve mümkün olan en az yakıtı tamamlamaktır. Tüm yarışmanın en zor etabıdır. Az sayıda araç bu yarışı tamamlayabilmektedir.

Yakıt Ekonomisi  (Efficiency)  (100 / 1000)

Bu değerlendirme aracın dayanıklılık yarışı sonucunda aracın tükettiği yakıt miktarına göre yapılır. Az yakıt tüketen takım daha fazla puan kazanır.

 

Formula Student Araçlarının Performansı

Formula Student araçları yarışmanın hızlanma bölümünde 75 m mesafenin sonunda saatte 100 km’yi aşan, bazen 120 km’ye varan hızlara ulaşmaktadır. 2015 Formula Student’ta hızlanmada 1. olan ETH Zurich’in elektrikli aracının derecesi 3,724 saniye iken, Wroclaw University of Technology’nin 4 stroklu 4 silindirli 600cc benzin motorlu aracının derecesi 3.879 saniyeydi.

 

Yarışma kurallarının olmadığı ortamda sırasıyla Delft University of Technology, Akademischer Motorsportverein Zürich ve Stuttgart takımları tarafından elektrikli araçlarda 0-100 km/h hızlanmada dünya rekoru kırıldı. Stuttgart Üniversitesi’nin rekoru 1,779 saniye.

 

Virajlar söz konusu olduğunda da Formula Student araçları son derece performanslıdır. Aerodinamikten faydalanarak yere basma (downforce) kuvveti üreten araçlarda yerçekiminin 2 katına ulaşan (2 G) yanal ivmeler, hızlanma ve frenleme ivmeleri görülmektedir.

 

Performans için en önemli kriterlerden biri hafifliktir çünkü hafif bir araç daha çabuk hızlanıp yavaşlayacak,daha hızlı yön değiştirecek ve daha az yakıt tüketecektir. Fakat hafiflik, zorlu şartlarda yarışan bu araçların dayanımından ödün vermeden sağlanmalıdır. Bu da zorlu bir tasarım, mühendislik, üretim ve test sürecini gerektirmektedir. Yarışmada minimum ağırlık sınırı olmaması bunu daha da zorlaştırmaktadır.

 

Araçlarla İlgili Bilgiler

 

Motor:

 

Yarışmada içten yanmalı ve elektrikli motorlar kullanılabilmektedir.

 

İçten yanmalı motorlar 4 stroklu pistonlu olmak zorundadır (2 stroklu, Wankel vb. olamaz). Yakıt olarak benzin veya E85 (%15 benzin, %85 etanol) kullanılabilir. Hacim sınırı 610 cc’dir. Turbo, süperşarj ve her türlü modifikasyon serbesttir.

 

Benzinli motorlarda hava 20 mm’lik bir delikten, E85 kullanan motorlarda 19 mm’lik bir delikten alınmak zorundadır. Bu hem motorun maksimum gücünü kısıtlamakta, hem de öğrencileri motoru yeniden kalibre etmek zorunda bırakmaktadır. Kalibrasyon temelde bir benzinli motor için, hangi devirde ve hangi gaz kelebeği açıklığında ne kadar yakıt püskürtüleceğinin, aynı şekilde ateşleme avans açısının ne kadar olacağının belirlenmesidir ve birçok değişkenden etkilenir. Havanın küçük bir delikten alınması orjinalinde böyle bir kısıtlama olmayan motorun kalibrasyonunu bozmaktadır. Yeni bir kalibrasyon için aylar süren bir çalışma ve motorun dinanometrede test edilmesi gerekmektedir. Çoğu takım kalibrasyonu piyasada bulunan Elektronik Kontrol Üniteleri (ECU) aracığıyla yapmaktadır, bazı takımlar ise kendi ECU devrelerini tasarlayarak bunu yapmaktadır.

 

Yarışmada genellikle 600 cc 4 silindirli motorlar (spor motosiklet motoru) ve 450 cc tek silindirli motorlar (motokros tipi motosiklet motoru) kullanılmaktadır. 4 silindirli motorlar daha güçlü ve dayanıklı olabilmekte iken, tek silindirli motorlar ağırlık avantajı sağlamaktadır.

 

4 silindirli 600 cc motorlar orjinal haliyle maksimum 120-130 beygir güç üretebilmekteyken iç aksamında modifikasyon yapılmamış bir motor kısıtlamadan sonra bazı takımların verilerine göre maksimum 80beygir civarında güç üretebilmektedir.

 

Nadir de olsa kendi içten yanmalı motorunu tasarlayan takımlar bulunmaktadır. Örneğin Almanya’dan Karlsruhe Institute of Technology takımı (Ka-Raceing) ünlü bir motor üreticisi firma aracılığıyla ürettikleri, kendi tasarımları olan 2 silindirli motoru kullanmaktadır. Avustralya’dan Edith Cowan University takımı ECU Racing, piyasadaki bir 4 silindirli motosiklet motorunun bazı temel parçalarını kendi tasarladıkları motor bloğu içerisinde kullanmaktadır. Yine Almanya’dan Stuttgart Üniversitesi takımı Rennteam Stuttgart ise piyasadaki 4 silindirli bir motosiklet motorunu, iç aksamında birçok değişiklik yaparak kullanmaktadır.

 

Elektrikli motorlarda bataryadan çekilen maksimum güç sınırlaması 80 kW’tır ve voltaj sınırlaması vardır. Bunlar sürekli kayıt halinde olan bir cihaz ile ölçülür ve uymayan takımlar cezalandırılır.

 

Elektrik motorları içten yanmalı motorlara göre çok daha verimlidirler ve sürekli tork eğrileri sayesinde daha performanslıdırlar. Dezavantajları ise bataryalarının ağır ve pahalı olması, şarj sorunu, elektrik enerjisinin üretimi ve depolanması sorunları, bataryalar ve yüksek voltaj nedeniyle daha çok güvenlik önlemi gerektirmeleridir. Ayrıca verimli, performanslı ve hafif elektrik motorlarının fiyatları içten yanmalı motorların çok üzerindedir. Bunlara rağmen Formula Student’ta elektrikli araçların sayısı giderek artmaktadır. YTU Racing de elektrikli araç üretme konusunda çalışmalara başlamıştır.

 

Şasi:

 

Şasi yarışmada güvenlik nedeniyle en çok kurala tabi olan parçadır. Aracın iskeletini ve sürücüyü koruyan “yaşam hücresini” oluşturur. Yarışmada malzeme ile ilgili fazla kısıtlama yoktur. Kullanılan malzemeler genelde çelik, kompozit ve alüminyumdur.

 

Çelik şasiler oldukça hafif borulardan kafes yapı şeklinde tasarlanıp üretilmektedir. Bazı tecrübeli takımlar da şaside çeliği tercih edebilmektedir. Sebepleri maliyet, üretim imkanları, tamir ve değişikliğin kolay olması, kuvvetlerin yapı üzerindeki etkisi konusundaki öğreticiliği ve öğrencilerin üretim sürecine daha çok dahil olabilmesidir. Kompozit panellerle güçlendirilmiş kafes yapılar da kullanılmaktadır.

 

Kompozit malzemelerde en çok kullanılan karbon fiber ve daha sonra alüminyum petektir. Karbon fiber monokok şasiler çelik şasilerden yaklaşık %30 – %40 daha hafif ve aynı zamanda rijit olabilmektedir. Alüminyum petek panelden yapılan monokok şasiler de maliyet, üretim imkanları vb. nedenlerle tercih edilebilmektedir. YTU Racing yakın bir gelecekte karbon fiber monokok bir şasi ve bu şasiyi kullanan bir araç üretecektir.

 

Alüminyum kafes yapılı şasi kullanan takım sayısı çok azdır. Bunun sebebi kaynak işlemi gören bir alüminyum alaşımının ısıl işlemden önceki haline geri dönmesi ve mukavemetinin önemli derecede azalmasıdır. Bu da kurallar konusunda gereken yeterliliği sağlamak için üretimden sonra gerekecek her ek kaynak işlemini takiben şasiyi yeniden ısıl işleme sokmayı gerektirmektedir.

 

Süspansiyon Sistemi:

 

En az kurala tabi olan sistemlerden biridir. Araçlarda çalışan bir süspansiyon sistemi olması şarttır ve tekerleklerde en az 1 inç yukarı ve 1 inç aşağı harekete izin vermelidir. Kullanılan bağlantı elemanları kuralları sağlamalıdır.

 

Süspansiyon sisteminde neredeyse tüm takımlar paralel olmayan, farklı uzunlukta çift salıncaklı sistem kullanmaktadır. Bunun amacı hafif bir sistem oluşturmak, ivmelenmeler sırasında şasinin hareketlerini kontrol altında tutmak, ayrıca süspansiyonun hareketi esnasında tekerleğin optimum şekilde yere temas etmeye devam etmesini sağlamaktır.

 

Şasinin devrilme momentini ve aracın dengesini kontrol altında tutmak için çeşitli anti-roll bar mekanizmaları da kullanılmaktadır.

 

Takımların neredeyse tamamı hazır, ayarlanabilir amortisörler kullanmaktadır.

 

Lastikler:

 

Lastikler aracın yolla temasını sağlayan, bütün kuvvetleri aktaran ve bu yüzden toplam performansı etkileyen en önemli bileşenlerden biridir. Yarış araçlarının lastikleri, değişik zemin koşullarında çalışması ve uzun ömürlü olması gereken binek araç lastiklerinden farklıdır.

 

Kuru ve temiz bir zeminde ve asfalt pistte kullanılan yarış lastikleri dişsiz olmaktadır çünkü yüzey alanının artması, sürtünerek değil kısmen yapışarak yere tutunan bu lastiklerin yere aktardığı kuvvetin artmasını sağlamaktadır. Ayrıca yüksek sıcaklıklarda bu lastikler oldukça yumuşak olmaktadır.Dişli olması halinde bu dişler kolaylıkla deforme olur hatta lastik parçalanmaya başlayabilir. Bu yüzden dişli bir lastik yapmak daha sert ve dayanıklı bir lastik üretmeyi gerektirir ki bu da tutunmayı azaltır.Bu nedenlerden dolayı kuru zemin lastikleri dişsizdir.

 

Pistin ıslak olması durumunda ise oluşan su filmi ve düşen sıcaklık nedeniyle kuru zemin lastikleriyletutunma çok çok azdır ve aracı kontrol edebilmek de neredeyse imkansızdır. Bu nedenle ıslak zemin için kullanılan lastikler suyu tahliye edebilmek için dişlidir, optimum çalışma sıcaklıkları da daha düşüktür. Kuru zeminde bu lastikleri kullanmak performans kaybına ve lastiğin ömrünün kısa olmasına sebep olur.

 

Formula Student’ta, yarışmaya özel üretilen belli lastik markaları ve hamurları birçok takım tarafından kullanılmaktadır. Bu lastiklerin ömürleri 100-150 km civarındadır.

 

Fren Sistemi:

 

Güvenlik ve dayanıklılık açısından kritik olan fren sistemi iki devreli olmak zorundadır. Böylece bir devrenin arızalanması halinde diğeri aracı durdurabilir. Güvenlik nedeniyle sistem mekanik olmalıdır, brake by wire sistemleri yasaktır. Ön-arka fren dengesinin ayarlanabilmesi amacıyla devreler ön ve arka olarak ayrılır.

 

Ön-arka fren dengesinin ayarlanabilmesini denge çubuğu (balance bar) sağlar. İki fren merkezi arasında denge noktasının kaydırılabilmesini sağlayan bu sistem, ön veya arka fren merkezine daha fazla kuvvet uygulanabilmesini sağlar böylece istenen ayar bulunarak daha dengeli ve verimli bir frenleme gerçekleştirilebilir. Dengenin kokpitten ayarlanabilmesi de sağlanabilir. Böylece sürücü yarış içerisinde değişen koşullara göre fren dengesini ayarlayabilir.

 

Fren diskleri de hem performans hem güvenlik açısından önemlidir. Formula Student’ta genellikle dökme demir veya çelik diskler kullanılır. Oldukça ince diskler kullanıldığından çarpılmaya karşı önlem olarak yüzer (floating) diskler kullanılabilmektedir. YTU Racing de 2015’te kendi tasarımı olan yüzer diskler ile yarışmaya katılmıştır.

Aktarma Organları:

 

Yarış aracında sürekli hızlanma ve yavaşlamalar, ani kalkışlar nedeniyle en çok zorlanan organlardan biridir. Son dişliler, zincir (genellikle), diferansiyel ve akstan oluşur.

 

4 silindirli motosiklet motorlarının sıralı şanzımanları genelde 6 ileri viteslidir. Yarışmadaki oldukça virajlı ve dar parkurlar nedeniyle takımlar bunun 2, 3 veya 4 kademesini kullanabilmektedir. Bu şanzımanlarda geri vites yoktur ki yarışmada da güvenlik nedeniyle geri viteste sürüş yasaktır.

 

Yarışmada genellikle hazır diferansiyeller kullanılmaktadır. Yükün az olduğu tekerleğin patinajda kalmasını önlemek için Torsen veya sınırlı kaymalı (limited slip) tip diferansiyeller sıklıkla kullanılmaktadır. Kilitleme oranı genellikle ayarlanabilir olmaktadır.

 

Aks sisteminin tasarımı, malzeme ve üretim kalitesi hem hafiflik, hem de zor şartlara dayanıklılık açısından önemlidir.

 

Karoser:

 

Aracın kabuğunu oluşturur. Karbon fiber, cam fiber gibi kompozitlerin sık kullanıldığı bir elemandır. Karoserden beklenen yaşam hücresini tamamen kapatması, düşük bir hava direnci sağlaması ve hafif olmasıdır. Yarışmada performans ön plana çıktığı için görsellik ikinci planda kalabilmektedir.

 

Aerodinamik:

 

Formula Student’ta kanat, difüzör gibi aerodinamik elemanlar serbesttir. Boyutları ve yerleri kurallarla kısıtlanmıştır. 2014’e kadar çok daha büyük kanatlara izin verilirken 2015’te hem takımları yeniliğe zorlamak hem de yan rüzgarlar nedeniyle virajlarda araçların devrilmesini önlemek amacıyla boyutlar küçültülmüştür. Kanatlar hafif olması için genellikle karbon fiberden yapılmaktadır. Tasarımı ve üretimi ve zaman alıcı ve maliyetli olduğundan bazı takımlar kanat yapmayı tercih etmemektedir fakat kanatlı araçların sayısı giderek artmaktadır. YTU Racing de bu konudaki çalışmalara başlamıştır.

 

Emme Manifoldu:

 

Motora alınabilecek maksimum miktarda havayı alarak mümkün olan en fazla gücü elde etmek açısından kritik bir elemandır. İçten yanmalı motorlar kısıtlayıcıda havanın ses hızına ulaşması ve daha fazla hava alınamaması nedeniyle belli bir noktadan sonra daha fazla güç üretememektedir. Bu olayın olabildiğince yüksek devirde gerçekleşmesi tasarıma bağlıdır. Silindirlere eşit hava dağılımı sağlamak da amaçlardan biridir. Tasarımın iyileştirilmesi için akış analizleri kritik rol oynar.

 

Emme manifoldları Formula Student’ta genellikle alüminyum, karbon fiber veya 3D printer kullanılarak yapılmaktadır.

 

Egzoz Sistemi:

 

Yine motorun performansı için kritik olan sistemlerden biridir. Analizler yapılarak akış iyileştirilmeye çalışılır. Rölantide 100 dB, her motor marka ve modeli için ayrıca hesaplanan belli bir devirde ise 110 dB ses sınırı vardır ve egzoz sistemi ses düzeyini etkilemesi açısından da önemlidir.

 

Fromula Student’ta egzoz sistemlerinde daha çok paslanmaz çelik kullanılmaktadır. Titanyum gibi daha hafif ve pahalı malzemeler de nadiren kullanılmaktadır.

 

Soğutma Sistemi:

 

Motorun güvenliği açısından kritik olan sistemlerden biridir. Havayı en verimli şekilde kullanacak bir radyatör yerleşimi, boyutlandırması ve bekleme ile geçen süreler için fan seçimi yapılmaya çalışılır. Pompa, sistem basıncı vb. alanlarda da değişiklikler yapılabilmektedir. Sistemin hem hafif, hem de en zor koşullarda yeterli olması gerekmektedir.

 

Yarışma sırasında sistemde antifriz vb. herhangi bir katkı maddesi yasaktır. Soğutma sistemi de dahil araçta herhangi bir sıvı sızıntısı olması halinde araç devrilme testini geçemez, yarışta ise diskalifiye edilir.

 

Pedal Sistemi:

 

Sürücünün araç üzerindeki hakimiyeti açısından oldukça önemli olan bir sistemdir. Sürücüye olan uzaklığının veya bazı özelliklerinin ayarlanabilir olması avantaj sağlar. Basit gibi gözükse de bir yarış aracında birçok mekanizmanın ayarlanabilir şekilde düzgün çalışmasını gerektirir. Tercihe göre gaz, fren ve debriyaj olmak üzere 3 pedallı veya gaz ve fren olmak üzere 2 pedallı yapılmaktadır.

 

Fren pedalının çelik, alüminyum veya titanyumdan olması şarttır ve 2000 N kuvvete (yaklaşık 200 kg) dayanması gerekmektedir. Hakemler teknik inceleme esnasında uygulayabilecekleri maksimum kuvvet ile bunu test ederler.

 

Vites Geçiş Sistemi:

 

Vites geçişinin hızlı ve sorunsuz olması bir yarış aracı için oldukça önemli saniyeler kazandırabilirken, arıza yaşanması yarışın sona ermesine neden olabilir. Formula Student’ta çok çeşitli vites değiştirme sistemleri ve mekanizmaları kullanılmaktadır. Motosiklet motorlarının sıralı şanzımana sahip olması nedeniyle basit mekanik bir kol güvenilir ve düşük maliyetli bir seçenek olarak hala birçok takım tarafından kullanılmaktadır. Bunun yanında elektronik veya pnömatik sistemler de direksiyon üzerinde bulunan düğmeler veya mandallar aracılığıyla vites değişimini sağlayabilmektedir. Vites geçişini hızlandırmak amacıyla çeşitli elektronik destek sistemleri de kullanılmaktadır.

 

Darbe Sönümleyici (Crashbox):

 

Kurallar gereği aracın ön kısmında belirtilen minimum boyutlarda bir darbe sönümleyici olması şarttır. Belirli bir malzemeden belirli boyutlarda yapılan standart darbe sönümleyici takımlar tarafından kullanılabilmektedir fakat isteyen takımlar kendi darbe sönümleyicilerini –testlerini yapmak ve sonuçlarını raporlamak şartıyla- üretebilirler. Darbe sönümleyicinin 300 kg’lık bir ağırlığın 7 m/s hızla çarpması esnasında maksimum 40 g, ortalama en fazla 20 g ivme değerlerini sağlaması ve 7350 Joule veya daha fazla enerji sönümlemesi gerekmektedir. Darbe sönümleyiciler genellikle alüminyumdan, kompozit malzemelerden veya darbe sönümleyici köpüklerden yapılmaktadır.

 

Yakıt Sistemi:

 

Yakıt deposu, yakıt pompası, yakıt hattı, basınç regülatörü, rail, enjektör gibi elemanlardan oluşur. Güvenlik kurallarına uygun olması ve her koşulda enjektörlere sabit basınçta yakıt sağlayabilmesi gerekir.

 

Elektrik Sistemi:

Formula Student’ta, Formula 1 ve benzeri yarış serilerinin aksine elektrik-elektronik sistemler üzerinde kısıtlama çok azdır. Kalkış kontrolü (launch control), çekiş kontrolü (traction control), ABS, stabilite kontrolü gibi sürücü destek sistemleri serbesttir. Ağırlık veya maliyet dezavantajı göze alınırsa bu sistemler uygulanabilir. Elektronik gaz kelebeği kontrolü de (ETC) 2015’ten itibaren –birçok güvenlik kuralı içerecek şekilde- serbest bırakılmıştır. Vites geçiş ve debriyaj sistemlerinde, göstergelerde, kanatlarda (DRS vb.) birçok elektronik sistem kullanılabilmektedir.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_DSC4464.jpg