Araç alırken aracın görselliği, konforu, yakıtı gibi unsurlarının yanında en çok bakılan unsurlardan biri de performanstır. Aracın performansını betimleyen bazı bilinmeyen kavramlar araç alacakların kafasında büyük karışıklıklar yaratır. Bu kavramlar aslında tasarımcıların önemle üzerinde durduğu ve eğitimlerini aldığı fiziksel ve matematiksel kavramlardır. Yazımızda bu kavramları açıklayarak araç alacaklara yardımcı bir kaynak oluşturalım.
>> Beygir Gücü Nedir?
>> Güç Paylaşımı
>> Tork Nedir?
>> Otomobil Şeması
>> Hız-Tork Grafiği ve Maksimum Güç Noktası
Performansı belirleyen kavramlara bakacak olursak başlıca; güç, beygir, tork, hız, ivme gibi terimlerle karşılaşırız. Bu terimlerin ekseriyeti Newton fiziğine dayanır ve yıllardan beri gelmiş ve hala aktif olarak kullanılan temel fizik yasalarıdır. Tabii modern fiziğin, Newton fiziğini hız miktarı ışık hızına yaklaştıkça yıkması işlerin rengini değiştirse de günümüzde kullanılan düşük hızlarda modern fizik de Newton fiziğini destekler ve bu yüzden hala günümüzde Newton fiziği aktif olarak kullanılır (Bilhassa mekanikte. Elektronikte daha çok işin içine modern fizik girer). Bu konulara ve modern fiziğe bir başka yazımızda değineceğiz.
Beygir Gücü Nedir?
Şekil 1
Araçlarımızın performans verilerini okurken gördüğümüz bu fiziksel terimlerin hemen hemen hepsi birbiri ile ilişkili durumdadır. En başta beygir gücü, at gücü, hp ve horse power’ın aynı şeyleri ifade ettiğini belirtelim. HP, horse power’ın kısaltılması, horse power ise beygir gücü yani at gücünün ingilizcesidir. En sık duyduğumuz terim olan beygir gücü (hp, horse power (at gücü)) ile terimleri açıklamaya başlayalım ve bağlantılarla diğer terimlere doğru inelim. Beygir gücü otomobil ve motorlu araçların güçlerinin belirlenmesi amacı ile kullanılmış bir terimdir.
Günümüzden yaklaşık 150-200 yıl önceye dayanan bir terim olan beygir gücü, yük taşımayla ilgili benzetmeyle meydana gelmiştir. Önceleri 100 beygirlik bir araba denildiğinde 100 adet atın ürettiği güç anlaşılmaktaydı. Mühendisler bu konuya daha sonra şu şekilde ele almıştır; Ortalama bir atın 75 kg’lık bir kütleyi yer çekimine karşı saniyede 1 metre yer değiştirtmesine bir at gücü demişlerdir. (Şekil 1). Beygir gücü tanımını da ortaya çıkaran ilk mühendis James Watt‘dır (James’in soy ismine dikkat! Sıkça duyduğumuz güç birimi).
Genelde güç birimini watt olarak duyarız ama otomotivde güç genelde beygir cinsinden ifade edilir. Watt ve beygir aynı şeyi yani gücü belli eder sadece aralarında bir dönüşüm oranı vardır. 1 hp yaklaşık olarak 735 watt‘a tekabül eder (Şekil 1). Yani buradan çıkaracağımız sonuç şudur; 100 hp‘lik bir araba 1 saniyede 1 metre boyunca 7500 kg yük taşıyabilir (maksimum). Burada aracımızın hızı dikkat ederseniz 1 m/s (metre bölü saniye) yani 3.6 km/h (kilometre bölü saat) olur. Tabi ki bu veriler gerçekler ile hiçbir zaman bire bir uyuşamazlar çünkü; teorik hesaplarla pratiklik arasında tahmin edilebilen veya edilemeyen birçok değişiklik söz konusudur.
Yukarıdaki hesaplara bakıldığında 100 hp‘lik bir aracın, ortalama 800 kg olduğunu varsayarsanız, 6.7 ton yük taşıyabileceğini hesap edebilirsiniz. Fakat tabii ki bunu 3.6 km/h hızla yapmak durumundadır. Buna rağmen bu durum bile çok zor görülebilir. 3.6 km/h bir insan için bile oldukça yavaş bir hız miktarıdır. Araçlarımızı çoğu zamanda zamandan tasarruf etmek için yani yüksek hızlar için kullanırız.
Güç Paylaşımı
İşte bu noktada gücün paylaşımı ortaya çıkar. Güç araçlarımız da hız ve tork’a pay edilir. Bu paylaşımı ise bize şanzıman (gear box) sağlar. Yani eğer yavaş hızlarla yüksek miktarda yükler taşımak istiyorsak (yokuş çıkarken yer çekimine karşı bir eylem gerçekleştirdiğimizden aslında aracımıza yük koyuyormuşuz gibi düşünebiliriz) şanzımanı yüksek tork elde edecek şekilde (örn. Vites 1) ayarlarız ve böylece hızımızı düşürerek ağır yükler taşıyabiliriz. Eğer yüksek hızlara çıkıp zamandan tasarruf etmek istiyorsak şanzımanı hız elde edecek şekilde ayarlayıp (vites 5-6 vs) düşük torklarda yüksek hızlar elde edebiliriz. Hem yüksek hız hem de yükse tork elde edebilmek için maalesef gücümüzü artırmamız gereklidir. Yani sabit bir güç için hız ve tork ters orantılıdır. Yukarıdaki tanımlamada tork‘u kavramsal olarak kısmen anlamışızdır. Şimdi torku biraz daha irdeleyebiliriz…
Tork Nedir?
Tork aslında dönme kuvvetidir. Kuvvet ise belli bir kütlenin zaman içinde hızlanması veya yavaşlamasını sağlayan veya hareket halindeki bir kütleyi durduran, duran bir kütleyi ise harekete geçiren bir etkidir. Yani tork hareketin ikinci yasası olan F= m.a formülüne dayanır. F kuvvet, m kütle, a ise ivmedir. İvme, zaman içinde değişen hızı belli eder yani; a=V/t (V hız, t zaman). Bu durumda F=m.(V/t) olmuştur.
Şekil 2
Tork’un dönme kuvveti olduğunu söylemiştik. Yani bir merkezden belli bir uzaklıktaki noktanın dönme kuvvetidir. Bunu ifade ederken ise hareket yörüngesinin yarıçapı ve o noktadaki kuvveti vektörel olarak çarpmamız gerekir (vektörel çarpım; ileri matematik konularındandır ve yazımızı genel anlamda anlayabilmek için dikkat etmenize gerek yoktur). Yani arabanın tekerleğini düşünürsek; lastiğin en dışından asfalta yaptığı karşı itme kuvvetinin tekerleğin merkezine olan uzaklığının vektörel çarpımı bize torku verir (Şekil 2). Şekil 2‘de r yarı çap τ tork ve F kuvveti işaret eder. Şekil 2‘deki harekete dikkat ederseniz, salınım yapan topa merkezden r uzaklıkta anlık küçük bir kuvvet uygulanıyor ve kuvvet hareketi sona erdiriyor. Daha sonra ters yöne tekrar küçük bir F kuvveti uygulanıyor ve ters yöne hareket sağlanıyor. Bu sayede şekilden dönme hareketini durduran ve ters yöne harekete geçiren kuvveti ve torku rahatlıkla görebilirsiniz. Hareketimiz boyunca bize eşlik eden açısal ve çizgisel momentum da şekilde gözükmektedir. L=r x p de L açısal momentumu, p çizgisel momentumu ve r yarı çapı ifade eder. momentum ise kısaca bir kütlenin hızla çarpılmış büyüklüğünü niteler (p=m.V). Buradan da enteresan bir bağlantıya daha ulaşırız. Yukarıda kuvveti tanımlarken F=m.(V/t) olduğunu bulmuştuk. Momentin ise p=m.V olduğunu biliyoruz. Bu bağlantılardan F.t=p olduğunu rahatlıkla görebiliriz. Buradan bir kuvvetin bir kütle üzerine belirli bir zaman boyunca uygulanmasının bize momentinin değişimi hakkında bilgi verdiği yargısını çıkarırız. Lise fizik kitaplarında F.t çarpımı genelde itme olarak adlandırılır.
Otomobil Şeması
Yukarıda güç, tork, hız, ivme, moment, kuvvet gibi kavramları tanımladıktan sonra artık bir otomobilin aktarım organlarını (powertrain system) şematik olarak inceleyip, üzerinden tanımlamalara devam edelim ve terimleri daha anlaşılır hale getirelim.
Şekil 3.A – Aktarım Organları (Powertrain System)
Şekil 3.B – Subaru Liberty’nin aktarma organları
Şekil 3‘te bir aracın hareketini sağlayan temel organları gösterilmiştir. Burada motor aracın ana tahrik merkezi olup tüm gücünü gaz pedalına basmamızla birlikte orantılı bir şekilde motor miline aktarır ve motor milini döndürür. Vites ne olursa olsun gaza sonuna kadar bastığımızda aracın maksimum gücü ne ise motor miline aktarılır. Bu güç şanzıman da vites değerine göre hız’a veya tork’a ağırlık verecek şekilde değiştirilir. Şanzıman içerisinde dişliler bulunan bir sistemden oluşmaktadır. bu dişlilerin yerleri değiştirilerek hız ve tork ayarı değiştirilir. Bu işlemi şekil 4‘ü inceleyerek daha rahat anlayabiliriz.
Şekil 4 – Dişli Takımı (Şanzımanın iç yapısı (Temsili))
Şekil 4‘teki dişli takımı düşünüldüğünde; küçük olan dişlinin yarı çapının 10 santim, büyük olan dişlinin yarı çapının ise 20 santim olduğunu varsayalım. Buna bağlı olarak da dişliler üzerindeki diş sayılarının da küçük olan da 100 adet büyük olanda ise 200 adet olduğunu varsayalım. Biraz hayal gücümüzü zorlarsak çapı 10 santim olan dişlinin 2 tur döndüğünde çapı 20 santim olan dişlinin bir tur döndüğünü hayal edebiliriz. Yani fark ettiyseniz motorumuzu büyük çaplı dişliye bağlayıp tekerleğimizi küçük çaplı dişliye bağlarsak motorumuzun mili döndürdüğü hızın iki katını tekerleğe aktarmış oluruz. Tam tersini düşündüğümüzde ise küçük olan dişliye motorumuzun milini bağlayıp büyük olan dişliye tekerimizi bağlarsak bu sefer tekerin iki kat düşürmüş oluruz, fakat bu sefer de torku iki kat artırmış oluruz. Şekil 3 deki şemaya bakarak; Motorumuz motor milini şanzıman miline göre iki kat daha çok döndürür ama bu dönme şanzıman milinde iki kat daha yüksek bir tork elde etmemizi sağlar.
İşte bunlar gibi onlarca dişli şanzıman da bu işleri gerçekleştirir ve motor milinden aktarılan gücün hızı ve torku ile oynayarak gücü şanzıman miline, oradan da tekerleklere aktarır. Tabii ki bu güç aktarımı sırasında millerde ve şanzımanda sürtünme gibi birçok sebepten kayıplar oluşur. Bu yüzden teorik ve pratik birbirinden ayrılır. Şekil 3‘teki L box sadece hareketin yününü değiştirmekle yükümlüdür. Şekil 5 de gerçek bir şanzımana ait ressam çizimini görebilirsiniz.
Şekil 5- Manüel Şanzıman
Hız-Tork Grafiği ve Maksimum Güç Noktası
Şanzımanın, şanzıman miline aktardığı gücün tork ve hız ayarını yapmasını yukarıda anlattık. Tabii ki bu bizim aklımıza araç alırken tork değerlerinin öneminin kalmadığı hissiyatını verebilir. Nasıl olsa tork‘u şanzıman değiştiriyormuş diyebilirsiniz. Bu yanılgıya kapılmadan yalnızca aracın gücüne bakarak seçim yapmayalım. Şekil 3‘ü inceleyerek şunu söyleyebiliriz; Araçların performans verilerini sunarken belirttiği tork ve güç değerleri motorun, motor miline aktardığı güç ve tork değerleridir. Yukarıda otomobil şemasını incelediğimiz bölümde şanzıman üzerinde dururken biz şanzıman‘ın, şanzıman miline aktardığı güç ve tork tan bahsettik. Buradaki ayrımı iyi kavramalıyız. Yani şu şekilde hayal edebiliriz; aynı viteste sadece gaza basarak veya gazı azaltarak aracın hızının artmasını veya azalmasını ve buna bağlı olarak tork değerlerinin değişmesini bekleriz. İşte buradaki tork değişimi grafiklerde belirtilen ve motorların teknolojisine göre değişiklik gösteren torktur. Kimi araçlarda tork düşük hızlarda yüksek, yüksek hızlarda düşük olabilirken kimilerinde yüksek hızlarda tork miktarı yüksek olabilir.
Şekil 6 – Bir Motorun Tork -Hız Grafiği
Yanda bir araca ait hız–tor-güç grafiği mevcuttur. Grafiği incelerken hep Şekil 3‘teki motor milinde olan olaylardan bahsedildiğini unutmayalım. Grafiğe bakıldığında maksimum tork ‘un motor mili ‘nin 3800 rpm de iken olduğunu görürüz. Maksimum gücün ise yaklaşık 5500 rpm hız ve 190 N.m tork’da elde edildiğini görürüz. Bu değer şanzımana maksimum güç aktarılan noktadır. Aracımızın motor milini ne kadar çok bu noktada tutmayı başarabilirsek aracımız o kadar verimli çalışacaktır. En yüksek verim noktası bu noktadır. Yani elde ettiğimiz güce göre en az yakıt harcadığımız noktadır. Firmalar tork ve güç değerlerini yazarken hep en yüksek noktaları yazarlar yani Şekil 6‘daki grafiğe sahip motoru yapan firma kataloğuna 230 Nm tork, 280 kW (380 hp) güç yazacaktır.
Şanzımanın tork ve hız ayarlarını yapıyor olması insanın aklına; ‘Madem şanzıman hız-tork ayarını yapıyor. Motorun yüksek tork üreteni ile uğraşana kadar şanzıman 20-30 vites gibi çok vitesli olsun, böylece araçların tekerleklerine aktarılan tork çok yükselsin veya hızı çok artsın.‘ gibi haklı düşünceler gelebilir. Bu düşünce aslında çok doğru bir düşünce de olabilir. Teorisel olarak hızı sıfıra yaklaştırdıkça torku sonsuza götürebiliriz veya tam ters olarak torku sıfıra yaklaştırdıkça hızı sonsuza çıkarabiliriz. Fakat maalesef bunun önüne birçok engel çıkar. Örneğin; bir aracın hız miktarını 100 kat artırmak isteyelim. Bunun için 10’a 1 dönüşüm oranına sahip 10 tane seri dişli sistemi veya 100’e 1 dönüşüm oranına sahip dev bir dişli sistemi gibi sistemler gerekir. Öncelikle bunun için şanzıman oldukça fazla büyür ve durum gerçekleşemez hale gelir. Varsayalım ki mekanik olarak bunu da yapabildik fakat bu sefer işin içine malzeme bilimi girer. Yani o dişlilerin yapıldığı malzemelerin mukavemeti gibi o bilim dalının birçok parametresi bu işin önüne set çeker.Kısacası belli bir noktadan sonra dişlilerin yüksek tork’tan kırılması gibi sonuçlar ortaya çıkabilir veya yüksek hızdan dişlilerin rulmanlarının dağılması gibi sonuçlar ortaya çıkabilir. Ayrıca çok vitesli bir aracı manüel olarak kullanmak da çok pratik olmayacaktır. Aslında bu düşünce yapısı kamyon, tır gibi araçlarda geniş hacimden dolayı sınırlı bir aralıkta kısmen yapılmakta. Malzeme mühendisliğinin de gelişmesiyle son zamanlarda günümüzdeki son model araçların çoğu manüel olarak 6 vitese çıkmış durumda. Hatta otomotik şanzımana sahip bazı otomobillerde bu, 7 vites, 9 vites gibi değerlere yükselmektedir (otomotiklerde olmasının sebebi manüellerde sürekli vites değiştirmenin pratik olmayacağındandır).
Sonuç olarak, fiziksel terimleri yüzeysel olarak tanımladık ve tam olarak anlaşılamayan torkun ve beygirin, bunlara bağlı olarak da diğer kavramların ne olduğunu biraz daha anlaşılabilir hale getirdik. Araç alırken, kıyaslama yaparken aynı güce sahip iki aracın yüksek tork’a sahip olanını tercih etmek her zaman mantıklı olmayabilir. Çünkü yüksek tork’un yüksek devirlerde elde edilmesi yavaş hızlarda o aracın belki düşük torklu bir araca göre daha da düşük torklarda kalmasına sebep olabilir (Unutmayalım araç dokümanlarında her zaman maksimum değerler yazar, ama bu maksimum değerlere ne zaman ulaşıldığı her zaman ayrıntısıyla verilmeyebilir). Bu yüzden en makul yöntem aracı alırken tork-hız grafiğini incelemek ve bu doğrultuda isteğinize uygun olanı tercih etmektir.
Bu yazının devamı niteliğinde olacak diğer yazılarda tork, hız ve güce matematiksel olarak yaklaşıp birimlerin ne anlama geldiği anlatılacak ve bu yazıda bahsi geçmeyen rpm gibi terimler de açıklanarak ne olduğu anlatılacaktır. Ayrıca gerçek örnekler verilerek araçların gücünü, torkunu ve hızını daha anlaşılır bir hale sokacağız. Bunun yanı sıra piyasada oldukça popüler olan Renault Megane’nın 1.6 dCi 130 hp 325 N.m dizel motoru ve Fiat Egea‘nın 1.6 Multijet 2 16V 120 hp 325 N.m dizel motor verilerini inceleyerek araba alırken verilerin nasıl irdelendiğini birlikte bakacağız ve böylece bu yazımızda anlattığımız bilgileri aktif olarak kullanacağız. Bir sonraki yazımızda görüşmek üzere takipte kalın.
Ahmet Cemal KURTULMUŞ