Açık tekerlekli tek koltuklu bir spor otomobilin tasarımı
Design of an open wheel single seater sports car
Yazar: ONUR KARACA
Danışman: ÖĞR. GÖR. ORHAN ATABAY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Tez kapsamı boyunca işlenecek konunun başlığı boş kâğıttan (blank sheet) başlanarak tek koltuklu spor amaçlı bir otomobilin tasarlanmasıdır. Bu minvalde işlenecek alt konu başlıkları belli bir sistematik içinde ele alınacak olup, tez çalışmasının sonucunda belli tasarım kriterlerine göre dizayn ana hatları belirlenmiş, özgün özelliklere sahip, mühendisliğinin temel aşamaları işlenerek tariflenmiş tek koltuklu spor amaçlı bir otomobil tasarımı çıktısı elde edilecektir.
Öncelikle tasarlanacak olan aracın mevcut benzer otomobillerin bulunduğu pazardaki konumu işlenecektir. Aracın hitap edeceği hedef kitlenin seçiminden sonra bu hedef kitleye özgü tasarım kriterleri belirlenecektir. Aracın olması planlanan pazardaki mevcut diğer örnek arabalar üzerinde yapılacak olan benchmark çalışmalarının da katkısıyla, bu tasarım kriterleri mühendislik alt yapısı ile işlenmeye çalışılacaktır. Tasarım kriterlerinin belirginleşmesinin akabinde belli taşıt öğeleri ilk paketleme çalışmaları kapsamında araç üzerinde konumlandırılacaktır. Bu başlıca taşıt öğeleri şu şekildedir: 
a.	Gövde,
b.	Şasi,
c.	Süspansiyon,
d.	Direksiyon,
e.	Tahrik Organı,
f.	Yük Kapasitesi,
g.	Sürücü
Tasarım kriterlerinin ve taşıt öğelerinin konumunun belirlenmesinin ardından literatürden alınan bilgiler ışığında aracın tasarımına başlanacaktır. Spor bir otomobil tasarlanacağı için şasi tasarımında öncelikli hedef burulma rijitliği yüksek bir tasarım  
meydana getirmektir. Tübüler çelik profilden olması planlanan şasi aynı zamanda mümkün olduğu kadar hafif olarak tasarlanacaktır. 
Gövde tasarımı için hedef müşteri kitlesinin beklentileri çok önemlidir. Dolayısıyla pazar içinde rekabet etme kapasitesi yüksek bir araç tasarımı üzerinde durulacaktır. Aerodinamik açıdan hem hedef kitlenin belirlediği tasarım kriterlerinin getirdiği fiziki sınırlar göz önünde bulundurulacak hem de düşük aerodinamik dirence sahip bir tasarım üzerinde çalışılacaktır. Aynı zamanda araç için bir ön ve bir de arka kanat tasarımı gerçekleştirilecektir. Bu kanatların yaratacağı yere basma kuvveti ilerleyen aşamalarda analiz edilecektir.
Süspansiyon sistemi tasarımı ile direksiyon sistemi tasarımı bir arada ele alınacaktır. Tasarlanacak olan taşıt bir spor otomobil olduğundan yaygın süspansiyon tipi olan çift A kollu asılış üzerinde durulacaktır. Alt ve üst salıncak kolları literatürden elde edilecek bilgiler ışığında tasarlanacaktır. Yük transferleri etkisinde lastikten maksimum verimi alabilmek adına süspansiyon tasarımı ve lastik seçimi detaylıca irdelenecektir. Direksiyon sistemi tasarımı da tekerleğin düşey hareketi esnasında toe açısının değişimini minimum düzeyde yapacak şekilde tasarlanacaktır. Tek koltuklu bir spor otomobil tasarlanacağı için aracın tek kişilik olması hedeflenmektedir. Dolayısıyla yolcular için ayrıca bir hacim üzerinde çalışılmayacak olup yine aynı sebeplerden ötürü belirli bir bagaj hacmi de oluşturulmayacaktır. 
Aracın üç boyutlu olarak tasarlanmasının akabinde hesaplamalar kısmına geçilecektir. Bu aşamada ağırlıklı olarak Adams/Car yazılımında koşulacak simülasyonlar işlenecektir. Öncelikle, şasi tasarımı sırasında hedeflenen buruma rijitliğine erişilip erişilmediği kontrol edilecek olup aynı zamanda şasi üzerinde statik mukavemet hesapları da yapılacaktır. Bu çalışmalara paralel olarak aracın aerodinamik karakteristiği de incelenecek olup sürüklenme ve kaldırma katsayıları bulunacaktır. Aynı zamanda ön ve arka kanadın oluşturduğu yere basma kuvveti ve araç üzerinde momentleri yerel olarak hesaplanıp Adams/Car modeline entegre edilecektir. Bu sayede bu yere basma kuvvetlerinin araç dinamiğinde nasıl katkı vereceği genel anlamda belirlenmiş olunacaktır. 
Adams/Car yazılımında oluşturulan araç modelinin alt sistemlerinin büyük bir kısmı yazılım içinde baştan tanımlanacaktır. Oluşturulan taşıt tasarımına ait özgün "template"ler ve "subsystem"ler meydana getirilecektir. Daha sonrasında modellenen bu geometriler bir araç assembly klasörü altında birleştirilecektir. Bahsi geçen kısımda yazılıma ait bu teknik terimler detaylı olarak açıklanacaktır. Oluşturulan bu araç modeli yazılım içinde tanımlanan bir sürücü tarafından belli bir parkur üzerinde koşturulacaktır. Bir turun tekraren sürülmesi olarak hedeflenen çalışma sırasında araç modeli üzerinde gerçekleştirilecek değişimler hem kendi içlerinde hem de kümülatif olarak karşılaştırılacak olup araç seyir özelliklerine dair etkileri irdelenecektir. Bunun yanı sıra araç Adams/Car yazılımının içinde sanal olarak bir 'four-poster test rig' üzerine konumlandırılacak,  belli bir yol uyarısında ortaya çıkacak tekerlek ve gövde salınımları da incelenecektir. Tüm bu analizler aracın gerçek hayattaki performansının bir göstergesi olacaktır. 
Tezin kapanış kısmında tasarlanan aracın hem tasarımsal açıdan hem de taşıt dinamiği açısından elde ettiği sonuçlar etraflıca açıklanacak ve tartışılacaktır. Yapılan çalışmanın yanında ileriye dönük olarak eklenebilecek çalışmalardan bahsedilecek olup, çalışma kapsamında belirli bir altyapı yönergesi oluşturulmaya çalışılacaktır.

Abstract:
Today, evaluating automobile product in pure sense is an incomplete point of view. Especially as a result of the internet taking place in every area of life and as a result of changes in consumption habits, user want to see their expectations in the car product as well. Cars are no longer sold under 'charm' or 'eye catching design'. The car, which has embraced the dream of people and is a symbol of a status, is now being studied more carefully by the users. The automobile ,s now bieng explored in the light of some of the following terms:
•	Extra urbanization
•	Traffic congestion
•	Air pollution and ecological instability
•	Security problems
•	Park problem
•	Fatal traffic accidents
Nowadays, producers are taking measures to overcome these drawbacks when designing and marketing their vehicles. Smaller sized car designs are taking place on the market to overcome traffic congestion problems. Moreover, the presence of driver assistant systems is piling up in most automobile advertisements in order to avoid traffic accidents. Along with this, changing consumption habits in target groups also put pressure on those who design vehicles. Consumers substitute other items for consumption needs related to automobile purchase. For example, the couples can spend their automobile investment in travel expenses to various destinations around the world. Thanks to the development of the internet, the consumers are able to use the car in the city for everyday needs, much cheaper by means of increased vehicle sharing applications. Because of these parameters, the designers have to think their design ideas to compromise all of these expectations.
The subject of the thesis is to design a single seater sports car starting with a blank sheet. Subtitles to be worked on this work will be handled in a systematic way and as a result of the thesis work, the design outlines will be determined according to certain design criteria and a single seater sports design will be achieved with the basic features of the vehicle engineering with unique characteristics.
The main motivation is to apply the entire education knowledge while working on the thesis. Nowadays, a Turkish automobile subject is trend topic subject. But, there is a misunderstood subject that the approach to a new automobile design is not conceptual. Because a concept car is known as a car which has a futuristic point of view. However, a new car should be designed on a concept. The concept word defines the whole design idea of this new designed car. This conceptual study is primarily based on the target audience. On this concept, the car's performance and other criteria are built and a car design is revealed. The motivation to use throughout the thesis is to explore the design 
of a vehicle in a certain systematic way by touching the stages of automobile design processes.
Firstly, the position of the vehicle which will be designed, will be handled in the market where the existing similar cars are located. Following the selection of the target market to be addressed by the vehicle, specific design criteria will be determined according to this target market The design criteria will be tried to be processed by the engineering infrastructure, with the contribution of the benchmark work which will be done in the market where the planned vehicle is located with the other existing sample vehicles. Following the determination of the design criteria, certain vehicle parts will be positioned on the vehicle package. These are the main parts of a vehicle:
a.	Body,
b.	Chassis,
c.	Suspension System,
d.	Steering System,
e.	Powertrain,
f.	Driver,
g.	Luggage
After the design criteria and the location of the vehicle parts are determined, the design of the vehicle will start according the knowlegde from the litterature. The primary goal in chassis design is to realize high stiff  torsional stiff rigidity; because of the design of a sports car The chassis, which is designed with tubular steel profiles, will also be designed as light as possible at the same time.
The expectations of the potential customers are very important to design the car body. Therefore, the main goal is to design a vehicle which can compete in the target market. In terms of aerodynamics, both the physical limits imposed by the design criteria determined by the target market will be considered and requirement of low aerodynamic resistance will guide to design process. At the same time, a front and a rear wing will be designed for the vehicle. The downforce which is created by these wing will be analyzed at later stages.
The suspension system and the steering system design will be considered together. Since the vehicle to be designed is a sports car, the double wishbone suspension which is common for sports cars  will be emphasized. The upper and lower swing arms will be designed according to information obtained from the literature. Suspension design and tire selection will be studied  in detail in order to obtain maximum efficiency from the tire performance under the load transfer effects. The steering system design will also be designed to minimize the change in toe angle during vertical wheel movement. A single-seater sports car will be designed so that the vehicle should be for a single person. Therefore, a volume will not be worked on for the passengers, and a specific luggage volume will not be created due to the same reasons.
After the vehicle is designed in three dimensions, the calculations phase will be followed. At this stage, simulations will be carried out predominantly in Adams / Car software. First, the target rigidity value will be controlled during the frame design and at the same time static strength calculations will be made for the frame. In parallel with these studies, the aerodynamic characteristics of the vehicle will be examined and the drag and the lift coefficients will be found. At the same time, the force generated by the front and rear wing and the moments on the vehicle will be calculated locally and these values are integrated into the Adams / Car model. In this way, it will be determined in general terms how these downforces will contribute to vehicle dynamics.
Most of the subsystems of the vehicle model created in Adams / Car software will be defined from blank sheet in the software. The original "templates" and "subsystems" are made for the vehicle design. After this process, subsystems are integrated into a assembly file. These technical terms will be explained in detail further. This vehicle model will be driven by the Smart Driver onto a spesific circuit The changes that will be made on the vehicle model during the study will be compared both internally and cumulatively and the effects on vehicle cruise characteristics will be examined. In addition to this, the vehicle will be positioned on a 'four-poster test rig' and the wheel and body oscillations that will occur in a given road excitations will also be examined. All these analyzes will be a demonstration of the real life performance of the vehicle.
At the final section of the thesis work, the results which will be obtained from both the design process and the vehicle dynamics analysis will be explained and discussed. Future research topics will be explained according to these results. Therefore, these future topics will create a spesific infrastructure for reasearchers.