Otomobil Şasilerinin Tarihsel Gelişimi

Roger Bacon 13. Yüzyılda Guillaume Humbert’e yazdığı bir mektupta, at ile çekilmeden, kendi kendine çalışan ve hayal bile edilemeyecek hızda hareket edebilen bir aracın yapılabileceğinden söz etmiştir.  Bu hayal tıpkı insanoğlunun uçmayı istemesi gibi her zaman düşlediği durumlardan birisiydi şüphesiz. Tabi atlar, boğalar vs. gibi hayvanlar olmadan güç üretmek için sanayi devrimini beklemek gerekecekti. Sanayi devriminin yanı sıra, bu hayal bir askeri ihtiyaç haline gelince de doğal olarak bu çılgınlığı denemek gerekecekti. Fransız ordusunda görevli bir topçu subay mühendise, Fardier Nicholas Joseph Cugnot, topları taşımak için bir buharlı bir taşıt yapım görevi verilince tarihin ilk otomobili denebilecek 3.6 km hıza ulaşabilen ve 15 dakika boyunca çalışabilen fardier à vapeur (buhar yükleyici) icat edilecekti.

Kendi kendine hareket edebilen bu “buhar yükleyici” ile insanlık yepyeni bir teknolojiye ve gerçekleşmiş bir hayale sahipti. 19. Yüzyıl bildiğiniz üzere hem termodinamik biliminin hem otomobil tasarımlarının ve hem de motor tasarımlarının ve icatlarının şaha kalktığı bir yüzyıldır. 19. Yüzyılın sonlarına doğru Karl Benz Motorwagen’i (1885) yaptığında gerçekten otomobil diyebileceğimiz ilk tasarım da doğmuş oldu. “Bu kütle bakımından bir cüce fakat gücü bakımından bir titandır” dediği Motorwagen devrinin şüphesiz en iyisiydi. 0,75 beygirli Otto 4 çevrimli ve tek pistonlu bir motora sahipti. Motorwagen şasisi, yolcu kabini ve motoru bir aradadır. Şasi kaynaklı karbonlu çelikten yapılmıştır (Sir Henry Bessemer 1856 çelik üretim yönteminin icadı sayesinde) ve yolcu kabini ahşaptandır. Tüm parçaları el ile üretilmiştir. Kauçuk (1829 Charles Goodyear vulkanizasyon ile kauçuğu güçlendirmesi sayesinde) tekerleklere sahiptir. Arka tekerlere giden gücün tekerlere zarar vermemesi için bronzdan kaplinler kullanılmıştır. 8 km hıza çıkabilmektedir.

Motorwagen devrinin yeniliklerini üzerinde o kadar sade ve işe yarar bir şekilde birleştirmiştir ki, otomobil tanımını yapmıştır. Bu noktadan itibaren otomobil denilen cihazlar bir şasi, bir kabin ve bir motorun birleşimi ile üretilecektir.

Motorwagen’den bahsetmişken Karl Benz, bu yeniliğe toplumun hazır olduğunu düşünmemekteydi. Fakat, Bertha Benz katiyetle kendisine karşı çıkıyordu. En sonunda kocasından habersiz aldı arabayı ve çocukları ve şöyle bir tur atarak annesigile doğru sürdü Motorwagen’ı. Tarihin ilk uzun yolculuğu bu şekilde yapılmış oldu. Sürenin bir kadın olduğuna inanmaları hayli zor olsa bile Bertha Benz’in inadı ve inancı sayesinde insanlar bu teknolojiyi tanımış oldular. Biliyorsunuz ki, bugün halen bazı ülkeler kadın vatandaşlarına daha yeni ehliyet alma hakkı tanıyorlar. Bu yüzden Bertha Hanım’ı anmadan bu kısmı geçmek istemedim.

Bu gelişmelerin hemen ardından mekanik deha Ferdinand Porsche 1902’de hibrid otomobil yapmıştır. Başlangıçta yapılan araçlarda bir şasi, kabin ve motordan oluşuyor demiştik. Otomobillere tampon eklenmesi 1905 senesinde Simms Welbeck’in tasarımı ile başlamıştır. Henry Ford 1908’de montaj hattı ile üretim yöntemini icat ettiği zaman bırakın otomobil üretimini, üretim felsefesi tamamen değişmiş ve sanayi devriminin bir yenisi olan montaj hatları ile üretim yapım süreci başlamıştır. Ford bu icadı ilk olarak Ford model T üretiminde kullanmıştır. Yöntem o derece başarılıydı ki Ford 1913’de günde 1000 araç üretebiliyordu. O yıllarda piyasanın yaklaşık %50’si Ford marka otomobillerden oluşuyordu. Ford’un tek başarısı montaj hattı mıydı? Hayır. Ford’un metalurjik yaklaşımı inanılmaz başarılıydı.

Model T’nin şasisi, yayları ve tamponları krom vanadyum çelikten üretiliyordu (0,8-1,1 Cr, 0,18 V). Krom vanadyum katkılı çeliğin sertleşebilirliği yüksektir. Havada su verme yapılsa bile belirli bir martenzit yapı elde edilebilir. Krom çeliğin korozyonunu engeller. Krom vanadyum çeliğin aşınma direnci yüksektir. Vites kutusu ve akslar ısıl işlem görmüş (yüzeyi indüksiyonla sertleştirilmiş) çeliktendir. 1924 Senesinde Citroen B10 modeli tamamen çelik karosere sahip ilk araç olarak tasarlanmıştır. Bu tasarımdan itibaren araçlar karoserli üretilmiştir. Genel hatları ile otomobil 1930’lu yıllara geldiğinde günümüzdekiler ile birçok benzer özelliğe sahiptir. 1930’lardan sonra artık malzeme seçimi ve tasarımda yapılan farklılıklar önem kazanmıştır. Bu sayede otomobiller daha verimli, konforlu, ekonomik ve en önemlisi güvenli hale getirilmeye çalışılmaktadır.

Şasi nedir?

Otomobilin iskeletine denir. Otomobilin karoser ile yürüyen sistemlerin bağlantısını sağlayan ve otomobili bir arada tutan parçadır.

Şasiden beklenenler nelerdir?

• Hafif olmalı.
• Minimum sayıda parçadan oluşmalı.
• Yolcu ve bagaja yeterli hacim sağlamalı.
• Hareket esnasında titreşimlere dayanım sağlamalı.
• Rijit ve kazalara karşı güvenli olmalı.
• Düşük maliyetli ve üretimi kolay olmalı.
• Statik ve dinamik yükleri homojen dağıtmalı.
• Uzun yorulma ömrüne sahip olmalı

Merdiven tipi şasi (Ladder Frame)

Bir merdivene olan benzerliği için adlandırılan merdiven çerçevesi, tüm tasarımların en basit ve en eskilerinden biridir. Merdiven tipi (Ladder Frame) olarak bilinen bu şasi tipi otomobilin gövdesinden ayrıdır. 1930’lu yıllara kadar tüm araçlarda bu sistem kullanılmıştır. Teknik ve teknolojik olarak yetersiz olması sebebiyle günümüzde pek tercih edilmemektedir. Günümüzde sadece kamyon, otobüs gibi büyük araçlarda kullanılır. Aracın yüksekliği bu şasi tipinde daha yüksektir çünkü vücut şasinin üzerindedir.

Backbone tipi şasi

Merdiven tipi şisiye çok benzer bir tiptir, farklı olarak 2 boyutlu sabit yapı yerine genellikle dikdörtgen kesitli güçlü tüplerden oluşan bir yapı kullanılır. Bu yapılar aracın hareket ekseni boyunca doğrusal olmak yerine orta kısımda çaprazlanarak kemik benzeri bir yapı oluşturur. Bu yapı ön ve arka süspansiyon alanlarını birbirine bağlar. Gövde ise bu yapının üzerine oturtulur. Bu şasi tipi de merdiven tipi şasiye benzer olarak günümüz modern araçlarda tercih edilmemektedir.

Monocoque (Unibody) Şasi

Bu Şasi tipi dış yüzeylerin de yapısal yükü taşıdığı bir tasarımdır. Başka bir deyişle yaşam alanı yani gövde ve şasi bir bütün olarak elde edilir. Geleneksel merdiven tipi şasi mimarisi, günümüzde çoğu otomobilde kullanılan unibody şasi yapısına doğru kaymıştır. Birleşik Krallık’da merdiven tipi şasi ile üretilen son araç 1971’de Triumph Herald idi. Gelecekte unibody şasi daha sık kullanılacaktır. Hatta yakın zamanda tanıtılan Tesla Cybertruck kamyonetinde unibody şasi kullanılmıştır. 30x (SAE Grade) soğuk hadde çelikten yapılan bu unibody gövdenin 9mm kurşun geçirmeyeceği iddia edildi. Şaside kullanılan çelik ile Starship’in çelik gövdesinin aynı çelikten yapılıyor olması beni inanılmaz etkiledi. Şahsen hayranlıkla izledim sunumu. Cybertruck otomotiv endüstrisinin gelmiş geçmiş en ilginç tasarımlarından birisi bence. Bu tip tasarımlar havacılıkta başlamış ve otomotiv endüstrisine de yansımıştır. Gelecekte daha da fazla karşımıza çıkacaktır.

Space Frame Şasi

Bu şasi tipinde genelde her yönde aynı mukavemet göstermesi nedeniyle dairesel kesitli profiller kullanılır. Bu profiller kaynak yardımı ile kompleks bir şekilde birbirine bağlanarak kafes benzeri bir yapı oluşturulur. Günümüzde gelişen üretim teknolojileri sayesinde, bu şasi tipinde montaj kolaylığı sağlayan dikdörtgen kesitli profiller ya da pres ile elde edilen geometriler kullanılmaktadır. Bu şasi tipi her yönde yüksek mukavemet sağlamakla birlikte üretimi maliyetli ve zahmetlidir.

Küvet Tipi Şasi (Tub Frame)

Backbone ve Ladder Frame Şasi tipine benzer bir tip olmasının yanında günümüz modern tasarım ve üretim felsefesine uygun olarak üretilen bir şasi tipidir. Bu tasarımda sürücü ve yolculara küvet diye tabir edilebilecek bir yaşam alanı sağlanarak bu ana kısıma ek olarak aracın yürüyen aksamını taşıyan ön ve arka bağlantılar montaj edilerek aracın ana iskeleti elde edilmiş olur. Genellikle bu şasi tipinde alüminyum alaşımlar ya da karbon fiber gibi malzemeler kullanılır.

Şasi Malzemeleri

Malzeme seçimi şasi tasarımının en önemli kısmıdır. Seçilen malzeme, ağırlık faktörü ile doğrudan aracın performansına etki eder. Fakat ağırlık faktörünü göz önünde bulundururken şasi güvenliği de göz ardı edilemez. Yıllardır otomotiv sektöründe yapılan araştırmalar neticesinde, şaside kullanılan malzemeler, tahta ve demir ile başlayıp karbonfiber ve türevlerine kadar çok çeşitlilik kazanmıştır. Günümüzde alternatif olmakla başlayıp yaygınlaşan ve gelecekte tamamen yer edinecek kompozit malzeme kullanımı hafiflik ve dayanım açısından göze çarpmaktadır.

Günümüzde şasi tasarım ve üretiminde kullanılan başlıca malzemeler;

• Çelik
• Alüminyum
• Kompozitler malzemeler
• Magnezyum
• Titanyum

Otomotiv sektöründe hafif malzemelerin öneminin artması araç ağırlıklarında önemli bir azalmaya sebep olmaktadır.

Grafik-1’de görüleceği üzere hafif malzemeler artan bir şekilde ağır malzemeler ile yer değiştirmektedir. En büyük değişim ise plastik, alüminyum ve magnezyum malzemelerinde gerçekleşmiştir.

Otomotiv sanayinde ağırlığı azaltmanın ana hedef yakıt tüketimini düşürmektir. Yakıt tüketimini düşürmek hem araç sahiplerinin daha az yakıt parası ödemesi anlamına gelir hem de çevreye salınan karbon emisyonunun azaltılması anlamına gelir. Ortalama karbon salınımı verilerini incelediğimiz zaman ulaşımın %30’a yakın bir dilimi işgal ettiğini görmekteyiz. Bu çok dehşet verici bir yüzdelik dilimdir ve otomotiv sanayinin yakıt tüketimini azaltması her açıdan çok mühim hale gelmiştir. Kaliforniya’nın 2019 da nasıl yandığını ve Avustralya’nın henüz yeni neler yaşadığını hatırlatmak isterim.

Ben şahsen artık içten yanmalı motor devrinin kapanması gerektiği düşünenlerdenim. Filhakika, benim dışımda çok fazla kişi de böyle düşünüyor olmalı ki elektrikli otomobillerin hem bireyler hem de devletler bazında kabul gördüğü ve kullanımının hızla arttığı bir zamanda yaşıyoruz. Ne mutlu bize! Elektrikli araçların çekiş gücü, hızlanma kabiliyeti ve en önemlisi menzillerinin yeterince iyi olduğunu artık “herkes” biliyor. Bu konuda özellikle Tesla’nın başarısı ve takiben diğer firmaların atakları insanların algılarını değiştirmeye yeterli oldu. Evet, elektrikli araçlar gerçekten iyi ve bizlere sessiz, konforlu, daha fazla bagaj hacmi ve ucuz yolculuk sunuyor.

Geleceğe baktığımız zamanda elektrikli araçların giderek artacağı kaçınılmaz. Bu konuda önemli bir husus elektriği depolama kabiliyetini arttırmak yönünde. Bu konuda akademi ve firmalar çok fazla araştırma yapmaktadır. Tabi elektriği depolamanın yanında araçları hafifletmek yine önemli bir hedef. Bu sebeple şasilerin ve geri kalan her şeyin de hafif olması için yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Yakın gelecekte köpük metalden, kompozit malzemelerden ve daha girift geometrik tasarımlardan yapılacak şasiler ağırlığı önemli ölçüde azaltacak. Bu noktada tasarım, mimari ve malzeme biliminin ne kadar önemli olduğu çok açıktır.

Kaynakça:

1. The Motor Car Past, Present and Future (Genta, G.) 2014

2. Design and Analysis of car chassis (Sarifudin, M.) Report, University of Malaysia pahang

3. Automotive metal components for car bodies and chassis, Global market study (Roland Berger) 2017

4. The Science of Nascar (Rohring, B.), ChemMatters 2007

5. Introducing New Materials in the Automotive Industry (Henriksson, F.), Linköping University 2017

6. Racing and Sports Car Chassis Design (Costin, M.) 1966 7. Automotive Chassis (S. K. Mithun) Ramaiah School of Advanced Studies

7. Automotive Chassis (S. K. Mithun) Ramaiah School of Advanced Studies