LASTİK TEKERLEK MEKANİĞİ. Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 1

LASTİK TEKERLEK MEKANİĞİ Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 1

LASTİK TEKERLEK MEKANİĞİ Lastik tekerleğin mekanik özellikleri yuvarlanma direnci, aderans olayı, yan kuvvetler etkisi altındaki hareket, düşey titreşimler altındaki davranışı başlıklarında incelenebilir. 1. Yuvarlanma Direnci : Yuvarlanmakta olan bir lastik tekerlekte malzeme temas bölgesinden her geçişte bir takım şekil değişikliklerine uğrar. Bu şekil değişikliklerinde malzemenin histerezisi dolayısıyla her çevrimde bir miktar enerji ısıya dönüşür. Bu yüzden bir lastik ön görülen hızdan daha yukarı bir hızda kullanılırsa, profilin sıcakta yumuşayan yapıştırma malzemesinden ötürü karkastan ayrılması tehlikesi doğar. Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 2

G Üzerinde fren veya tahrik kuvveti olmayan sadece yuvarlanma hareketi yapan bir lastiğin yuvarlanma direnci oluşumu: Lastik tekerleği radyal yönde pek çok yay ve amortisörden (sönümleme elemanından) meydana geldiğini düşünelim. G Temas bölgesine gelen elemancıklardaki sönüm basıncı artırırken, temas bölgesini terk eden elemancıklardaki sönüm basıncı azaltır. Bu yüzden zemindeki basınç bileşeni merkezden e mesafesi kadar öne doğru kayar ve tekerlek yükü ile bir kuvvet çifti oluşturur Tekerleği harekette tutmak için merkezine bir kuvvet tatbik edilmelidir. Bu da zeminde oluşan reaksiyon kuvveti ile bir kuvvet çifti oluşturarak bir önceki kuvvet çiftini dengeler, yani Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 3

Şimdi tekerleğin miline tahrik yönünde bir moment tatbik edelim. Kuvvetlerin eşitliği söz konusu olduğu için, sadece moment dengesinden Tahrik Frenleme F R G G G F T r G B Elastik basınç F T B G G Resim 1.2.1 :Tahrik edilen ve frenlenen tekerlekte kuvvetler. Sönüm basıncı F F T T.r G.e M r e r M.G ve buradan M r f R.G (1) M B.r G.e B M r e r.g ve buradan M r f R Toplam basınç.g (2) Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 4

Örneğin: Yol f R. İyi asfalt 0,01 Beton yol 0,011...0,014 Parke yol 0,015...0,02 Kötü cadde 0,03 Toprak yol 0,045...0,16 Gevşek kum 0,15...0,30 Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 5

2. Çevre Kuvveti, Elastik Kayma, Kuvvet Bağıntı Katsayısı ve Aderans : Tekerleğe tatbik edilen tahrik veya fren kuvveti neticesinde elastik deformasyonlar ortaya çıkar ve bu deformasyonlarında bazı kinematik sonuçları olur. Tahrik edilen tekerlekte temas bölgesi önündeki liflerde bir sıkışma olurken, temas bölgesini terk eden liflerde bir açılma söz konusudur. Yani temas bölgesinde bir kayma olduğu anlaşılmaktadır. Tekerleğe uygulanan momentin bir fonksiyonu olan bu elastik kayma aşağıdaki gibi tanımlanır: Tahrik Tahrik kayması r. v s T.100 [%] r. Frenleme kayması s B v r..100 [%] v Resim : Tahrik durumunda bir lastiğin şekildeğişimi Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 6

Kuvvet bağıntı katsayısı f Tekerlek momentinin yarıçapa oranından elde edilen çevresel kuvvetinin tekerlek yüküne oranından elde edilen Yol/Tekerlek kuvvet bağıntı katsayısının ( f ) değeri elastik kaymaya göre aşağıdaki gibi değişmektedir.. (% 15...30). h h Tutunma sürtünme katsayısı g Kayma sürtünme katsayısı % 15...30 Elastik kayma s %.. Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 7

. Kayma sürtünme katsayısı G Sürtünme katsayısı Asfalt - kuru Asfalt - ıslak Mıcır - gevşek Kar - yumuşak Tutunma ve kayma sürtünme katsayılarının kar veya buz kaplı zeminler üzerindeki düşüşü asfalt zemindeki düşüşünden daha kuvvetli olmaktadır. Buz Kayma s Kuru Tutunma sürtünme katsayısı H. Hız v Islak Nemli Islak Ayrıca, artan hız ile birlikte H ve G değerleri aynı tarzda düşmektedir Resim : Sürtünme katsayısının farklı yol yüzeylerinde kaymaya ve hıza bağlı olarak değişimi. Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 8

Su filmi kalınlığının belirleyici olduğu su kaplı yol yüzeylerinde hızın büyük bir etkisi söz konusudur. Lastik tekerleğin su üzerinde bir su kızağı gibi kayması neticesinde (Aquaplaning) kayma sürtünme katsayısı 0,1 değerlerine kadar düşer Su filmi kalınlığı : Profil derinliği 8 mm lastik tekerlek Profilsiz kabak lastik Kayma sürtünme katsayısı G. Hız v Resim : Kayma sürtünme katsayısının profilli ve kabak lastikte kayma hızına bağlı olarak değişimi Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 9

Kayma sürtünme katsayısı G Kabak lastik Profilli lastik Araç hızı [km/h] Aquaplaning Su filmi Yol Tam temas yüzeyi filmi Su Yol Temas yüzeyi azalmış Su filmi Yol Temas yüzeyi kaybolmuş Aquaplaning oluşumu. 1 mm den daha derin su filminde ve yüksek hızda profilsiz (kabak) lastiğin yüzmesi Hidrodinamik basınç etkisiyle oluşan su kaması. Resim : Su kızaklaması (Aquaplaning) olayının yol tekerlek arasındaki kayma hızına bağlı olarak oluşumu Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 10

H ve G değerleri sadece yol/tekerlek kuvvet çiftine bağlı olmayıp yolun kirliliğine, ıslaklığına, yol şartlarına (karlı,buzlu, v.s) ve araç kayma hızına da bağlıdır. Aşağıda bazı kayma sürtünme katsayısı değeri G değerleri verilmiştir: Yol Kuru Islak Yağlı Donmuş Beton 0,85 0,75 0,50 0,11 Asfalt 0,85 0,60 0,30 0,10 Parke 0,70 0,65 0,35 0,08 Küçük parke 0,80 0,55 0,30 0,08 Ayrıca lastik profilinin yüksekliği ve yol yüzeyindeki su filmi kalınlığı da tekerlekten yola iletilebilecek kuvveti azaltmaktadır. Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 11

3. Diyagonal Hareket ve Yan Kuvvet: Bir tekerlek düşey yükün yanı sıra çevresel ve yanal yönde etkiyen kuvvetleri de taşımak, iletmek zorundadır. S Yanal yöndeki kuvvetler genelde aracın eğrisel bir yörünge üzerinde hareketi sırasında kütle kuvvetlerinin zemine iletilmesini sağlarlar. Tutunma Bölgesi Kayma Bölgesi S n R bir sol viraja girmiş aracın tekerlek merkezine etkiyen merkezkaç kuvveti etkisiyle tekerlek karkası ve temas yüzeyinde oluşan yanal yer değiştirmeler gösterilmiştir. Diyagonal hareket açısı değerinin büyüklüğüne bağlı olarak temas yüzeyinde tutunma ve kayma bölgeleri oluşur Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 12

Yan kuvvet bağıntı katsayısı fs = S/G Yol tekerlek arasındaki yanal yönde oluşan ve diyagonal hareket açısının bir fonksiyonu olan yan kuvvet S. Tekerlek yüküne, Yol / tekerlek temas yüzeyine ve durumuna, Lastik tipine, lastik iç basıncına, Araç seyir hızı ve Tekerlek kamber açısı gibi pek çok büyüklüğe bağlıdır. Kuru, kaba beton Kuru, düz beton Karla kaplı Buzlu zemin Diyagonal hareket açısı Resim : Bir diyagonal lastiğin çeşitli yol yüzeyinde yan kuvvet bağıntı katsayısının diyagonal hareket açısına göre değişimi Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 13.

Lastik geri getirme momenti MR Yan kuvvet S Düşey yük G Düşey kuvvet G Diyagonal hareket açısı 0. Resim : Yan kuvvetin diyagonal hareket açısına göre değişimi. Lastik düşey yükü G parametre. Lastik boyutu : 175 HR 14, p=2,3 bar. Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 14. Diyagonal hareket açısı 0 Resim : Lastik geri getirme momentinin diyagonal hareket açısına göre değişimi. Lastik boyutu 175 HR 14, p=2,3 bar. Yan kuvvet, tekerlek temas yüzeyi ortasından değil, bilakis lastik kaster mesafesi n R kadar arkasından etkir. Diyagonal harekette bu moment kolu ile yan kuvvet diyagonal hareket açısını küçülmek isteyen lastik geri getirme momentinin oluşturur

Temas yüzeyi boyu Yan Kuvvet ve Geri Getirme Momentinin Oluşumu için Lastik Modeli: Yan kuvvetin teşkili ve geri getirme momentinin oluşumu aşağıda üstten görünüşü verilen basit bir lastik modeli ile açıklanabilir: Taranmış kısımlar lastiğin yola temas eden temas yüzeyini ifade etmektedir. Lastik önce doğrusal hareket etmektedir a Doğrusal hareket b küçük diyagonal hareket açısı c büyük diyagonal hareket açısı Jant düzlemi Noktanın temas yüzeyine girişi Tutunma bölgesi Kayma bölgesi Noktanın temas yüzeyini terk etmesi Küçük açısında temas yüzeyindeki X noktasının yanal yer değiştirmesi Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 15

Yan kuvvet S ve geri getirme momenti M R diyagonal hareket açısı ya, tekerlek yüküne G, yol şartlarına, tekerlek yapısına (radyal, diyagonal), tekerlek hava basıncına, aracın hareket hızına bağlıdır. Kamber Açısı ve Yan Kuvveti: Araçlarda tekerlekler değişik nedenlerle zemine dik değildir. Tekerlek düzleminin düşey düzlemle yaptığı açıya kamber açısı ( ) denir. Kamber açısı tekerlek üzerinde konik yuvarlanma nedeniyle temas yüzeyinde elastik kayma ve dolayısıyla bir yan kuvvet oluşturur. Bu kuvvetin yönü tekerleğin eğik olduğu tarafa doğrudur Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 16

Geri getirme momenti MR [dan.m] Yan kuvvet S [dan]. = - 6 0-3 0 +6 0 = + 3 0 = +6 0 = +3 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 Diyagonal hareket açısı = +6 0 = +3 0 Tekerleğin kamber açısı altında konik yuvarlanması esnasında zeminde oluşan deformasyonlar - 6 0 = - 3 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 Diyagonal hareket açısı Resim : Kamber açısının diyagonal harekete etkisinin etkisi S( ) ve M R ( ) üzerinde etkisi Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 17

Yan ve Çevresel Kuvvetlerin (Fren veya Yan Kuvvet) aynı anda oluşması:. Tekerleğe etkiyen çevresel kuvvet (fren veya tahrik kuvveti) ve yan kuvvetin aynı anda ortaya çıkması durumunda bileşke kuvvet, kuru sürtünmedeki Coulomb sürtünme çemberinin benzeri belirli bir sınır değeri aşamaz (Kamm çemberi). Buna ait olan kuvvet bağıntı katsayısı : Kamm çemberi (B veya F T G ) 2 S 2 H B veya F T H.G S Resim : Teğetsel ve yan kuvvetlerin aynı anda ortaya çıkması durumunda bu iki kuvvetin bileşkesi kuvvet, coulomb çemberi benzeri bir sınır değeri aşamaz. Araç tekniğinde bu çembere Kamm çemberi denir. Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 18.

Geri Getirme Momenti MR [dan.m] Yan Kuvvet S [dan]. Maksimal taşınabilir yan kuvvet, çevresel kuvvetlerin aynı anda ortaya çıkması durumunda olması gerekenden daha küçüktür. 0 B e n R M R S S.n R B.e Fren Kuvveti B Tahrik Kuvveti A F T 8 0 12 0 dan Resim : a) Çevresel kuvvetin etkimesi halindeki diyagonal harekette temas yüzeyindeki deformasyonlar. b) Çevresel kuvvetin etkisiyle yan kuvvet S ve geri getirme momentinin M R farklı diyagonal hareket açılarındaki değişimi. dan Fren Kuvveti B Tahrik Kuvveti A F T.. Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 19

Radyal yapı tarzındaki lastiklerde diyagonal lastiklere göre çevresel kuvvetlerin diyagonal harekete etkileri daha azdır. Diyagonal hareketin tekerleğin yuvarlanma direnci üzerine olumsuz bir etkisi söz konusudur. Diyagonal harekette yuvarlanma direnci artar. Yukarıdaki bölümlerde verilen açıklamalar, diyagonal hareketteki lastik davranışları, diyagonal hareket açılarının çok yavaş değiştiği durumlar için geçerlidir. Hızlı gelişen olaylarda S, M R ve arasında etkili olan faz açıları ortaya çıkar. Bu durumda olaylar lastik dinamik teorisi ile izah edilebilir. Özellikle ön aksta tepinme ve kanat çırpma (Trampeln, Flattern) tarzında ortaya çıkan titreşimlerde (frekans aralığı 7...20 Hz) dinamik teorinin kullanılması gerekir. Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 20

TEKERLEKLER Bir aracın tekerleklerinden şu özellikler beklenmektedir: Düşük kütle, yön verilen tekerleklerde büyük direksiyon açılarına ulaşmak için küçük yarıçap, yüksek şekil mukavemeti ve elastikiyet, frenleme veya sürtünme sonucu oluşan ısının kolayca iletilmesi ve lastik arızalarında kolayca değiştirilebilirlik. Ayrıca araç ve yol arasında etkiyen tüm kuvvetler tekerlek tarafından da iletilmektedir. Bu yüzden aşağıdaki talepler tekerlekten beklenmektedir: Emniyet Konfor Ekonomik : Lastiğin janta iyi şekilde oturmasının sağlanması. Yeterli mukavemet. Tekerlek göbeği ile emniyetli bir bağlantı. Fren donanımı için yeterince serbest hacim. : Düşük balanssızlık. Yanal ve dikey yönde düşük salgı. Lastiğin tekere kolay monte edilebilmesi ve güzel bir görünüm. : Ucuzluk. Düşük kütle ve kütlesel atalet momenti. Uzun bir kullanım ömrü. Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 21

Tekerleğin Yapısı Tekerlek ; göbek ve bijon delikli tekerlek kovan ve janttan oluşmaktadır. Tekerlek kovanı yerine tekerlek diski de kullanılmaktadır. Tekerlek, tekerlek göbeğine akson mili etrafında dönebilecek şekilde yataklanmış bir flanşa, tekerlek tespit somunları veya cıvatalarıyla bağlanmıştır. Ayrıca fren tamburu veya diski de sabit olarak bu flanşa cıvatalar ile bağlanmıştır. Resim : Tahrik edilen ve yön verilen tekerleğin göbeği Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 22

Resim : Tekerlek yataklamasına ait 1., 2. ve 3. kuşak örnekler Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 23

Resim : Araçlardaki tekerlek tipleri 1. Saç diskli tekerlek 2. Hafif metal tekerlek 3. Telli tekerlek 4. Radyal yönde parçalanabilen çelik döküm tekerlek Yapım şekline bağlı olarak tekerlekler diskli tekerlekler ve telli (veya parmaklı) tekerlekler diye ve malzemesine bağlı olarak ta çelik tekerlekler ve hafif metal alaşım tekerlekler diye ayrılabilir. Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 24

Diskli tekerlekler Avantajları nedeniyle binek otomobillerde ve kamyonlarda sıkça kullanılır. İyi bir ısı iletim kapasitesine ve ayrıca jantla birlikte yapılan diskli tekerlekler yüksek mukavemete sahiptir. Konik biçimde uygulanan tekerlek tespit somunları (Bijon somunları) tekerin çok iyi merkezlenmesini sağlarlar. Diskli tekerler çelik saçtan preslenerek veya hafif metal alaşımlarından döküm veya dökme suretiyle imal edilirler.. Resim. : Çelik diskli tekerlek (solda). Magnezyum alaşımlı hafif metalden pres döküm tekerlek (sağda) Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 25

Telli tekerlekler Özellikle motosikletlerde yaygın olarak kullanılır. Göbek ve jant tel çubuklarla gerilmiştir. Mukavemetlerinin daha fazla olması nedeniyle hafif metal alaşımdan parmaklı tekerlekler bu telli tekerleklerin yerini alamaya başlamıştır. Resim :Telli tekerlek Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 26

Jantlar Tekerlek kovanına sabit bağlı veya sökülebilir olan jantlar mevcuttur. Ayrıca boyuna parçalı jantlar (Yüzük jantlar), enine parçalı jantlar ve yekpare jantlar gibi gruplara ayrılmaktadır. Kesit formuna göre de jantları derin yataklı, yarı derin yataklı ve omuzları eğimli diye de sınıflandırmak mümkündür. Sığ yataklı jantlar çok az olarak sadece römorklarda kullanılmaktadır. Resim : Yekpare simetrik derin yataklı jant kesiti Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 27

Kamyon, otobüs ve römorklarda eskiden kullanılan sığ yataklı jantların yerine genelde boyuna yönde parçalanabilen eğik omuzlu jantlar kullanılır. Resim : Eğik omuzlu ve asimetrik çıkıntılı jant tipleri Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 28

Trilex Jantlar : Bu jantlar çevresel olarak parçalıdır. Jant başına bir uzun ve iki kısa uçlarında birbirine geçmeli jant dilimlerinden oluşmaktadır. Trilex jantın parçalarının sabitlenmesi bir tekerlek yıldızı ile yapılmaktadır. Resim : Tekerlek yıldızlı trilex jant Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 29

Jantların boyutlandırılması standarttır ve ölçüler inç olarak verilir. İki önemli ölçüsü ise ağız açıklığı ve jant çapıdır 2. Örnek : Jant üzerindeki semboller 8,5 20 1. Örnek : Jant üzerindeki semboller 4 J x 15 H Jant ağız genişliği a = 4 inç ve jant çapı D = 15 inç. J harfi jant omzunun ölçülendirilmesi için bir sembol x işareti derin yataklı bir jantı ifade etmektedir. H harfi jantın dış tarafındaki omzunda bir çıkıntının bulunduğunu ifade etmektedir. H harfinin yerine şu işaretler de kullanılır: H2 Jantın her iki omuz tarafında çepeçevre çıkıntı FH Dış omuz tarafından düz çıkıntı FH2 İki tarafta düz çıkıntı CH Kombinasyonlu çıkıntılar : Dış omuz tarafında düz ve iç tarafta normal çıkıntı Jant ağız genişliği a = 8,5 inç. Jant çapı D = 20 inç - işareti bu jantın eğik omuzlu, düşük yatak derinlikli veya yarı düşük derin yataklı bir jant olduğunu ifade etmektedir. Yarı derin yataklı jantlar ayrıca ek olarak SDC (semi drop center) ihtiva ederler. Örneğin: 8,00-24 SDC. Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 30

Jant yazı ve işaretlemeleri Jant genişliği Merkez delik çapı Nominal Çap Ön Arka Tubeless Setleri Jant çukuru Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 31

Jantlarla ilgili Temel Ölçüler Pres derinliği e Pres derinliği (mm) = e,disk tekerleğinin jant ortasından tekerlek kasnağının dayanma yüzeyine olan ölçüsüdür. Bu ölçü pozitif veya negatif olabilir. Aynı lastik boyutu için değişik pres derinlikleri bulunmaktadır İz genişliğini büyültmek için (Optik) çoğu zaman pres derinliği değiştirilir. Dikkat edilmesi gereken hususlar: - Boşluk - Lastik aşınma yüzeyinin kapatılması Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 32

Arka boşluk GÖBEK DERİNLİĞİ (OFFSET) Jant genişliği Tekerlek göbek derinliği orta çıkıntının arka yüzeyinin jantın merkez hattı ile arasındaki uzaklıktır. Sıfır Göbek Derinliği : Çıkıntının arka yüzeyi merkez hat üzerinde ise 0 kaçıklık Fren tarafı Merkez hattı Merkez hattı Merkez hattı Pozitif göbek Sıfır göbek Negatif göbek derinlik derinliği derinliği Dış kısım Pozitif Göbek Derinliği : Yüzey önde yada tekerlek tarafında ise pozitif kaçıklık.çoğunlukla önden çekişli araçlarda. Negatif Göbek Derinliği : Yüzey arkada yada fren tarafında ise negatif kaçıklık.çoğunlukla derin dişli tekerleklerde. Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 33

Teşekkürler Prof. Dr. N. Sefa KURALAY Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 34