Sunu 3- Lastik Mekaniği

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
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.
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
FR
G
G
G
FT
G
r
B
Elastik
basınç
FT
B
G
G
Resim 1.2.1 :Tahrik edilen ve frenlenen tekerlekte kuvvetler
.
FT .r  G.e  M ve buradan
M e
M
FT   .G   fR .G
r r
r
Prof. Dr. N. Sefa KURALAY
Sönüm
basıncı
M  B.r  G.e ve buradan
(1)
B
Toplam
basınç
M e
M
 .G   fR .G
r r
r
(2)
4
Örneğin:
Yol
İyi asfalt
Beton yol
Parke yol
Kötü cadde
Toprak yol
Gevşek kum
Prof. Dr. N. Sefa KURALAY
fR
.
0,01
0,011...0,014
0,015...0,02
0,03
0,045...0,16
0,15 ...0,30
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
sT 
r.  v
.100
r.
[%]
Frenleme kayması
sB 
v  r.
.100
v
[%]
Resim : Tahrik durumunda bir lastiğin şekildeğişimi
Prof. Dr. N. Sefa KURALAY
6
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.
.
Kuvvet bağıntı katsayısı f
(% 15...30) . h
h Tutunma sürtünme katsayısı
g Kayma sürtünme katsayısı
% 15...30
Elastik kayma s
Prof. Dr. N. Sefa KURALAY
%
.
.
7
.
Asfalt - kuru
Sürtünme katsayısı 
Asfalt - ıslak
Mıcır - gevşek
Tutunma ve kayma sürtünme
katsayılarının kar veya buz kaplı
zeminler üzerindeki düşüşü asfalt
zemindeki düşüşünden daha kuvvetli
olmaktadır.
Kar - yumuşak
Buz
Kayma s
Kuru
Tutunma sürtünme katsayısı H
Kayma sürtünme katsayısı G
Islak
Nemli
Islak
Hız v
Prof.. Dr. N. Sefa KURALAY
Ayrıca, artan hız ile birlikte H ve G
değerleri aynı tarzda düşmektedir
Resim : Sürtünme katsayısının farklı yol
yüzeylerinde kaymaya ve hıza bağlı olarak değişimi.
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
Kayma sürtünme katsayısı
G
Profilsiz kabak lastik
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
Profilli lastik
Kabak lastik
Araç hızı [km/h]
Aquaplaning
Su filmi
Tam temas yüzeyi
Su
Temas yüzeyi azalmış
Su filmi
Temas yüzeyi kaybolmuş
filmi
Yol
Yol
Aquaplaning oluşumu. 1 mm ‘den daha derin su filminde ve
yüksek hızda profilsiz (kabak) lastiğin yüzmesi
.
Yol
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
Beton
Asfalt
Parke
Küçük parke
Kuru
0,85
0,85
0,70
Islak
0,75
0,60
0,65
Yağlı
0,50
0,30
0,35
Donmuş
0,11
0,10
0,08
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
Tutunma
Bölgesi
Kayma
Bölgesi
Prof. Dr. N. Sefa KURALAY
S
nR
Yanal yöndeki kuvvetler genelde aracın
eğrisel bir yörünge üzerinde hareketi
sırasında kütle kuvvetlerinin zemine
iletilmesini sağlarlar.
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
12
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.
Yan kuvvet bağıntı katsayısı fS = S/G
Kuru, kaba beton
Kuru, düz beton
Karla kaplı
Buzlu zemin
Resim : Bir diyagonal lastiğin çeşitli yol
yüzeyinde yan kuvvet bağıntı katsayısının
diyagonal hareket açısına göre değişimi
Diyagonal hareket açısı 
Prof.
Dr. N. Sefa KURALAY
.
13
Düşey kuvvet G
Lastik geri getirme momenti MR
Düşey yük G
Yan kuvvet S
Diyagonal hareket açısı 0
.
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
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 nR kadar arkasından etkir. Diyagonal harekette bu
moment kolu ile yan kuvvet diyagonal hareket açısını küçülmek
14
isteyen lastik geri getirme momentinin oluşturur
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
Temas yüzeyi
boyu
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 MR
•
•
•
•
•
•
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
Yan kuvvet S [daN]
.
 = - 60

+60

0
 = + 3
 = +6
0
0
 = +3
Geri getirme momenti MR [daN.m]
0
Tekerleğin kamber açısı altında konik yuvarlanması
esnasında zeminde oluşan deformasyonlar
- 30
0
0
0
0
2
4
6
Diyagonal hareket açısı 
8
0
 = +6
0
 = +3
0
0
 -6
0
 = - 3
0
0
0
0
0
2
4
6
Diyagonal hareket açısı 
8
0
Resim : Kamber açısının diyagonal harekete etkisinin etkisi S() ve MR() 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 FT ) 2  S 2
G
B veya FT
 H
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
Maksimal taşınabilir yan kuvvet, çevresel kuvvetlerin aynı anda ortaya çıkması
durumunda olması gerekenden daha küçüktür.
.

Yan Kuvvet S [daN]
0
nR
daN
S
B
Geri Getirme Momenti MR [daN.m]
e
Fren Kuvveti B
Tahrik Kuvveti AFT
8
0
12
Resim : a) Çevresel kuvvetin
etkimesi halindeki diyagonal
harekette temas yüzeyindeki
deformasyonlar.
b) Çevresel kuvvetin
etkisiyle yan kuvvet S ve geri
getirme momentinin MR farklı
diyagonal hareket açılarındaki
 değişimi.
0
MR  S.nR  B.e
daN
Fren Kuvveti B
Tahrik Kuvveti A FT
.
.
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, MR 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
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
2. Örnek : Jant üzerindeki semboller 8,5 – 20
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
Ön
Tubeless
Setleri
Prof. Dr. N. Sefa KURALAY
Nominal
Çap
Arka
Jant çukuru
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
GÖBEK DERİNLİĞİ
(OFFSET)
Tekerlek göbek derinliği orta çıkıntının
arka yüzeyinin jantın merkez hattı ile
arasındaki uzaklıktır.
Arka boşluk
Jant
genişliği
Merkez hattı
Merkez hattı
Fren
tarafı
Merkez hattı
Dış
kısım
Pozitif göbek
derinlik
Sıfır göbek
derinliği
Prof. Dr. N. Sefa KURALAY
Sıfır Göbek Derinliği :
Çıkıntının arka yüzeyi merkez hat
üzerinde ise 0 kaçıklık
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.
Negatif göbek
derinliği
33
Teşekkürler
Prof. Dr. N. Sefa KURALAY
Prof. Dr. N. Sefa KURALAY
34