BÖLÜM 7 TEKERLEK VE LASTİK MEKANİĞİ

en eski mekanik araç olarak değerlendirilmektedir. 7.1 LASTİKLERİN GÖREVİ Tekerlek, herhangi bir cismi zemin üzerinde ve daha az bir sürtünme ile hareket ettirmekte kullanılan, dönen bir elemandır. Tekerlek insanlığın bildiği en eski mekanik araç olarak değerlendirilmektedir.

Tekerleğin gelişimi

7.1 LASTİKLERİN GÖREVİ Charles Goodyear1 1839’da vulkanize lastiği keşfedip, 1844’te patentini aldı. Vulkanizasyon, lastiğin sertlik ve dayanımını yüksek sıcaklıkta sülfür veya eşdeğeri katıklarla artırma işlemidir. Dunlop2, 1888 yılında şişirilebilen lastik (pnömatik) tekerleği geliştirdi. Bu buluş; konforu geliştirmesinin yanısıra taşıtların hızlarının yükseltilebilmesini de mümkün hâle getirdiğinden, otomotiv alanında bir devrim sayılmıştır.

7.1 LASTİKLERİN GÖREVİ Bir taşıtın lastiklerinin aşağıdaki fonksiyonları yerine getirmesi beklenir: 1.Taşıtın ağırlığını ve üzerindeki yükü taşımak 2. Yüzey düzgünsüzlüklerine karşı taşıtı yastıklamak

7.1 LASTİKLERİN GÖREVİ 3. Yeterli tahrik ve frenleme kuvveti geliştirmek 4. Yeterli yönlendirme ve doğrultu kararlılığı sağlamak

7.2 LASTİKLERİN YAPISAL ÖZELLİKLERİ Pnömatik lastik; içi hava ile doldurulmuş, simit biçimli bir yapıya sahiptir. Lastiğin en önemli yapısal elemanı, gövdesidir. Lastik gövdesi; düşük elastikiyet modüllü lastik ile kaplanmış, yüksek elastikiyet modüllü esnek iplik kuşaklardan oluşmaktadır.

7.3 LASTİK TERİMLERİ VE İŞARETLERİ Lastikler; boyutları, servis tipleri, markaları ve kullanıldıkları taşıtlara göre oldukça çeşitlilik gösterdiklerinden, özelliklerinin tanımlanması ve kullanım kolaylığı bakımından standardlaştırılması zorunludur.

Lastik terimleri

7.3.1 Tanımlar Jant: Lastik ile aks sistemi arasında bulunan, jant çemberi ve göbekten oluşan, dönen bir elemandır. Kesit Genişliği (W): 24 saat şişirilmiş olarak duran, yeni bir lastiğin genişliğidir. Bu ölçü, normal yüzeyleri kapsamakta, koruyucu yan çıkıntıları kapsamamaktadır. Kesit Yüksekliği (H): Lastiğin janta oturma yüzeyi ile dişlerin dış çevresi arasındaki mesafedir.

Lastik ölçüleri

7.3.2 Lastik İşaretleri (Ts 662 - Ts 567) 1. Uluslararası lastik gösterimi: Lastiğin, anma kesit genişliği ve jant anma çapı, inch olarak ve aralarında bir sembol ile belirtilir. 2. Milimetre-inch gösterimi: Lastiğin, kesit genişliği mm, jant anma çapı inch olarak ve aralarında bir sembol ile belirtilir.

7.3.2 Lastik İşaretleri (Ts 662 - Ts 567) 3. Milimetre gösterimi: Lastiğin, anma kesit genişliği ve jant anma çapının her ikisi de mm olarak ve aralarında (x) işareti ile verilir. 4. Alfa Gösterimi: A.B.D. de kullanılmaktadır. Yük kapasitesi bir harfle, kesit oranının 100 katı ve jant anma çapı, inch olarak belirtilmektedir.

7.3.2 Lastik İşaretleri (Ts 662 - Ts 567) 5. ISO gösterimi: Bu yeni metrik gösterim, giderek yaygınlaşmakta ve uluslararası lastik standardı haline gelmektedir.

ISO gösterimi

Binek otosu lastikleri için boyut ve işaretler

Minibüs ve kamyonet lastikleri için boyut ve işaretler

Lastik hız sembolleri

Lastik yük endeksi

Örnek:

Lastiğin yaşı: Lastiklerin, üretim tarihinden 5 yıl sonra kullanılmaması tavsiye edilmektedir. Örneğin Şekilde görülen ‘51 07’ kodlu lastik, 2007 yılının 51’inci haftasında üretilmiştir. Lastiğin yaşı

7.3.3 Lastiklerin Seçimi Uygun lastiğin seçimi, lastik imalatçılarının önerileri doğrultusunda, taşıtın erişebileceği maksimum hıza ve tam yükteki dingil kuvvetlerine göre yapılır.

7.4 TEKERLEK - YOL ETKİLEŞİMİ Tekerlek-yol etkileşiminde ideal olarak, hareketin tamamen sürtünmesiz, yolun ve tekerleğin tamamen rijit olduğu varsayılmaktadır. Bu duruma demiryolu ulaşımında yaklaşılmaktadır. Genel olarak tekerlek-yol etkileşiminde şu dört durum söz konusu olabilir:

7.4 TEKERLEK - YOL ETKİLEŞİMİ 1.Rijit tekerlek - rijit zemin (demiryolu), 2. Rijit tekerlek - esnek zemin (çelik tekerlekli traktör), 3. Esnek tekerlek - rijit zemin (sert yolda pnömatik tekerlek), 4. Esnek tekerlek - esnek zemin (yumuşak zeminde pnömatik tekerlek).

7.5 TEKERLEK KUVVET VE MOMENTLERİ Şekilde, genel olarak kullanılan bir eksen sisteminde tekerleğe etkiyen kuvvet ve momentler gösterilmiştir. Tekerleğe etkiyen üç kuvvet ve üç moment bulunmaktadır. Bu kuvvetler; 1.Uzunlamasına kuvvet, (tahrik kuvveti (Fx), 2. Yanal kuvvet (Fy), 3. Normal kuvvet (Fz),

Tekerlek eksen sistemi

7.6 LASTİKLE ZEMİN ARASINDAKİ BASINÇ DAĞILMI Düşey bir yükün altında bulunan sabit durumdaki tekerleğin, zemine temas ettiği kısımda bir basınç alanı oluşur. Basıncın dağılımı, tekerlek torku ve yanal kuvvetlerin olmadığı durumlarda esas olarak lastik yapısının ve iç basıncının bir fonksiyonudur.

Lastik temas yüzeyindeki basınç dağılımı 7.6 LASTİKLE ZEMİN ARASINDAKİ BASINÇ DAĞILMI Lastik temas yüzeyindeki basınç dağılımı

7.6 LASTİKLE ZEMİN ARASINDAKİ BASINÇ DAĞILMI Yüksek şişirme basınçlarında lastiğin yapısal rijitliğinin etkisi giderek azalır, basınç arttıkça basınç dağılımı da giderek parabolik biçime yaklaşır ve sonunda en yüksek basınç temas yüzeyinin ortasında oluşur. Basınç merkezi, bileşke temas kuvvetinin geçtiği nokta olarak tanımlanır. Doğal olarak, sabit duran bir tekerlekte bu merkez, temas yüzeyinin geometrik merkezidir.

7.7 RİJİT ZEMİNDEKİ TEKERLEĞİN HAREKET EŞİTLİKLERİ Sert asfalt veya beton yolda ilerleyen bir lastik tekerlekteki biçim değişimi (deformasyon) yola oranla çok daha fazladır. Bu nedenle, değerlendirmeleri basitleştirmek üzere, zeminin tam olarak rijit ve tüm deformasyonun lastikte olduğu varsayılacaktır.

Tekerleğin statik şartlardaki serbest cisim diyagramı

Dinamik tekerleğin serbest cisim diyagramı

7.8 TEKERLEK YARIÇAPI Sağlıklı değerlendirmelerin yapılabilmesi için, hesaplamalarda hangi tekerlek yarıçapının kullanılacağı önemlidir. Aşağıda bu yarıçaplar tanımlanmıştır. *Tekerlek serbest yarıçapı: Anma basıncında şişirilmiş tekerleğin serbest haldeki yarıçapı *Tekerlek statik yarıçapı: Taşıtın duruşu sırasında anma basıncında şişirilmiş ve anma yükü ile yüklenmiş tekerleğin merkezi ile zemin arasındaki mesafe

7.8 TEKERLEK YARIÇAPI *Tekerlek dinamik yarıçapı: Taşıtın hareketi sırasında anma basıncında şişirilmiş ve anma yükü ile yüklenmiş tekerleğin merkezi ile zemin arasındaki mesafe *Tekerlek yuvarlanma yarıçapı (efektif yarıçap): Taşıtın hareketi sırasında anma basıncında şişirilmiş ve anma yükü ile yüklenmiş tekerleğin katettiği belirli bir mesafenin yaptığı devir ve 2 ’ye bölünmesi ile hesaplanan yarıçap

Tekerlek yarıçapları

7.9 YUVARLANMA DİRENCİ KATSAYISI Lastiklerin yuvarlanma direnci katsayıları birçok faktörün etkisi altındadır. Bu faktörler; taşıt hızı, lastik yapısı, taç açısı, şişirme basıncı, kesit oranı, lastik karışımı, diş malzemesi ve biçimi ile yol yüzeyinin durumu şeklinde özetlenebilir.

Yuvarlanma direncinin esasları

Değişik yol yüzeyleri için yuvarlanma direnci katsayıları

7.9.1 Yük ve Lastik İç Basıncının Etkisi Yuvarlanma direncini etkileyen önemli faktörlerden birisi de malzemedeki histeresiz kayıplarına bağlı olarak deformasyona uğrayan malzeme miktarıdır. Yükün yuvarlanma direnci katsayısına etkisi

Lastik çapının ve basıncının yuvarlanma Yuvarlanma direnci katsayısının yük ve basınca bağımlı değişimini yaklaşık olarak veren çeşitli sayısal eşitlikler bulunmaktadır. Aşağıda, bunlara ilişkin iki örnek verilmiştir. Lastik çapının ve basıncının yuvarlanma direncine etkisi

Hız ve lastik tipinin yuvarlanma direnci katsayısına etkisi 7.9.2 Hızın Etkisi Yuvarlanma direnci, hız tarafından şiddetle etkilenmektedir. Etki, normal lastiklerde radyal lastiklere oranla daha fazladır. Hız ve lastik tipinin yuvarlanma direnci katsayısına etkisi

Hızın ve lastik iç sıcaklığının yuvarlanma direnci katsayısına etkisi Aynı zamanda, yeni lastiklerde eski lastiklere oranla daha yüksektir. Lastik basıncının azalması da katsayıyı artırmaktadır. Hızın ve lastik iç sıcaklığının yuvarlanma direnci katsayısına etkisi

7.10 LASTİĞİN YOLA TUTUNMA KUVVETİ VE KAYMA Taşıtın hareket yönünde yere, uygulanabilecek maksimum kuvvet: kadardır. Burada; Fnet : tutunma kuvveti, N μromax: maksimum yuvarlanma tutunma katsayısı Aks torkunun Fnet kuvvetini geçecek düzeyde uygulanması durumunda,fazla tork tekerleğin patinaj yapmasına neden olur.

7.10 LASTİĞİN YOLA TUTUNMA KUVVETİ VE KAYMA Tutunma katsayıları yolun durumu ile lastik yüzeyinin özelliklerine bağlıdır,

kayma bölgesinde doğrusallık giderek bozulur. % 12 ... 20 7.10 LASTİĞİN YOLA TUTUNMA KUVVETİ VE KAYMA Şekilde, doğrusal tutunma katsayısının bağıl kaymaya bağımlı değişimi görülmektedir. Şekilden de anlaşılacağı gibi, s = 0 olduğunda, μro = 0'dır. Bunun anlamı, herhangi bir doğrusal kuvvet ancak kayma ile gerçekleşebilmektedir. % 5 kaymaya kadar, uzunlamasına kuvvet kayma ile orantılıdır. % 5 ... 10 kayma bölgesinde doğrusallık giderek bozulur. % 12 ... 20

7.10 LASTİĞİN YOLA TUTUNMA KUVVETİ VE KAYMA

7.11 NET TAHRİK VE FRENLEME ÇABASI Toplam yuvarlanma tutunma katsayısına μro, bunun maksimum değerine μromax ve kayma anındaki değerine de μs denirse; W.μro= Ft- Rro Ft- Rro= Fnet yazılabilir. Eşitliklerde; Fnet > 0 ve Ft > 0 olursa; Ft > Rro olur. Burada; Fnet: Tutunmaya bağımlı net tahrik kuvveti, N Ft : Tekerlek tahrik kuvveti, N

7.11 NET TAHRİK VE FRENLEME ÇABASI Şekilde, net tutunma ve frenleme kuvvetlerinin eşit tahrik ve frenleme torkları uygulandığındaki durumları değerlendirilmektedir. Şekilden de anlaşılacağı gibi, aynı tahrik ya da frenleme torklarındaki frenleme net kuvvetleri ve yavaşlama ivmeleri, net tahrik kuvvetleri ve hızlanma ivmelerinden daha yüksektir.

Net tutunma ve net frenleme kuvvetleri

7.12 KAYMA AÇISI VE YANAL KUVVET Bir tekerleğe etkiyen herhangi bir yanal kuvvet yoksa, tekerlek hareket doğrultusundaki düzlemde dönerek ilerler. Yanal bir kuvvet (Fy) etki ettiğinde ise, temas yüzeyinde yanal bir tutunma kuvveti gelişir ve tekerlek, hareket doğrultusuna göre a kadar farklı bir düzlemde döner. Şekilde, yanal kuvvetin etkisindeki lastiğin davranışı görülmektedir. Buradaki a açısına "kayma açısı" denmektedir.

Yanal kuvvetin etkisindeki lastiğin davranışı

Yanal tutunma katsayıları MS : mud and snow (winter) tire (çamur ve kar lastiği) M&S/E: studded winter tire for ice (kış için çivili buz lastiği) Yanal tutunma katsayıları

Lastik tarafından geliştirilen yanal kuvvet, birçok faktörün etkisi altındadır. (1) Kayma açısı, (2) yük, (3) lastik şişirme basıncı, (4) diş biçimi ve derinliği, (5) diş malzemesi, (6) lastik kesit (aspect) oranı ve genişliği, (7) taç (crown) açısı, (8) lastik gövdesinin yapısı, (9) kamber açısı, (10) yol yüzeyinin durumu.

Kayma açısının fonksiyonu olarak yanal kuvvet-yük değişimi (6 Kayma açısının fonksiyonu olarak yanal kuvvet-yük değişimi (6.00x16 lastik, 2 bar basınçta)

Yanal tutunma katsayısı-yük ilişkisi, (6.00x16 lastik, 2 bar basınçta)

Kendi kendini ayarlama torku-yük ilişkisi (6 Kendi kendini ayarlama torku-yük ilişkisi (6.40x15 lastik, 1,7 bar basınç)

Kendi kendini ayarlama torku-kayma açısı ilişkisi (6 Kendi kendini ayarlama torku-kayma açısı ilişkisi (6.40x15 lastik, 1,7 bar basınç)

7.13 ANALİTİK BAĞINTILAR Deneysel verilere dayanarak, pnömatik bir lastiğin geliştirdiği kuvvetler, kayma, kayma açısı ile diğer tasarım ve kullanım parametreleri arasındaki ilişkiler aşağıdaki eşitliklerle verilebilir. Uzunlamasına kuvvet ; ve yanal kuvvet de;