Ackerman Prensibi Nedir?

Taşıtlarda kullanılan direksiyon sisteminin çalışma mantığı “Ackerman prensibine” dayanmaktadır. Ackerman prensibi, direksiyon döndürüldüğünde hangi tekerleğin kaç derecelik bir açı yapması gerektiğini hesaplamamızı sağlamaktadır. Bu prensibin ayrıntıları yazımızda.

A- A+

08.04.2016 tarihli yazı 38675 kez okunmuştur.

Otomobil Ackerman Direksyon Araç Kontrol Manevra

Direksiyon Sistemi

Bir direksiyon sisteminin özellikleri şu şekilde özetlenebilir;

► Yol yüzeyindeki bozukluklardan kaynaklanan sarsıntılar direksiyon simidine iletilirken mümkün olduğunca sönümlenmelidir. Ancak bu sönümleme sürücünün yol ile temas hissini kaybetmesine izin vermemelidir.
► Temel direksiyon kinematiği tasarımı Ackerman koşulunu sağlamalıdır. Araç dönüş halinde iken sağ ve sol ön tekerlek eksen uzantıları, arka aks eksen uzantısı üzerinde aynı noktada kesişmelidir.
► Direksiyon sisteminin katılığı (özellikle eğer elastik-plastik bağlantılar kullanılıyorsa) taşıtın küçük direksiyon düzeltmelerine reaksiyon göstermesini engellememelidir.
► Direksiyon simidi bırakıldığında, tekerlekler kendiliğinden düz konuma dönmeli ve bu pozisyonda dengede kalmalıdır.
► Kolay kullanım için mümkün olduğunca az direksiyon oranı olmalıdır. Böylece oluşan direksiyon kuvvetleri sadece direksiyon oranı ile değil ön aks yükü, dönüş dairesi boyutu, tekerlek süspansiyonu ve doğrultusu (kaster, kingpin açısı, direksiyon yuvarlanma dairesi yarıçapı) ve lastik profili ile belirlenir.

►İlginizi Çekebilir: ESP (Elektronik Stabilite Programı)

Direksiyon sistemlerinin sağlaması gereken teknik şartlar vardır. S38StV20’ye (Federal Alman Motorlu Taşıt Emniyet standartları (FMVSS/CUR)) göre direksiyon sistemi taşıtın kolay ve emniyetli direksiyon kontrolünü garanti etmelidir.

► Maksimum 6 saniye içinde ön tekerlekler, 12 metrelik yarıçapa denk gelen dönme açı pozisyonuna getirilebilmelidir.
► Eğer direksiyondaki tahrik kuvveti 250 N’un üzerinde ise güç desteği gereklidir.
► Eğer böyle bir güç desteği arızalanırsa tahrik kuvveti 600 N’nu aşmamalıdır.
► Tahrik kuvveti merkezden (hidrolik direksiyon sistemi gibi) son duruş konumuna kadar uyumlu olmalı ve azalmamalıdır. (Notları, 2012)
► Taşıtın doğru olarak sürüşü mümkün olmalı, olağandışı direksiyon düzeltmeleri olmamalıdır.
► Mekanik parçalarda boşluk olması izin verilmeyen bir durumdur.
► Mekanik iletim elemanlarının bütünü, kullanım sırasında oluşan tüm yükleri ve gerilimleri karşılayabilmelidir.
► Tümseklerin, engellerin üzerinden geçmek gibi alışılmadık sürüş manevraları sırasında, kaza gibi olaylara sebep olabilecek herhangi bir kırılma ve çatlama sonuçlara yol açmamalıdır.

Şekil 1: Trapez mekanizması

►İlginizi Çekebilir: Aktif Dikey İkincil Süspansiyon

Günümüzde en çok kullanılan direksiyon sistemi, Ackerman geometrisi sistemidir. Bu sisteme göre yapılmış olan bir direksiyon sistemi üç kısımdan oluşur;

1) Direksiyon simidi ve mili,
2) Direksiyon mekanizması,
3) Tekerlekleri mekanizmaya bağlayan çubuk sistemi.

Direksiyon sistemleri, tasarım açısından farklılık gösterseler de işlevsel açıdan benzerlerdir. Örneğin orta rod kolunun tekerlek merkezinin ötesine yerleştirildiği sistemlere, önden dümenleme sistemi denir. Ackerman koşulunun en iyi uygulandığı sistem trapez mekanizmasıdır (Şekil 1). Bu sistem geometrisindeki asimetriklik sağa veya sola dönüşlerde dönüş yönüne göre viraj içindeki tekerleğin daha fazla sapmasını sağlar. Ayrıca Ackerman geometrisi de taşıtın aks aralığı ve ön aks genişliği fonksiyonunun birer parametresidir.

Yönlendirme Geometrisi Ackerman

Düzlemsel hareket yapan bir taşıtın dönüş hareketi esnasında her tekerleği bir yay üzerinde hareket etmektedir. Dönüş esnasında taşıt kararlılığını korumak ve minimum tekerlek aşınması sağlamak için tekerleklerin kaymadan yuvarlanmasını sağlamak gerekir. Bu da tekerleklerin taradıkları yayların merkezinin yani ani dönme merkezlerinin çakışık olması koşulundan geçer. Başka bir tarifle ani dönme merkezinden tekerleklerin izdüşümlerine uzatılan ışınlar, tekerlek izdüşümüne dik olmalıdır. Bu duruma ideal dönüş geometrisi veya Ackermann geometrisi adı verilir. Ackermann geometrisindeki tekerlek sapma açıları taşıt iz genişliği (w), aks aralığı (l) ve dönüş yarıçapına (R1) göre formüle edilebilir.

Şekil 2: Ackerman geometrisi

Ackermann geometrisinden elde edilen formüllere bakıldığında taşıtın dönüş yarıçapını belirleyen değişkenler tekerleklerin dönüş açıları, aracın aks aralığı ve iz genişliğidir. Bu parametrelerden aks aralığı belirlenirken taşıtın ağırlığı, ağırlık merkezinin yeri ve aksların taşıma kapasitesi gibi parametreler birincil rol oynamaktadır. Dümenlemeye olan etkisi ikinci planda kalmaktadır ve dümenlemeyi iyileştirmek için değiştirilmesi uygun değildir. İz genişliği de yalnızca iç ve dış tekerin dönüş açıları arasındaki farkı belirleyen parametredir. Dönüş yarıçapının azaltılması için değişiklik yapılabilecek tek parametrenin tekerleklerin dönüş açıları olduğu görülür.

Şekil 3: Teorik ve gerçek dönme açıları

Çok akslı taşıtlar için ackermann geometrisini yakalayabilmenin koşulu tüm akslardaki tekerlekleri uygun açılarda döndürmektir. Tüm aksların tekerleklerinin saptırılamaması durumunda ackermann geometrisini sağlayabilmek adına ancak bir tane aksın tekerlekleri sabit kullanılmalıdır. Tek aksının tekerleklerinin sabit tutulduğu üç akslı bir taşıt için ackermann geometrisi Şekil 4’de gösterilmiştir. Bu taşıt için tekerleklerin dönme açıları aşağıdaki formüllerle ifade edilebilir.

Şekil 4: İki aksı dümenlenen bir taşıtın ackerman geometrisi

Sağlıklı bir dönüş için bu ideal açıların gerçekleşmesi, tam olarak olmasa da, araçtan beklenen manevra cevabına göre belirlenen bir yaklaşık değer, iki tekerlek arasına kurulan mekanizmalar yardımıyla sağlanır (direksiyon mekanizmaları). Direksiyon mekanizması daha önce de söylendiği gibi, Ackermann koşulundan fazla uzaklaşmayacak şekilde iç tekeri, dış tekerden daha fazla saptırmalıdır. Dolayısıyla mekanizmayı oluşturan rod kollarının boyları ve uzaysal konumları önemlidir.

Four Wheel Steering (4WS)

Dört tekerlekten yönlendirme virajlarda yol tutuşunu arttıran, yüksek hızlarda araçların emniyetli ve kolay sollanmasını sağlayan, şehir içindeki manevraları ve park etmeyi kolaylaştıran bir sistemdir. İlk 4ws sistemi 1905 yılında Lotil marka traktörde uygulanmıştır. Honda 1987 yılında mekanik kumandalısını, Mazda ise 1988 yılında elektronik kumandalısını piyasaya çıkarmıştır. Ön tekerlekleri sağa veya sola kırdığımızda arka tekerlekler de ön tekerleklerin 5'te 1'i kadar sağa veya sola dönerek arabanın arkasının viraj dışına doğru kaçmasını engeller. Yüksek hızda arka tekerlekler ön tekerleklerle aynı yönde düşük hızlarda ters yönde dönmektedirler.

Şekil 5: Ön ve arka akstan dümenlenmiş araç

Bu uygulamada ön ve arka tekerleklerin merkezinden tekerleğe dik çıkan ışınlar, sabit olan orta aksın tekerleklerinin merkezinden uzanan ışını tek bir noktada kestiğinde Ackerman geometrisine uygun dönüş sağlanabilir (Şekil 5). Ön ve arka aksın iç ve dış tekerleklerin dönüş açıları kendi içlerinde orta aksa olan mesafeleriyle ters orantılıdır.

Şekil 6: İlk ve son aksının tekerlekleri dümenlenmiş araç

Bu uygulamanın en belirgin avantajı dönüş yarıçapının çok büyük ölçüde düşürülmesidir. İz genişliği 2300 mm, birinci aks aralığı 1530 mm ve ikinci aks aralığı 1644 mm olan örnek üç akslı aracın, birinci ve üçüncü aksının dümenlendiği konfigürasyonla, ilk iki aksının dümenlendiği konfigürasyonun dönüş yarıçapları açısından kıyaslanması Çizelge 3.1 de verilmiştir.

Bu önemli avantajına rağmen birinci ve sonuncu aks tekerleklerini ters yöne saptıran bu konfigürasyonun önemli bir dezavantajı vardır. Arka tekerlekleri saptırılan taşıt seyir dinamiği bakımından kararsızdır. Bu taşıtlarda dönme esnasında direksiyon bırakıldığında taşıtın saptırılmış arka tekerlekleri doğrulacağı ters yöne doğru git gide küçülen bir yörünge izler. Bu yüzden yüksek hızlarda arka direksiyon tertibatı kilitlenmelidir.

İkinci uygulama ise kamyonlardaki ikiz dümenlemeye benzer biçimde öndeki iki aksın tekerleklerinin saptırılmasıdır (Şekil 7). Kullanılan sistemin yapısı araçların bağımsız süspansiyon, katı aks oluşuna göre, gövdesinin şasili veya monokok oluşuna göre farklılık gösterir.

Şekil 7: Ön iki akstan tahrikli sistem

Altı tekerlekli taşıtlarda çift akstan dümenlemenin, tek akstan dümenlemeye göre avantajları şunlardır:

► Aks başına düşen statik yük azalacağından, aksta oluşan statik ve dinamik gerilmeler de önemli ölçüde azalır.
► Özellikle engebeli yol koşullarında tek akstan dümenlemeye göre yol tutuşu üstündür.
► Dikey momentin akslar arasında paylaşılmasından ötürü tekerleklere gelen ani şoklar ve devamındaki titreşimlerde azalma meydana gelir.
► Dümenlenen akslardan sadece birinin hasar görmesi, dümenleme fonksiyonunun devam etmesini engellemez. Güvenilirliği tek akstan dümenlemeye göre yüksektir.
► Ackermann prensibine uygun açılar yakalandığından aynı aks yükleri için tek asktan dümenlemeye göre sürtünmeler ve tekerlek aşınmaları azalır.

Kaynak:

►Burha, M. ( Haziran 2010). İki Akstan Dümenlenen Üç Akslı Özel Maksatlı Bir Taşıtın Direksiyon Mekanizmasının Kinematik Tasarımı. İstanbul: Yüksek Lisans Tezi.
►Notları, D. (2012). Taşıt Dinamiği. Afyon: Afyon Kocatepe Üniversitesi.