%100 kayma etkisi altında düşük basınçta lastik davranışının incelenmesi
Investigation of low pressure tire behavior under 100% slip effect
Yazar: ALP KALYONCU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEYNEP PARLAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Aşınma = Wear ; Esneklik = Flexibility ; Kayma = Slide ; Lastik = Tire

Özet:
Bu tezde lastiklerde, kontrol edilmediği takdirde, zaman içerisinde, meydana gelen basınç düşüşünün etkileri incelenecektir. Lastiklerde basınç düşüşü hiçbir çevre faktörü etkili olmasa dahi ozmoz nedeniyle gerçekleşmektedir. Lastiklerin bu nedenle ayda 1-3 psi arası basınç kaybettiği lastik firmalarının çalışmalarınca tespit edilmiştir. Çevresel faktörlerin de bu basınç kayıplarında etkisi olabilmektedir. Sıcaklık farkları, fark edilmeyen ancak etkili bir nedendir. Her 10°C sıcaklık düşüşü 1-3 psi lastik basıncı düşüşüne neden olacaktır. Supap kapağının zamanla eskimesi ve özelliğini yitirmesi, yolculuklar sırasında çukurlara ve tümseklere maruz kalma gibi faktörler de zamanla lastik basıncının beklenenden kısa sürede düşmesine neden olur.
Tezin ilerleyişi öncelikle lastiğin temel yapısının anlatılışı ile başlayacaktır. Ardından lastik tipleri ve aşınma türleri tanıtılacaktır. Daha sonra aşınma nedenleri ve düzensiz aşınma tiplerinden bahsedilmiştir. Lastiğin temel fiziksel davranışlarının daha iyi kavranabilmesi için kullanılan fırça modeli tanıtılmıştır. Fırça modelinin tanıtılması ile lastiğin yere güç aktarımı sırasında meydana gelen kayma olayı açıklanmıştır.
Lastiğin modellenmesi ile ilgili gerekli bilgiler verildikten sonra analizin sınır koşulları ve bu koşulların nasıl seçildikleri açıklanmış, ardından analiz sonuçları sunulmuştur. Düşük basınç altında lastik yapısında bulunan karkas yapısının da etkisiyle yere yapılan basınç dağılımı düzensiz bir hal almaktadır. Bu düzensizlik, kendini omuz kısımlarında yoğunlaşıp, sırt kısımlarında yeterince yere basınç uygulamayan bir dağılım ile göstermektedir. Lastiğin yere uygulayabileceği çekiş kuvvetleri, yere yaptığı basınç ile doğrudan ilişkilidir. Dolayısıyla burada gerçekleşen düzensiz dağılım kendini çekiş kuvvetleri anlamında da gösterecektir. Yapılan analizler ile düşük basınçta gerçekleşen düzensiz dağılım gösterilmiştir. Yere yapılan basınç dağılımının yanı sıra lastik ile yer arasındaki sürtünme kaynaklı gerilme ve lastikte oluşan Von-Mises gerilmeleri de analiz sonuçlarında verilmiştir.
Sonuçlar kısmında elde edilen veriler tablo ile karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Buna göre sürtünme kaynaklı gerilimde düşük basınç durumunun normal basınca göre %13'e varan bir oranda düşüşe neden olduğu görülmüştür. Bu düşüşe neden olan temel etmen yere yapılan basıncın düzensiz dağılması sonucu efektif bir şekilde kullanılamayan taban alanıdır. Ortaya çıkan bir başka sonuç ise lastik deseninde bulunan sivri köşeli oyukların daha hızlı aşındıklarıdır. Kayma esnasında hücum kenarında bulunan köşelerde daha yüksek gerilmeler gözlenmiştir.

Abstract:
In this thesis, the effects of pressure drop in tires over time, if not controlled, will be examined with an elaborate analysis from Ansys. Tires are the only way for a vehicle to transfer the forces necessary for its full relationship and progress with the ground. The main tasks of tires are: to support the weight of the vehicle, to cushion the vehicle on surface irregularities, to provide sufficient traction for driving and braking, and to provide adequate steering control and directional stability. There are 3 types of tire types: Bias-ply, bias-belted, and radial. This thesis will focus on a detailed analysis on the behaviour of a radial tyre under pressure.
Pressure drop in tires will occur due to osmosis even if no environmental factors are effective. It has been determined by the studies of tire companies that the tires lose pressure between 1-3 psi per month for this reason. Environmental factors will also have an effect on these pressure losses. Temperature differences are an unnoticed but effective cause. Every 10°C temperature drop will result in a 1-3 psi tire pressure drop. Factors such as aging and loss of feature of the valve cover over time, and exposure to potholes and bumps during journeys also cause tire pressure to drop in a shorter time than expected.
The brush model is used to better understand the basic physical behaviors of the tire. With the brush model, the slip event that occurs during the power transmission of the tire to the ground can be explained further. The "100% slip effect" in the title of this these is explained further with the brush effect.
For the boundary conditions of the analysis, 32 psi, which is the standard for passenger vehicles, was chosen as the normal version. For the low-pressure situation, 24 psi was chosen using the ASME standard E274. Although this standard does not coincide with the content of this thesis, it has been a guide in terms of determining boundary conditions. As the normal force, 4800N was chosen by using the E274 standard.
According to Stachowiak, tire wear is defined as " 'progressive loss of substance from the operating surface of a body occurring as a result of relative motion at the surface". The wear of tires depends on many parameters, including but not limited to; contact geometry, exposure time, interacting material surfaces, normal force, shear rate, environmental conditions, material composition, and hardness.
Tire wear types are divided into five as adhesive, abrasive, fatigue, erosive, and hysteresis. Adhesive wear is the result of relative movement between two surfaces in contact. The adhesive force separates the surface material from the original surface and slides it to the other surface. Abrasive wear, instead, only occurs when there is friction between the tire surface and a softer and harder surface such as the road surface. When the tires operate is operating under normal conditions, abrasive wear is the most common type of wear. Abrasive wear can be in the form of two-or three-bodies. Fatigue wear, in turn, occurs under the cyclic force acting on the surface of the tire when the tire rotates on the road. If the cyclic force is higher than the fatigue limit of the material, cracks occur. In fact, fatigue wear rarely occurs. Erosive wear happens when tires run through a puddle. Solid particles in water cause tire surface wear. The interaction of tires with the outside world will bring corrosion. Corrosion causes uneven wear of tires. Lastly, hysteresis wear is caused by the penetration of road roughness into the tire, creating areas of high and low deformation.
From the results of the analyses, it is clear that the pressure distribution on the ground becomes irregular with the effect of the carcass structure in the tire structure under low pressure. This irregularity manifests itself with a distribution that concentrates on the shoulder parts and does not apply enough ground pressure on the back parts. The traction forces that the tire can apply to the ground are directly related to the pressure it exerts on the ground. Therefore, the uneven distribution occurring here will also show itself in terms of traction forces. The uneven distribution occurring at low pressure is shown in the analyzes as well. In addition to the pressure distribution on the ground, the frictional stress between the tire and the ground and the Von-Mises stresses formed in the tire can also be seen in the analysis results. Considering the frictional stress results and the Von-Mises stress results, the braking force obtained at 32 psi cannot be reached at 24 psi. Not only does it cause uneven wear, but it also poses a safety issue. A tire exposed to excessive hysteresis due to low pressure may overheat and burst. At the same time, the load carrying capacity of the tire also depends on its pressure. Unnoticed falling pressure can result in a tire running under much load than it can handle.
To conclude, low pressure can occur because of osmosis, temperature difference, road faults, and valve wear, and the dangers lie in tire bursts, inadequate friction pressure, and uneven tire wear. As a precaution, there are some recommendations. The result that emerges in this context is to make materials and designs with the awareness of the additional pressure that will come to the shoulder parts in case of low-pressure during tire design. In addition, adding placards to remind users of the need to check their tire pressures can prevent this from happening. Depending on the working principle of tire pressure monitoring systems, it is predicted that unnoticed low-pressure can be prevented. While systems that monitor real-time pressure information of all tires can
prevent it, systems that monitor pressure conditions using tire lap difference remain indifferent in case of pressure loss of all tires.
The results obtained in the appendix of this thesis are presented with their scales equalized and shown side by side.