<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.0 Transitional//EN">
<!-- saved from url=(0053)http://members.cox.net/bdfelice/Ackerman/ackerman.htm -->
<HTML><HEAD><TITLE>ackerman</TITLE>
<META http-equiv=Content-Type content="text/html; charset=iso-8859-1">
<META content="Brian D. Felice" name=Author>
<META content="MSHTML 6.00.2800.1476" name=GENERATOR>
<META content="blends 011" name="Microsoft Theme"></HEAD>
<BODY text=#000000 vLink=#0000ff aLink=#ff9900 link=#993300 bgColor=#cccccc 
background=ackerman_files/blegtext.gif><!--mstheme--><FONT 
face="Trebuchet MS, Arial, Helvetica">
<BLOCKQUOTE>
  <BLOCKQUOTE><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; Ackerman- 
    what it is, what it does and why we care.</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; A short 
    history:&nbsp; In the early days of automobiles, no one could make a (4) 
    wheel car steer correctly. Cars were often driven on wooden floors in the 
    early days (demonstration purposes only- they were not yet practical anyway) 
    and the versions with 4 tires were always leaving rubber marks behind. Tire 
    life was terrible and the cars would often buck as they were turned; this is 
    why there were so many three wheeled cars initially. The problem was known- 
    as a car is driven in a circle, the inboard front tire (assuming it is front 
    wheel steering) must make a smaller turning radius than the outside front 
    tire. This is evident from tire tracks after a snowfall, a car turning in a 
    circle will leave two distinct circles, one smaller than the other. This was 
    not an easy problem to fix because each tire will be the inside the circle 
    at some time and as the turning radius is changed, so too must this 
    differential change with it. Enter one Mr. Ackerman- he proved his geometry 
    using bedroom doors and a piece of string. Much later in time this principle 
    was applied to automobiles. Sure enough, it works perfectly. All cars since 
    that time have Ackerman built into the steering wheels as&nbsp; a necessity 
    and it is not subtle; turn the wheels to full lock on any car (while 
    stopped, of course), step in front of the car and note the direction the 
    tires are facing. The inboard tire will be turned significantly further than 
    the outboard tire; reverse the direction of the turn and Ackerman reverses 
    also.</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; Ackerman is rotary 
    to linear differential. For those who know what a cosine curve looks like, 
    Ackerman simply moves the link between rotary movement away from X = 0. The 
    most intuitive example of Ackerman, at least to me, is any piston engine. 
    Notice that while crankshaft speed is constant, piston speed constantly 
    changes from maximum near 90 degrees to &lt;zero&gt; speed at the top and 
    bottom of the stroke. This is also the Ackerman principle at work.</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; I must confess to 
    misusing the term. Ackerman is the specifically the geometry found on the 
    steering end of cars. I have applied it to the control surfaces of model 
    planes erroneously- it's a misnomer. However, I can't think of another word 
    that describes it so well.... &nbsp;</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; For a visual 
    example, look at the circle below: <IMG height=441 
    src="ackerman_files/Acker-1.jpg" width=630>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; This drawing shows 
    two symmetrical&nbsp; points, each offset 15 degrees from the centerline, or 
    15 degrees away from 90 and -90 degrees. This is how Ackerman is introduced 
    into our control systems. When this wheel is turned, anything attached to 
    these points and held at -0- degrees (horizontal) will not move the same 
    distance. See below:</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3><IMG height=438 hspace=85 
    src="ackerman_files/Acker-2.jpg" width=491>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; And here it is in 
    a nutshell- Ackerman has made the linear distance different between the top 
    and bottom. Notice that the wheel was rotated 15 degrees, and the top linear 
    distance was 0.113 inches but the bottom distance is only 0.105 inches. This 
    is what Ackerman does. Ackerman is dependent on the initial angles chosen- 
    if +/- 90 degrees are chosen (that would be the top and bottom center of the 
    circle), there is no Ackerman introduced and all linear motion will be the 
    same for both points. The angle that will generate max. Ackerman is 45 
    degrees. This examples uses 15 degrees so that it's easy to see but in 
    practice, we would normally choose something more reasonable for a pull-pull 
    system....</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; The reason 
    Ackerman works as it does is because any point attached to a disk that 
    rotates makes both horizontal and vertical motion. In other words, a clevis 
    attached to a rotating control arm will move both back and forth, but also 
    up and down. What Ackerman does is alter this relationship; using Ackerman, 
    we 'trade' some of our fore-aft movement for up-down movement, which we 
    don't care about. This is exactly where the slack comes from..... the cable 
    going slack is doing so because it's also moving closer to the pivot point 
    (on a horizontal line). If this is not clear, try to visualize the movement 
    that occurs between the two drawings above; the upper cable is moving a 
    greater distance left - right than the lower cable is but the lower cable is 
    moving a greater distance up - down than the upper cable is. Effectively, we 
    are trading this up - down motion, which we don't care about, for a 
    differential left - right motion, which we certainly do care about.</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; The next part in 
    understanding the application of Ackerman is seeing where this circle and 
    connection points is found on our toy planes. It would initially appear that 
    there are no circles used as all we use are servo arms and surface control 
    horns but this is not quite true as a circle can be drawn around any three 
    points. This means that there really is a circle around both the servo arm 
    and the control surface. As most servo arms are straight and therefore 
    symmetrical, we can't easily introduce Ackerman at the servo end of the 
    system so it has to be used on the 'other' end of the system. Look at the 
    next picture for a visual reference as to how and where Ackerman is 
    introduced into our toy planes. <BR>&nbsp;</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3><IMG height=442 
    src="ackerman_files/Acker-3.jpg" width=758>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; This is a typical 
    control arm installation. We can draw a circle using the hinge line as the 
    center, and sweeping right through the holes that the clevises (clevi?) 
    attach to. The red line is shown for reference between the holes in the 
    control horns. This drawing isn't the best but the forward flat part would 
    represent the horizontal stabilizer, the aft portion would be the elevator, 
    and the horns / clevises are shown mounted directly above and below the 
    hinge line. This mounting scenario has NO ACKERMAN. It is fully symmetrical 
    and will be absolutely linear. As one cable moves rearward, the other cable 
    moves forward the identical distance.</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; The next view 
    should make Ackerman usage clear: <BR>&nbsp;</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3><IMG height=432 
    src="ackerman_files/Acker-4.jpg" width=707>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; The horns have now 
    been moved rearward 0.140 inches in relation to the hinge line. Note the red 
    lines- these indicate the angle formed between the horn holes and the hinge 
    line. As the bottom cable moves forward to deflect the flight surface 
    downward, the upper cable will move rearward but NOT AS MUCH as the bottom 
    cable moves forward. It is a distinctly asymmetrical system. This is also 
    positive Ackerman; moving the holes in the control horns forward would 
    create negative Ackerman, and this would be disastrous.</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; Now watch what 
    happens when this system is deflected:<IMG height=431 
    src="ackerman_files/Acker-5.jpg" width=734>&nbsp;&nbsp;&nbsp;</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; The control 
    surface has been deflected 10 degrees but the cable travels are not equal- 
    there is a .004" (inch) difference between the upper and lower cable 
    movement. This will introduce exactly that amount, 0.004", into the 
    non-pulling side of the cable, which is the upper cable in this case. Of 
    course if the deflection is the other way (up), then the differential will 
    also be the other way.</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; It also does not 
    matter which side has the slack- as the airflow will always force the 
    deflected surface toward the neutral position, the nature of the forces 
    involves actually chooses which cable is taut and which is slack.</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; One other critical 
    consideration: The pull-pulls must be centered around the hinge line rather 
    than some other geometry like the center of the surface being controlled. 
    This is not a consideration with pushrods but MUST be compensated for if 
    using an offset hinge line. Consider the example below: <BR><IMG height=424 
    hspace=50 src="ackerman_files/Acker-6.jpg" 
    width=660>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; This is exactly 
    the same as the example above it but the hinge line is now on the top. The 
    cable connection point must be placed so that the hinge line is the 
    geometric center instead of the surface. Notice that the circle is centered 
    at the hinge point and that the red arrows still indicate that each cable is 
    the same distance from the hinge line. This causes the geometry of the cable 
    system to go right out the window; each cable will not be straight but 
    actually at an angle. More importantly, they will be at different angles. 
    This is a prime example of using Ackerman- this system would be virtually 
    impossible to compensate for if constant tension was the goal but using a 
    bit of Ackerman will fix it up perfectly. The cables will now gain slack at 
    slightly different rates but we don't care about this. A constant tension 
    system would almost certainly result in a tight point somewhere other than 
    the neutral (center) point.</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; I firmly believe 
    that many people actually introduce Ackerman into both pull-pull and pushrod 
    control systems without ever knowing that they have done it. Usually, the 
    control horn is mounted behind the hinge line because of the bevel on the 
    surface itself. In fact, this is how I found out I was using it..... I 
    installed (2) pull-pull systems with great results (and Ackerman, although 
    unwittingly) and then a third but that system became tighter as it was 
    deflected (the dreaded anti- Ackerman :-) ). After sitting down and thinking 
    about this for a while, blinding comprehension took hold. As a kid, I had 
    read about Ackerman and his geometry; a gust of clear thinking made me 
    realize that I was using it on my model, although by mistake and in one 
    case, incorrectly.&nbsp;</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; A few points on 
    using Ackerman. It is not really desirable, but it is a wonderful tool for 
    making absolutely sure that the tightest point in the entire servo (and 
    controlled surface) travel is the neutral point. Slack in the system is not 
    the goal; having the system NOT tighten as it moves away from neutral is. So 
    how much Ackerman do we use, how do we measure it and is it critical? Not 
    much, we don't, and no, it's not.&nbsp; I do not measure any angle or 
    differential when I use a pull-pull system but rather 'cheat' by simply 
    offsetting the control horns a small amount. In other words, when I install 
    the horns, I simply line up the leading edge of the control horn with the 
    hinge line and then move it back (aft) a slight amount, perhaps 1/16" to 
    3/32". I do not measure it but know that there is some Ackerman installed, 
    and &lt;some&gt; is enough. This 1/16" or 3/32" (that's about 1.5 or about 2 
    mm for you metric types) is the measurement from the hinge line to the 
    clevis holes on the horn; no other measurement matters.</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; There could 
    certainly be too much Ackerman introduced during construction but this isn't 
    likely. If the cables were attached in such a manner as to create a 30 or 
    even 45 degree angle, then the slack introduced during deflection would be 
    far too much, far too soon. That said, look at drawing #4 again and see how 
    likely it is that this would happen- not very likely. With 3/32 inch of 
    offset behind the hinge line, the cables will remain tight through 
    approximately 10 degrees of deflection. After that, there is sufficient 
    force on the deflected control surface, even at zero forward speed, due to 
    prop wash. In fact, I do this all the time in the hover; the plane is not 
    moving but the controls are all deflected a small amount.... no flutter 
    because even if Ackerman causes a loss of tension in one cable, the prop 
    wash will provide more than adequate force to hold the pulling cable 
    taut.</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; There are 
    apparently some that have the view that Ackerman, and the resulting slack in 
    the non-pulling cable, will allow all manner of disastrous things to happen, 
    starting with the destruction of the flight surface so controlled, and 
    apparently ending with the death of all living things on planet Earth 
    :-)&nbsp; Well folks, it just ain't so. It isn't necessary to understand the 
    mathematical relationship to see that this will work quite well. One easy 
    test is to put your hand out a car window while driving down the road- start 
    off with it flat and horizontal, then rotate it a few degrees so that the 
    wind is trying to lift it. Now drive with your hand in that position until 
    the wind pushes it down or doesn't push it at all..... it won't happen. 
    Compare this to a deflected surface- there will be no condition that would 
    push a deflected surface the &lt;wrong&gt; way, or vary enough in pressure 
    to cause flutter or any other undesirable condition. The important thing to 
    remember is that once a surface is deflected even a small amount, one cable 
    (the 'pulling' cable) is doing all the work while the other is nothing more 
    than 'along for the ride' at that particular time.</FONT> 
    <P><FONT face="Times New Roman" size=3>&nbsp;&nbsp;&nbsp; Pull-pull controls 
    are the best thing to hit model planes since sliced bread (which didn't hit 
    model planes but was quite a step forward in it's own right :-)&nbsp; ). 
    They work superbly and have no downside. Ackerman provides the icing on the 
    cake so that pull-pulls become very easy to install and use. Ackerman also 
    is a thing of beauty without downside provided it's used in a reasonable 
    amount but even this is almost assured given normal construction. 
    &nbsp;</FONT> </P></BLOCKQUOTE></BLOCKQUOTE><!--mstheme--></FONT></BODY></HTML>