MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNİK EĞİTİM FAKÜLTESİ. Frenler - Genel. HAZIRLAYAN: Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR

Transkript

1 MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNİK EĞİTİM FAKÜLTESİ Frenler - Genel HAZIRLAYAN: Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR

2 TEKNİK VE DİĞER ÖNLEMLER KAZALARI AZALTABİLİR Mİ? EVET! ÖNLEM KAZA İlişkisi (Kuzey Avusturya ) Bazı Dikkat Çekmeler Alpay Lök, Araç Fren Sistemleri, MMO İstanbul Kartal, 20 Temmuz 2011

3 Trafik Kazaları ABD de her yıl * kişi, dünyada ise ** kişi trafik kazalarından ölmektedir. (*Early estimate of motor vehicle traffic fatalities in 2009, NHTSA, Washington, DC, ** National Highway Traffic Safety Administration, 2007 Traffic Safety Annual Assessment Highlights, Washington, DC, 2008.) Yılı Kaza Sayısı Ölü Sayısı Yaralı Sayısı

4 FRENLER-GENEL Frenler, güvenli sürüş için taşıtlarda bulunan en önemli aktif emniyet donanımıdır. Hareket halindeki taşıtı yavaşlatmak, durdurmak, taşıtın hızını kontrol altında tutmak ve duran taşıtı yerinde sabit tutmak amacıyla kullanılır. Taşıtlarda tekerlek freni olarak sürtünmeli frenler kullanılmaktadır. Genel olarak doğrudan doğruya tekerleğe bağlı olan bu frenler iki ana fonksiyonu yerine getirirler. Fren momentinin oluşturulması, Enerji değişiminin gerçekleştirilmesi (kinetik veya potansiyel enerjinin ısı enerjisine dönüştürülmesi) ve oluşan ısının atılması [1]. AD, Doktora Tezi

5 FRENLER-GENEL Ana fren (servis freni): Ana fren, sürücüye aracın hareketine kumanda edebilmesi ve onu emniyetli, çabuk ve etkin şekilde durdurmasına olanak vermelidir. Etkisi kademelendirilebilir olmalıdır. Sürücü, frenlemeyi oturduğu yerden ve ellerini direksiyondan ayırmadan sağlayabilmelidir. Yardımcı fren (İmdat freni): Yardımcı fren, ana fren devre dışı kaldığında, aracı uygun bir uzaklıkta durdurabilmelidir. Etkisi kademelendirilebilir olmalıdır. Sürücü frene oturduğu yerden ve en az tek elle direksiyon kumandasını koruyarak erişebilmelidir. Bu frenin, ana frenin en çok bir yerinde arıza olması halinde, aracı durdurmaya yardımcı olabileceği kabul edilmiştir. Park freni (Tespit freni): Park freni, sürücü olmaksızın da, aracı yokuş ve inişlerde hareketsiz tutabilmelidir. Sürücü, römorklar hariç, bu frene oturduğu yerden kumanda edebilmelidir. Park freni, etkisi kademelendirilebiliyorsa, yardımcı fren olarak da sayılabilir. Egzoz freni: Egzoz çıkışını engelleyerek, aracın hızını motordan yararlanarak kesmeyi sağlayan frenlemedir. Yavaşlatıcılar: Motor freni ve tekerleklerdeki sürtünme frenleri dışında, enerji yutarak veya depolayarak aracın hızını kesmekte kullanılan volan, vites kutusu çıkışında kullanılan kasnak gibi düzenlerdir. Taşıt Konstrüksiyonu A.G.Göktan 2001/2002

6 Taşıt Konstrüksiyonu A.G.Göktan 2001/2002 FRENLER-GENEL

7 FRENLER-GENEL Handbook

8 AD, Doktora Tezi FRENLER-GENEL

9 1. Ön-arka dağılımı: Ağırlık merkezi taşıtın ortasında veya arkaya doğru olan taşıtlar için uygundur. Basit ve ucuz bir şekildir. Fiat, Ford, Opel gibi markalarda uygulanmaktadır. 2. Diyagonal dağılım: Ağırlık merkezi taşıtın ön veya ortasına doğru olan taşıtlar için uygundur. Bu dağılım şekli kullanıldığında, bir devrenin arızalanması halinde aşırı direksiyon momentlerinin ortaya çıkmaması için ön tekerleklerin yuvarlanma dairesi yarıçaplarının negatif olması şarttır. Basit ve ucuz bir şekildir. Uygulamada Audi, Saab, Volkswagen gibi markalarda kullanılmaktadır. 3. Ön aks, arka-ön aks dağılımı: Yalnız ağırlık merkezi önde olan taşıtlar için uygundur. Ön tekerlek frenleri ikişer silindirli olduğundan 1 ve 2 numaralı dağılımlardan daha pahalıdır. BMW marka otomobillerde uygulanmaktadır. 4. Ön aks, arka tekerlek - ön aks, arka tekerlek dağılımı: Ağırlık merkezi ortada veya öne doğru olan taşıtlar için uygundur. Ön tekerlek frenleri ikişer silindirli olduğundan 1 ve 2 numaralı dağılımlardan daha pahalıdır. Volvo marka otomobillerde kullanılmaktadır. 5. Ön ve arka aks - ön ve arka aks dağılımı: Ağırlık merkezinin yerinin önemi yoktur. Teorik olarak ideal dağılım şeklidir. Konstrüksiyonunda yerleştirme sorunu çıkarmaktadır. En pahalı uygulamadır. Rolls Royce marka otomobillerde kullanılmaktadır. A negative roll radius exists when the steering axis line is outside of the tire center line (in other words, the imaginary intersection of these two lines is above the road surface).

10 İki devreli fren sistemlerinde çeşitli devre dağılımı şekilleri.

11 The steering roll radius determines the extent to which the steering system is affected by disturbance forces (brakes pulling unevenly, driving forces under traction/overrun conditions with frontwheel drive). Today, the goal is to achieve a steering roll radius which is "zero" to "slightly negative". A negative roll radius exists when the steering axis line is outside of the tire center line (in other words, the imaginary intersection of these two lines is above the road surface). Note: The term Steering Roll Radius is also known as Scrub Radius, Steering Offset or King Pin Offset.

12 Hidrolik fren sisteminin tipik düzeni Tipik fren sistemi; ön tarafta disk frenler ve freni her bir tekerlekten ana silindire bağlayan borular ve hortumlardan oluşan bir sisteme bağlanan arka tarafta ise disk veya kampanalı frenlerden oluşur. Fren sistemiyle bağlanan diğer sistemlerde el frenleri, fren kuvveti servoları ile bazı araçlarda Kilitleme Önleyici Fren Sistemi (ABS) veya Elektronik Stabilite Programı (ESP) yer alır. Ayrıca belirli bazı modellerde ABS ve ESP Hidrolik Elektronik Kontrol Ünitesi nin (HECU) içerisinde Çekiş Kontrol Sistemi (TSC) bulunur. KİA

13 Electronic/compressed-air braking system for two-axle tractor 1 Wheel-speed sensor, 2 Brake-pad wear sensor, 3 Control valve, 4 Front-wheel cylinder, 5 Rear-wheel cylinder, 6 ECU, 7 Brake pedal, 8 Compressed-air cylinder, 9 Compressed-air supply to trailer, 10 Trailer control line, 11 Coupling-force sensor, 12 Steering-wheel position sensor, 13 Control for retarder and engine-braking system, 14 Yaw-rate/lateral-acceleration sensor. Automotive Handbook, Robert Bosch GmbH, 2002

14 ABS: Orijinal İngilizcesiyle Anti-lock Braking System, Türkçeye kilitlenmeyi önleyici fren sistemi ya da bloke olmayı önleyici fren sistemi olarak çevrilebilir. ABS, fren yapılırken tekerleklerin kilitlenmesini önler. Frenleme etkisini artırmanın yanı sıra stabilite ve yönlendirme yeteneği de korur. ABS sistemi fren mesafesini kısaltır mı: ABS fren sistemi, fren mesafesini azaltan bir yapıda çalışmamaktadır. Frenleme sırasında tekerlek hız müşirlerinden gelen sinyali ABS kontrol grubu değerlendirir/hesaplar ve buna göre fren basıncının ayarlamasını yapar. Böylece tekerleklerin bloke olmadan (dönerek) yavaşlamasını veya durmasını sağlar. Bunun sonucunda aracın şerit içinde doğrusallığı bozulmaz ve güvenli bir frenleme sağlanmış olur. ABS control loop 1 Solenoid-valve unit, 2 Master cylinder, 3 Wheelbrake cylinder, 4 Electronic control unit (ECU), 5 Wheel-speed sensor Automotive Handbook, Robert Bosch GmbH, 2002

15 Bilindiği gibi kuvvet bağlantı katsayısı kaymaya bağlı olarak değişmekte ve bu değişim tekerleklerin ve yolun cins ve durumlarına göre farklı şekiller alabilmektedir. Buradaki kayma (s), taşıtın gerçek hızı (v0) ile fren yapan tekerleğin çevresel hızı (v) arasındaki farkın taşıt hızına oranı olarak tanımlanmaktadır. Bu tanıma göre fren yapan bir taşıtta bloke olmuş, yani dönmeyen (v = 0) bir tekerleğin kayması (s) 1, serbest yuvarlanan (v = v0) bir tekerleğin kayması ise (s) 0 olmaktadır. μx kuvvet bağlantı katsayısının μh maksimum değerini aldığı noktadaki kaymaya da kritik kayma (sk) adı verilecektir. Kuvvet bağlantı katsayılarının kaymaya bağlı değişimi. Automotive Handbook, Robert Bosch GmbH, 2002

16 Automotive Handbook, Robert Bosch GmbH, 2002 ABS system variants

17 Sürtünmeli frenler; kampanalı ve diskli olmak üzere ikiye ayrılır. FRENLER-GENEL Taşıt Frenleri, A.G.Göktan

18 Kampanalı frenler Kampanalı frenlerde fren yüzeyi silindiriktir. Çeşitli tipleri olmakla birlikte karayolu taşıtlarının tekerlek frenlerinde içten pabuçlu olanlar kullanılmaktadır. Bandlı frenler genellikle otomatik vites kutularında, dıştan pabuçlu frenler ise raylı taşıtlarda bulunmaktadır. Kampanalı bir frenin ana parçaları kampana, pabuçlar, baskı düzeni ve taşıma düzenidir. Kampana, işletme şartlarının gerektirdiği mukavemet ve ısıl özellikleri sağlamak üzere konstrükte edilen bir elemandır. Dış yüzeyinde çepeçevre uzanan kanatcıklar mukavemeti arttırmak üzere kullanılırken, açık kenarda çepeçevre bir profil istenmeyen ısıl genleşmeleri önlemektedir. Soğutma fonksiyonunu da gören bu kanatçıklar bazı kampanalarda radyal doğrultuda birbirine paralel çok sayıda yapılarak hava hareketleri arttırılmakta ve dolayısıyla soğutma daha iyi sağlanabilmektedir. Taşıt Frenleri, A.G.Göktan FRENLER-GENEL

19 FRENLER-GENEL

20 Kampanalı Fren Konstrüksiyonları a) simpleks b) dupleks c) servo d) duo dupleks e) duo servo Taşıt Konstrüksiyonu A.G.Göktan 2001/2002

21 Application force Fs: In friction brakes, the total force applied to a brake lining, which causes the braking force by friction effect. Braking torque: Product of the frictional forces resulting from the application force and the distance between the points of application of these forces and the axis of rotation of the wheels. Brake coefficient C*: Defines the relationship between the total circumferential force of a given brake and the respective brake's application force. C* = Fu / Fs Fu Total circumferential force, Fs Application force. The mean is employed when there are variations in the application forces at the individual brake shoes (i Number of brake shoes). Fs = ΣFsi / i Braking factor z: Ratio between the total braking force, Ff, and the static weight, Gs, on the axle or the axles of the vehicle: Çevresel kuvvet (Fu): Çevresel kuvvet F U, yol yüzeyinde etkilidir. Sürücünün aracın hızlanması ve yavaşlaması için gaz pedalına ve frene basmasını sağlar. Normal kuvvet (Fn): Normal kuvvet FN, aracın ağırlığının ve yükünün oluşturduğu etkidir. Bu, yol yüzeyine dikey doğrultuda hareket eden ağırlığın bir parçasıdır. Bu kuvvetlerin gerçekte aracı ne kadar etkileyebileceği, yol yüzeyinin durumuna, lastiklerin durumuna ve havaya bağlıdır. Kuvvetlerin yola etkili biçimde aktarılması, lastik ve yol yüzeyi arasındaki sürtünme katsayısına göre belirlenir. Fren iyilik derecesi: Negatif ivmenin yerçekimi ivmesine oranına frenleme oranı z adı verilmektedir. Makine Mühendisliği Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR

22 The brake factor C* as an assessment criterion for brake performance, indicates the ratio of braking force to actuating force. This value takes into account the influence of the internal transmission ratio of the brake as well as the friction coefficient, which in turn is mainly dependent on the parameters speed, brake pressure and temperature. Brake factor C* as a function of the coefficient of friction and initial road speed 1 Duo-servo drum brake, 2 Duo-duplex drum brake, 3 Simplex drum brake, 4 Disc brake. Automotive Handbook, Robert Bosch GmbH, 2002

23 Automotive Handbook, Robert Bosch GmbH, 2002 In the case of the Simplex drum brake, C* is the sum of the values for the individual shoes, and is 2.0 (referred to a coefficient of friction of μ = 0.38; it always appears in the following C* observations as the basis value). A disadvantage of this design is the considerable difference in the braking effect between the two brake shoes, and the resulting greatly increased wear on the leading shoe as compared to the trailing shoe.

24 FRENLER-GENEL Park freni sistemi üçüncü frenleme işlevini yerine getirir. Aracın rampadayken veya sürücü olmadığında hareket etmesini önler. Güvenlik önlemleri göz önüne alındığında, park freninde kontrol mekanizması ve tekerlek freni arasında örneğin bağlantı kolları veya Bowden kablosu gibi mekanik bir bağlantının bulunması gerekmektedir. Park freni genelde sürücü koltuğunun yanındaki bir kol veya bir pedal yardımıyla çalıştırılır. Bu fren sistemi kademeli tepkime sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Sadece tek bir akstaki tekerlekler üzerinde çalışır. KİA

25 Kampana frenlerde park freni bir kol yardımıyla basit bir şekilde eklenirken tam bir mekanizma olan disk frenleri için bazı durumlarda fren diskinin içerisinde tam bir mekanik kampana fren grubuna ihtiyaç duyulabilir. Kampana frenlerde fren tablası, fren pabuçları, fren kampanası, tekerlek silindirleri ve dönüş yayları ile bazı durumlarda otomatik veya kendinden ayarlı sistem vardır. Frene bastığınızda, basınç altındaki fren hidroliği tekerlek silindirlerine gönderilir ve fren pabuçlarını iterek kampananın işlenmiş yüzeyiyle temas etmesini sağlar. Basınç kaldırıldığında, dönüş yayları fren pabuçlarının ilk konumlarına dönmelerini sağlar. Kampana frenlerin birçoğu kendiliğinden çalışır. Kampanaya temas eden fren pabuçları daha fazla kuvvet uygulanarak fren pabuçlarının kampanaya sıkıştırılmasını sağlayan sıkıştırma işlemi vardır. Sıkıştırma işlemi sonucunda ortaya çıkan fazla frenleme kuvveti fren kampanalarının disk frenlerinden daha küçük bir piston kullanmasını kullanılmasına izin verir. FRENLER-GENEL KİA

26 FRENLER-GENEL Fren balataları aşındığında, fren pabuçlarının kampanaya ulaşması için daha uzun bir mesafe kat etmesi gerekir. Mesafe belirli bir noktaya ulaştığında, pabuçların ilk konumları kendinden ayarlanabilen mekanizma tarafından otomatik olarak ayarladığından kampanaya daha yakındır. Kampana frenlerin düzgün çalışması için fren pabuçlarının kampanaya temas etmeyecek şekilde olması gerekir. Kampanadan çok uzaktaysa (örneğin fren pabuçları aşınır), bu mesafeyi kat etmek için pistonda daha fazla fren hidroliğine ihtiyaç duyulur ve frenlere basıldığında fren pedalı zemine daha yakındır. Fren balatası aşındığında, pabuç ve kampana arasındaki boşluk artar. Araç her durduğunda, pabuç kampanaya sıkıştırılır. Boşluk yeteri kadar büyük olduğunda, ayarlama kolu ayar dişlisini bir diş ileri almak için yeteri kadar döner. Ayar kolunun üzerinde cıvatada olduğu gibi dişliler olduğundan döndüğünde aradaki boşluğu kapatmak için biraz gevşer. Fren pabuçları aşınmaya devam ederse, ayar kolu tekrar ileri hareket eder ve pabuçların kampanaya yakınlaşmasını sağlar. Kendinden ayarlanabilen sistemin parçaları temiz olmalı ve frenlerin balataların kullanım ömrü süresince ayarlarının yapılmış olduğundan emin olmak için serbestçe hareket etmelidir. Kendiliğinden ayarlayıcılar çalışmazsa, müşteri frenler kavramadan önce fren pedalına daha fazla basması gerektiğini fark eder. KİA

27 Diskli frenler Diskli frenler, tekerlekle eş eksenli olarak monte edilmiş olan metal bir disk ile tekerlekler birlikte dönmektedir. Kaliper adı verilen ve tekerlek askı kollarına bağlı olan bir parça, diski genel olarak bir köşesinden kavramaktadır. Kaliperin iç kısımlarında diskin iki yüzeyine yaslanan balatalar frenleme sırasında hidrolik basınç ile diskleri her iki yönden eşit kuvvetle sıkmaktadır. Balataların diski her iki yandan eşit kuvvetle sıkıştırabilmesi için ya diskin ya kaliperin ya da her iki balatanın eksenel yönde hareketli olması gerekmektedir. FRENLER-GENEL

28 FRENLER-GENEL Hareketlilik açısından konstrüktif yapılara göre farklılıklar gösteren diskli frenlerin üç değişik tipi vardır. Taşıt tekniğinde diskli frenlerin gelişmesi sabit kaliperli tiple başlamıştır. Eksenel yönde hareketsiz olarak monte edilmiş olan kaliperin her iki yanında karşılıklı duran fren silindirlerindeki hidrolik basınçları eşittir. Diskin eksenel yöndeki balanssızlığı pistonların eksenel serbestlik hareketleri ile dengelenir. AD, Doktora Tezi

29 Farklı İsimlendirmeler Kayar Yüzer Yüzücü FRENLER-GENEL Günümüzde kayar kaliperli konstrüksiyon, kayma bölgelerinin korozyon ve kirden iyi korunabiliyor olması nedeniyle daha çok kullanılmaktadır. Kayar kaliperli konstrüksiyonun avantajları: Fren hidroliği ile dolu bir adet hücre, seyir rüzgarıyla soğutulabilmektedir. Bu sayede ısınma ile ortaya çıkabilecek hidrolik akışkanın buharlaşma tehlikesinin önüne geçilmiştir. Fren, taşıtın daha dışına doğru yerleştirilebildiğinde ön aksta direksiyon pimi de daha dışa doğru eğilebilmekte ve negatif yuvarlanma yarıçapı elde edilebilmektedir. The steering roll radius determines the extent to which the steering system is affected by disturbance forces (brakes pulling unevenly, driving forces under traction/overrun conditions with front-wheel drive). Today, the goal is to achieve a steering roll radius which is "zero" to "slightly negative". AD, Doktora Tezi negative steering-roll radius

30 Ali Göktan, Taşıt Frenleri FRENLER-GENEL

31 Brake factor C* as a function of the coefficient of friction and initial road speed 1 Duo-servo drum brake, 2 Duo-duplex drum brake, 3 Simplex drum brake, 4 Disc brake. The high degree of adaptive braking required at high highway speeds is handled better by disc brakes. The brake discs are less susceptible to cracking than the drums of the drum brakes, apart from which disc brakes are less subject to fading. The brake factor of the disc brake is C* 0.76, referred to the basis value of μ = Automotive Handbook, Robert Bosch GmbH, 2002

32 FRENLER-GENEL KİA Sabit Kaliper Kayar Kaliper 1. Balata, 2. Piston, 3. Disk, 4. Kaliper, 5. Destek AD, Doktora Tezi

33 FRENLER-GENEL Havalandırmalı disklere ait görünümler A. DEMİR; FRENLEME ZAYIFLAMA SINIRININ TESPİTİ VE İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI, OTEKON'08

34 FRENLER-GENEL Havalandırmalı ve delikli disk A. DEMİR; FRENLEME ZAYIFLAMA SINIRININ TESPİTİ VE İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI, OTEKON'08

35 FRENLER-GENEL Havalandırmalı ve kanallı disk A. DEMİR; FRENLEME ZAYIFLAMA SINIRININ TESPİTİ VE İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI, OTEKON'08

36 FRENLER-GENEL Havalandırmalı ve delikli disk A. DEMİR; FRENLEME ZAYIFLAMA SINIRININ TESPİTİ VE İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI, OTEKON'08

37 A. DEMİR; FRENLEME ZAYIFLAMA SINIRININ TESPİTİ VE İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI, OTEKON'08 İçten havalandırmalı, çapraz delikli, seramik kompozit fren diski

38 Havalandırma kanatçıklı kaliper A. DEMİR; FRENLEME ZAYIFLAMA SINIRININ TESPİTİ VE İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI, OTEKON'08 İçten havalandırmalı, çapraz delikli, kanallı

39 A. DEMİR; FRENLEME ZAYIFLAMA SINIRININ TESPİTİ VE İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI, OTEKON'080 Hava yoluyla fren sisteminin soğutulması

40 FRENLER-GENEL Otomatik boşluk ayar mekanizması Pabuca bağlı olan dişli ayar çubuğunun ucunda bulunan halkaya fren tablasına bağlı olan bir pim geçmektedir. Balata aşınması nedeniyle balata kampana arası boşluk ve dolayısıyla frenleme sırasındaki pabuç hareketi artar. Söz konusu pabuç hareketi şekildeki s mesafesinden bir diş adımı kadar daha fazla olduğunda dişli ayar çubuğu yuvasından bir diş kaymakta ve boşluk yine başlangıçtaki değerine düşmektedir. Taşıt Frenleri, Ali Göktan

41 FRENLER-GENEL Günümüzdeki bütün sürtünmeli frenlerde, balataların aşınmasından kaynaklanan boşluklar otomatik boşluk ayarlayıcısı ile giderilir. Bu sayede balatanın diske her zaman çok yakın durması sağlanır. Boşluğun küçük olması fren pedalındaki boşluğun da azalmasını ve gecikme sürelerinin kısalmasını sağlar [1]. Automotive Handbook, Robert Bosch GmbH, 2002 Brake clearances a Due to elasticity. b Due to wear. c Constructive. 1 Brake shoe, 2 Diaphragm cylinder, 3 Automatic slack adjuster.

42 FRENLER-GENEL Disk frenlerle kampanalı frenlerin karşılaştırılması Kampanalı frenlerin avantajları ele alınacak olursa: Kampanalı frenlerde baskı kuvveti disk frenlerdekine oranla daha düşüktür. Bu kampanalı frenin elemanlarına dağılan tüm yüklerin daha küçük olduğunu gösterir. O nedenle kampanalı frenler daha zayıf ve dolayısıyla daha ucuz imal edilebilirler. İç çevrim oranının büyük olmasından dolayı kampanalı frenlerde baskı kuvveti ve buna bağlı olarak pedal kuvveti de daha düşük olduğundan otomobillerde ek bir kuvvetlendirici düzeneğine gerek kalmamaktadır. Bu da kampanalı frenlerin kullanıldığı bir sistemin daha ucuz olmasını sağlamaktadır. Balata basıncının düşük olması aşınmaları azaltmaktadır. Bu husus özellikle yılda katedilen yol miktarı yüksek olan ağır taşıtlarda disk fren kullanılmamasının ana nedenlerinden biridir. Aşınmanın fazla olması, balataların sık sık değiştirilmesine yol açmakta, dolayısıyla, serviste geçen yani çalışılmayan sürenin artmasına neden olmaktadır. Bir fren diski kampanaya oranla daha hafiftir. Özellikle durmak üzere yapılan frenlemede açığa çıkan ısının büyük bir kısmı depolanmaktadır. Hafifliği nedeniyle disk fren ve balataları kampanalı frene oranla daha fazla ısınmaktadır. Taşıt Frenleri, Ali Göktan

43 FRENLER-GENEL Diske etkiyen kuvvet ve momentler Taşıt Frenleri, Ali Göktan

44 FRENLER-GENEL Disk frenlerin avantajlarına gelince; bunlar esasen balata ile disk arasındaki sürtünme katsayısının değişimlerinden kaynaklanan fren momenti değişimlerinin, kampanalı frenlerdekine oranla daha az olmasına dayanmaktadır. Ellili yıllara kadar taşıtlarda hemen hemen yalnızca simpleks tipi kampanalı frenler kullanılmakta idi. Zamanla tekerlek yarıçapları ve dolayısıyla kullanılan rb/r oranı küçültüldü. Böylelikle çevresel kuvvetlerin daha büyük olması gerekti. Ayrıca izin verilen pedal kuvveti sınırının düşürülmesi ve dolayısıyla SB baskı kuvvetinin azalması UB çevresel kuvvetinin SB'ye oranla daha arttırılmasını gerektirmiştir. Bu yüzden özellikle ön aks tekerleklerinde dupleks tipi fren kullanımına gidilmiştir. Amerikan otomobillerinde ise daha da yüksek olan ağırlıkları nedeniyle genellikle servo tipi frenler kullanılmıştır. Simpleks tipinden dupleks tipine geçildiğinde μ = 0,35 için iç çevrim oranı C* 2,1'den 3'e çıkmakta yani yaklaşık olarak %43 oranında artmaktadır. Böylelikle simpleks yerine servo kullanarak aynı pedal kuvveti ile %43 daha fazla fren momenti elde edilmektedir. Ancak isteyerek elde edilen bu artış, sürtünme katsayısı değişimlerine olan duyarlılığın da artması sakıncasını doğurur. Esas olarak sürtünme katsayısı değişimlerinin frenleme olayına olumsuz etkileri şöyle sıralanabilir. Pedal kuvveti sabit tutulduğu ve dolayısıyla SB baskı kuvveti değişmediği halde μ değeri değişimleri nedeniyle tekerleklerdeki fren momenti ve buna bağlı olarak taşıtın eriştiği frenleme momenti değişecektir. Bu değişim ancak uygun pedal kuvveti değişimleri ile dengelenebilir. Taşıt Frenleri, Ali Göktan

45 FRENLER-GENEL Sürtünme katsayısı değişimlerinden ön ve arka aks tekerlekleri farklı etkilendiklerinde fren kuvvet dağılımı da değişecektir. Bu istenmediği halde arka aksın önce bloke olması sonucunu doğurabilir. Sağ ve sol tekerleklerdeki sürtünme katsayısı farklılıkları ise fren momentleri farklılıklarına neden olarak taşıtı döndürmeye çalışan momentler ortaya çıkaracaktır. Özellikle ön tekerleklerdeki farklar taşıtın fazla sapmasına yol açmaktadır. Bu sapma miktarı frenleme oranı arttıkça artmakta ve bu durum özellikle yüksek hızlarda tehlikeli olmaktadır. Karşı tedbir olarak ön tekerlek yuvarlanma dairesi yarıçapı negatif seçilmektedir. Sürtünme katsayısı farklılıkları doğrudan doğruya balata malzemesindeki ya da disk veya kampana yüzey pürüzlülüklerindeki farklardan kaynaklanabildiği gibi işletme sırasında da ortaya çıkabilmektedir. Örneğin frenlerin ıslanması veya yağlanması sürtünme katsayısını etkilemektedir. Islanma halinde disk frende su damlaları merkezkaç kuvvet ile çabucak savrulup atılabilirken kampanada daha uzun süre etki sürmektedir. Yukarıda sayılanlardan başka sıcaklık ve sürtünen yüzeylerdeki rölatif hız da sürtünme katsayısını etkilemektedir. Artan sıcaklıkla ve artan kayma hızı ile sürtünme düşmekte olup bu etkilere sürtünme katsayısının sıcaklık zayıflaması ve hız zayıflaması adı verilir. Taşıt Frenleri, Ali Göktan

46 FRENLER-GENEL Sıcaklık zayıflamasında hız zayıflamasından değişik olarak ön ve arka tekerleklerdeki sürtünme katsayıları farklı miktarlarda değişmektedir. Ön aks tekerleklerindeki fren kuvvetleri daha büyük olduğu halde arka aks frenleri daha az soğutulabildiğinden öne göre fazla ısınmaktadır. Bir frenin iç çevrim oranı ne kadar küçükse, yukarıda sıralanan değişimlerin etkileri de o kadar az hissedilmektedir. Bu nedenle iç çevrim oranlarının düşük olması disk frenlerin en önemli avantajlarını ortaya çıkarmaktadır. Kampanalı frenlerde iç çevrim oranı aynı zamanda kampananın sıcaklık etkisiyle genleşmesi nedeniyle de ortaya çıkmaktadır. Fazla ısındığında kampana genleşerek çapı büyümekte ancak pabuçlar balataların siperleyici etkisiyle daha az ısınmakta ve daha az genleşmektedir. Bunun sonucu olarak normal sıcaklıkta balata kampana teması bütün yüzey boyunca iken ısınma sonucu balatanın orta bölgelerine kaymakta ve iç çevrim oranı % 20'si kadar azalabilmektedir. Böyle aşırı bir ısınma sonrasında bu defa kampana pabuçtan daha hızlı soğumakta ve temas balatanın uç bölgelerine kaymaktadır. Bu durum ise iç çevrim oranının %40 kadar artmasına yol açabilmektedir. Disk frenlerde ise ısıl genleşme dolayısıyla ortaya çıkan boyut büyümesi herhangi bir probleme neden olmamaktadır. Taşıt Frenleri, Ali Göktan

47 Fren hidroliği FRENLER-GENEL Not: Fren hidroliği, sistemdeki hortumlar aracılığıyla genelde tahliye yoluyla nemi emer. Bu nedenle fren hidroliği 1 yada 2 yılda bir değiştirilmelidir. Frenleme güvenliğinin sağlanması için fren hidroliğini değiştirmek oldukça önemlidir. Bu çalışma esnasında sistemde sıkışan havanın dışarı atılmasına (hava tahliyesine) dikkat edilmelidir. KİA

48 FRENLER-GENEL Fren hidroliği belirli özelliklere sahip özel bir yağdır. Soğuk havalarda yoğunlaşmaya, sıcak havalarda kaynamaya karşı dayanıklı şekilde tasarlanmıştır. (Fren hidroliği kaynarsa, pedalının sünger gibi olmasına neden olur ve aracın durması zorlaşır.) Fren hidroliği Ulaştırma Bakanlığı (DOT) tarafından belirlenen standartları karşılamalıdır. Fren hidroliği haznesi ana silindirin üst kısmındadır. Günümüzde araçların çoğunda saydam bir hazne bulunduğundan kapağı açmadan sıvı seviyesi görülebilmektedir. Fren balataları aşındığında, fren hidroliği seviyesinde hafif bir düşme olacaktır. Bu normaldir ve ciddi bir durum söz konusu değildir. KİA

49 FRENLER-GENEL Fren Sıvısının Kaynama Noktası A. DEMİR, FRENLEMENİN TERMİK AÇIDAN İNCELENMESİ, SUNUM

50 Frenlerde Isınma Fren sistemi elemanlarının çok çabuk ısınmasını önlemek için ısı depolama kapasitelerinin büyük olması gerekmektedir. Bu kapasite özgül ısı kapasitesi ile fren ağırlığının çarpımı ile elde edilir. Bu durumda fren sisteminin büyük ve özgül ısı kapasitesinin de yüksek olması uygundur. Ancak taşıt konstrüksiyonu ile ilgili sınırlayıcı faktörler nedeniyle özellikle otomobillerde fren sistemleri fazla büyük seçilememektedir. Böylece alüminyum alaşımları kullanılarak bu malzemenin demire oranla üç katı daha yüksek olan ısı kapasitelerinden yararlanılabilmektedir. Ayrıca ısı iletim katsayısı da büyük olan alüminyumun kullanımında sıcaklık dağılımı daha dengeli olabilmektedir. Ancak sürtünme elemanı olarak alüminyum fazla yumuşak olduğundan sürtünme yüzeyinin kaplanması yoluna gidilmelidir. Fren sistemlerinde, frenleme esnasında oluşan ısının mümkün olduğunca hızlı bir şekilde sistemden uzaklaştırılması gerekmektedir. Böylece frenleme sırasında sistemin sıcaklığının hızlı artması önlendiği gibi frenleme işlemi tamamlandığında sistemde hızlı bir soğuma sağlanmış olur. Bu nedenle fren sistemlerinin yerleştirildiği bölgenin kapalı olmaması gerekir. Isı transferinin artırılabilmesi için fren sistemleri seyir rüzgârına maruz kalacak şekilde yerleştirilmelidirler. Ayrıca ısı transfer yüzey alanının arttırılması ısının sistemden hızlı bir şekilde uzaklaştırılmasını sağlar. Bu amaçla diske ve kaliper sistemine soğutma kanalları ve kanatçıkları uygulanmaktadır. AD, Doktora Tezi FRENLER-GENEL Frenleme esnasında disk ve balata arayüzünde oluşan yüksek sıcaklıklar; frenlerin zayıflamasına, erken aşınmalara, fren sıvısının buharlaşmasına, yatak arızalarına, termik çatlaklara, termik olarak uyarılmış titreşimlere ve gürültüye sebep olmaktadır [3].

51 FRENLER-GENEL Fren zayıflaması, sürtünmeli fren sistemine sahip olan bütün taşıtlarda sıcaklığa bağlı olarak meydana gelen bir olaydır. Frenleme esnasında oluşan yüksek sıcaklık; fren zayıflamasına, erken aşınmalara, fren sıvısının buharlaşmasına, yatak arızalarına, termik çatlaklara ve titreşimlere sebep olmaktadır [3]. Fren zayıflaması; balata zayıflaması, fren sıvısının kaynaması ve green fade (balatanın gazlaşması) olarak üç grupta incelenebilir [4]. Buda yük zayıflaması, hız zayıflaması ve sıcaklık zayıflaması olarak üç mekanizma olarak karşımıza çıkmaktadır [5]. Sıcaklık ve sürtünen yüzeylerdeki relatif hızdaki değişim sürtünme katsayısını etkilemektedir. Artan sıcaklık ve kayma hızı ile sürtünme katsayısı düşerek frenleme zayıflamasına neden olmaktadır. Ancak, yapılan çalışmalarda ve endüstride farklı fren zayıflaması yaklaşımları da bulunmaktadır. Genel de ise; fren zayıflaması mekanik ve sıcaklık zayıflaması olarak bilinmektedir. Fren zayıflamasının nedeni olarak frenleme esnasında sürtünme katsayısındaki [µ] değişim ve kampanadaki genleşmedir. Abdullah Demir, Frenlemede Zayıflama Sınırının Tespiti ve İyileştirme Çalışmaları, 2008

52 Sıcaklık zayıflaması: Sıcaklık zayıflaması, balata zayıflaması, green fade ve fren sıvısının kaynaması olarak üç bölümde incelenmektedir. Balata zayıflaması: Balataların, en yüksek sürtünme katsyısını verebilecekleri optimal bir çalışma sıcaklığının olması gereklidir. Sert veya ani frenlemelerde sıcaklık maksimum sürtünme noktasındaki sıcaklığın üzerine çıkarak ve sürtünme katsayısını düşürmektedir. Sürtünme katsayısındaki bu düşme mekanizması değişebilmektedir. Belirli bir sıcaklıkta, balatanın belirli bileşenleri eriyebilmekte ya da bir yağlayıcı etkisi göstererek, balatanın klasik camlaşmış balataya dönüşmesine neden olmaktadır. Çok yüksek sıcaklıklarda sürtünme bileşenleri buharlaşmaya başlayarak ve balata ile sürtünme çifti arasında bir yağlayıcı film oluşarak sürtünmelerini engellemektedir. Bu durumda balatalar sertleşmekte ve durma mesafesi uzamaktadır. Balataya dayalı fren zayıflaması hem kampanalı hem de diskli frenlerde meydana gelebilen bir durumdur. FRENLER-GENEL Abdullah Demir, Frenlemede Zayıflama Sınırının Tespiti ve İyileştirme Çalışmaları, 2008

53 FRENLER-GENEL Fren yüzeyinin gazlaşması (Green fade): Yeni tip fren balatalarında meydana gelen bir fren zayıflamasıdır. Fren balataları genellikle fenolik reçineli bir bağlayıcı ile birlikte farklı tiplerde ve ısıya dayanıklı malzemelerden yapılır. Bunlar yüksek bir ısı direncine sahip olan termoset plastik reçinelerdir. Yeni fren balatalarındaki bu reçineler; ilk birkaç sert frenlemeden sonra ısı döngüsü etkisiyle gazlaşmakta ve sertleşmektedirler. Bu durumda balata-disk arayüzünde gaz tabakası oluşmaktadır. Birçok insan yeni balataların mükemmel olduğunu düşünebilir fakat green fade ortamını oluşturduğundan çok tehlikelidir. Green fade frenlemenin erken aşamalarında vuku bulduğundan ve geç fark edilebilecek bir olay olmasından dolayı tehlikeli bir durumdur. Green fade, balataların tabakalaşmasıyla veya reçinelerin pişirilmesi ve kontrollü olarak balataların alıştırılması ile önlenebilecek bir durumdur. Fren sıvısına bağlı fren zayıflaması: Fren sıvısına bağlı olarak fren zayıflaması, fren sıvısının kaynaması sonucunda olşuşmaktadır. Bu durum fren sisteminde hava kabarcıklarının oluşmasına neden olduğundan, pedalın yumuşamasına sebep olabilmektedir [6]. Bu durumun önüne geçmek için; semerin, diskin ve balatanın boyutunu büyütmek gerekmektedir. Kütle artışı ile daha fazla termik enerjinin depolanmasına sebep olmaktadır. Bu seçenek pahalı ve konstrüktif sınırlamaları da beraberinde getiren bir seçenektir [7]. Ayrıca balatalardan fren sıvısına geçen ısı transferinin azaltılmasıda düşünülebilecek yöntemlerden biridir. Abdullah Demir, Frenlemede Zayıflama Sınırının Tespiti ve İyileştirme Çalışmaları, 2008

54 Termik genleşme artar Kızgın nokta/bant oluşur Fren sisteminde yüksek sıcaklık Fren zayıflaması ( nün düşmesi) Fren sıvısının buharlaşması Aşınma Renk değişimi Martenzit & sementit oluşumu Çatlaklar ve termik titreşimler A. DEMİR; FRENLEME ZAYIFLAMA SINIRININ TESPİTİ VE İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI, OTEKON'08

55 FRENLER-MALZEME Metalürjik Yapı: Uygun bir frenleme için frenleme sisteminin; yüksek ve kararlı sürtünme katsayısına, iyi bir termik kapasiteye, aşınma direncine, malzemenin mekanik direncine, optimum ağırlığa ve çevresel malzemelerin kullanılması gibi kriterlere sahip olmalıdır [15]. İnce grafit tabakalı dökme demir, termik yorulma dayanımından, ses oluşturmamasından, titreşimsiz karakteristiklerinden ve aşınma dirençlerinden dolayı disklerin yapımında kullanılan bir malzemedir. Hafif ve ağır ticari taşıtlarda yüksek termik iletkenliğe sahip olan yüksek karbonlu ve grafit tabakalı dökme demir disklerdeki termik yükü azaltıltığı için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu taşıtların diskleri binek otomobillerin disklerinden daha fazla termik gerilmelere maruz kaldığından termik yorulma dayanımı da yüksek olmak zorundadır [16]. Disk metalürjisi: Disk malzemesi olarak; ince grafit tabakalı dökme demir, yüksek karbonlu grafit tabakalı dökme demir, alüminyum metal matriks kompozit (Al-MMK), dökme çelik, karbon-karbon kompozit, genel olarak % 20 SiC-Alüminyum metal matriks kompozitle güçlendirilmiş, karma (Mixed) yapı ve seramikler kullanılmaktadır. A. DEMİR; FRENLEME ZAYIFLAMA SINIRININ TESPİTİ VE İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI, OTEKON'08

56 FRENLER-MALZEME İnce grafit tabakalı dökme demir: İnce grafit tabakalı dökme demir termik yorulma dayanımındaki kapsayıcı mükemmelliğinden, ses oluşturmamasından, titreşimsiz karakteristiklerinden ve aşınma dirençlerinden dolayı disklerin yapımında kullanılmaktadır. Dökme demir diskler; gri dökme (GI250), yüksek karbonlu gri dökme demir (GIHC), titanyum alaşımlı dökme demir (GI250Ti) ve kompakt grafitli demir(cgi) olarak sınıflandırılmaktadır. Yüksek karbon grafit tabakalı dökme demir: Hafif ticari taşıtlarda, termik yükün azaltılması için yüksek termik iletkenliğe sahip yüksek karbonlu ve grafit tabakalı dökme demir diskler yaygın olarak kullanılmaktadır. Dökme çelik: Hafif ve ağır ticari taşıtların diskleri, binek otomobillerin disklerinden daha fazla termik gerilimlere maruz kaldığından termik yorulma dayanımı da yüksek olmak zorundadır. Bu nedenle bazı ticari taşıtların fren diskleri dökme çelikten yapılmasına rağmen bu taşıtlarda Ni (nikel), Mo (molibden) ve Cr (krom) katkılı olarak imal edilen ince grafit tabakalı dökme demir diskleri de yaygın olarak kullanılmaktadır. A. DEMİR; FRENLEME ZAYIFLAMA SINIRININ TESPİTİ VE İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI, OTEKON'08

57 FRENLER-MALZEME Alüminyum metal matriks kompozit: Alüminyum metal matriks kompozit (Al-MMK), kimyasal özelliklerini SiC ve Al 2 O 3 miktarına göre değişmektedir. Maliyetleri gri dökme demirin yaklaşık 2-3 katıdır. Günümüzde diskli frenler, otomobil ve tren gibi taşıtları durdurulması için kullanılan en yaygın fren konstrüksiyonudur [17]. Otomobillerde ağırlığı azaltma yönündeki çalışmalarda, hedef alınan parçalardan biri de fren sistemleridir. Fren sistemleri halen oldukça ağır malzemelerden imal edilmektedir. Otomobillerde fren diski malzemesi olarak genellikle gri dökme demir kullanılmaktadır. Son yıllarda otomotiv üreticileri, binek otomobiller için daha hafif ve daha üstün özelliklere sahip olan Al-MMK fren diski ve kampanaları üretmeye başlamışlardır. Al-MMK ler, dökme demire göre oldukça hafif olmaları (%45-%61 [18,19,20]), yüksek ısıl iletkenlikleri, spesifik ısıları ve dökme demire göre oldukça üstün olan mekanik özellikleri ve aşınma dirençleriyle, fren sistemlerinde disk malzemesi olarak cazip hale gelmektedir [21,22,23]. Fakat Al-MMK malzemelerin fren sistemlerinde yaygın bir şekilde kullanımının önünde bazı engeller bulunmaktadır. Bu malzemenin üretiminde karşılaşılan en önemli problem matris malzeme ile takviye malzemesi arasındaki ıslatma sorununa etkili bir çözüm getirilemiş olmasıdır. Diğer bir engel ise maliyet sorunu olarak gösterilmektedir [19, 24]. Ancak, Al- MMK lerin, fren diski olarak yaygın bir şekilde kullanılabilirliğinin önüne maliyet engelini koyan araştırmacılara karsı görüşte bulunan araştırmacılar da bulunmaktadır. Al-MMK konusunda araştırmalar yapan Warren ve arkadaşlarının; Varuzan Kevorkijan ın, Al-MMK lerin, fren diskleri için dökme demir muadilleriyle maliyet yönünden rekabet edebilir olmadığı yönündeki ifadeleri kullandığı makalesine [19], aynı dergiye gönderdiği cevap yazısında [20] bunun aksi görüşleri ileri sürmektedir. Hunt ve Herling, ABD Enerji Bakanlığı nın Freedom-CAR programı çerçevesinde Pacific Northwest National Laboratory de yürütülen çalışmalar sonucunda, uygun özellikte Al-MMK fren diskini düşük maliyetle üretebildiklerini belirtmektedir. Hunt ve Herling, bu konudaki çalışmalarına, direkt sıkıştırma döküm yöntemi ile devam ettiklerini belirtmektedir. Maliyet konusunda bir ilave de Al-B 4 C malzemeler için yapmak gerekebilir. B 4 C (bor karbür) tozlarının maliyetinin, SiC veya Al 2 O 3 gibi takviye malzemelerine kıyasla daha yüksek olması sebebiyle B 4 C takviyeli Al-MMK ler üzerinde yapılan araştırmaların nispeten sınırlı kaldığı belirtilmektedir [25]. A. DEMİR; FRENLEME ZAYIFLAMA SINIRININ TESPİTİ VE İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI, OTEKON'08

58 FRENLER-MALZEME Karma disk: Fren diskinin orta kısmı alüminyum alaşımından, frenleme yüzey kısımı ise dökme demir olan disktir [26]. Sıcak bölgeden soğuk bölgeye ısı transferini hızlandırmak için bu tür çalışmalarda yapılmaktadır. Seramik fren diski: Yüksek performanslı spor ve yarış otomobillerinin güvenli bir şekilde durdurulabilmesine son derece büyük önem veren otomobil endüstrisi seramik fren disklerini kullanmaya başlanmışlardır. Fiber takviyeli seramikten oluşan bu fren disklerinin gösterdikleri performans oldukça yüksektir. Seramik fren diskli taşıtlar daha ani hızlanmalara sahip olabilmektedirler. Bunun nedeniyse seramikten yapılan disklerin, normalde kullanılan dökme demir disklerden yaklaşık % 60 oranında daha hafif olmasıdır. Aynı zamanda tekerleklere de daha az ağırlık binmesinden dolayı, sürücüye verilen direksiyon hakimiyeti de artırılmış da olmaktadır. Bunun yanısıra sert süspansiyon sisteminin de yol tutuşundan asla ödün vermeden daha yumuşak ve konforlu hale gelmesi sağlanmaktadır. Seramik fren diski, alışılagelmiş normal dökme demir fren disklerine oranla çok daha fazla avantaj sağlamaktadır. Seramiğin 1400 dereceye kadar ısıya dayanması, sürekli frene basıldığında frenin fazla "ısınıp şişmesi'' ve kaydırması gibi durumları ortadan kaldırmaktadır. Seramik kullanımı, frenlerin soğukken de iyi performans göstermesini sağlamaktadır. Seramik fren disklerinin en büyük avantajlarından biride km ye kadar dayanıklı olması ve kimyasal yapısından ötürü de paslanmamasıdır [27]. A. DEMİR; FRENLEME ZAYIFLAMA SINIRININ TESPİTİ VE İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI, OTEKON'08

59 FRENLER-MALZEME Balatanın metalürjik yapısı: Fren balatası, frenlemede sürtünme boyunca oluşan kinetik enerjiyi ısı enerjisine dönüştürmektedir [28]. Fren balatalarının maruz kaldıkları aşırı sıcaklık sürekli veya uzun süreli olursa balatanın zarar görmesine neden olabilmektedir [29, 30]. Fren balatasından; kararlı sürtünme katsayısı, düşük aşınma oranı, düşük ses, titreşimsizlik ve ısıl deformasyona direnci gibi birçok özellik aranmaktadır [31]. Balatalar; organik, yarı metalik ve asbestsiz olmak üzere üç ana gruba ayrılmaktadır. Bu balataların performansları ve kullanım alanları da farklıdır. Balatayı oluşturan bileşenler bağlayıcı, elyaf, sürtünme ayarlayıcı, dolgu maddesi, yağlayıcı, temizleyici ve renklendiricilerdir [32]. Tablo 3.3 de balatalarda kullanılan yaygın elyaf güçlendiricilerin karşılaştırmalı tribolojik özellikleri verilmiştir [33]. Balatalar, % oranında mineral esaslı malzemelerden, %10-60 oranında organik esaslı malzemelerden, % oranında bağlayıcı elemanlardan, %10-20 oranında madeni esaslı malzemelerden ve renk verici oksitlerden oluşturmaktadır [34]. Bağlayıcı malzeme olarak genellikle fenol formaldehit reçine kullanılmaktadır. Fenolik reçinenin yüksek sıcaklıktaki kararlılığı da alevlenmeye karşı mukavemetli olmasını sağlamaktadır [35]. A. DEMİR; FRENLEME ZAYIFLAMA SINIRININ TESPİTİ VE İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI, OTEKON'08

60 Sürtünme Elemanları [Balatalar]

61 Balata Metalurjisi Malzemeler ve Karakteristik Özellikleri Cam Aramid Potassium titanat Karbon Seramik Bakır/Prinç Çelik Asbest Taş yünü Sürtünme Katsayısı Termik Kararlılık Aşınma Oranı Malzeme Dayanımı Gürütü Diske Vurma Termik İletkenlik İşleme Kolaylığı Ekonomiklik (1= Mükemmel, 2= İyi, 3= Orta, 4= Zayıf A. DEMİR; FRENLEME ZAYIFLAMA SINIRININ TESPİTİ VE İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI, OTEKON'08

62 Balatayı Oluşturan Bileşenler Lubricant Abrasive Fibres 18% 4% 2% Loads 24% Metals 17% Bonders 15% Elastomers 20% A. DEMİR; FRENLEME ZAYIFLAMA SINIRININ TESPİTİ VE İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI, OTEKON'08

63 FREN SİSTEMLERİNDE BAZI HESAPLAMALAR

64 Statik Kütle Dağılımı 2500 libre = 2500 pound = 1133 kg 1 pound = 1 lb = 0,454 kg

65 Frenlemede Kütle Transferi Örnekteki transfer oranı %74 dür. Normalde olması gereken %60.

66 Frenlemede Kütle Transferi

67 Diske Etkiyen Kuvvet ve Momentler Taşıt Konstrüksiyonu A.G.Göktan 2001/2002

68 Taşıt Konstrüksiyonu A.G.Göktan 2001/2002 Fren iç çevrim oranının değişimi

69 Günümüzde kullanılan frenlerde μ = 0,3...0,4 arasında değerler almakta, balata yüzey basınçları ise p = N/cm2 (maksimum 1200 N/cm2) olmaktadır. ÖRNEK Tekerlek yükü Fz = 3000 N Tekerlek ile yol arasındaki tutunma katsayısı μh = 1 çaplar oranı rb/r = 0,4 Fren yüzeyi sayısı z = 2 Balata ile disk arasındaki sürtünme katsayısı μ = 0,35 İzin verilen balata yüzey basıncı p = 800 N/cm2 ise B = Fz.μh bağıntısından maksimum taşınabilir fren kuvveti B = 3000 N ; M = B r ve M = UB rb bağıntılarından çevresel kuvvet UB = 7500 N, bunun için gerekli baskı kuvveti UB = μ z SB bağıntısı ile SB = N bulunur. p = SB/AB bağıntısından balata yüzey alanı AB = 13.4 cm2 olup 37 x 37 mm2 boyutlarında bir balata kullanılabilir. Bu durumda piston alanı AP = 8,23 cm2 ( dp = 32.4 mm) ise SB = ph AP bağıntısı kullanılarak maksimum hidrolik basıncı için ph = 1300 N/cm2 bulunur. Taşıt Konstrüksiyonu A.G.Göktan 2001/2002

70 Taşıt Konstrüksiyonu A.G.Göktan 2001/2002

71 Frenlemenin seyri tr: reaksiyon süresi ( s ) tb: tahrik yükselme süresi ( s ). ta: cevap süresi (0.04 s ) ts: sistem yükselme süresi tv: tam frenleme süresi v0: başlangıç hızı Taşıt Konstrüksiyonu, A.G.Göktan 2001/2002

72 Frenleme mesafesi; taşıtın hızına, yüküne, yol ve lastik durumuna, frenlerin durumuna ve fren zayıflamasına bağlıdır. Hareket eden bir taşıtın frenlenmesi süresince taşıtın kinetik ve potansiyel enerjileri frenlerdeki sürtünmelerden dolayı termal enerjiye çevrilir. 1 hızından 2 hızına yavaşlayan bir taşıt için frenleme enerjisi E f ; E f = (1/2).m.( ) + (1/2).I.( ) [Nm] şeklindedir. Burada; I : Dönen parçaların kütle atalet momenti, [kgm 2 ] m : Taşıtın kütlesi, [kg] 1 : Taşıtın ilk hızı, [m/s] 2 : Taşıtın son hızı, [m/s] 1 : Frenleme başlangıcında dönen parçaların açısal hızı, [1/s] 2 : Frenleme sonunda dönen parçaların açısal hızı, [1/s] Eğer taşıt frenleme sonucunda duruyorsa 2 = 2 = 0 olacak ve denklem aşağıdaki şekle dönüşecektir. E (1/2).m. (1/2).I. [Nm] 2 2 f 1 1 AD, Doktora Tezi

73 1 = 1 /r 1 olduğu hatırlanırsa; E (1/ 2).m.[1 I/(m.r )]. (1/ 2).m.k f 1 1 şeklinde yazılabilir. Burada; k : Dönen kütleler için düzeltme faktörü (k 1+ I/m.r 2 ) r : Dinamik lastik yarıçapı, m Binek otomobilleri için k yüksek viteslerde 1,05 ile 1,15, düşük viteslerde 1,3 ile 1,5 arasında bir değer olarak alınır. Kamyonlar için yüksek viteslerde 1,03 ile 1,06, düşük viteslerde 1,25 ile 1,6 arasında bir değerdir [87]. AD, Doktora Tezi

74 Eğer taşıt yavaşlayarak yokuş aşağı iniyorsa, disk ve balata ikilisi hem potansiyel hem de kinetik enerjiyi ısı enerjisine dönüştürecektir [Şekil A1]. Bu durum için enerjinin korunumu kanunu yazılacak olursa; E m.g.h 1/ 2.k.m.( ) [Nm] 2 2 f 1 2 Sabit hızda sürekli frenleme için (yani yokuş aşağı sabit hızla iniş) denklem (A.9) da 1 = 2 olarak alınırsa; Ef m.g.h [Nm] şekline dönüşür. Burada; g: Yerçekimi ivmesini, [m/s 2 ] h: Yüksekliği, [m] ifade eder. Şekil A1: Eğimli yolda kinetik ve potansiyel enerji [87] AD, Doktora Tezi

75 Taşıt Konstrüksiyonu, A.G.Göktan 2001/2002 Tekerleğe bir MT momenti etki ediyorsa, ivmesiz harekette tekerlek çevresel kuvveti Fx = MT /r - FR bulunur. MT / r oranına tekerlek çeki kuvveti denir. Tekerlek çevre kuvveti = Tekerlek çeki kuvveti Yuvarlanma direnci Ancak burada bulunan çevre kuvveti sınırsız olmayıp, zeminle lastik tekerlek arasındaki kuvvet bağlantısına bağlıdır. μ ile kuvvet bağlantı katsayısını gösterirsek,

76 Taşıt Konstrüksiyonu, A.G.Göktan 2001/2002 Kayma

77 Basic closed-loop control process On initial braking, the brake pressure is increased; the brake slip λ rises and at the maximum point on the adhesion/slip curve, it reaches the limit between the stable and unstable ranges. From this point on, any further increase in brake pressure or braking torque does not cause any further increase in the braking force FB. In the stable range, the brake slip is largely deformation slip, it increasingly tends towards skidding in the unstable range. Brake slip λ = (υf υr)/υf 100 % Wheel speed υr = r ω Braking force FB = μhf G Lateral force FS = μs G μhf Coefficient of friction, μs Lateral-force coefficient. Adhesion/slip curve The curve shape differs greatly as a function of road surface and tire condition. There is a more or less sharp drop in the coefficient of friction μhf, depending upon the shape of the slip curve. The resulting excess torque causes the wheel to lock-up very quickly (when braking without ABS); this is expressed as a sharp increase in wheel deceleration

78 Kuvvet bağlantı katsayısı ile kaymanın ilişkisi Kuvvet bağlantı katsayısının en büyük değerine μh tutunma katsayısı, kaymanın 1 olduğu değerine ise μg kayma katsayısı denir. Taşıt Konstrüksiyonu, A.G.Göktan 2001/2002

79 Taşıt Konstrüksiyonu, A.G.Göktan 2001/2002 Kuvvet bağlantı katsayısı ile kaymanın ilişkisi