FARKLI GEOMETRİDEKİ FREN DİSKLERİNDE OLUŞAN ISININ İNCELENMESİ. Bekir Volkan DÜZEN LİSANS TEZİ OTOMOTİV MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ GAZİ ÜNİVERSİTESİ

Transkript

1 1 FARKLI GEOMETRİDEKİ FREN DİSKLERİNDE OLUŞAN ISININ İNCELENMESİ Bekir Volkan DÜZEN LİSANS TEZİ OTOMOTİV MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ GAZİ ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ HAZİRAN 2014

2 2 Bekir Volkan DÜZEN tarafından hazırlanan FARKLI GEOMETRİDEKİ FREN DİSKLERİNDE OLUŞAN ISININ İNCELENMESİ adlı bu tezin Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Yrd. Doç. Dr. Mesut DÜZGÜN.. Tez Danışmanı Bu çalışma, jürimiz tarafından oybirliği ile Otomotiv Anabilim Dalında Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Duran ALTIPARMAK.. Prof. Dr. Can ÇINAR.. Yrd. Doç. Dr. Mesut DÜZGÜN.. Bu tez. G.Ü. Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliği nce onanmıştır. Prof. Dr. Can ÇINAR.. Otomotiv Mühendisliği Bölüm Başkanı

3 3 ETİK BEYAN Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında; Tez içinde sunduğum bilgi ve dokümanları akademik kurallar etik çerçevesinde elde ettiğimi, Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu, Tez çalışmamda özgün verilerim dışında kalan ve tezde yararlanılan eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimi, Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı, Bu tezde sunduğum çalışmanın özgün olduğunu ve başka bir yerde sunmadığımı Beyan ederim.

4 iv FARKLI GEOMETRİDEKİ FREN DİSKLERİNDE OLUŞAN ISININ İNCELENMESİ (Lisans Tezi) Bekir Volkan DÜZEN GAZİ ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ Haziran 2014 ÖZET Bu tez çalışmasında disk frenlerdeki diskin üzerinde oluşan ısı Ansys Programı ile analiz edilmiştir. Sabit frenleme kuvveti şartı göz önünde bulundurularak zaman parametresinin değiştirilmesiyle sonuçlar elde edilmiştir. Çalışması sırasında iki farklı fren diski kullanılmıştır. Bunlarda ilki üzerinde hava delikleri bulunmayan katı disktir. Diğer disk ise üzerinde boyuna açılmış hava kanalları bulunan disktir. Bu iki disk üzerindeki sıcaklıklar analiz edilmiştir. Diskler arasında karşılaştırmalar yapılmış ve sonuçlar ortaya konmuştur. Sonuçlardan yola çıkılarak yorumlar yapılmış ve önerilerde bulunulmuştur. Anahtar Kelimeler: Disk fren, Sıcaklık, Analiz Sayfa Adedi: 62 Tez Yöneticisi: Yrd. Doç. Dr. Mesut DÜZGÜN

5 v DIFFERENT GEOMETRY OF THE DISK BRAKE IN THE INVESTIGATION OF THE HEAT (Thesis) Bekir Volkan DÜZEN GAZİ UNIVERSITY FACULTY OF TECHNOLOGY June 2014 ABSTRACT In this thesis, disk brakes of the heat in the analysis with Ansys. Hard braking force in consideration of the terms of the modification of the time parameters, and the results obtained. In this study, two different brake discs, solid disc, cross-slotted disc. Disc temperatures have been analyzed. Analyses results showed that the maximum heat were formed on the ventilated discs in comparison to the solid disc. Key Words: Disc brake, Heat, Analysis Page Number: 62 Adviser: Yrd. Doç. Dr. Mesut DÜZGÜN

6 vi TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren saygıdeğer hocam Yrd. Doç. Dr. Mesut DÜZGÜN e ve yine kıymetli tecrübelerinden faydalandığım Arş. Gör. Hamit SOLMAZ ve Arş. Gör. Emre YILMAZ a, manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan aileme teşekkürü bir borç bilirim.

7 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET...iv ABSTRACT..v TEŞEKKÜR.vi İÇİNDEKİLER vii GRAFİKLERİN LİSTESİ...ix ŞEKİLLERİN LİSTESİ....x RESİMLERİN LİSTESİ. xi TABLOLARIN LİSTESİ...xii SİMGELER ve KISALTMALAR.....xiii 1. GİRİŞ LİTERATÜR ÇALIŞMASI TAŞIT FREN SİSTEMİ Fren kuvvetleri, sistemi ve elemanları Tekerleğe gelen kuvvetler Frenleme kuvvetleri Statik aks yükleri Dinamik aks yükleri Frenleme işi ve gücü Frenleme işi Fren işi Frenleme performansına etki eden faktörler Frenleme aşamaları Fren sisteminin yapısı Kampanalı fren Diskli fren Disk fren ve kampanalı frenin karşılaştırılması...29

8 viii 4. MATERYAL - METOD Diskin üzerindeki ısının hesaplanması Analiz sonuçları SONUÇ ve ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ..48

9 ix GRAFİKLERİN LİSTESİ Grafik Sayfa Grafik 2.1. Sıcaklık dağılımının grafiği Grafik km/h hızla giderken yavaşlaması sırasında kat ettiği mesafeye göre diskteki ısınma...10 Grafik 3.1. Kayma oranına bağlı olarak tutunma katsayısı değişimi.. 14 Grafik 3.2. Frenleme işinin sabit ivme için zamanla değişim grafiği Grafik 4.1. Kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan maksimum sıcaklıklar.42 Grafik 4.2. Kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan deneysel ve analiz sonuçlarının karşılaştırmalı grafiği 43

10 x ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 3.1 Taşıt tekerleği ve zemin arasındaki kuvvetler. 12 Şekil 3.2. Statik aks yükleri Şekil 3.3. Dinamik aks yükleri Şekil 3.4. Basit bir fren sisteminin yapısı Şekil 3.5. Kampanalı fren...22 Şekil 3.6. Sabit Kaliper Şekil 3.7. Yüzer kaliper.. 26 Şekil 3.8. Full contact kaliper

11 xi RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 2.1. Sıcaklık dağılımının resmi.7 Resim 2.2. Sıcaklık dağılımının değişik zamanlara göre resmi...9 Resim 2.3. Farklı sürelerde diskin yüzeyinde oluşan sıcaklıklar...11 Resim 2.4. Akışın geçtiği bölgenin sıcaklıkları...11 Resim 4.1. Mesh edilmiş kanalsız diskin resmi Resim 4.2. Mesh edilmiş boyuna kanallı disk 33 Resim sn için kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklıklar...34 Resim sn için kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklıklar...35 Resim sn için kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklıklar...36 Resim sn için kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklıklar..37 Resim sn için kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklıklar..38 Resim sn için kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklıklar..39 Resim sn için kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklıklar..40 Resim sn için kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklıklar 41 Resim Deneysel değerlerin grafiği 44

12 xii TABLOLARIN LİSTESİ Tablo Sayfa Tablo 2.1. Diskin özellikleri...6 Tablo 2.2. Çalışmadaki diskin özellikleri...8 Tablo 2.3. Çalışmada kullanılan parçaların özellikleri.10 Tablo 4.1. Sıcaklığın süreye dağılımı...32 Tablo 4.2. Boyuna kanallı diskte meydana gelen sıcaklık değişimleri...33 SİMGELER VE KISALTMALAR

13 xiii Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler A A Açıklama İzdüşüm alanı Isı veren yüzey Isı iletim katsayısı a C c Yavaşlama ivmesi Aerodinamik katsayı Özgül ısı kapasitesi e Tekerleğin basınç merkeziyle geometrik merkez arasındaki fark F F f F n F Nö F Na F ro F t F tut F f r G G G f g h L Frenleme kuvveti Fren kuvveti Normal kuvvet Statik ön dingil yükü Statik arka dingil yükü Yuvarlanma direnci Tahrik kuvveti Tutunma kuvveti Uygulanan tahrik kuvveti Yuvarlanma direnci katsayısı Taşıt ağırlığı Tekerleğe gelen ağırlık Disk- kampana ağırlığı Yerçekimi ivmesi Aracın ağırlık merkezinin yerden yüksekliği Ön ve arka dingil arası mesafe

14 xiv l a Arka aks ile ağırlık merkezi arasındaki mesafe l ö Ön aks ile ağırlık merkezi arasındaki mesafe M a tut atut ötut N Tahrik momenti Tutunma katsayısı Arka tekerlek tutunma katsayısı Ön tekerlek tutunma katsayısı Tepki kuvveti N db Disk ile balata arasındaki sürtünme kuvveti N kb N f N m N t P R R K Kampana ile balata arasındaki sürtünme kuvveti Fren torku Motor torku Toplam tekerlek torku Yüzeye uygulanan basınç Tekerlek yarıçapı Kampana yarıçapı r Aks merkezinden balatanın ortasına kadar olan mesafe V V t ma k Taşıt hızı Tekerleğin hızı Döner kütle faktörü Güç aktarma organları verimi Havanın yoğunluğu 0 Ortam sıcaklığı Dönüş hızı

15 1 1.GİRİŞ Günümüz otomobillerinde fren taşıtların en önemli aktif güvenlik sistemidir. Frenler aracın durdurulması veya yavaşlatılması, yokuş aşağı inişlerde aracın hızının kontrol edilerek sabit hızla hareket kabiliyeti sağlaması ve duran aracın sabit bir şekilde konumunu koruması için kullanılmaktadır. Frenleme aktif güvenlik sistemlerinin başında yer aldığından bugüne kadar çok çeşitli geliştirmeler ve yenileştirmelere uğramıştır. Bu yenileştirmelerle frenler günümüz teknolojisine kadar gelmiştir. Araçlar her türlü yol koşuluyla karşı karşıya kalacağından frenleme elemanlarının da bu durumlara uygun şekilde yenileştirilmesi gerekmektedir. Frenleme işlemi başlarda sadece aracı istenilen sürede durdurmayı gerektirirken günümüzde frenlerden beklenen performans bunun çok daha ötesine geçmiştir. Frenler ilk olarak kullanılmaya başladığında sadece taşıtı durdurabilmesi en önemli performansken günümüzde güvenli, sarsıntısız sürücünün kontrolü altında ve sürekliliği sağlanmış bir frenleme etkili bir performans anlamına gelmektedir. Frenleme sırasında balatalarla disk yüzeyinde arasında bir sürtünme olmaktır. Bu sürtünmeden kaynaklı olarak disk ve balata yüzeyinde sıcaklık artışı olmaktadır. Bu sıcaklık frenleme performansını olumsuz yönde etkilemektedir. Ayrıca parçalar üzerindeki aşırı sıcaklık artışı ve sıcaklık düşüşü malzemelerin içyapısını da bozmaktadır. Bu çalışmada iki farklı fren diski üzerine gelen sıcaklıkların analizleri yapılmıştır. Disklerin üzerinde oluşan sıcaklığın konveksiyon yoluyla dışarı atılımı analiz edilmiştir. Kanalsız disk ve boyuna kanallı disklerin üzerinde yayılan sıcaklık analiz edilirken ANSYS programı kullanılmıştır.

16 2 2. LİTERATÜR ÇALIŞMASI Göktan ve arkadaşları Taşıt Frenleriyle ilgili taşıtların tekerlek hareket denklemleri, taşıt hareket denklemleri, fren sistemini yapısı kullanılan elemanlar, yardımcı elemanlar, emniyet ve tekerlek blokaj - anti blokajlarıyla ilgili notlar çıkarmıştır [1]. Arslan ve arkadaşları tarafından asbestsiz fren balatası üretimi ve özelliklerini incelenmesi için bir doküman oluşturulmuştur. Bu çalışma makine, kimyasal teknolojiler, malzeme ve imalat sistemleri araştırma grubu tarafından yapılmıştır. Bu çalışmada balatalar ve bağlayıcı maddeleri, fren sürtünme performansları, balata aşınması konularına değinilmiş. Yapılan çalışmada balata içerisinde ki elyaf miktarları değiştirilerek balataların sürtünme katsayılarına sıcaklık sürtünme katsayısındaki değişmeler gözlemlenmiştir [2]. Altıparmak tarafından fren balatalarında sıcaklık artışının frenleme kuvvetine etkisi adıyla bir makale yayınlamıştır. Bu makalede farklı kompozisyonlarda üretilmiş balatalarda sıcaklığa bağlı duyarlılıkları incelenmiştir. Balatalar bir test düzeneğinde test edilerek sonuçları analiz edilmiştir [3]. Mutlu ve Öner tarafından asbestsiz sürtünme malzemesinin sabit basınçta sürtünme katsayısı sıcaklık ve zamanla olan ilişkileri incelenmiştir. Balataların hem yüksek kararlı hem de düşük aşınmalı olması gerektiğini söylemişlerdir. Disk fren için üç farklı fiberden balata üretmişlerdir. Bu balatalarla sabit basınçta sürtünme katsayısı sıcaklık zaman ilişkileri incelenmiştir. Cam elyafın ülkede üretilmesi ve kolay temini sebebiyle kullanışlı bir malzeme olduğu ancak balata üretiminde fırınlanması gerektiği söylenmiştir. Bu araştırmada cam elyaf yününün ve kevların kullanıldığında bunun sürtünme katsayısını düzgünleştirildiği görülmüştür [4]. Bayrakçeken ve Düzgün taşıtlarda fren verimi ve frenleme mesafesi analizi yapmışlardır. Matematiksel modellemeyi kullanarak fren veriminin hesaplanabileceği açıklanmıştır. Fren verimini hesaplamada kampana, disk - balata arasındaki kuvvetle yapılacak hesaplamadan ziyade tekerlek ve zemin arasındaki frenleme kuvvetinden yola çıkmanın daha gerçekçi olacağı belirtilmiştir. Fren

17 3 mesafesi ve fren verimi analizi yapılarak bu hesaplamalar için kullanılan matematiksel ifadelerle bu ifadeler arasındaki farklılıklardan bahsedilmiştir [5]. Mutlu ve Koç otomotiv fren balataları için sürtünme katsayısı test cihazının tasarımı yapılmıştır. Çalışma daha kolay ve kullanışlı bir makine elde edilmesi gereğinden ortaya çıkmıştır. Bu cihazla istenilen değer aralıklarında bilgisayara kaydedilmesini ve daha sonra sürtünme katsayısı, sıcaklık, zaman değerlerinden oluşan grafikler elde etmeyi amaçlamışlardır [6]. Demir ve arkadaşları tarafından diskli frenlerde termo-elastik kararsızlığın incelenmiştir. Frenlemede disk ile balata arasında ısınma ve soğumadan dolayı ikisinin de bu olaydan etkilendiği aktarılmıştır. Fren ve balatanın birbiriyle olan etkileşim sonucunda malzemede kızgın noktaların oluştuğu söylenmiştir. Termoelastik kararsızlığın malzemelerin deformasyonuna, termik çatlaklara ve frenin zayıflamasına neden olduğu aktarılmıştır. Bu çalışmada diskli frenlerde termo-elastik kararsızlık incelenmiş ve bu olayın önüne geçilmesi için önerilerde bulunulmuştur. Balataların ve disklerin geometri olarak değiştirilmesi, ısıl işlemlere tabi tutulması, fiziksel özelliklerinin geliştirilmesi gerektiği söylenmiştir. Deformasyonun en aza inmesi için fren torkundaki değişmelerin önüne geçilmesi gerektiği anlaşılmıştır [7]. Mutlu ve arkadaşları elyaf katkılı asbestsiz disk fren balatalarında sürekli frenleme veriminin incelemişlerdir. Bu çalışmada cam elyaf, taş yünü ve kevlar kullanılan fren balatalarında fren kuvvetinin sıcaklıkla değişimi gözlemlenerek balatanın yanma eğilimi izlenmiştir. Asbestsiz fren balatasının sürtünme katsayısının iyileşmesinde ve aşınma direncine karşı, cam elyaf katkılı balatalara göre, daha iyi olduğu tespit edilmiştir.. Frenleme kuvvetinin zamana ve balata sıcaklığına göre değiştiği söylenmiştir. Bu deneyle sürtünme katsayısının sabit olmadığı ve normal kuvvet, kayma hızı, ara yüzey sıcaklığına endeksli olarak değişebileceği gözlemlenmiştir [8]. Pektaş tarafından fren mekanizması yorulma testinin FEA metoduyla simülasyonu yapılmıştır. Bu çalışmada ağır vasıta frenlerinin gerçek çalışma koşulları altında yorulmadan dolayı meydana gelen deformasyonun gözlemlenmiştir. Gözlemde nitel gözlemin yeterli olmayacağı düşünülerek strain-gage ler kullanılarak nicel gözlemler oluşturulmuştur. Deformasyon değerleri sonu elemanlar yöntemiyle bilgisayar

18 4 programı yardımıyla gerçek değerlerle karşılaştırılmıştır. Bu iki değerin yaklaşık olarak hatalar göz önüne alındığında yakın olduğu ortaya konulmuştur [9]. Sugözü ve Mutlu tarafından fren balata malzemelerinin sürtünme ve aşınmaya etkisinin incelenmiştir. Balata malzemelerinin sürtünme direnci ve aşınma değerlerinin bilinerek doğru balata seçilmesi gerektiği söylenmiştir. Doğru balata seçimiyle frenlemede maksimum performansı ve konforun sağlanabileceği aktarılmıştır. Fren balata malzemelerini oluşturan elemanların sürtünme ve aşınma değerleri literatürün derlenmesiyle ortaya çıkarılmıştır. Bu çalışmada polimer esaslı fren balata malzemelerinin kompozisyonu ve üretim parametrelerine ilişkin elde ettikleri malzeme özellikleri üzerinde durulmuştur [10]. Düzgün tarafından farklı fren disklerinde oluşan ısı değişiminin frenleme kuvvetlerine etkileri incelenmiştir. Bu çalışmada iki farklı soğutmalı fren diski üretilerek bunların normal fren diski ile frenleme performansları ve ısı oluşumları deneysel olarak incelenmiştir. Frenlemeler ani frenleme ve sürekli frenleme olarak ayrı ölçülmüştür. Boyuna kanallı disklerde balata yüzeyine paralel bir şekilde temas ettiği ve aşıntı miktarının arttığı gözlemlenmiştir. Enine kanallı disklerde yüzeyin keskin olmaması ve dik temas etmesinden dolayı aşıntı miktarının daha az arttığı belirtilmiştir. Test sonuçlarına göre hava soğutma uygulaması, frenleme kuvvetini % 42.6 artırmakla birlikte şartlara bağlı olarak oluşan ısıyı da % 31.5 azaltmaya sebep olduğu bilgisine ulaşılmıştır [11]. Düzgün ve Yıldız tarafından soğutma kanallı fren disklerinin frenleme kuvvetlerine ve ısı değişimine etkileri araştırılmıştır. Bu çalışmada farklı soğutma kanallarına sahip diskler denenmiş ve bu disklerde meydana gelen ısı değişimleri ve sonuçlar analiz edilmiştir. Boyuna kanallı ve enine kanallı disklerde farklı aşıntılar meydana geldiği gözlenmiştir. Farklı soğutma tasarımı şekillerinin yüzeyden daha fazla ısıyı atabileceği söylenmiştir. Kanallı disklerin katı disklere göre dada fazla aşıntı yarattığı açıklanmıştır. Disklerin aynı boyutlarda çizimi yapılarak Ansys programında sonlu elemanlar yöntemiyle çözümü yapılmıştır. Soğutma kanallı disklerde frenleme kuvvetlerinin ısının dışarı atılması sebebiyle artışı gözlemlenmiştir [12].

19 5 Koç ve arkadaşları tarafından fren balata sisteminde sürtünme sonucu oluşan ısı transferi ve termal gerilme analizi yapılmıştır. Balatalarda ısınmanın fren performansının zayıflaması, aşırı balata aşınması, balataların erken tükenmesi ve ses sorunlarına yol açtığı söylenmiştir. Balatalarda en fazla ısınmanın diske temas noktasında meydana geldiği ve bu yüksek değerlerin balata ömrünü kısalttığını ve erken aşınmaya sebep olduğu açıklanmıştır. Balataların ısınmasının sadece en yüksek değerin önemli olmadığını en küçük ve en büyük ısınmaların deformasyona etkisinin gözlenmesi gerektiği söylenmiştir. Balatalarda ısı iletkenlik katsayısı ile yoğunluk arasında ters orantı olduğu bulgulanmıştır. Yani balata yoğunluğu arttığında ısı iletkenlik katsayısı düşmektedir. Isıl genleşme katsayısı yüksek olan balatalarda gerilme değerinin de arttığı söylenmiştir. Bu da ısıl genleşme katsayısıyla balata gerilmesinin doğru orantılı olduğu sonucunu çıkarmaktadır. Bu makalede sonlu elemanlar ile modellenmiş 5 farklı balata malzemesi 300 saniye süresince sürekli frenleme işlemene maruz bırakılmış ve meydana gelen sıcaklık ve gerilme durumları incelenmiştir [13]. Sugözü ve arkadaşları tarafından farklı ısıl işlem sürelerinde üretilen fren balatalarının frenleme karakteristiğinin incelenmiştir. Balatalara ısıl işlem uygulayarak farklı performansların elde edilebileceği gözlemlenmek istenmiştir. Balataların uzun süre ısıl işleme tabi tutulduğunda balata sertliği arttığı halde sürtünmeye etkisinin olumsuz olduğu gözlemlenir. Balatalar birçok bileşenden meydana geldiği için ısıl işlem sürelerinin üretimden sonra belirlenmesinin fren performansına iyi yönde etki edeceği kanısına varılmıştır. Isıl işlem malzemenin sertliği arttıran bir işlem olduğu fakat aşırı sertleşmenin ve ya aşırı yumuşaklığının frenleme için yararlı olmadığı anlaşılmıştır. Balatalarda ısıl işlem için optimizasyon yapılması gerekmektedir. İnceleme sonucunda 1 ve 5 saat ısıl işlem gören balataların performansı düşük, 3 saat ısıl işleme maruz kalan balatanın ise daha yüksek bir performans ortaya koyduğu analiz edilmiştir [14]. Belhocine ve Bouchetara tarafından havalandırma kanallı ve kanalsız disk şekillerinde ANSYS programını kullanarak termal analizini yapmaktır. Disklerindeki sıcaklık dağılımını etkileyen faktörler sürekli ve ani frenlemeler, diskin geometrik tasarımı ve disk malzemesidir. Çalışmada balatanın diske teması sağlanarak gerilme

20 6 alanları oluşturulmuştur. Sonlu elemanlar yöntemiyle sıcaklığın analizi yapılmıştır. Ortaya çıkan sonuçlar kıyaslanmıştı ve yorumlanmıştır. Çalışmada kullanılan parçaların özellikleri Tablo 2.1. Disk Özellikleri Disk dış çapı Disk kalınlığı Diskin ısı iletkenlik katsayısı Disk malzemesinin yoğunluğu Balata alanı Balatanın ısı iletkenlik katsayısı Balata malzemesinin yoğunluğu 262 mm 29 mm 57 W/m C 7250 kg/m³ mm² 5 W/m C 1400 kg/m³ Sürtünme katsayısı 0.2 Havanın sıcaklığı 20 C Deney sonucunda alttaki grafiği elde etmişlerdir. Grafik 2.1. Sıcaklık dağılımının grafiği [15]

21 7 Grafik 2.1. de 10 saniyelik zaman diliminde havalandırılmış disk ve tam yüzey diskte değişim grafiksel olarak aktarılmıştır. Aynı malzeme özelliklerine sahip disklerde havalandırma kanalı olma durumunda maksimum sıcaklık 345 C olduğu halde katı diskte 400 C civarındadır. Burada hava kanalları diskin sıcaklığının fazladan 60 C artmasını engellemiştir. ANSYS programında model üzerindeki görüntüler aşağıdaki şekilde verilmiştir. Resim 2.1. Sıcaklık dağılımının resmi [15] Yapılan deney sonucunda diskin üzerindeki hava kanallarının diskin sıcaklığının diske zarar verici boyutlara ulaşılmasını engellediğini, diskin iç gerilmelerini azalttığını ve daha uzun süre ve emniyetli şekilde kullanılabileceği söylenmiştir. Diskin geometrik yapısının değiştirilerek daha iyi bir disk soğutulması elde edileceği söylenmiştir [15]. Ghadimi ve arkadaşları tarafından Lokomotiflerde kullanılan havalı kanallı fren diskinin termal ve stres analizinin 3d modellenmesi ele alınmıştır. Frenleme sırasında oluşan ısı frenlemede kayıplara ve termal çatlaklara neden olduğu söylenmiştir. Bu termal çatlaklar frenleme performansını ve disk kalınlığını etkileyebilir. Sıcaklık artışını belirlemek için frenleme süresi önemlidir. Ayrıca bu sıcaklık artışı balata ve disk malzemesi, diskin ve balatanın alanına bağlı olarak değişkenlik gösterebilir. Bu çalışmada 920 mm çapında üzerinde havalandırma kanalları bulunan bir disk

22 8 kullanılmıştır. Frenleme basıncın oransal olarak dağıldığı varsayılarak hesaplanmıştır. Ardından diskin üzerinde termal analizde incelenmiştir. Çalışmada kullanılan parçaların özellikleri Tablo 2.2. Çalışmadaki diskin özellikleri Disk dış çapı Disk kalınlığı Diskin ısı iletkenlik katsayısı Disk malzemesinin yoğunluğu Diskin özgül ısısı Balatanın özgül ısısı Balatanın ısı iletkenlik katsayısı Balata malzemesinin yoğunluğu 920 mm 24mm 58 W/m C 7246 kg/m³ 500 J/kg K 1090 J/kg K 5 W/m K 1400 kg/m³ Sürtünme katsayısı 0.32 Havanın sıcaklığı 55 C

23 9 Resim 2.2. Sıcaklık dağılımının değişik zamanlara göre resmi [16] a) Resim 2.2. de sıcaklık frenlemenin 22,5 s olduğu durum için hesaplanıp analiz sonucu gösterilmektedir. b) Resim 2.2. de sıcaklık frenlemenin 75 s olduğu durum için hesaplanıp analiz sonucu gösterilmektedir. Yapılan deneysel çalışmalar ve analitik çözümlerin birbiriyle uyuştuğu gözlemlenmiştir. İlk olarak frenleme sıcaklığın arttığı daha sonra ise maksimum seviyeye ulaştığı ve sıcaklığın sabit kaldığı gözlemlenmiştir. Deneyde 22,5 saniyede maksimum 449,1 K ve 75 s için 591,36 K sıcaklık oluşmuştur [16]. Ghadimi ve arkadaşları tarafından Lokomotif Tekerleğine Monte Edilmiş Disk Frenin Termal Analizi yapılmıştır. Son yıllarda trenlerin hızlarındaki artışla beraber frenleme performansının gelişmesi gerektiği söylenmiştir. Frenleme sırasında sürtünmeden dolayı oluşan ısının frenleme performansı üzerinde birçok olumsuz etkisi bulunmaktadır. Bu olumsuzluklar erken aşınma termal çatlaklar ve disk yüzeyinin bozulması olarak sayılabilir. Bu aşınmaları tespit edebilmek için fren diskinin sıcaklık alanını belirlemek önemlidir. Bu analizi yapabilmek için fren diskinin 3D modellemesi yapılmıştır. Laboratuarda modelle sayısal değerler karşılaştırılmıştır. Çalışmada maksimum sıcaklık frenleme zamanının ortasında gözlemlenmiştir.

24 10 Tablo 2.3. Çalışmada kullanılan parçaların özellikleri Disk dış çapı Disk kalınlığı Diskin ısı iletkenlik katsayısı Disk malzemesinin yoğunluğu Diskin özgül ısısı Balatanın özgül ısısı Balatanın ısı iletkenlik katsayısı Balata malzemesinin yoğunluğu 920 mm 24mm 58 W/m C 7246 kg/m³ 500 J/kg K 1090 J/kg K 5 W/m K 1400 kg/m³ Sürtünme katsayısı 0.32 Havanın sıcaklığı 55 C Grafik km/h hızla giderken yavaşlaması sırasında kat ettiği mesafeye göre diskteki ısınma [17] Grafik 2.2. de Deneysel çalışmalar ve modellemeler baz alınarak 154 km/h hızla giderken yavaşlaması sırasında kat ettiği mesafeye göre diskteki ısınmanın grafiği oluşturulmuştur. Farklı çözümlemelerdeki maksimum sıcaklık değerleri farklı şekilde oluşmuştur. Deneysel sonuçta disk yüzeyinin sıcaklığı 270 C e kadar ulaşmıştır. Nümerik analizde disk yüzey sıcaklığı 240 C dir.

25 11 Resim 2.3. Farklı sürelerde diskin yüzeyinde oluşan sıcaklıklar [17] Şekil 2.3. de farklı sürelerde diskin yüzeyinde oluşan sıcaklıklar analiz edilmiştir. Diskin sırasıyla saniye sonunda üzerinde oluşan sıcaklık aktarılmıştır. Diskin maksimum sıcaklığı 20.5 saniyede ulaştığı gözlemlenmiştir. Resim 2.4. Akışın geçtiği bölgenin sıcaklıkları [17] Resim 2.4. de diskin soğutulması için akışın geçtiği bölgenin sıcaklıkları görülmektedir. Akışkanın geçtiği bölgenin sırasıyla saniye sonunda üzerinde oluşan sıcaklık aktarılmıştır. Hava direkt olarak bu bölgeden alındığı için bu yüzeydeki sıcaklık disk yüzeyine göre daha düşüktür. Bu çalışmada 920 mm çapında lokomotiflerde kullanılan fren diski tasarlanmış ve termal analizi yapılmıştır. Frenleme 154 km/h hızdan durdurana kadar geçen ki sürede sıcaklık dağılımı gözlemlenmiştir. Sıcaklık diskin balataya temas eden yüzeylerinde en fazla olmuştur. Frenleme kanallarında sıcaklığın diskin balataya temas ettiği noktaya göre daha az olduğu gözlemlenmiştir [17].

26 12 3. TAŞIT FREN SİSTEMİ 3.1. Fren Kuvvetleri Sistemi ve Elemanları Frenleme cismin hareket enerjisini ısı enerjisine dönüştürerek harekete son verme veya yavaşlatılması için kullanılır. Frenleme hareket eden araçta ve duran araçta farklı görevler üstlenir. Hareket eden taşıtta, taşıtın durdurulması ve yavaşlatılması görevini üstlenir. Taşıtlar yokuş aşağı hareket ederken veya düz yolda giderken mevcut hızını koruyarak hareket etmesini sağlar. Sabit duran taşıtlarda ise konumunu korumak için kullanılmaktadır. Frenleme temelde sahip olduğu kinetik enerjinin ısı enerjisine dönüşmesini sağlamaktadır. Bu kinetik enerji: E k 1 2 m.v2 (3.1) formülüyle hesaplanmaktadır Tekerleğe Gelen Kuvvetler Taşıt tekerleği ve zemin arasında kuvvetler: Şekil 3.1. Taşıt tekerleği ve zemin arasındaki kuvvetler

27 13 M a :Tahrik Momenti Nm F x :Uygulanan Tahrik Kuvveti N F ro :Yuvarlanma Direnci N N:Tekerleğe Gelen Tepki Kuvveti N G:Tekerlek Üstüne Gelen Ağırlık N R:Tekerlek Yarıçapı m V:Taşıt Hızı m/s e:tekerleğin Basınç Merkeziyle Geometrik Merkez Arasındaki Fark m f r e R f r :Yuvarlanma Direnci Katsayısı Taşıtın gideceği yöndeki tutunma kuvveti: F tut F t. tut (3.2) F t :Tahrik Kuvveti (N) F tut :Tutunma Kuvveti(N) :Tutunma Katsayısı tut tut zemin şartlarına göre değişiklik gösterebilen bir değerdir. Zemin şartları aracın kayma oranını değiştirebilmektedir. Kayma Oranı V a-v t V a (3.3) V a :Aracın Hızı V t :Tekerleğin Hızı

28 14 Grafik 3.1. Kayma oranına bağlı olarak tutunma katsayısı değişimi [1] Grafik 3.1. de zeminin kuru asfalt, ıslak asfalt, kar ve buz durumunda tutunma katsayısının kayma oranına olan etkisi gözlemlenmektedir. Kaygan yüzeyli buz tabakasında tutunma katsayısı 0.1 civarına düşmektedir. Bu durumlarda frenleme taşıtın kontrolünü neredeyse imkânsız hale getirmektedir.

29 Frenleme Kuvvetleri Statik aks yükleri Şekil 3.2. Statik aks yükleri :Statik Aks Yükü Dağılımı F Na G (3.4) 1- F Nö G (3.5) Ön Aksa Göre Moment Alınırsa; G.l ö F Na.L (3.6) l ö F Na.L G (3.7) l ö.l (3.8) Arka Aksa Göre Moment Alınırsa; G.l a F Nö.L (3.9)

30 16 l a F Nö.L G (3.10) l a 1-.L (3.11) F Nö :Statik Ön Dingil Yükü F Na :Statik Arka Dingil Yükü L:Ön ve Arka Dingil Arasındaki Mesafe l ö :Ağırlık Merkeziyle Ön Aks Arasındaki Mesafe l a :Ağırlık Merkeziyle Arka Aks Arasındaki Mesafe Dinamik aks yükleri Şekil 3.3. Dinamik aks yükleri Ön Aks Dinamik Yükü F Nödin ) F Nö.L-G.l a -G.a.h 0 (3.12) F Nö.L G.l a G.a.h (3.13) F Nödin G.l a L G.a.h L (3.14)

31 17 l a 1-.L (3.15) F Nödin G. 1- G.a.x (3.16) F Nödin G.[ 1-.a.x] (3.17) Arka Aks Dinamik Yükü F Nadin ) Ön Tekere Göre Moment Alınırsa; G.l Ö -G.a.h-F Na.L 0 (3.18) F Na.L G.l Ö -G.a.h (3.19) F Nadin G.l ö L - G.a.h L (3.20) l ö.l yazılırsa F Nadin G..L L - G.a.h L (3.21) F Nadin G. -G.a.x (3.22) F Nadin G.[ - a.x ] (3.23) a:yavaşlama İvmesi x h L h:aracın Ağırlık Merkezinin Yerden Yüksekliği Dinamik Frenleme Kuvvetleri F f F din. tut (3.24) Ön Aks Dinamik Frenleme Kuvveti F ö 1- -x.a.g. ötut (3.25)

32 18 Arka Aks Dinamik Frenleme Kuvveti F a -x.a.g. atut (3.26) L:Ön ve Arka Aks Arasındaki Mesafe :Ön Tekerlek Tutunma Katsayısı ötut :Arka Tekerlek Tutunma Katsayısı atut 3.3. Frenleme İşi ve Gücü Frenleme işi N t N y N h N e N i (3.27) Yuvarlanma Direnci N y G.f r.v (3.28) G:Taşıt Ağırlığı N V:Taşıt Hızı m/s Hava Direnci N h 0,5..C.A.V 2 (3.29) :Havanın Yoğunluğu kg/m³ C:Aerodinamik Katsayı A:İzdüşüm Alanı m² Yokuş Direnci N e G. tan.v (3.30) tan :Yokuşun Eğimi

33 19 İvmelenme Direnci N i G. max g.v (3.31) max :Döner Kütle Faktörü g:yerçekimi İvmesi m/s² N t N f N m k (3.32) N t :Toplam Tekerlek Kuvveti (N) N m :Motor Kuvveti (N) N f :Fren Kuvveti (N) :Güç Aktarma Organları Verimi k Frenleme Gücü: N f - N m k f r tan.a g G.V 1 2..C.A.V³ (3.33) Fren işi Grafik 3.2. Frenleme işinin sabit ivme için zamanla değişim grafiği

34 20 Frenleme işi frenleme gücünün zamana göre integralinden hesaplanabilmektedir. W t N 0 f.dt (3.34) 3.4. Frenleme Performansına Etki Eden Faktörler Fren Performansı: Aracın kısa mesafede durması etkili bir frenleme performansına sahip olduğunun göstergesidir. Fren performansını sürücü, fren sistemi ve çevre şartları etkileyebilir. Fren performansını etkileten faktörler şunlardır: Frenlemenin toplam süresi Frenin birlikte çalışan mekanik elemanlarının durumu Frenler üzerinde yapılan ayarların doğruluğu Zemin tekerlek etkileşimi Frenleme süresi ve aşamaları Reaksiyon Süreci: Sürücünün algılama, karar verme ve gazdan ayağını çekip frene basma anına kadar geçen süredir. Pedal Kuvveti Arttırma Süresi: Fren pedalına basıldıktan sonra maksimum frenleme kuvvetine ulaşıncaya kadarki süredir. Cevap Süresi: Sürtünme elamanları arasında mekanik boşlukların geçildiği süredir. Basınç Arttırma Süresi: Fren basıncının yükselip maksimumu basınca ulaşıncaya kadar geçen süredir. Tam Frenleme Süresi: Maksimum frenleme ivmesine ulaşıldıktan sonra aracın tamamen durmasına kadar geçen süredir. Bu sürede ivme sabittir.

35 Fren Sisteminin Yapısı Şekil 3.4. Basit bir fren sisteminin yapısı [1] 1. Fren Pedalı 2. Fren Merkezi ve Servo Fren 3. Hidrolik Deposu 4. Sağ Ön Disk Fren 5. Sol Ön Disk Fren 6. Sağ Arka Kampanalı Fren 7. Sol Arka Kampanalı Fren 8. El Freni (Park Freni) 9. Fren Regülâtörü 10. Dağıtıcı 11. Hidrolik Boruları Taşıt frenlemesi tekerlek frenleri sürtünmeli tiptir. Bu frenlerde mekanizmalar doğrudan tekerlekler üzerine monte edilmiştir. Frenleme, fren momenti oluşturma ve kinetik enerjiyi ısı enerjisine çevirme ve dış ortama verme işlemlerini yapmaktadır.

36 22 Fren sistemi günümüz araçlarında iki farklı türde kullanılmaktadır: Kampanalı fren Şekil 3.5. Kampanalı fren [18] Kampanalı frenin günümüzde kullanımı azalmakla birlikte devam etmektedir. Frenden alınan kuvvet tekerlek pistonlarına iletilerek pistonun balatayı itmesiyle kampana yüzeyine kuvvet etkimektedir. Bu etkiyle tekerin durdurulması sağlanır. Frenleme bittiğinde geri çağırma yaylarıyla balatalar kapmana yüzeye değmeyecek şekilde geri gelmektedirler. Kampana yüzeyinin frenlemelerle aşınması sonucu balata et kalınlığı azalmaktadır. Bu aradaki mesafe farkının giderilmesi için ayar mekanizmasındaki dişli döndürülerek mesafe ayarlanabilmektedir. Kampanalı Frende Fren Kuvveti Frenlemede fren torku ve tekerlek torku değerleri birbirine eşitlenerek çözüm bulunur. T f T tek (3.35).N kb.r K tut.g.r (3.36)

37 23 T f :Fren Torku T tek :Tekerlek Torku N kb :Kampana ile Balata Sürtünme Yüzeyi Arasındaki Sürtünme Kuvveti G:Taşıt Ağırlığı R:Tekerlek Yarıçapı R K :Kampana Yarıçapı :Zeminle-yol arasındaki tutunma katsayısı tut Diskli fren Diskli Fren Sisteminin Parçaları Fren Diski: Fren diski cıvatalar vasıtasıyla tekerlek göbeğine bağlı olarak çalışmaktadır. Taşıtın yavaşlama veya durması sırasında balataların diski sıkıştırmasıyla diskin dönüş hızını dolayısıyla tekerleğin dönüş hızını yavaşlatarak durdurulması ve yavaşlanması saplanmaktadır. Frenleme sırasında tekerleğin ve ona bağlı olan diskin enerjisi balataların temas etmesi ile ısı enerjisine çevrilir. Fren diskleri bu ısıya dayanacak şekilde üretilmektedir. Fren diskleri çalışma esnasında geniş yelpazede soğuma ve ısınma olaylarına maruz kalmaktadır. Fren diskleri balatalarla beraber çalışmaktadır. Bu sebeple fren disklerinin iki yüzeyi de hassas şekilde işlenmektedir. Birbiriyle çalışan bu iki yüzeyin rijit olması gerekmektedir. Aksi halde araçtan iyi bir frenleme performansı beklenemez. Fren diskleri farklı geometrilerde üretilen üzerine gelen ısının havayla temas ederek dış ortama atılması istenir. Yüksek sıcaklıklardaki fren diski frenlemenin olumsuz yönden etkilenmesine sebep olmaktadır.

38 24 Fren Diski Malzemeleri İnce Karbon Grafit Tabakalı Dökme Demir: Yorulma dayanımının yüksek olması, daha az ses oluşturması, daha az titreşim yapması ve aşınma dirençlerinden dolayı tercih edilmektedirler. Dökme demir diskler, titanyum alaşımlı dökme demir, kompakt grafitli demir, yüksek karbonlu dökme demir ve gri dökme demir olarak sınıflandırılmaktadır. Yüksek Karbon Grafit Tabakalı Dökme Demir: Hafif ticari araçlarda yüksel termik iletkenliğine sahip olan yüksek karbonlu ve grafit tabakalı dökme demir diskler kullanılmaktadır. Dökme Çelik: Hafif ticari araçlar ve ağır ticari araçlar daha yüksek ısınmaya maruz kalmaktadırlar. Bu yüzden bu taşıtlardaki diskler termik yorulmaya karşı daha dirençli olmalıdırlar. Bu sebepten dolayı bu tip araçlarda dökme çelik diskler kullanılmaktadır. Alüminyum Metal Matriks Kompozit: Maliyetleri gri dökme demirlerin yaklaşık 2-3 katıdır. Otomobillerde ağırlığın azaltılması performansı önemli ölçüde etkilemektedir. Alüminyum Metal Matriks Kompozit diskler diğer disklere göre daha yüksek ısı iletkenliğine sahiptirler. Aynı zamanda daha yüksek bir aşınma direncine sahiptirler. Bu sebepten günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Karma Disk: Diskin orta kısmının alüminyum frenleme yüzeyinin ise dökme demir olarak üretildiği disk çeşididir. Diskin böyle üretilmesinin sebebi daha iyi bir ısı iletiminin sağlanmak istenmesidir. Seramik Fren Diski: Başlarda seramik disk frenleri yüksek performanslı araçlarda ve yarış otomobillerinde kullanılmaya başlanmıştır. Fiber takviyeli seramikten oluşan bu disklerin performansları oldukça yüksektir. Seramik fren diskleri diğer disklerin neredeyse yarısı ağırlığındadır. Bu sebeple taşıtın daha hafif olmasını sağlamaktadır. Ayrıca seramik diskler 1400 C sıcaklığa dayanabilmektedirler. Bu sayede sıcaklığın frenleme üzerine olan olumsuz etkisi de azaltılmaktadır. Seramik disk frenler normal disklere göre daha uzun ömürlüdür. Kimyasal yapısından dolayı paslanmayı da engellemektedirler.

39 25 Fren Kaliperi: Fren kaliperleri sürtünme elamanları olan balataları üstünde taşıyan parçadır. Kaliperler cıvatalar yardımıyla dingil başlarına tutturulmuştur. Frenleme sırasında dönen kütlenin ataletinden dolayı aşırı moment dengesizlikleri oluşmaktadır. Kaliperler bu moment dengesizliklerine üzerine bağlandığı dingil başlarına iletmektedir. Kaliperler aynı zamanda fren hidrolik silindirleri ve pistonları da üzerinde taşımaktadır. Fren kaliperinin içerisinde hareketli pistonlar bulunmaktadır. Pistonun bir yüzeyine etki eden basınçlı hidrolik diğer taraftaki balatalara iletilmektedir. Balatalar disk yüzeyine sürtünerek aşınmaktadır. Bu aşınma sonucunda diskle balata arasındaki mesafe fren kullanıldıkça artmaktadır. Bu artış taşıtın fren pedalında daha yüksek pedal mesafesi olarak göze çarpmaktadır. Boşluk bazı tiplerde piston keçesiyle otomatik olarak ayarlanmaktadır. Bu tiplerde silindir içerisinde bulunan keçe bu görevi yapmaktadır. Ayrıca bu keçe silindir içerisindeki fren hidroliğinin boşalmasını engeller. Ama diğer tiplerde boşluğun kontrol edilebilmesi için boşluk ayar mekanizmasına ihtiyaç duyulur. Boşluk ayarlanmasına göre fren kaliperleri 3 çeşittir: Sabit Kaliper Şekil 3.6. Sabit kaliper [1]

40 26 Frenleme kuvveti balataların piston etkisiyle disk yüzeyine bastırılmasıyla oluşur. Sabit kaliperde iki adet piston bulunmaktadır. Kaliperler disk ile jant arasında yerleştirildiğinden havanın kaliper üzerine ulaşması ve soğutması çok zordur. Bu sebeple sabit kaliper ısı iletimi açışından olumsuzluklar barındırmaktadır. Bu sebeple günümüzde sabit kaliperler yaygın olarak kullanılmamaktadır. Yüzer Kaliper Şekil 3.7. Yüzer kaliper [1] Yüzer kaliperde piston diskin sadece bir tarafına yerleştirilmiştir. Fren merkezinden gelen hidrolik basınç pistonu iterek balataları diskin üzerine doğru yaklaştırmaktadır. Fren hidroliğinin bulunduğu hücre seyir halindeki rüzgârla soğutulabilmektedir. Bu soğutma aynı zamanda hidroliğin buharlaşmasını da engellemektedir.

41 27 Full Contact Kaliper Şekil 3.8. Full contact kaliper [18] Full Contact Kaliperler daha yüksek verimle soğuması için özel olarak tasarlanmışlardır. Bu kaliper tipinde disk ve balatalar üzerinde havalandırma kanalları bulunmaktadır. Full Contact Kaliper örümcek, soğutucu kanatlı balatalar, kayan disk ve iç balata soğutucu kanatlardan oluşmaktadır. Bu sayede ısının atılması için daha büyük bir alan oluşturularak dışarı atılan ısı miktarı artmaktadır. Frenleme üzerinde ısının olumsuz etkisi de bu sayede azaltılmaktadır. Disk Fren Balatası ve Pabucu: Pabuç kaliper içerisinde yan yüzeylerine dayanan metal destek plakasına bağlıdır. Balatalarda bu pabuçlara yapıştırılmıştır. Pabuçlar balataları iki adet pimin üstüne tutturulmuş sac plakayla desteklemektedir. Disk frendeki balatalar kampanalı sisteme göre daha küçük bir alana sahip olduğundan daha büyük kuvvetlere maruz kalmaktadır. Bu yüzden disk fren balataları kampanalı sisteme göre daha yüksek sürtünme katsayısına sahip olarak üretilmektedirler. Disk Frenlerde Fren Kuvveti T f T tek (3.37) z..n db.r tut.g.r (3.38)

42 28 P N db A B (3.39) N db :Disk ile Balata Sürtünme Yüzeyi Arasındaki Sürtünme Kuvveti r:aks Merkezinden Balatanın Ortasına Kadar Olan Mesafe Disk fren ve kampanalı frenin karşılaştırılması Kampanalı frende ısınmadan dolayı sürtünme kayıpları daha fazladır. Frenleme sırasında disk frenler havayla temas ettiğinden daha kısa sürede soğumaktadır. Disk yüzeyine havalandırma kanalları açılarak soğutmak mümkünken kampanada böyle bir olaydan bahsedilemez. Disk frenlerde disk ısındıktan sonra genleşerek otomatik ayarlayıcı mekanizmasına yardımcı olmaktadır. Disk frenlerin bakımı daha kolay ve servis süresi kampanalıya göre daha azdır. Disk frenler daha büyük frenleme kuvvetine sahiptir. Balatalar iki yüzden diske bastırdığı için daha yüksek bir frenleme kuvveti elde edilmektedir. Kampanalı sistemlerde parça sayısı disk frene göre daha fazladır. Kampanada ayarlama işlemleri mekanik olarak yapılırken diskte otomatik olarak yapılmaktadır. Bu sebeplerden dolayı günümüzde disk hem ön hem de arka tekerleklerde kullanılmaya başlanmıştır.

43 29 4. MATERYAL - METOD 4.1. Disk üzerindeki ısının hesaplanması Frenleme zamanı boyunca frenleme gücü sebebiyle ortaya bir ısı çıkmaktadır. Birim zamanda bu ısının bir kısmı depo edilirken bir kısmı da konveksiyon yoluyla havaya geçmektedir. Depo edilen ısı sürtünme elemanları üzerinde kalmaktadır. N f konv d (3.40) Depolanan kısımdaki sıcaklık artışını teorik olarak bulunması[3]; d c.g f. (3.41) konv. A. - 0 (3.42) N f a. A. - 0 c. G f. (3.43) - 0 N f.a. 1-e-.A t c.g f (3.44) c:özgül Isı Kapasitesi /NK G f :Fren disk-kampana ağırlığı N :Isı İletim Katsayısı /m²sk A:Isı Veren Yüzey m² 0:Ortam Sıcaklığı K Isı akısının hesaplanması için [7];.P. (3.45) P:Yüzeye Uygulanan Basınç :Dönüş Hızı P F n A b (3.46)

44 30 F f 2.. F n (3.47) F f :Frenleme kuvveti F n :Normal kuvvet 4.2. Analiz sonuçları Disk Özellikleri Kullanılan kanalsız disk dış çapı 279 mm dir. Diskin kalınlığı ise 13 mm dir. Diskin yoğunluğu 7850 kg/m³ olarak alınmıştır. Bu değer için ortak özellikteki diskler baz alınmış ve ortalama bir deney girilmiştir. Balata ve disk arasındaki sürtünme katsayısı 0.30 olarak alınmıştır. Diskin ısı iletim katsayısı 57 W/m K [15] değeri kabul edilmiştir. Diskin malzeme özelliğine göre bu değer alınmıştır. Kullanılan boyuna kanallı diskin dış çapı ise 279 mm dir. Boyuna kanallı diskin kalınlığı 13 mm dir. Boyuna açılmış kanallı disklerde ise kanal genişliği 6.9 mm ve yay çapı 67.3 mm dir. Kanallar tamamen disk boyunca yay şeklinde açılmıştır. 20 tane ön yüzey 20 tane arka yüzey olmak üzere toplamda 40 tane kanal açılmıştır. Deney yapılırken soğutmak için geçen havanın sıcaklığı 30 C alınmıştır. Bu değere karşılık gelen havanın ısı taşınım katsayısı 30 W/m²K dir [19]. Testler Thepra test cihazında deneysel değerler olarak ölçülmüştür. Diskler sisteme bağlanan 4 kw lık bir elektrik motoru ile 450 Nm tork ve 34 d/d ile döndürülmektedir. Devir ANSYS programı seçilen birim sisteminde rad/s cinsinden değer istemektedir. Bu yüzden 34 d/d ya karşılık gelen 3.56 rad/s değeri bulunmuştur ve disk programda bu devirde döndürülmüştür. Sürekli frenleme şartlarında 250 N sabit frenleme kuvvetiyle diskler 30 s, 60 s, 90 s, 120 s, 150 s, 180 s, 210 s, 240 s olarak farklı sürelerde diskinin üzerindeki ısı akısı hesaplanarak konveksiyon yoluyla yayılan sıcaklık ANSYS programında sonlu elemanlar yöntemiyle analiz edilmiştir. Devir ANSYS programı seçilen birim

45 31 sisteminde rad/s cinsinden değer istemektedir. Bu yüzden 34 d/d ya karşılık gelen 3.56 rad/s değeri bulunmuştur ve disk bu devirde döndürülmüştür. Kanalsız Diskte Elde Edilen Değerler ANSYS programında disk import edilerek Mesh edilmiştir. Disk yüzeyi balatanın bastığı noktalar ve diğer noktalar olmak üzere iki parçaya ayrılmıştır. Mesh işlemi sonucunda Nodes ve Elements elde edilmiştir. Programda çözümleme için kullanılan node ve element değerleri çözümlemenin ve analizin daha hassas olmasını ve daha gerçeğe yakın değerler vermesini sağlamaktadır. Elde edilen Mesh değerleri detaylı bir sonucu ortaya koyabilecek sayıdadır. Element değerlerinin yüksek olması bize daha hassas bir analiz imkânı sunmaktadır adet düğüm noktası da analizlerin gerçeğe daha yakın olmasını sağlamaktadır. Resim 4.1. de Mesh edilmiş diskin resmi görülmektedir. Resim 4.1. Mesh edilmiş kanalsız diskin resmi

46 32 Tablo 4.1. de sıcaklığın süreye dağılımı verilmiştir. Bu grafik maksimum ve minimum noktalar arasındaki farkı göstermektedir. Tablo 4.1. Sıcaklığın süreye dağılımı Süre s Maksimum Sıcaklık C Minimum Sıcaklık C Boyuna Kanallı Diskte Elde Edilen Değerler Boyuna kanallı diskte kanalsız diskten farklı olarak üzerine hava kanalları açılmıştır. Hava kanalları diskin daha hızlı soğumasına yardım etmek amacıyla açılmıştır. Boyuna açılan diskler ANSYS programında disk İmport edilerek Mesh edilmiştir (Resim Disk yüzeyi balatanın bastığı noktalar ve diğer noktalar olmak üzere iki parçaya ayrılmıştır. Mesh işlemi sonucunda Nodes ve Elements elde edilmiştir. Elde edilen Mesh değerleri detaylı bir sonucu ortaya koyabilecek sayıdadır.

47 33 Resim 4.2. Mesh edilmiş boyuna kanallı disk Boyuna kanallı diskte meydana gelen sıcaklık değişimleri tablo 4.2. de gösterilmiştir. Burada farklı sürelerde diskin üzerinde oluşan maksimum ve minimum sıcaklık değerleri gösterilmektedir. Tablo 4.2. Boyuna kanallı diskte meydana gelen sıcaklık değişimleri Süre s Maksimum Sıcaklık C Minimum Sıcaklık C

48 34 Kanalsız ve Boyuna Kanallı Disklerin Sıcaklıklarının Karşılaştırılması Resim 4.3. de 30 sn için kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklıklar gösterilmektedir. Kanalsız diskte maksimum sıcaklık C ve minimum sıcaklık C olarak analiz edilmiştir Resim 4.3. a). Boyuna kanallı diskte maksimum sıcaklık C ve minimum sıcaklık C olarak analiz edilmiştir (Resim 4.3. b). Diskler başlangıç sıcaklıklarında birbirine yakın değerlerle seyretmiştir. Diskler üzerinde maksimum sıcaklıklar arasındaki fark 5.51 C dir. Minimum sıcaklıklar arasındaki fark ise 4.04 C olmuştur. Kanalsız diskte boyuna kanallı diske göre sıcaklık % 5 oranında daha fazla olmuştur. Resim sn için kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklıklar

49 35 60 sn için Sonlu Elemanlar Yöntemiyle elde edilen sonuçlar Resim 4.4. de gözükmektedir. Kanalsız diskte maksimum sıcaklık C ve minimum sıcaklık C olarak analiz edilmiştir Resim 4.4. a). Boyuna kanallı diskte maksimum sıcaklık C ve minimum sıcaklık C olarak analiz edilmiştir (Resim 4.4. b). İki farklı diskte de neredeyse aynı sıcaklık değerlerine ulaşılmıştır. Elde edilen değerlerde 1-2 C değişimleri göz ardı edilebilir seviyededir. Disklerdeki sıcaklık 60 saniyelik çalışmalarında diğer değerlere göre yüksek bir artış göstermiştir. Resim sn için kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklıklar Resim 4.5. de 90 saniyede diskler üzerindeki sıcaklık gözükmektedir. Kanalsız diskte maksimum sıcaklık C ve minimum sıcaklık C olarak analiz

50 36 edilmiştir Resim 4.5. a). Boyuna kanallı diskte maksimum sıcaklık C ve minimum sıcaklık C olarak analiz edilmiştir Resim 4.5. b). Diskler arasında sıcaklık farkı 90 saniyeden sonra açılmaya başlamıştır. Maksimum değerleri arasında C sıcaklık farkı oluşmuştur. Minimum değerler arasındaki fark ise C olmuştur. Kanalsız diskteki sıcaklık boyuna kanallı diske göre % daha fazladır. Boyuna açılan kanallar bu sürede işlevini gerçekleştirmiştir. Resim sn için kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklıklar 120 saniyede diskler üzerindeki sıcaklık Resim 4.6. da gözükmektedir. Kanalsız diskte maksimum sıcaklık C ve minimum sıcaklık C olarak analiz edilmiştir Resim 4.6. a). Boyuna kanallı diskte maksimum sıcaklık C ve minimum sıcaklık C olarak analiz edilmiştir Resim 4.6. b).

51 37 Maksimum değerleri arasında C sıcaklık farkı oluşmuştur. Minimum değerler arasındaki fark ise C olmuştur. Kanalsız diskteki sıcaklık boyuna kanallı diske göre % daha fazladır. Resim sn için kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklıklar 150 saniyede diskler üzerindeki sıcaklık dağılımı Resim 4.7. de gözükmektedir. Kanalsız diskte maksimum sıcaklık C ve minimum sıcaklık C olarak analiz edilmiştir Resim 4.7. a). Boyuna kanallı diskte maksimum sıcaklık C ve minimum sıcaklık C olarak analiz edilmiştir Resim 4.7. b). Maksimum değerleri arasında C sıcaklık farkı oluşmuştur. Minimum değerler arasındaki fark ise C olmuştur. Kanalsız diskteki sıcaklık boyuna kanallı diske göre % daha fazladır.

52 38 Resim sn için kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklıklar Resim 4.8. de 180 saniyede diskler üzerindeki sıcaklık dağılımı gözükmektedir. Kanalsız diskte maksimum sıcaklık C ve minimum sıcaklık C olarak analiz edilmiştir Resim 4.8. a). Boyuna kanallı diskte maksimum sıcaklık C ve minimum sıcaklık C olarak analiz edilmiştir Resim 4.8. b). Maksimum değerleri arasında C sıcaklık farkı oluşmuştur. Minimum değerler arasındaki fark ise C olmuştur. Kanalsız diskteki sıcaklık boyuna kanallı diske göre % daha fazladır.

53 39 Resim sn için kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklıklar 210 saniyede diskler üzerindeki sıcaklık Resim 4.9. de gözükmektedir. Kanalsız diskte maksimum sıcaklık C ve minimum sıcaklık C olarak analiz edilmiştir Resim 4.9. a). Boyuna kanallı diskte maksimum sıcaklık C ve minimum sıcaklık C olarak analiz edilmiştir Resim 4.9. b). Maksimum değerleri arasında C sıcaklık farkı oluşmuştur. Minimum değerler arasındaki fark ise 18.2 C olmuştur. Kanalsız diskteki sıcaklık boyuna kanallı diske göre % 7.51 daha fazladır.

54 40 Resim sn için kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklıklar Resim de 240 saniyede diskler üzerindeki sıcaklık gözükmektedir. Kanalsız diskte maksimum sıcaklık C ve minimum sıcaklık C olarak analiz edilmiştir Resim a). Boyuna kanallı diskte maksimum sıcaklık C ve minimum sıcaklık C olarak analiz edilmiştir Resim b). Maksimum değerleri arasında C sıcaklık farkı oluşmuştur. Minimum değerler arasındaki fark ise C olmuştur. Kanalsız diskteki sıcaklık boyuna kanallı diske göre % daha fazladır.

55 Resim sn için kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklıklar 41

56 Sıcaklık ( C) Karşılaştırmalı Grafik Zaman (s) Kanalsız Disk Sıcaklığı ( C) Boyuna Kanallı Disk Sıcaklığı ( C) Grafik 4.1. Kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan maksimum sıcaklıklar Grafik 4.1. de kanalsız disk ve boyuna kanallı diskin sıcaklıkları arasında karşılaştırma grafiği çizilmiştir. Bu grafikte 60. saniyeden sonra boyuna kanallı diskin kanalsız diske göre daha az ısındığı açıkça görülmektedir. Boyuna kanallı diskin üzerindeki sıcaklık üzerindeki kanallar sayesinde daha az olmuştur. Sürenin artmasıyla birlikte kanalsız diskin maksimum sıcaklık değeri fading olayına sebep olabilecek şekilde artmaya başlamıştır. Bu sıcaklıklar diski yoracaktır. Diskin bu kadar ısınması beraber çalıştığı elemanları da yoracaktır.

57 Sıcaklık ( C) 43 Deneysel ve Analiz Değerlerinin Karşılaştırılması Zaman (s) Analiz Sonucu Kanalsız Disk Sıcaklığı ( C) Deneysel Kanalsız Disk Sıcaklığı ( C) Analiz Sonucu Boyuna Kanallı Disk Sıcaklığı ( C) Deneysel Boyuna Kanallı Disk Sıcaklığı ( C) Grafik 4.2. Kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan deneysel ve analiz sonuçlarının karşılaştırmalı grafiği Grafik 4.2. de deneysel sonuçlar ve analiz sonuçları karşılaştırılmıştır. Deneysel sonuçlar Thepra test cihazında yapılmıştır [11]. Yapılan analiz küçük yanılmalarla birlikte doğru olmuştur. Deneysel ve analiz sonuçları arasındaki farkın bir kısmına radyasyon sebep olmaktadır.

58 Resim Deneysel değerlerin grafiği [11] 44

59 45 5. SONUÇ ve ÖNERİLER Taşıtlardaki diskli frenlerde disk sıcaklığının artması frenleme performansını olumsuz yönde etkilemiştir. Sıcaklık balata ile disk yüzeyi arasındaki sürtünmenin ani olarak kaybolmasına sebep olmaktadır. Fren etkinlik kaybı aynı zamanda fren performansını da düşürmektedir. Bu da güvenli sürüşü olumsuz etkilemektedir. Yapılan bu çalışmada iki farklı disk üzerinde sıcaklık dağılımları analiz edilmiştir. Disklerden birisi kanalsız disk diğeri ise boyuna kanallı disktir. Zamanın ilerlemesiyle birlikte boyuna kanallı diskteki sıcaklık kanalsız disk kadar yükselmemiştir. Sıcaklığın kanalsız diske oranla daha az olması daha iyi bir frenleme performansı ve malzeme üzerinde daha az deformasyonu vaat etmektedir. Diskin ısınmasının önemli bir parametre olduğu bilindiğinden nispeten düşük sıcaklık önemli bir göstergedir. Programda çıkan sonuçlar bunu gözler önüne sermektedir. Tablo 4.3. de kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan sıcaklar arasındaki fark grafiksel olarak verilmiştir. Burada en yüksek fark 90 saniyede meydana gelmiştir. Soğutmak için açılan boyuna kanalların burada konveksiyonla diğer sürelere göre daha fazla sıcaklığı dışarı yaydığı görülmüştür. Disk üzerinde açılan kanallar başta etkisini çok fazla gösteremese de ilerleyen sürelerde kanalsız diskten farkını açıkça ortaya koymuştur. Grafik 4.2. de kanalsız disk ve boyuna kanallı diskte oluşan maksimum sıcaklıklar karşılaştırılmıştır. Sıcaklığın 30 saniye ve 60 saniye olduğu durumlarda kanalsız ve boyuna kanallı diskte yaklaşık olarak aynı sonuçlar ortaya çıkmıştır. Zamanın 90 saniyeye ulaşmasıyla birlikte boyuna kanallı diskteki hava kanalları işlevlerini göstermeye başlamış ve sıcaklığın hızlı bir şekilde konveksiyon yoluyla dışarı atılımını sağlamıştır. Kanalsız diskte sadece yüzeysel ısı transferi olması sebebiyle sıcaklık daha yüksek çıkmıştır. Yapılan hesaplamalar ve analizler mantık çerçevesinde yaklaşık olarak değer alınarak hesaplanmıştır. Ansys Programının farklı modülleriyle daha detaylı ve iyi bir şekilde analiz yapılabilir. Farklı disk yapıları ve sıcaklık ölçümünün daha hassa yapılmasıyla daha iyi değerler elde edilebilir.