ELEKTROMEKANİK FREN SİSTEMİ(EMF)

Transkript

1 ELEKTROMEKANİK FREN SİSTEMİ(EMF) Mekatronik Sistem Tasarımı MKM512 Case Study Hazırlayanlar Burcu Aytekin Mümin Aktaş Mustafa Engin Emekli İçerik EMF sisteminin tanıtımı Konvansiyonel fren sistemine genel bir bakış açısı Avantajlar ve dezavantajlar Mekatronik bir sistem olarak EMF EMF ne ait elektronik altyapı Kontrol ve haberleşme protokolleri EMF ne ait mekanik altyapı Tasarım örnekleri EMF nin geleceği 1

2 Elektromekanik Fren Sistemi Elektromekanik fren sistemi veya brake-by-wire fren sistemi,konvansiyonel hidrolik frenlerdeki bileşenler yerine elektriksel eyleyicilerin ve sinyaller yerleştirilerek tasarlanmış bir fren sistemidir. EMF sistemi - Fren pedalına yerleştirilen sensörler, - Bir kontrol ünitesi - Her bir tekerde bulunan elektromekanik eyleyicilerden(actuator) oluşmaktadır. Bu sistem, kontrolün oldukça yüksek verimle gerçekleştirilmesini sağlamaktadır. Geleneksel fren sistemlerinde kullanılan akışkanların ve mekanik bağlantıların yer almadığı bir sistem oluşu, bakım gereksinimini de azaltacaktır. Elektromekanik Fren Sistemi EMB, şimdiye kadar sadece lüks araçlarda görülen bir donanım olmaktaydı. Hafif ticari araçların performans koşulları, yük değişimleri etkisinin de göz önünde bulundurulmasını gerektirdiğinden fren sistemini daha karmaşık hale getirmekte dolayısıyla bu tür araçlarda da kullanılmamaktaydı yılında hafif ağırlıklı kamyonlarda ve 2005 yılında otomobiller üzerinde uygulanmaya başlayan EMB nin Kuzey Amerika hafif araç üretiminde hızla yayılması ön görülmektedir yılı yakınlarında ise EMB, hafif ağırlıklı kamyonların %19 unda ve otomobillerin %12 sinde uygulanır halde olacaktır. 2

3 Konvansiyonel Fren sistemi Hidrolik Fren Sistemi Sürtünme elemanı Fren pedalı Fren hidrolik hattı Ana silindir. Fren hidroliği akümülatörü Konvansiyonel Fren sistemi Hidrolik Fren Sistemi Kampana frenler Basınç sağlanıyor Fren pedalından sinyal geliyor. Basınç dağıtım hattı Disk frenler 3

4 Konvansiyonel Fren sistemi Hidrolik Fren Sistemi Hidrolik bir sistem olmasından dolayı, bakım zorunluluğu. İçerdiği fazla sayıdaki elemanının meydana getirdiği ağırlık. Çevresel olarak kirli atıklar içermesi Elektronik sistemlere tam olarak uyumluluk problemi Konvansiyonel Fren sistemi 4

5 EMF sisteminin avantajları En önemli avantajlarından biri, araç donanımındaki azalmadır. _ ABS (Anti-lock Brake System), _ Çekiş Kontrol Sistemi (TCS) ve _ Elektronik Stabilite Programı (ESP) gibi elektronik temelli- yardımcı kontrol sistemleri, tamamiyle elektronik bir fren sistemiyle daha kolay bütünleşecek ve daha etkin olacaktır. Daha kısa durma mesafesi ve optimize edilmiş kararlılık ABS modundayken pedal titremesinin görülmemesi Sessiz çalışma Daha az bileşenin olması neticesinde alan tasarrufu Montajın kolaylıkla yapılabilmesi Gerekli bütün fren ve kararlılık fonksiyonları analizinin yapılabilir olması Elektronik park freni gibi ilave fonksiyonlarla kolaylıkla uyum sağlayabilmesi EMF sisteminin dezavantajları Fren kuvvetlerinin değişkenliği: Fren kuvvetinin zor çevre şartlarına (örneğin tekerlek/yol koşulları) bağlı olarak değişkenlik göstermesi. Sistemin güvenilirliği: Sistem bileşenlerinin bütünüyle elektromekanik olması, elektronik sistemdeki bir hatanın ölümcül sonuçlar doğurmasına sebep olabilir. Yasal zorunluluklar: Bir ticari araca bütünüyle elektromekanik bir fren sisteminin uygulanması, birçok yasal zorunlulukla yüzleşilmesini gerektirecektir. Ağır yük taşıyan ticari araçlar : Standartların gerektirdiklerini uygulamanın yanı sıra, ağır yük taşıyan ticari araçlar için elektromekanik sistem üzerine temellendirilen bir fren sisteminin tasarlanması, aşılması gereken maddi güçlükleri de getirecektir. 5

6 EMF sisteminin dezavantajları Ticari araçlarıntaşıdıkları yükün fazlalığı, aracı durdurmak ve park konumunda tutmak için daha fazlafrenleme kuvveti gerektirecektir, dolayısıyla elektrik motorunun daha fazla akım çekmesi gerekliliği, aracın diğer fonksiyonlarını etkilemeksizin daha fazla akım sağlayan yeni bir güç dağıtım sisteminin kurulmasını zorunlu kılacaktır. Mekatronik bir sistem olarak EMF Fren pedalı Açısal hız Sensörleri ECU Gaz kelebeği sensörü Kontrolcü Haberleşme protokolleri (FlexRay, TTCAN) Güç elektroniği Eyleyiciler Sensörler(Geri besleme) 6

7 EMF sisteminin elektriksel altyapısı (1) Akü (2) ECU ile pedal bağlantısı (3) Tekerlek fren modülü (4) Algılayıcılar Elektromekanik Fren Bileşenleri Algılayıcılar Elektromekanik Fren Eyleyicisi Elektronik Kontrol Birimi Dişli mekanizması Kaliper Fren Diski 7

8 Elektromekanik Fren Eyleyicisi Elektromekanik eyleyicisinin seçiminde boyutu, ağırlığı ve güvenirliliği oldukça önem taşımaktadır. Sabit mıknatıslı elektrik motorları güçleri ve yüksek verimleri sayesinde iyi bir seçim olmaktadır. Bu tip uygulamalarda genellikle bir takım avantajları nedeniyle fırçasız dc motor kullanılır Fırçasız dc motorun ana avantajı fırçalarının olmamasıdır. Fırçasız dc motor kullanılarak fırçaların oluşturmuş olduğu istenmeyen titreşim ve gürültü oluşturulmamış olur. Fırçasız dc motorun dezavantajı ise karmaşık sürücü devrelerine ihtiyaç duymasıdır. Elektronik Kontrol Birimi Elektronik kontrol birimi çeşitli alt kısımlardan oluşmaktadır. Algılayıcı İşleme Birimi Merkezi İşlem Birimi Güç Eektroniği Birimi Haberleşme Birimi 8

9 Algılayıcı İşleme Birimi Uygunlaştırıcı Devreler Filtre Devreleri Merkezi İşlem Birimi Frenleme Algortimaları Motor Kontrolü (PWM) Hata Analizi 9

10 Güç Elektroniği Birimi 1 DC-AC dönüştürücüler (inverter) PWM sinyalleri MOSFET sürücü tarafından kuvvetlendirilmektedir Gerilim ve akım sensörleri DC gerilimi filtreleme Güç Elektroniği Birimi 2 10

11 X By Wire ve 42 Volt Mekanik sistemlerin yerini elektronik sensör ve hareketlendiricilerin aldığı sistemlerin genel adıdır. Elbette ki otomotiv alanındaki ilerleyen teknoloji düşünüldüğünde X-by-Wire yeni bir gelişme değildir; ancak var olan gelişmeleri kapsayan ve gelecekteki ilerlemelerin yönünü işaret eden genel bir terimdir. Bu sistemlerin hemen hemen hepsi 42 Voltluk güç kaynağına ihtiyaç duymaktadır. Neden 42 Volt? Geride bıraktığımız 50 yıl boyunca, araçların elektriksel sistemlerinin ihtiyacının karşılanması için 12-volt luk batarya ve 14-volt alternatör içeren bir sistem yeterli olmuştur. Son 20 Yılda elektrik kullanımı artan performans,güvenlik ve konfor talepleri sebebi ile ikiye katlanmış;otomotiv endüstrisi 14 voltluk güç kaynağının üst limitlerine dayanmıştır Otomotiv endüstrisi şimdi, artan talepleri karşılamak ve elektrikten daha da fazla faydalanmak için 36-volt luk batarya ve 42-volt alternatörden oluşan yeni bir sisteme açılım yapmaktadır. 11

12 Araçlarda Elektrik Kullanımdaki Artış Araçlardaki güvenlik ve konfor talebinin artması, elektrik ihtiyacına doğrudan yansımıştır. Yüksek voltajlı sistemlerin bir diğer avantajı, her bir elektrik devresi için gereken ve sayısı giderek artan elektrik kablolarının kesitlerinin %67 oranında azalmasıdır. 1 kw lık elektrik enerjisi için 1.5 litre / 100 km yakıt tüketimi olmakta iken 42 Volt luk sistemde yakıt tüketiminde 0.5 litre / 100 km olacak şeklinde azalma görülmektedir.. NE ZAMAN 42 VOLT? 14 volt luk sistem 1950 lerin ortalarından beri kullanılmaktadır. Bundan önce ise 6 volt lukbir sistem kullanılmaktaydı. Daha yüksek sıkıştırma oranlı motorlar için daha güçlü hareketlendiricilere ihtiyaç duyulmuştur. 42 volt luk bir sisteme geçiş 6 volt tan 14 volt luk bir sisteme olan geçişten daha karmaşık olmaktadır. Elektriksel bileşenleri üreten pazarın yeni standarda adapte olması süresince birçok aracın 14 ve 42 volt luk sistemlerin bir kombinasyonunu kullanacak olmaları bazı aksaklıklara sebep olacaktır. 12

13 NE ZAMAN 42 VOLT? Adaptasyon sürecinin tamamlanma zamanına karar vermek oldukça güçtür : Şu an 42 volt luk sistemi uygulayan tek kuruluş, Toyota dır (2002). Renault ise 2004yılında bir çift-voltajlı araçla (14 ve 42volt sistemlerin her ikisinin de kullanıldığı araç) üretimine geçmiştir 2009 yılından önce bağımsız bir 42 volt luk sistemi hedeflemektedir. Haberleşme Birimi Bu tür uygulamlarda güvenlik ön planda olduğu için haberleşme sisteminde kabul edilebilir hata oranlarına sahip yüksek güvenilirlikli ağ protokolleri ile birbirlerine bağlanmalıdır.bu durumda TTCAN ve Flexray gibi protokoller öne çıkmaktadır 13

14 Flexray ve TTCAN Flexray yüksek hızlı,kararlı ve düşük hata oranlı bir haberleşme sistemidir.1998 yılında BMW ve Daimler Chrysler tarafından geliştirilmeye başlanan sistem bugün bir çok büyük firmanın oluşturduğu konsorsiyumla geliştrilmeye devamm etmektedir. X By Wire teknolojisinnin güvenli şekilde gerçekleştirilebilmesi için bu tür haberlşeme sistemleri önemlidir. TTCAN, geleneksel CAN haberleşme sisteminin daha güvenlikli hale getirilmiş türüdür.geleneksel CAN haberleşme sistemi olay tabanlıdır.bu durum çoğu uygulamada yeterli olmaktadır ama sabit zaman aralığında iletilmesi garanti altın alınması istenen sistemler için zaman tetiklemeli CAN (Time Trigged CAN) geliştirilmiştir. Algılayıcılar Fren pedalı açışı Tekerleklerin hızı Dönüş açısı Fren Motoru konum bilgisi Akım,gerilim ve sıcaklık algılayıcıları 14

15 DİŞLİ MEKANİZMASI Dişli Mekanizması : Dişli kutusu, elektrik motoru tarafından meydana getirilen torku mekanik sisteme (kinematik) iletmektedir. Bu sistem, çeşitli iletim mekanizmaları kullanarak motor hızını azaltıp motor torkunu arttırmaktadır. Mekanik sistem ise, motorun dönel hareketini fren balatalarını sıkıştırmak için gerekli doğrusal harekete dönüştürecek düzenektir. DİŞLİ MEKANİZMASI Motorun dönel hareketinin doğrusal harekete dönüştürülmesi roller screw adı verilen dişli mekanizmaları ile sağlanmaktadır. Dolayısıyla elektromekanik fren sistemlerinde fren balataları, hidrolik silindir yerine bu mekanizma ile bağlantılı bir mil aracılığıyla hareketlendirilmektedir. 15

16 Elektromekanik fren sistemi tasarım örnekleri Şekilde, TRW Automotive tarafından tasarlanmış bir elektromekanik hareketlendirici (eyleyici) görülmektedir. Hareketlendirici; bir fırçasız DC motor, bir dişli ve bir miliçermekte ve kaliperin içerisine yerleştirilmektedir.! Gerekli kontrolfonksiyonları, Dört hareketlendiriciye de entegre edilmiş elektronik kontrol üniteleri ve bir merkezi elektronik kontrol ünitesi (ECU) tarafından sağlanmaktadır. Elektromekanik fren sistemi tasarım örnekleri 16

17 TAMAMEN ELEKTRONİK ve SADECE 12 VOLT Tamamen elektronik ve sadece 12 volt Münih yakınlarındaki Alman havacılık ve uzay araştırmaları merkezi DLR araştırmacıları, otomotiv alanındaki çalışmalarına kama prensibini uygulama girişimleri sonrası enstitüden ayrılarak 2000 yılında estop adını verdikleri küçük bir şirket kurmuşlardır. Yakın tarihte, Bosch tarafından Mercedes-Benz E-Class ve SL araçları için tasarlanmış olan Elektrohidrolik Fren Sistemi (EHB) üretimi, sistem içerisinde meydana gelen bir hata sonrası 2004 yılında durdurulmuştur; ancak problemlerin aşıldığı ve günümüz E-Sınıfı araçlarında standart bir özellik halini alacağı söylenmekteydi. 17

18 Tamamen elektronik ve sadece 12 volt Problemler giderilmiş ve bütün yeni Mercedes S-Class araçları, elektronik olarak kontrol edilen bir çift-devre hidrolik frenleme sistemi ile donatılmıştır. Daha önce bu sektörde yer almayan sadece elektrik park frenleri, ABS sistemleri için elektronik kontrol ünitesi (ECU) ve motor üreten SiemensVDO, estop şirketini satın almasının ardından sektörde beklenmedik bir rekabet yaratacağının sinyallerini vermiştir. NASIL SADECE 12 VOLT? Bu yeni brake-by-wire teknolojisi elektronik kamalı fren (electronic wedge brake / mechatronic wedge brake) olarak adlandırılmaktadır.! 12-volt, sadece frenlemenin başlatılabilmesi için gereklidir. Frenleme sürecinin tamamlanması için gereken kuvvet, dönen disk ve balata arasındaki sürtünme ile sağlanır ve bu durum, Kendiliğinden Frenleme (self-reinforcement) olarak adlandırılır. 18

19 ELEKTRONİK KAMALI FREN Elektronik Kamalı fren Siemens tarafından geliştirilen frenleme sistemindeki temel düşünce, frenleme için aracın kendi kinetik enerjisindenfaydalanmak, bu enerjiyi frenleme kuvvetine dönüştürmektir (kendiliğinden frenleme). 19

20 Elektronik Kamalı fren Diskli fren sistemlerinde, dönen tekeri durduracak torku elde edebilmek için fren balataları arasında yüksek değerde bir kavrama kuvveti (Clamping force) oluşturulmalıdır. Elektromekanik eyleyiciler, kavrama kuvvetini genellikle bir motorla bağlantılı roller-screw aracılığıyla üretmektedirler. Böyle bir kuvveti üretmek dolayısıyla sürekli ve kararlı bir frenleme sağlamak için gerekli akımı minimum düzeyde tutmak, yüksek bir dişli oranı gerektirmektedir. Elektronik Kamalı fren Ancak sistemin dinamik performansı düşük bir dişli oranı gerektirecektir. Dolayısıyla belirlenecek değer için bu iki durum göz önünde bulundurularak bir uzlaşma sağlanmalıdır. Bu uzlaşmaya erişimi kolaylaştıracak bir tasarımın gereği duyulmaktadır. Dönen diskin kendi enerjisinden faydalanmak, gerek duyulan frenleme kuvvetini azaltacaktır. 20

21 Elektronik Kamalı fren Fren pedalına basıldığında sistem, birbiri ile bağlantılı dört fren modülüne elektronik sinyaller göndermektedir. Her bir tekerlekteki kaliper iki küçük motora sahiptir (1) ve dönel hareketin roller screw bağlantıları (2) ile lineer harekete dönüştürülmesi sonucu küçük kamalardan (3-5) oluşan sistem aktive edilir. Kama hareket ediyorken fren diskini, sürücünün uyguladığı basınca bağlı olarak, sıkıştıracak şekilde kalipere basınç uygular. Self-reinforcement nedir? 21

22 KARAKTERİSTİK FREN FAKTÖRÜ (C*) Kuvvet dengesinden aşağıdaki formül türetilebilir : ifadesi karakteristik fren faktörüolarak tanımlanmaktadır. Self-reinforcement nedir? F + R = S. sinᾳ N = S. cosᾳ Normal kuvveti, sürtünme katsayısını kullanarak ifade edersek : N = R / µ ve R = S. cosᾳ. µ F = R. ( tanᾳ / µ 1) Karakteristik Fren Faktörü : C * = R / F = µ / ( tanᾳ - µ ) 22

23 Self-reinforcement nedir? Optimum performans, karakteristik fren faktörünün sonsuz olduğu durumda dolayısıyla sürtünme katsayısı kama açısının tanjantına eşit olduğunda gerçekleşecektir. Bu durumda herhangi bir fren torku meydana getirmek içim gereken kavrama kuvveti (clamping force) sıfır olacaktır. DEĞİŞEN KAMA AÇISI (VARYING WEDGE ANGLE) Yüksek verimlilikte bir kendiliğinden frenlemesağlamak için başlangıçta etkin olan kama yüzeyinin (14) ilk bölümünde (18) kama açısı sabittir ve yüzeyin ikinci bölümünde (20) ise ilk yüzeyinkinden daha küçük bir kama açısı oluşturulmuştur. 23

24 YAKIN GELECEĞE DAİR BEKLENTİLER Siemens ile bütünüyle elektronik bir fren sisteminin tasarlanmasında ciddi ilerlemeler kaydedilmiştir. Tasarlanan diğer elektromekanik fren sistemlerine olan üstünlüğü, aracın kendi enerjisinden faydalanma prensibidir ve bu sayede 12 volt luk bir güç kaynağı yeterli olabilmektedir. Bosch Şasi Sistemi Kontrolü pazarlama yöneticisi Scott Dahl, Siemens in getirdiği teknolojiyi onaylamakta ve EHB sisteminde gözlenecek düşüşü de öngörmektedir; ancak elektronik fren sistemine olan geçiş sürecinin en az 10 yıl süreceğini ve uzunca bir süre daha geleneksel fren sistemlerini göreceğimizi ifade etmektedir. YAKIN GELECEĞE DAİR BEKLENTİLER *** SiemensVDO, tasarımın yaz ve kış testlerinin iki yıllık süreci için hazırlanmakta ve 2009 yılında üretime geçmeyi planlamaktadır. Eğer firma planladıklarını hayata geçirirse, fren sektöründe ciddi bir etki yaratacağı açıktır. *** Geliştirilen tasarımın sadece otomobiller için değil kamyon ve ağır yük ticari araçları olarak nitelendirdiğimiz treylerde de kullanımı mümkün olacaktır. 24

25 Kaynaklar 1. Henry Hartmann, Martin Schautt, Bernd Gombert_ The mechatronic wedge brake estop-innovative brake technology-gmbh 2. Wonder Wedge on Wheels-Braking Without Hydraulics, September Brake-By-Wedge, October TRW Chassis Systems 5. Mechatronic systems, Rolf Isermann, 2005, Springer Verlag. 6. Continental Teves Braking systems. 7. Advanced Brake Technology, Bert Breuer,Uwe Dassed, SAE International. 8. FreeScale Semicondoctur Application note hybrid controller used in Control of electromechanical Brake. 9. Digital By-Wire Replaces Mechanical Systems in Cars, SAE paper, Virtual design of 42V brake by wire system, SAE paper,