TAŞIT ELEKTROMEKANİK FREN SİSTEMİ: MEKATRONİK UYGULAMA VEHICLE ELECTRO-MECHANICAL BRAKE SYSTEM: MECHATRONICS APPLICATION

Transkript

1 TAŞIT ELEKTROMEKANİK FREN SİSTEMİ: MEKATRONİK UYGULAMA Nihat AKKUŞ, Fatih YÜCEL 1 Marmara Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, M.Ü. Göztepe Kampüsü, İSTANBUL 1 K.K.K. Balıkesir Astsubay Meslek Yüksek Okulu, Çayırhisar Mahallesi, BALIKESİR ÖZET Bu çalışma otomotiv endüstrisinde yeni nesil araçlarda kullanılması muhtemel yeni bir elektromekanik fren sisteminin tasarlanmasını ve prototip imalatını rapor etmektedir. Elektromekanik fren sistemini çalışma prensibi itibarıyla klasik hidrolik ve pnömatik fren sistemlerinden farklı bir yapı ve çalışma esasına sahiptir. Hidrolik ve havalı fren sistemlerinde, hidrolik veya basınçlı hava mekanik itme kuvvetine dönüştürülerek balata-disk veya balata-kampana arası fren kuvveti oluşturularak aracın durması sağlanmaktadır. Çalışmadaki elektromekanik fren sisteminde, elektrik enerjisi mekanik itme kuvvetine selenoid bobin kullanılarak dönüştürülmektedir. Tekerlek devri sensör tarafından algılanmakta ve mikrodenetleyiciye sinyal gönderilmektedir. Burada mikrodenetleyici potansiyometre değerini okuyarak bu okunan değere göre PWM (Pulse Width Modulation) üretmektedir. Bu PWM (Darbe Genişlik Modülasyonu) selenoid akımının ayarlanmasını sağlamaktadır. Dolayısı ile aracın fren pedalına basılma oranına uygun olarak fren silindirlerine kuvvet uygulanmakta ve fren pedalı konumuna uygun fren kuvveti elde edilmektedir. Yapılmış olan bu uygulama sistemin çalışabilirliğinin ve araçlarda uygulanabilirliğinin ortaya koyulabilmesi için örnek teşkil edecektir. Anahtar Kelimeler: Elektro-mekanik fren, ABS, mekatronik tasarım, selonoid valf, taşıt yönetimi, mekatronik eğitimi VEHICLE ELECTRO-MECHANICAL BRAKE SYSTEM: MECHATRONICS APPLICATION ABSTRACT An electro-mechanic break system, which has the potentiality to be used in future cars, has been studied and a prototype of the break system has been produced. The electro-mechanic break system has different working principles then hydraulic break system. Hydraulic force or air pressure is used to obtain the breaking force on the wheels in the hydraulic breaking systems, whereas a solenoid valve push force is used to stop the car in electro-mechanic systems. A censor controlled the RPM of the wheel and the data was passed to a micro controller and micro controller produced PWM signals according to obtained signal. Thus, push force of the solenoid valve was controlled by micro controlled according to the breaking ratio. If the wheel slows down the turning speed, then micro controller stops to sending PWM signals and solenoid is relaxed until wheels turns again. This cycle continues until the all wheels are stopped. Key Words: Electro-mechanic break system, ABS, solenoid valve control, automotive mechatronics, mechatronics education 1. GİRİŞ Yeni teknolojilerin bilgi birikiminin doruğa ulaştığı çağımızda otomotiv sektörüde bu gelişmelerden payını alarak insanoğlunun yaşamında vazgeçilmez bir ihtiyaç haline gelmiştir. Otomotiv sektöründe, artık çoğu mekanik sistemlerin yerini mekatronik sistemler almaktadır. Mekatronik sistemler; mekanik sistemleri hassas bir biçimde kontrol edebilmek üzere mekanik, elektronik ve bilgisayar teknolojisini bir süreç içerisinde birleştiren sistemlerdir.[1-3]

2 Mekatronik yaklaşımda, birçok geleneksel mekanik eleman elektronik karşılıklarıyla çözümlenmeye çalışılmaktadır. Birçok mekanik işlev, elektronik yardımı ile yapılarak daha esnek, tekrar tasarımı ve programlanması daha kolay sistemler ortaya çıkarılmaktadır. Mekatroniğin otomotiv sektörüne uygulamaları ile birlikte var olan otomotiv sistemlerinde hızlı bir elektronik kontrol ve denetleme işlemi gerçekleştirilebilmektedir. Günümüzde mekatronik sistemler otomotiv sektöründe elektronik ateşleme sistemleri, yakıt enjeksiyon sistemleri, sürücü uyarı sistemleri ve fren sistemleri gibi pek çok sistemde kullanılmaktadır.[4] Taşıtların seyirleri incelendiğinde, en önemli yerlerden birini fren davranışları işgal etmektedir. Özellikle son yıllarda kullanımı artan yüksek güçlü motorlar ve yüksek hız yapabilen araçlar, hem normal seyirlerinde hem de frenleme seyirlerinde bir takım önlemlerin alınmasını gerekli kılmıştır. Otomotiv üreticileri, bu konuda çalışan araştırmacıları daha etkili ve emniyetli fren sistemi tasarımları üzerinde yoğun çalışmalar yapmaya zorlamaktadır. Elektroniğin fren sistemleri içerisine girmesi ile birlikte fren sistemlerinin yapısında ve çalışma mantığında da çeşitli değişiklikler yapılarak, daha verimli çalışan fren sistemleri geliştirilmiştir [5]. Hatırlatma yapmak ve bu çalışmada teklif edilen elektromaknik fren sistemi ile kıyaslanması bakımından klasik bir hidrolik fren sisteminin şematik gösterimi gösterimi Şekil 1 de verilmektedir. Bu çalışmada, klasik fren sistemlerinde kullanılan hidrolik ve pnömatik sistemler ortadan Şekil 1. Hidrolik fren sisteminin şematik gösterimi kaldırılmış, frenleme işlemi, elektrik enerjisinin bir selenoid tarafından mekanik itme kuvvetine dönüştürülmesi ile gerçekleştirilmiştir. Böylelikle hidrolik sistemden kaynaklanan birtakım sorunlara çözüm getirilmiş, ABS gibi diğer elektronik sistemleler de kolaylıkla uyum sağlayabilen tamamen elektronik kontrollü bir sistem dizaynı yapılmıştır. 2. ELEKTROMEKANİK FREN SİSTEMİ TASARIMI Çalışmada araştırılan elektromekanik fren sistemi, hidrolik ve pnömatik fren sistemlerinden farklı bir yapı ve çalışma esasına sahiptir. Klasik fren sistemlerinde, hidrolik ve basınçlı havanın etkisi mekanik itme kuvvetine dönüştürülerek balata-disk veya balata-kampana arası fren kuvveti oluşturulup aracın durması sağlanmaktadır [6-8]. Bu çalışmadaki Elektromekanik

3 fren sisteminde ise elektrik enerjisi selenoid bobin kullanılarak mekanik itme kuvvetine dönüştürülmekte ve disk üzerinde gerekli fren kuvveti elde edilmektedir. 2.1 Tasarım Üzerinde çalışılan taşıt elektromekanik fren sistemi mekanik ve elektronik olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısmı oluşturan mekanik bölümde gerçek araçlardaki fren sistemi yapısını yansıtması amacı ile kayış kasnak mekanizması ile fren sistemine hareket veren bir elektrik motoru bulunmaktadır. Ayrıca selenoid hareketini fren silindirine ileten selenoid-fren silindiri bağlantı mekanizması ve potansiyometre ile bağlantılı fren pedalı bulunmaktadır. İkinci kısımda ise sistemde istenilen fren kuvvetinin fren diskine uygulamasını sağlamak amacı ile bir de elektronik devre bulunmaktadır. Devre temel olarak, elektronik devreyi besleyen besleme ünitesi, kontrolü gerçekleştiren mikrodenetleyici birimi, devrin görüntülenmesini sağlayan LCD (Sıvı Kristal Ekran), tekerlek devri ile ilgili bilgileri mikrodenetleyiciye ulaştıran devir sayacı ve mikrodenetleyici tarafından kontrol edilen selenoidden oluşmaktadır. Sistemde fren pedal pozisyonunu algılamak amacı ile bir potansiyometre kullanılmıştır. Fren pedal pozisyonunun durumuna göre potansiyometrenin direnci değişmektedir. Bu değişimler mikrodenetleyici ünitesine aktarılmakta Selenoid Fren silindiri Kaliper Balata Optik İzalasyon Batarya Devir Mikrodenetleyici Görüntü birimi Besleme ve gerekli değerlendirmelerden sonra selenoide uygulanması gereken fren kuvvetini sağlayacak PWM (Darbe Fren Diski Devir Algılama Sensörü Fren pedalı Potansiyometre Genişlik Modülasyonu) sinyali oluşturulmaktadır. Şekil 2. Elektromekanik fren sistemi genel şeması Tekerlek devri, sensör tarafından algılanmakta ve mikrodenetleyiciye sinyal gönderilmektedir. Burada mikrodenetleyici potansiyometre değerini okuyarak bu okunan değere göre PWM (Darbe Genişlik Modülasyonu) üretmektedir. Bu PWM selenoid akımının ayarlanmasını sağlamaktadır. Dolayısı ile aracın fren pedalına basılma oranına uygun olarak fren silindirlerine kuvvet uygulanmakta ve fren pedalı konumuna uygun fren kuvveti elde

4 edilmektedir. Bu arada, sensörden gelen devir bilgileri mikrodenetleyici tarafından sürekli değerlendirilmektedir. Eğer tekerlek devri belli bir sınırın altına düşmüş ise (yani tekerlekler kilitlenmiş ise) üretilen PWM kesilir ve uygulanan fren kuvvetinin kesilmesi ile tekerlekler tekrar harekete geçeceği için, bu durum sensör tarafından algılanarak mikrodenetleyiciye bildirilir. Tekerleğin hareketi ile tekrar PWM üretilir ve fren kuvveti tekrar uygulanır. Bu darbeli fren durumu araç duruncaya kadar devam edecektir. 2.2 Sistemin Çalışması Elektronik devre temel olarak besleme, mikrodenetleyici, ayarlanabilir direnç, optik izalasyon, devir sayacı ve görüntüleme birimi katlarından oluşmaktadır. Elektronik devrenin beslemesi 220 V / 12 V luk bir transformatör ile sağlanmaktadır. Kullanılan transformatörde 2 adet 12 volt AC çıkış bulunmaktadır. Bu çıkışlardan her ikisi de önce doğrultulmuş sonra filtre edilmiş ve 7805 regülatör entegresi ile 5 volt DC gerilimde sabitlenmiştir. Böylelikle iki adet 5 volt luk DC çıkış elde edilmiştir. Bu çıkışlardan birisi devir sayacında yer alan lazer diyotun beslenmesi amacı ile, diğer çıkış ise mikrodenetleyici, ayarlanabilir direnç, optik izalasyon ve görüntüleme birimlerini beslemek amacı ile kullanılmıştır. Selenoidin ihtiyaç duyduğu beslemeyi sağlamak amacı ile 12 volt luk bir batarya, fren pedal pozisyonunu mikrodenetleyiciye aktarmak için de ayarlanabilir bir direnç (potansiyometre) kullanılmıştır. Bilindiği gibi potansiyometreler iki sabit bir hareketli terminalden oluşmaktadır. Uygulamasını gerçekleştirdiğimiz sistemde sabit uçlardan birisine +5 volt diğerine 0 volt uygulanmıştır. Böylelikle potansiyometrenin milinin dönmesi ile oluşan direnç değişimi hareketli terminale 0-5 V arasında gerilim değişimi olarak yansıtılmaktadır. Potansiyometre milini hareket ettiren etmen ise fren pedalıdır. Yani fren pedalı konumu potansiyometre vasıtası ile algılanmaktadır. Potansiyometreden elde edilen gerilim değişimleri değerlendirilmesi maksadı ile mikrodenetleyici birimine gönderilir. Mikrodenetleyici; içerisine yüklenen program doğrultusunda ilk önce potansiyometreden gönderilen değişken gerilimi alır. Bu gerilim mikrodenetleyici içerisinde bulunan analog-dijital çevirici (ADC) tarafından analog biçimden dijital biçime çevrilir. Böylelikle uygulanacak fren kuvvetinin değerine dair bir veri mikrodenetleyici içerisine alınmış olur. Elde edilen bu dijital veri yine mikrodenetleyici içerisinde bulunan PWM modülünün ilgili kaydedicisine gönderilir. Bu sayede fren pedalının pozisyonuna göre bir PWM sinyali üretilmiş olur. Mikrodenetleyici içerisinde gerçekleştirilen işlemleri gösteren akış şeması Şekil 3 da gösterilmektedir. Bundan sonraki amaç, üretilen PWM sinyallerini sorunsuz bir şekilde selenoide aktarmaktır. Bu amaçla mikrodenetleyicinin PWM çıkış ucuna bir optoizolatör bağlanmıştır. Optoizolatör,

5 mikrodenetleyici ve diğer düşük güçlü elemanların selenoidi çalıştırmak için kullanılan yüksek akımlardan etkilenmemesi amacı ile kullanılmıştır. Elde edilen PWM optoizalatörden geçerek selenoidi istenilen zamanlarda sürmek amacı ile kullanılan mosfetin gate ucuna (kontrol ucuna) iletilir. Kontrol ucuna gelen düşük gerilim ve düşük akımlar drain-source (akaç-kaynak) arasındaki yüksek değerli akımların kontrol edilmesini sağlar. Yani mikrodenetleyiciden gönderilen PWM sinyal niteliğine göre, mosfetden geçen akım kontrol edilmiş olur. Bu sayede mosfete bağlı olan selenoid, istenilen fren kuvvetini oluşturacak pozisyona çekilmiş olur. Başla Kaydedici Tanımlamaları Analog Dijital Çevirici Ayarları Pulse Width Modulator ayarları LCD Ayarları Devir Ölç Devir<68 Devir PWM Sinyal Bu işlemler devam ederken devir sayacı her Potansiyometre zaman devrededir. Bu ünitede, diskte (devir Gerilimi oku, FREN Değişkenine Ata sayacı diski) bulunan deliklere lazer ışığı gönderilir ve deliklerin karşısında bulunan FREN Duty Cycle Değerine Sahip PWM fototransistöre lazer ışığı ulaştıkça bir kare dalga Üret sinyal oluşur. Karelerin genişliği ile devir ters orantılıdır. Yani kareler daraldıkça devir yüksek, Devir Görüntüle kareler genişledikçe devir düşüktür. Bu durumlar mikrodenetleyici tarafından değerlendirilir. Eğer Şekil 3 Akış şeması belli bir devir altına düşülmüş ise disk bloke olmuş olarak kabul edilir ve kısa bir süre için uygulanan fren kuvveti ortadan kaldırılır. Bunu sağlamak amacı ile mosfete gönderilen PWM sinyalinin seviyesi sıfır yapılır. PWM sinyal seviyesinin sıfır olması fren kuvvetinin ortadan kalkması anlamına gelir. Bu şekilde uygulanan darbeli fren kuvveti tekerleğin kayma yapmadan durmasını sağlar. Diskin dönüşü sırasında elde edilen kare dalga devir bilgisi, mikrodenetleyiciye ulaştığında değeri bir kaydediciye kaydedilir. Bu değer daha sonra LCD modüle gönderilerek devir bilgisinin sayısal olarak görüntülenmesini sağlar. 3. SONUÇ VE İRDELEME Hidrolik fren sisteminin sahip olduğu bazı olumsuzlukları ortadan kaldırmak ve her tekerleğin bağımsız olarak kontrol edilebilmesine imkan sağlayacak yeni bir elektromekanik fren sistemin tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiştir. İmalatı gerçekleştirilen taşıt elektromekanik fren sistemi masaüstü prototipi Şekil 4 de verildiği gibidir. Burada tasarlanan elektromekanik

6 fren sistemi ile hidrolik fren sisteminin kıyaslaması yapılara, her iki sistemin olumlu ve olumsuz tarafları verilecektir. Yapılan çalışmada amaçlarımızdan biri de fren sıvısı (hidrolik) kullanmadan frenleme işlemini gerçekleştirebilmekti. Taşıt elektromekanik fren sisteminde hidrolik kullanılmadan frenleme işlemi elektronik kontrolle gerçekleştirilmiştir. Hidrolik kullanılmadığı için aynı zamanda çevreyle dost bir sistemdir. Klasik fren sistemlerinde kullanılan güç ünitesi, merkez silindiri, hidrolik basınç kontrol valfi ve sıvı iletimini sağlayan borulara ihtiyaç kalmamış, işlemler elektronik ünite, devir algılayıcı ve selenoid arasında gerçekleştirilmiştir. Klasik fren sistemlerinde ABS sistemi için ABS modülü ve elektrohidrolik üniteye ihtiyaç duyulurken, imali gerçekleştirilen sistemde bütün işlem yazılım ile gerçekleştirilmekte Şekil 4. Taşıt Elektromekanik Fren Sistemi ve ABS devreye girdiğinde pedalda hiçbir Masaüstü prototipi titreşim hissedilmemektedir. Hidrolik fren sistemlerinde herhangi bir noktada oluşabilecek bir sızıntı tüm sistemi etkilemekte, sistem hava yaparsa mutlaka havasının alınması gerekmektedir. İmalini geçleştirdiğimiz sistem tek disk üzerine uygulanmıştır. Sistemi dört disk için düşünecek olursak bir diskte sorun yaşansa dahi diğer tekerleklerde frenleme işleminde bir sorun yaşanmamakta, hava alma işlemi de fren sıvısı kullanılmadığı için gerekmemektedir. Hidrolik fren sistemi uzun süre kullanılmadığında hidrolik, sistemde kullanılan bazı parçaların (merkez silindiri pistonu, contalar, fren hortumları) özelliğini kaybetmesine sebep olmaktadır. İmali gerçekleştirilen sistemde hidrolik kullanılmadığı için bu dezavantajlar ortadan kaldırılmıştır. Bu çalışma için tasarlanan elektromekanik fren sistemi ile klasik fren sistemi kıyaslandığında, klasik fren sisteminde pedala basma kuvvetine göre bir fren kuvveti elde edilirken, teklif edilen elektromekanik sistemde ise pedal konumuna uygun fren kuvveti elektronik ünite tarafından sağlanmaktadır. Dolayısıyla balataların sıcaklığı ya da aracın yük durumu sürücünün uygulaması gereken fren kuvvetine etki etmemekte ve gereken fren kuvveti elektronik kontrol ünitesi tarafından belirlenmektedir. Şekil 5 de görüldüğü gibi potansiyometre gerilimi arttıkça selenoidin çektiği akımda artmakta dolayısıyla çekilen akım miktarınca disk üzerine uygulanan fren kuvveti de artmaktadır. Fren kuvvetinin artması ile birlikte disk yavaşlamaya zorlanmakta ve devir düşmektedir.

7 4. SONUÇ Sonuç olarak sistem 5 5 6,8 7 masaüstü stand olarak imal 4,5 6 6 edilerek elektromekanik frenin 4 4 5,3 çalışabilirliği ve 3,5 5 4,7 uygulanabilirliği kanıtlanmıştır. 3 3 GERİLİM 4,05 4 Sistemimiz 1,1 kw gücündeki 2,5 3, d/d ile dönen elektrik SELENOİD 2,54 AKIMI motorunun hareket verdiği, 1,5 1, üzerinde taşıt ağırlığı ile 1,05 1 0,5 hızının ve ivmelenmesinin 0, meydana getirdiği zorlamaların olmadığı fren Devir (dev\dak) diskini, yaklaşık olarak 145 N luk bir baskı kuvveti ile başarıyla durdurabilmektedir. Şekil 5 Devir sayısına bağlı olarak potansiyometre gerilimi ve selenoid akımındaki değişim eğitim yardımcı malzemesi olarak öğrencilere, firmaların geleceğin fren sistemi olarak tanıttığı elektromekanik fren sistemlerinin çalışma mantığının anlatılması için kullanılmakta, araçlarda uygulanabilir aşamaya getirilmiş elektromeknik fren sistemleri dizaynı için bir model teşkil etmektedir. Potansiyometre Gerilimi [V p] (Volt) Selenoid Akımı [I s] (Amper) KAYNAKLAR [1]. Yılmaz, V.: Motorlu Araçlarda Mekatronik Sistemler, Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, (2003) 4-10 [2]. Ashley, S.: Getting a Hold on Mechatronics, Mechanical Engineering, (1997) [3]. Rizzoni, G.; Keyhani A.: Design of Mechatronic System an Integrated Interdepartmental Curriculum, Mechatronics, (1995) [4]. Bolton, W.: Mechatronics-Electronic Control Systems In Mechanical Engineering, Longman Group, (2003). [5]. Stadler, W.: Introduction to Mechatronics and Measurement Systems, McGraw Hill Inc., (1995) [6]. Dayıoğlu, R.; Öksüz,S.; Şamur,S.: Motorlu Taşıt Araçlarında Kullanılan Fren ve Yürüyüş Sistemleri, Lisans Tezi, İstanbul, Türkiye, (2000) [7]. Demirsoy, M.: Motorlu Araçlar Cilt 2, Birsen Yayınevi,İstanbul,Türkiye (1991) [8]. Arıkan, N. B.: Otomobil ve Kamyonet Fren Sistemlerinin Bilinen Taşıt Verilerine Bağlı Tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, (1999) 2-53