Otomotiv Fren Balatasında Zeolit Kullanımının Frenleme Karakteristiğine Etkisinin Araştırılması

Transkript

1 Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi (TATED) Cilt: 4 No: 3, 2012 (1-8) Electronic Journal of Vehicle Technologies (EJVT) Vol: 4, No: 3, 2012 (1-18) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: X Makale (Article) Otomotiv Fren Balatasında Zeolit Kullanımının Frenleme Karakteristiğine Etkisinin Araştırılması İbrahim Mutlu*, Ahmet Keskin ** * Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliği Bölümü, AFYONKARAHİSAR ** Abant İzzet Baysal Üniversitesi Bolu M.Y.O, BOLU. ibrahimmutlu@aku.edu.tr Özet Bu çalışmada, önemli özellikleri ile ön plana çıkan hammaddelerden zeolit'in frenleme karakteristiğine etkisi araştırılmıştır. Kimyasal olarak sulu alümino silikatlar olarak bilinen zeolit toz haline getirilerek fren balatası katkı maddesi olarak kullanılmıştır. Üretilen numunelerin sürtünme performansını belirlemek için bir dizi deney yapılmıştır. Genel olarak düşük ortalama sürtünme katsayısı değeri vermekle birlikte sıcaklığın etkisi ile sürtünme katsayısı değişimi stabile yakındır ve ısıl dayanımının yüksek olduğu tespit edilmiştir. Böylece zeolit'in tozunun frenleme performansına etkisi incelenmiştir. Anahtar kelime: Fren Balataları, Kompozitler, Zeolit. Investigating The Effect Of Braking Characteristics Using Zeolite In Automotive Brake Pad Abstract In this study, the effect of braking characteristics using zeolite from raw materials known with the important features is investigated. Zeolite, chemically known as hydrated aluminosilicate, was powdered and used as an additive for the brake pads. A series of experiments were performed to determine the friction performance of manufactured specimens. The results showed that although average friction value was low in general, the variation of the friction coefficient with effect of temperature was close to stabile and thermal resistance was found to be high. Thus, the positive effect of the zeolite powder was determined on braking performance. Keywords: Brake pads, Composites, Zeolite. 1. GİRİŞ Son 40 yılda değişime uğrayan taşıt teknolojisinde, transmisyondaki gelişmelerle birlikte fren sistemlerindeki sorunları aşmak için özel bileşenlerin tasarımı üzerinde yoğun olarak çalışılmaktadır. Bunlardan asbest içermeyen sürtünme malzemeleri ve onların nasıl test edileceği konusunda bir çok düzenleme yapılmıştır [1]. Otomotiv fren sisteminin önemli bir elemanı olan fren balatası, sürtünme boyunca kinetik enerjiyi ısı enerjisine dönüştürür [2]. Fren balatalarının sürekli veya uzun süreli olarak Bu makaleye atıf yapmak için Mutlu İ. Keskin A. Otomotiv Fren Balatasında Zeolit Kullanımının Frenleme Karakteristiğine Etkisinin Araştırılması Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi 2012, (4) 1-8 How to cite this article Mutlu İ. Keskin A. Investigating The Effect Of Braking Characteristics Using Zeolite In Automotive Brake Pad Electronic Journal of Vehicle Technologies, 2012, (4) 1-8

2 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 1-8 Otomotiv Fren Balatasında Zeolit Kullanımının Frenleme... aşırı sıcaklıklara maruz kalmaları zarar görmelerine neden olmaktadır [3]. Bu şartlarda fren balatasından düzenli sürtünme katsayısı, düşük aşınma oranı, düşük ses, titreşimsizlik ve ısıl deformasyon direnci gibi birçok özellikler istenir [4]. Ayrıca fren balataları sert çevre ve sürüş şartları altında konfor ve güvenli sürüş sağlamalıdır [5]. Zeolitik tüfler düşük ağırlıklı, yüksek gözenekli, homojen, sıkı, sağlam yapılıdırlar. Kolayca kesilip işlenebilmeleri ve hafiflikleriyle yapı taşı olarak kullanılmaya elverişlidirler. Zeolit minerallerinin en önemli özelliği; boşluklar ve bu boşluklara kolayca girebilen ve yer değiştirebilen sıvı ve gaz molekülleri ile toprak alkali iyonlardan ileri gelen "moleküler elek" oluşturmasıdır. Herhangi bir zeolit kristalinin en küçük yapı birimi SiO 4 veya AlO 4 tetraederleridir. Si ve Al tetraederlerinin oluşturduğu birincil yapı ünitelerinin birleşmesi ile tek ve çift halkalı ikincil yapı üniteleri ve yüksek simetrili parametreler meydana gelir [6]. Zeolit örnekleri Şekil 1'de görülmektedir. Şekil 1. Zeolit Örnekleri Zeolitin kullanım alanları oldukça geniştir. Kullanım alanlarına kısaca bakacak olursak; Kirlilik Kontrolünde; Radyoaktif Atıkların Temizlenmesi, Atık Suların Temizlenmesi, Baca Gazlarının Temizlenmesi, Petrol Sızıntılarının Temizlenmesi, Oksijen Üretimi, Çöp Depo Alanlarında, Enerjide; Doğal Gazların Saflaştırılması, Güneş Enerjisinden Faydalanma, Petrol Ürünleri Üretimi Tarım ve Hayvancılıkta; Gübreleme ve Toprak Hazırlanması, Tarımsal Mücadele, Toprak Kirliliğinin Kontrolü, Besicilik, Organik Atıkların Muamelesi, Su Kültürü Madencilik ve Metalürjide; Maden Yataklarının Aranması, Metalürji Diğer Kullanım Alanlarında; Kağıt Endüstrisi İnşaat Sektörü Sağlık Sektörü Deterjan Sektöründe kullanılmaktadır. Zeolitlerin önemli özellikleri ise aşağıda belirtildiği gibidir; Zeolitler, gözenekleri bal peteğine benzeyen mikro gözenekli malzemelerdir. Bazı maddeler bu gözenekler içine girebilir, bazıları giremez. Bu özellik moleküler elek ve katalitik kullanım alanları gibi uygulamalarda değerlendirilmelerini sağlar. Su adsorbsiyon kapasiteleri yüksektir, bu yönüyle sudan yararlanma etkinliğini artırmaya yardım ederler. Nem ve koku adsorbsiyonu özellikleri ile zeolitler çok iyi bir amonyum adsorbent malzeme olarak bilinirler. 2

3 Mutlu İ., Keskin A Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 1-8 Bazı kil minerallerinden farklı olarak suda çözünmezler, Uygulandıkları ortamda uzun süre kullanılabilirler. Isıl dayanımları oldukça iyidir, böylelikle yüksek sıcaklık şartlarında kullanılabilirler. Bu çalışmada zeolit'in içeriğinde SiO 4 veya AlO 4 bulunması sebebiyle fren balatalarına olumlu etki oluşturacağı düşüncesiyle balata formülasyonlarında zeolit barite ilave olarak dolgu maddesi olarak kullanılmıştır [7]. Kullanılan zeolitin kompozisyonu Tablo 1 de verilmiştir. Tablo1. Kullanılan Zeolit in Kompozisyonu MgO Na₂O Al₂O₃ SiO₂ P₂O₅ K₂O CaO PiO₂ Fe₂O₃ MnO Diğerleri Toplam % 1, ,8 71,5 0,01 4,2 3,23 0,1 1,2 0,1 6, MALZEME ve METOT 2.1. Balata Üretimi Zeolit öğütülüp toz haline getirildikten sonra eleme işlemine tabi tutulmuştur. Zeolit katkılı üretilen numuneler fenolik bağlayıcılı balatalar olup, üretim metoduna göre presleme yoluyla üretilmiş balata grubuna girmektedir. Bu balataların üretiminde kullanılan malzemeler yüksek sıcaklıkta termal bozulmayı önleyecek ve balatanın mekanik ve tribolojik özelliklerini güçlendirecek şekilde seçilmiştir. Üretim esnasında malzeme oranları belirlemede hesaplama kolaylığı için kütlesel oran esas alınmıştır. Üretilen balata numunelerinin kompozisyonu Tablo2 de görülmektedir. Tablo2. Üretilen Balata Numunelerinin Kompozisyonu (Kütlesel-%) Numune Adı Z5B40 %5 Z10B35 %10 Z15B30 %15 Z20B25 %20 Z25B20 %25 Z30B15 %30 Z35B10 %35 Reçine 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 Bakır 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 Al 2 O 3 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 Grafit 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 Pirinç 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 Tozu Cashew 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 Zeolit 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 Barit 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 TOPLAM 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 3

4 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 1-8 Otomotiv Fren Balatasında Zeolit Kullanımının Frenleme Deney Düzeneği Numunelerin sürtünme katsayısı-zaman sıcaklık-zaman karakteristiklerinin belirlenmesinde Şekil 2 de verilen sürtünme katsayısı, fren kuvveti, hidrolik sistem basıncı, değerlerini deney esnasında bilgisayar ortamına aktarabilen deney seti kullanılmıştır. Şekil 2. Balata Test Cihazı Deney düzeneğinde dönme sırasında balata ile fren diski arasındaki sürtünme kuvvetini ölçmek için loadcell kullanılmıştır. Böylece diskin dönmesi sırasında fren balatasına uygulanan basınçtan doğan sürtünme kuvveti yüzünden balatanın da disk ile beraber dönme hareketinden dolayı bu döndürme kuvveti elektronik olarak ölçülmüştür. Deney düzeneğindeki fren diskinin istenilen hız ve devirlerde kullanılabilmesi için invertör mevcuttur. Deney işlemlerinde 116 HB (41.86 HRA) sertlikte ve 280 mm çapında gri dökme demirden üretilmiş fren diski kullanılmıştır Deney Şartları Üretilen balatalar, sürtünme yüzeylerinin örtüşmesini sağlamak amacıyla numune yüzeyinin % 95'i disk yüzeyine temas edinceye kadar 0,2 MPa basınç altında 3 m/s hızda çalıştırılmıştır. Deneyler 0,551MPa balata yüzey basıncında ve 7 m/s hızda yapılmıştır. Deneylerde başlangıç sıcaklığı 25 C dir. Deneyler esnasında alınan sürtünme katsayısı değerleri, aynı karışım ve özelliklerine sahip üretilen üç numuneden alınan değerlerin aritmetik ortalamasıdır. Her numune için sürtünme katsayısı, 7 m/s hızda 0,551MPa basınç altında, 1 saniye aralıklarla 1800 saniye süre ile kaydedilmiştir. Aşınma deneylerinde balata numuneleri 0,551MPa basınç altında yaklaşık m (12,6 km) yol yaptırılarak hesaplanmıştır. Test sırasında her saniyede sürtünme katsayısı kaydedilmiştir. Bu değerler sürtünme katsayısı-zaman ve sürtünme yüzey sıcaklığı-zaman grafiklerine dönüştürülmüştür. Böylece TS 9076 da fren balatalarının sürtünme katsayısının belirlenmesinde uygulanan, basınç sabit olarak uygulanmış olup hiçbir dış etkiye maruz kalmadan sürtünme katsayısı değişimi incelenmiştir. Ayrıca aynı basınçta aşınma testine tabii tutularak kütlesel aşınma miktarları belirlenmiştir. Deney sonunda her bir numune balata hassas terazide tartılarak kütle kaybı miktarları tespit edilmiştir. Belirlenen kütle kaybı TS 9076 da verilen kütle kaybını esas alan formül ile hesaplanarak özgül aşınma değerleri tespit edilmiştir. 4

5 Mutlu İ., Keskin A Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) BULGULAR Yedi farklı kompozisyonla üretimi yapılan numunelerin Sürtünme Katsayısı-Zaman ve Sıcaklık-Zaman grafikleri Grafik 1 ve 2'de verilmiş ve bu grafikler üzerinden birbirleri arasında kıyaslamalar yapılmıştır. Üretilen numunelerin kodlarının yanındaki rakamlar numune içerisindeki kütlesel yüzde(%) oranını göstermektedir. Genel olarak numuneler ilk 150 ile 200 saniye içerisinde kısmi düşüş ve daha sonrasında hafif dalgalanmalar göstermiştir. Numunelerin içinde sürtünme katsayısı 0,32 ile başlayan %5 zeolit katkılı numune en yüksek başlangıç değerini vermiştir. Deneysel çalışmanın devamında kısa dalgalanmalarla birlikte saniyede 0,21 sürtünme katsayısı ile deney sonuçlanmıştır (Şekil 3). 0,21 ile en düşük başlangıç sürtünme katsayısı değerine sahip olan Z20B25 kodlu numune deneysel çalışma boyunca hemen hemen stabil sayılabilecek bir eğilim izlemiş ve deney süresinin bitiminde ise 0,20 civarında sürtünme katsayısı vermiştir. Şekil 3. Sürtünme Katsayısı-Zaman Grafiği Diğer beş numune de çok farklı sürtünme katsayısı göstermemişlerdir. Ancak genel olarak beklenen sürtünme katsayısının altında ortalama sürtünme katsayısı gerçekleşmiştir. Bu çalışmadaki numunelerde kullanılan barit ve zeolit dolgu maddesi amacıyla kullanılmış olup miktarlarının toplamı kütlesel olarak %45'i oluşturduğundan sürtünme katsayısını artırıcı bir etki oluşmamıştır. Zamana bağlı sıcaklık değişimini gösteren grafik incelendiğinde Z35B10 kodlu numune doğrusal bir artış göstermiş olup nedenini tek bir sebebe bağlamak mümkün değildir. Aynı numunenin sürtünme katsayısı- 5

6 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 1-8 Otomotiv Fren Balatasında Zeolit Kullanımının Frenleme... zaman grafiği incelendiğinde kısa dalgalı bir sürtünme katsayısı değişimi izlemiştir, bu değişimin sıcaklık değişimine bağlı olmadığı düşünülmektedir. Diğer tüm numuneler 200. saniyeye kadar artış göstermiş olup daha sonrasında sürtünme ara yüzeyinde yaşanan tribolojik olaylara bağlı olarak kısa dalgalanmalar ile deneysel süreç tamamlanmıştır ve bir birlerine benzerlik göstermişlerdir (Şekil 4). Şekil 4. Sıcaklık-Zaman Grafiği Deneyler için farklı kompozisyonlarda toplam yedi çeşit zeolit katkılı numune üretilmiştir. Aynı içeriğe sahip her numuneden üçer defa deney yapılarak bu üç değer sonucunun aritmetik ortalamaları alınmıştır. Numuneler deneye başlamadan önce ve sonra hassas terazide ölçülmüş ve deney sırasında ne kadar kütle kaybettiği hesaplanarak aşınma miktarları tespit edilmiştir. Bu numunelerin Tablo 3'te ortalama sürtünme katsayısı, yoğunluğu özgül aşınma miktarları görülmektedir. Tablo 3. Zeolit katkılı numunelerin Ortalama Sürtülme Katsayısı, Yoğunluğu ve Özgül Aşınma Miktarları Numune Ortalama Yoğunluk Özgül Adı Sürtünme (gr/cm 3 ) Aşınma Katsayısı (µ) (gr/mm 2 ) Z5B40 0,227 1,705 2,29216x10-06 Z10B35 0,233 1,686 2,92313x10-06 Z15B30 0,229 1,664 2,93455x10-06 Z20B25 0,177 1,598 2,46270x10-06 Z25B20 0,190 1,535 1,89319x10-06 Z30B15 0,182 1,509 1,65791x10-06 Z35B10 0,213 1,477 1,92868x

7 Mutlu İ., Keskin A Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 1-8 Numunelerin yoğunluğunun belirlenmesinde aynı içerikli üç adet numune 1/1000 hassasiyetinde terazide tartılmıştır. Bu numuneler saf su ile doldurulmuş dereceli silindir (mezür) e daldırılmıştır. Saf suyun hacmindeki değişim numunenin hacmini verdiğinden dereceli silindirdeki fark miktar belirlenmiş ve cismin kütlesi cismin hacim farkına bölünmüş, üç numuneden çıkan değerlerin aritmetik ortalaması alınarak cismin yoğunluğu belirlenmiştir. Bu deneylerden elde edilen değerler Tablo 3'te verilmiştir. Tablo incelendiğinde ortalama sürtülme katsayısı, yoğunluk ve özgül aşınma miktarları arasında direk bir bağıntı vermek mümkün değildir ancak dikkatle incelenirse ikili bağıntılar göze çarpmaktadır. Örneğin; zeolit oranının artışı ile numune yoğunluğunun düşmesi zeolitin yapısındaki mikro gözeneklerin etkisi olduğunu ön plana çıkarmaktadır. Beraberinde daha yüksek sürtünme katsayısı veren numunelerin daha fazla aşındıkları dikkati çekmektedir. Dolayısıyla söz konusu numunelerde yüksek sürtünme katsayısının oluşmasında numunenin aşınmasının da önemli ölçüde etkili olduğu düşünülmektedir. Genel olarak bakıldığında zeolit dolgu maddesi olarak kullanılabilir fakat sürtünmeyi artırıcı herhangi bir etki oluşturmadığı gözlemlenmiştir. 4. SONUÇ Deneysel çalışma elde edilen bulgulara göre, zeolit katkılı fren balatası üretiminde %5, %10, %15, %20, %25, %30 ve %35 oranlarında zeolit içerikli numunelerin sürtünme performansı TS 555 standartları içinde çıkmasına rağmen genel olarak düşüktür değerdedir. Ancak ısıl dayanımı oldukça iyi olduğu için yüksek sıcaklık şartlarında kullanılabilir malzeme grubunda değerlendirilen zeolitler otomotiv fren balatası üretiminde dolgu malzemesi olarak kullanımının uygun olduğu sonucuna varılmıştır. Beraberinde fren balatası üretiminde kullanılabilirliğine dair maliyet analizlerinin yapılması gerektiği ve sonraki çalışmalarda bu konunun ele alınması önerilmektedir. Piyasa koşullarında, zeolit in kurutma, temizleme, öğütme maliyetleri araştırılmalıdır. Ekonomiklik analizlerinin olumlu olması durumunda, zeolit in dolgu malzemesi olarak fren balatası üretiminde kullanılması mümkün görülmektedir. 5. KAYNAKLAR 1. Smales, H., (1995) Friction Materials. Black Art or Science, Proceedings of The Institution of Mechanical Engineers-Part D, J. of Automotive Engineering, 209, 3, Bijwe, J., (1997) Composites as a Friction Material: Recent Developments in Non-Asbestos Fiber Reinforced Friction Materials-A Review. Polymer Composites, 18, 3, Jacho, M.C., (1978) Physical and Chemical Changes of Organic Disk Pads in Service. Wear, 46, pp Mutlu, İ., (2002) Seramik Katkılı Asbestsiz Otomotiv Fren Balatası Üretimi Ve Frenleme Karakteristiğinin Deneysel İncelenmesi. Doktora Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya. 7

8 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 1-8 Otomotiv Fren Balatasında Zeolit Kullanımının Frenleme Morshed M. M., Haseeb A. S. M. A., (2004) Physical and chemical characteristics of commercially available brake shoe lining materials: a comparative study. Journal of Materials Processing Technology, , Ceylan, H., Saraç, S., Özkahraman, H.T., (2001) Zeolitatıklarının derz dolgu malzemesi (fuga) Üretiminde kullanılabilirliğinin araştırılması. 7. Köse, H.M., Diker, M., (1999) Maden ve Madenciliğe Dayalı Sanayilerin Türkiye Ekonomisine Katkısı. 3. Endüstriyel Hammaddeler Sempozyumu Bildiriler Kitabı,