FREN SİSTEMLERİ. Prof. Dr. N. Sefa KURALAY 1

Transkript

1 FREN SİSTEMLERİ Prof Dr N Sefa KURALAY 1

2 FRENLER Bir aracın kontrol ve emniyetini temin eden sistemlerin bir bölümü olan fren sistemleri 1 Aracın hızını yavaşlatmak ve gerektiğinde durdurmak, 2 Aracın hızını özellikle yokuş aşağı yollarda sabit tutmak, 3 Duran bir aracın kendi kendine harekete geçmesini önlemek için kullanılırlar Araçlarda bu fonksiyonları yerine getirecek donanımlar ayrı ayrı olabildiği gibi, aynı sistem birden fazla görevi de yapabilir: Ana fren sistemleri (İşletme fren sistemleri) gerekli olduğunda aracın hızını azaltır veya tamamen durdurur Bu esnada araç izini değiştirmemelidir İşletme frenleri sürücü tarafından ayak ile devreye alınır, kademeli olmak ve tüm tekerleklere etkimek zorundadır Tespit frenleme sistemleri (Park frenleri) duran veya park edilen aracın yokuş ta dahi kendi kendine yuvarlanmasını engeller İşletme fren sistemlerinin devre dışı kalması durumunda yardımcı fren sistemi olarak da görev yaparlar Sürekli fren sistemleri (Yavaşlatıcılar) uzun yokuş aşağı inişlerde araç hızını belirli bir değerde tutmak ve ana frenlerin frenleme yükünü hafifletmek amacıyla kullanılırlar Prof Dr N Sefa KURALAY 2

3 Karayolları Trafik Yönetmenliği nde ve Avrupa Birliği Normlarında (EG 71/320 ve ECE R13) yer alan hususlardan alıntılar: Çok izli araçlar birinin devre dışı kalması halinde diğerinin kullanılabileceği bağımsız iki fren sistemine sahip olmalıdırlar Bunlardan bir tanesi mekanik olarak etkirken aracın kendi kendine yuvarlanmasına engel olmalıdır En az iki tekerden frenlemelidir ve ortak fren yüzeylerini ve mekanik sistemleri kullanabilir İşletme frenleri ile en az ortalama 2,5 m/s 2, tespit frenleri ile en az 1,5 m/s 2 bir ivmeleme değerine ulaşılmalıdır İki veya çok akslı römorklar en az 2,5 m/s2 frenleme ivmesi sağlayacak bağımsız fren sistemlerine sahip olmalıdır Bu sistem römorkun çekiciden ayrılması durumunda aracı bağımsız durdurabilmelidir Şayet araç ve römork ikilisi aracın fren sisteminden beklenen frenleme ivmesine ulaşılabiliyorsa ve römorkun aks ağırlığı aracın boş ağırlığının yarısını (üst sınır 3 t) geçmiyorsa, tek akslı römorklarda fren sistemine gerek yoktur Prof Dr N Sefa KURALAY 3

4 Müsaade edilen toplam ağırlığı 5,5 t üzerindeki otobüsler ve diğer araçlar ve toplam ağılığı 9 t üzerinde olan römorklar bir üçüncü fren sitemi (sürekli fren sistemine-yavaşlatıcılar) ile de donatılmalıdır Bu sistem aracın tam yüklü durumda % 7 eğimli 6 km boyundaki inişli bir yolda hızı 30 km/h tutabilecek şekilde frenleme yapabilmelidir Otomobillerin arkasına ancak tek akslı ve toplam ağılığı (Araç boş ağılığı kg)/2 değerini aşmayan ve hiçbir zaman 750 kg a ulaşmayan römorklar fren sistemine gerek olmadan takılabilirler İşletme fren sistemini devreye alınması, yapısal şartlara bağlı olarak 25 km/h hızın üzerindeki hızlarda frenlemede arkada bulunan sarı veya kırmızı fren ışıkları ile uyarı yapılmalıdır Araç sahipleri, araçlarının teknik yeterliliğini belirli zaman aralıklarında tespit ettirmek zorundadırlar Prof Dr N Sefa KURALAY 4

5 Araçlar ve Frenleri için EG Yönetmelikleri (Özet) Tablo : Avrupa topluluğu yönetmenliklerine göre araç sınıflarının dağılımı (EG-71/320 ve ECE-R13) Prof Dr N Sefa KURALAY 5

6 Tablo : RREG ye göre M ve N sınıfı araçların işletme fren sistemlerinden sağlaması gereken şartlar ve fren test tipleri Ek olarak yol sürtünme katsayısı = 0,1 0,8 için aracın toplam fren kuvvetinin aracın toplam ağırlığına oranından bulunan frenleme oranının z 0,1 + 0,85( - 0,2) değerini sağlaması gerekir En iyi frenleme etkisi tekerlekler henüz dönmesine devam ederken sağlanır Bloke olan tekerleklerde savrulma tehlikesi ve lastik hasarları ortaya çıkar Prof Dr N Sefa KURALAY 6

7 FREN SİSTEMLERİ Bir aracın fren sistemi temel olarak kumanda, taşıma ve sürtünme frenleri veya esas frenlerden oluşur Fren Sistemi El freni kolu Fren kuvvetlendirici Dağılım ventili Fren pedalı Fren merkez silindiri Tambur fren Disk fren El freni teli Disk fren Tambur fren Fren semeri Disk Tekerlek fren silindiri Fren pabucu Ses önleme şimi Jant bağlantı cıvatası Fren pabucu ve balata Fren tamburu Resim : Bir otomobilin hidrolik fren sistemi Prof Dr N Sefa KURALAY 7

8 Fren merkez silindiri Fren pedalı El freni Fren kuvvetlendiricisi Tekerlek fren silindiri Fren kuvveti sınırlayıcısı Fren iletim hattı Resim: Disk frenli otomobil fren sistemi Prof Dr N Sefa KURALAY 8

9 Hidrolik Frenler Fren kuvveti oluşturması gereken sürücü fren pedal kuvveti Otomobillerde ~500 N, Kamyonlarda ~700 N, Mekanik frenlerde mekanik olarak, Hidrolik sistemlerde hidrolik çevirme oranları ile kuvvetlendirilmelidir Bu kuvvetlendirmenin yeterli fren kuvveti oluşturmaya yetmemesi halinde örneğin alt basınç veya hidrolik yüksek basınçla sağlanan yardımcı kuvvetler devreye sokulmalıdır (Fren kuvvetlendiriciler-servo Frenler) Fren kuvvetinin oluşturulması için basınçlı hava da bir dış kuvvet olarak kullanılabilir; Sürücü burada sadece fren pedalı ile basınçlı havayı kumanda eder (Kombi fren Sistemleri) Hidrolik Frenler; fren pedalı, tandem fren merkez silindiri, boru sistemi, tekerlek fren silindirleri ve tekerlek frenlerinden meydana gelir Hidrolik fren sistemlerinin çalışması Pascal Prensibine dayanır Sürtünme yoluyla mekanik enerjinin ısı dönüştürülerek atılmasını görevlerini yaparlar Tambur ve disk frenler olmak üzere iki gruba ayrılırlar Prof Dr N Sefa KURALAY 9

10 Tambur Frenler Otomobillerde park frenlerinin basit olarak teşkili açısından tambur frenler sık olarak yalnızca arka tekerleklerde kullanılır Kamyon ve kamyonetlerde tüm akslarda genelde tambur frenler tercih edilir Araçlarda sıkça tercih edilen tambur fren içten dışa genişlemeli, pabuçlu frendir En önemli elemanları fren tamburu, fren taşıyıcısı, fren pabuçları ve gergi düzeneğidir Resim : Tambur fren parçaları ve Tambur frenin servo etkisi Prof Dr N Sefa KURALAY 10

11 Resim : Tambur fren içyapısı ve el freni mekanizması Prof Dr N Sefa KURALAY 11

12 Avantajı : Açma kuvvetinde daha büyük pres kuvveti (çevresel kuvvet) ortaya çıkar Ayrıca, sürtünme kuvveti yaslanan pabuçta tambur dönme yönünde bir döndürme momenti oluşturur ve fren etkisi kuvvetlenir Dezavantajı: Büyüklüğü tekerlek büyüklüğü ile sınırlıdır Otomatik ayar düzenekleri daha komplikedir Aşınma ve ısının uzaklaştırılması kötüdür Tambur frenlerin fading olayına, yani aşırı ısınmada fren etkisinin zayıflamasına meyli daha fazladır Aşırı ısınmada tambur ve balata arasındaki sürtünme katsayısı kuvvetle düşer Aynı zamanda ısınma etkisiyle metal tambur fren pabucundan daha fazla genleşir, pabuç daha küçük eğrilik yarıçapı nedeniyle tambura daha az yüzeyden basar Ayrıca, ısının tekerlek eksenine doğru atılması fren tamburunun açık kısmının huni formunda genişlemesine neden olur Prof Dr N Sefa KURALAY 12

13 Tambur frenler tekerlek silindirinin sayısı ve fren pabuçlarının diziliş ve kumanda şekline göre temel olarak tiplere ayrılır Resim : Tambur fren tipleri Tambur Frenlerde İç Fren Faktörünün hesaplanması : Balata tambur yüzeyi arasındaki sürtünme sonucu oluşan çevresel kuvvetler; balata sürtünme katsayısına, sürtünen yüzeyinin boyut ve şekline (balata sarım açısı, genişlik, vs), balata yüzeyine gelen normal kuvvetin dağılımına, vs bağlıdır Prof Dr N Sefa KURALAY 13

14 p H S S S Tambur dönme yönü dn dr h r T a O Çevresel kuvvet r T da s m X s a O Resim : Tambur frende iç fren faktörü hesaplaması Prof Dr N Sefa KURALAY 14

15 İç fren faktörü C* : C U * S oranından belirlenir Burada U, karşılayan ve yaslanan pabuçtaki toplam çevresel kuvvettir U dr dn ve mafsal noktasına göre pabuca etkiyen kuvvetlerin momentlerinin dengesinden Sh a0cos dn (rt a0sin )dr 0 1 Pabucun yaslanan olmasına göre - ve karşılayan olmasına göre + işareti kullanılır U 2 dn 1 dn pda dn m s x ve pbr Ebr T T d cos d s p E s s m cos x ve m p s x Ecos Prof Dr N Sefa KURALAY 15

16 U S U S 2 U 1 a S h 2 a 0cos rt a0sin 1 a cos r T 2 dn a 0 sin h cos d 1 1 (sin22 sin21) ( 2 1 dn h (sin 2 sin 2) rt (sin cos d ) 1 sin 1) a0(sin 2 İç fren faktörü 1 büyüklüğü hakkında bilgi edinmek için de konstruktif büyüklüklere bazı sayısal değerler, örneğin 1 = 2 =, =35 0, r T =120 mm, a 0 = 100 mm, h = 190 mm uygulanırsa, her bir pabuca ait iç fren faktörü hesaplanır; U 1,583 S 0, sin 2 1) Prof Dr N Sefa KURALAY 16

17 Dou-dupleks ve duo-servo tiplerinde pabuç taşıma düzeninde mafsal olmayıp, pabuçlar baskı düzenine bağlıdır Servo tipinde ise pabuçların her ikisi yaslanan pabuçtur ve fren silindiri sadece primer pabucu açmaktadır Fakat primer pabucun mafsal kuvveti diğerine baskı kuvveti, yani açma olarak etkimektedir Dubleks fren sisteminde her pabuç kendi açma kuvvetine sahiptir Dönme yönüne göre her iki pabuç karşılayan veya yaslanan pabuç konumundadır F B U I U II C FB S C I C II yani C C I C II ve buradan da El Freni Hesabı: El fren sisteminde genelde aynı açma düzeni kullanılır Yüzer düzeneklerde, yani el freni mekanik açma düzeneklerinin kullanılması durumunda S I ve S II açma kuvvetleri birbiri ile orantılıdır F B S 2 C F çekme kuvvetine karşılık ulaşılan toplam teğetsel kuvvet F B : F B U I U II C S m (m n)c F m I nc II Prof Dr N Sefa KURALAY 17

18 Disk Frenler Disk frenler tekerleğe takılabildikleri gibi tekerlek dışında örneğin önden tahrikli araçlarda dişli kutusu ve diferansiyel çıkışında tahrik millerinde de monte edilebilir İkinci uygulamada yaylandırılmamış kütleler azaltılır, diskin ısınması düşer Hareketli Fren semeri Hidrolik borusu Piston Fren pabucu Fren diski Resim : Kısmi kapatmalı disk fren Prof Dr N Sefa KURALAY 18

19 Avantajları: Tambur frenlerden daha az fading olayına uğrarlar, çünkü daha iyi havalandırılırlar Balata değişimi kolaydır Balata aşınması eşit şekilde ve ayar otomatik gelişir Frenleme etkisi hareket yönünden bağımsızdır Dezavantajları: Frenleme yüzeyi tambur frenlerden daha küçüktür, balata baskı kuvveti daha büyük olmak zorundadır Bu yüzden genelde fren kuvvetlendiricilere gerek vardır Disk aşırı ısınabilir El freninin montajı oldukça karmaşıktır bu yüzden genelde arka akslarda tambur fren kullanılır Disk tekerlekle birlikte döner Fren silindirleri taşıyıcısı, semer sabit durur Frenleme esnasında fren diskinin her iki tarafındaki pistonlar fren balatalarının yapıştırıldığı metal tutuculara basar Fren balataları bunun sonucunda fren diskine yaslanır ve bu şekilde oluşan sürtünme sonucu frenleme gerçekleşir Prof Dr N Sefa KURALAY 19

20 Resim : İki silindirli sabit semerli disk fren parçaları Prof Dr N Sefa KURALAY 20

21 Resim : Hareketli semerli disk fren Prof Dr N Sefa KURALAY 21

22 Resim : Hareketli semerli disk fren ve hareketli semerli disk frenin parçaları Prof Dr N Sefa KURALAY 22

23 Disk frenlerde iç fren faktörünün hesaplanması: Disk fren sistemi bağlı bir tekerleğin frenlenmesi esnasında ortaya çıkan atalet kuvvetleri, yuvarlanma direnci etkisi ihmal edildiği taktirde r dyn tekerlek dinamik yarıçapı olmak üzere fren momenti M B : M Br M B A B U Hidrolik Piston p H S B Br dy n dy n Ur D A P r D Balata U r D İç fren faktörü C* : B r dyn Disk S p p H S A B A P ve Balata yüzey basıncı C U S 2U S 2 S S 2 ve oluşan fren kuvveti B : B M r B dyn r U r D dyn C r r D dyn p H A P Prof Dr N Sefa KURALAY 23

24 İç fren faktörü C * Dupleks Fren Yaslanan Karşılayan Duo-Servo Fren Simpleks Fren Günümüz otomobillerinde kullanılan frenlerinde = 0,3 0,4 arasındadır değerine ve simpleks fren için ise yandaki grafikte verilen değerlerden = 0,25 için C * A = 1,0 Balata yüzey basınçları p = N/cm bar (maksimum 120 bar) Karşılıklı fren silindiri sayısı z = 2 okunur Bu iki değer yukarıdaki eşitliğinde yerine konursa, 1 0, , 5 1 3, 49 10, değerine düşer Balata sürtünme katsayısının aynı aksın tekerleklerinde farklılaşması durumunda fren kuvvetleri sapmasının tambur ve disk fren tiplerindeki değişiminde disk frenler avantajlıdır Disk fren Balata sürtünme katsayısı Resim : Farklı fren tipleri iç fren faktörlerinin balata sürtünme katsayısına bağlı değişimi Prof Dr N Sefa KURALAY 24

25 Fren Pabuçları, Fren Balataları, Fren Tamburları / Diskleri, Fren Silindirleri a) Tambur Frenler için: Tambur frenlerde tambur malzemesi olarak genelde dökme demir (küresel grafitli veya beyaz temper döküm) ve seyrek olarak çelik döküm veya derin çekilmiş çelik saç ve motosikletlerde alüminyum döküm tamburlar kullanılır Tekerlek silindirleri : Hidrolik basınç tekerlek silindiri içindeki pistona etkir ve fren pabuçlarının tambura yaslanması için açma kuvveti oluşturur Açma kuvvetinin fren pabuçlarına iletilmesi baskı pimleri üzerinden gerçekleşir Tekerlek silindirleri tek veya çift pistonlu olabilir Resim : Baskı pimli tekerlek silindiri Resim : Ayar kapaklı tekerlek silindiri Prof Dr N Sefa KURALAY 25

26 Tambur frenlerin fren pabuçları tambur formunda preslenir Gerekli mukavemet T formundaki profil ile sağlanır Alüminyum veya çelik saç kullanılır Fren balataları fren pabuçlarına perçinlenir veya yapıştırılır Balataların ısıya dayanımı ve ısı iletimi yüksek olmalıdır Su ve yağa karşı dayanıklı olmalıdır Genelde asbest doku veya günümüzde çoğu kez metal doku (Zn veya Cu Zn alaşımları) dolgu malzemesi olarak örneğin asbest, grafit tozu, metal tozu ve yapıştırma malzemesi olarak suni reçine ile birlikte preslenir ve sertleştirilir Sürtünme katsayısı 0,3 0,5 arasındadır C dayanabilir Resim : Fren pabuçları Prof Dr N Sefa KURALAY 26

27 b) Disk Frenler için: Fren Diski Malzemesi : Dökme demir, küresel grafitli dökme demir veya çelik dökümden mamul fren diskleri genelde tencere formunda dizayn edilir Tambur kısmının içine mekanik kumanda eden el freninin parçaları monte edilir Masif fren diskleri 9 16 mm, İçten havalandırmalı disklerin kalınlığı ise mm kadardır Disk frenlerde fren silindirleri tambur frenlerin tekerlek silindirlerinden daha büyük bir çapa sahiptir Takriben mm değerindedir Bu sayede tambura karşın daha büyük bir baskı kuvveti elde edilir Disk fren balataları çelik veya seyrek olarak dökme demirden olan metal pabuca yapıştırılmıştır Genelde organik dokulu balatalar kullanılır Çok özel hallerde sinter balatalar kullanılır Organik bağlı balatalarda metalik, seramik veya organik sürtünme malzemesi kauçuk veya suni reçine gibi bağlama malzemesi kullanılır C (kısa süreli C) kadar yüklenebilir Sürtünme katsayısı 0,25 0,5 Tambur fren balatalarından daha büyük yüzey basıncına maruzdurlar Prof Dr N Sefa KURALAY 27

28 Hidrolik Fren Tahrik Sistemleri Fren sistemlerinde kullanılan fren pedalları mekanik çevirme oranı 1:4 1:5 olan tek yönlü bir manivela kolundan ibarettir Çoğu kez tüm kumanda pedalları Debriyaj, Fren ve Gaz pedalı tek bir pedal mekanizmasına asılı veya dikine yerleştirilirler Merkez silindir Kuvvetlendirici F iş F P Resim : Fren pedalı, kuvvetlendirici ve merkez silindir Prof Dr N Sefa KURALAY 28

29 Fren Merkez Silindiri (Tandem Merkez Silindiri) : Merkez silindiri fren devrelerine basınçlı hidrolik sağlamak için kullanılır Ekseriyetle merkez silindiri ve fren pedalı arasına fren kuvvetlendirici alt basınç ile fren pedal kuvvetini artırıcı sistemler monte edilir Merkez silindiri; ısı etkisi ile genleşen, soğuyunca çekilen fren hidroliğini dengelenmek zorundadır Resim : Fren kuvvetlendiricili sistemler için tandem fren merkez silindiri Prof Dr N Sefa KURALAY 29

30 Piston kumanda edilirse, primer manşet dengeleme deliğini ve basınç odasını kapatır Basınç odasında üst basınç oluşur Doldurma diski bu esnada primer manşet üzerinden pistona doğru olan sıvı kaçışını engeller Pistonun ani olarak geri alınması durumunda ventil açılır; primer manşet öne eğilir, doldurma diski kalkar ve hidrolik pistonların halka şeklindeki boşluğundan boyuna delikler üzerinden daha geniş hacimli basınç hacimlerine akar Resim : Primer manşetin fonksiyon şekli 2 Devre 2 Resim : Tandem merkez silindirinin fonksiyon şekli Prof Dr N Sefa KURALAY 30

31 Taban Ventili : Merkez silindirinin fren devrelerine bağlantı noktasında kullanılan ventillerin görevi, tambur frenlerde frenin kumanda edilmediği durumda fren devresindeki hidroliğin sürekli olarak 0,5 1,2 bar ön basınç değerinde kalmasını sağlamaktır Bu sayede frenin devreye alınması durumunda fren etkisinin hemen devreye girmesi temin edilebilmekte ve pedal boşluğu küçültülmektedir Ayrıca, tekerlek silindir manşetleri (tabak manşetler) büyük bir basınç ile silindir çıdarına basacağı için havanın silindir içine girmesi engellenir Taban ventili üzerinde bir frenleme periyodu sonunda devredeki hidroliğin geri merkez silindirine dönüşü ve frenleme esnasındaki yüksek basınçlı hidroliğin fren devresine geçişi yandaki resimlerde gösterildiği gibi sağlanmaktadır Disk fren devrelerde ön basıncın olmaması gerektiği için bu devrelerde ince bir deliğe sahip konik ventilin takılı olduğu özel taban ventilleri kullanılır Bu sayede fren devresindeki ön basınç tamamen sıfırlanabilir Resim : Taban ventilinin çalışma şekli Prof Dr N Sefa KURALAY 31

32 Fren Lambası Şalteri : Fren pedalının bulunduğu bölüme konan ve pedal ile kumanda edilerek mekanik çalışanfren lambası şalteri olduğu gibi basınç ile çalışan fren lambası şalteri de kullanılabilir Bağlantı genelde merkez silindirine yapılır Her fren devresinde bu tarz basınçla çalışan bir fren lambası şalteri emniyet açısından kullanılmalıdır Prof Dr N Sefa KURALAY 32

33 Hidrolik Frenlerde Fren Pedal Kuvveti - Fren Kuvveti İlişkisi Hidrolik frende ayak kuvveti F P ile S baskı kuvveti arasındaki ilişki, şematik olarak verilen fren sistemi üzerinden, fren sistemlerindeki geri getirme yayı etkisi ihmal Fren merkez silindiri A MS Fren kuvvetlendiricisi b a Geri çekme yayı edildiğinde kuvvetlendirme faktörü K F ve i P =b / a pedal çevrim oranı olmak üzere fren pedal kuvveti : F P i P 1 K F p H A MS (1) p H Arka tekerlek silindiri A TS ve fren pabuçları açma veya sıkma kuvvetleri Ön tekerlek silindiri S Ö s A r T S A S S Ö A p p H H A A TSÖ TSA r dyn G A B A Resim : Hidrolik fren sistemi şeması Prof Dr N Sefa KURALAY 33

34 ve akslardaki fren kuvvetleri toplamı resim den de yararlanarak ph B BÖA BAA 2(C ÖATSÖ rtö C AA TSA rtsa ) (2) r Diğer taraftan fren pedalına basılmak suretiyle yapılan işin, tekerleklerdeki fren pabuçları açılma işleri toplamına eşittir: p H A MS s i P P 4(A TSÖ s Ö A TSA Prof Dr N Sefa KURALAY 34 s A )p H dy n buradan AMS sp ip (3) 4(ATSÖ sö ATSA sa ) x B (1), (2) ve (3) ifadelerinin ve a birlikte değerlendirilmesiyle g mg rtö rtsa C ÖATSÖ C AA TSA s rdy n r P dy n a F PK F 2G A TSÖ sö ATSA sa Bu ifadeden görüldüğü gibi pedal kuvveti ile frenleme oranı arasında lineer bir ilişki mevcutken, sabit bir fren pedalı kuvvetinde frenleme oranı ile araç ağırlığı arasında hiperbolik bir ilişki söz konusudur

35 Araç ağırlığının artması ile birlikte aynı frenleme oranına erişmek için, daha büyük fren pedal kuvvetine gereksinim olacağı açıktır Fren sistemi ile ilgili düzenlemelerde minimum frenleme oranı a min = 0,58 ve bu değere ulaşmak için uygulanabilecek maksimum pedal kuvveti F P max = 500 N ile sınırlandırılmıştır Fren kuvvetlendiricisi olmayan bir araç (K F = 1) için örneğin; s P = 135 mm, s = 3 mm r TÖ = r TA = r T, A TSÖ = A TSA = A TS, C* Ö = C* A = 2 ve r T /r dyn = 0,4 g 10 m/s 2 alınırsa, G m max max FP K a F 1500 kg sp r 4s r T dy n (C Ö C A ) , ,4(2 2) N Salt pedal kuvveti ile hidrolik sistem kullanılarak yönetmenlik şartlarına göre frenlenebilecek araç kütlesi m = 1500 kg Rahat ve üst frenleme değerlerinde frenleme için fren kuvvetlendiricilerin kullanılması gerekmektedir Prof Dr N Sefa KURALAY 35

36 Fren Kuvvetlendiriciler 1) Alt Basınç Destek Kuvvetli Fren Sistemi Vakumlu Fren Kuvvetlendirici Alt basınçla fren pedal kuvvetini artırıcı bir sistemdir Benzin motorlu araçlarda özel bir cihaza gerek duyulmaksızın emme manifoldundaki alt basıncı kullanılması bir avantajdır Maksimum 0,2 bar alt basınç nedeniyle büyük yüzeye ve hacme gereksinim vardır Bu yüzden uzun doldurma ve boşaltma zamanları ortaya çıkar Dizel motorlarında alt basınç motor tarafından tahrik edilen bir vakum pompası ile sağlanır Frenin çözülme durumunda (fren devrede değilken) vakum pistonun her iki tarafında da alt basınç mevcuttur Resim : Vakumlu fren kuvvetlendirici Prof Dr N Sefa KURALAY 36

37 Emme manifoldu Vakum borusu a Tandem tipi fren merkez silindiri Fren kuvvetlendiricisi Fren devresi 1 Sızdırmazlık keçesi Geri alma yayı itici kol Fren devresi 2 İş pistonu Reaksiyon diski Ventil pistonu Tabak ventil Piston kolu b Frenleme yok Kumanda hücresi Kumanda kanalı Vakum borusuna Resim : Vakumlu fren kuvvetlendiricisinin araç üzerinde çalışmasının şematik olarak açıklanması c Frenleme başlangıcı Prof Dr N Sefa KURALAY 37 d Frenleme durumu

38 2) Hidro-pnömatik Destek Kuvvetli Fren Sistemi Hidrolik Fren Kuvvetlendirici Motor tarafından tahrik edilen bir hidrolik pompaya sahip direksiyon kuvvetlendiricili araçlarda pompa tarafından iletilen hidrolik basınç altında bir depoda tutulur ve fren pedal kuvvetini artırmak amacıyla kullanılabilir Vakumlu fren kuvvetlendiricilerine göre oldukça avantajlıdır: Yer talebi daha düşüktür: Motor stop etse dahi depodaki basınçlı hidrolik 12 frenlemeye olanak sağlar Basınç aynı zamanda kuvvetlendirici içindeki ayar pistonuna da etkir; bu sürücüye frenlemenin şiddeti hakkında bir kanı (duygu) edinmesini sağlar Prof Dr N Sefa KURALAY 38

39 Fren Kuvveti Dağılımı Tüm tekerlek yüklerine uygun olarak frenlendikleri takdirde en kısa fren mesafesine ulaşılır (İdeal Frenleme) Frenleme esnasında tekerlek yüklerinde bir değişme meydana gelir Bu değişim yüklemenin büyüklüğüne ve karoserdeki dağılımına (yani ağırlık merkezinin ön ve arka aksa olan mesafesine), ağırlık merkezinin yüksekliğine ve frenleme ivmesinin büyüklüğüne bağlıdır G ÖA l l G l Ö h z ve arka aks için l lö h G AA G z l l Ön ve arka akslardaki fren momenti veya fren kuvveti dağılımı tekerlek fren silindirlerinin büyüklüklerine, fren sistemi iç fren faktörü değerlerine, disk veya tambur çaplarına bağlıdır ve sabit bir orandadır İdeal fren kuvveti dağılımına yaklaşabilmek için uygun fren kuvveti regülatörü ile fren kuvveti dağılımı oranının değiştirilmesi yoluna gidilmektedir Fren kuvveti dağılım oranının değiştiren farklı tipte fren kuvvet regülatörleri vardır Prof Dr N Sefa KURALAY 39

40 1) Hidrolik Basınç Sınırlayıcıları (Fren Kuvveti Sınırlayıcıları) arka tekerleklerin bloke olmasını ve bu şekilde de aracın savrulmasını engellerler a c Sınırsız üst basınç b Arka tekerlek fren silindirlerine giden hidrolik boru hattına monte edilir ve basıncın sadece ön görülen bir değere kadar çıkmasına izin verir, o değerden sonra arka tekerleklere giden hidrolik basınç artmaz ph AA Yüklü araç ideal dağılımı Boş araç ideal dağılımı Sınırlandırılmış basınç Resim : Fren kuvveti sınırlayıcısı uygulama, kesiti ve basınç dağılımı p H ÖA Prof Dr N Sefa KURALAY 40

41 2) Kırık Karakterli Fren Kuvveti Dağıtıcılarının (Regülatörlerinin ) çok şiddetli frenleme durumunda arka tekerlerin düşürülmüş basınçla frenlenmesi temin edilir Belirli bir hidrolik basınca kadar ön ve arkaya giden hidrolik basıncı eşittir Belirli bir değerden itibaren arka aks hidrolik basıncı ön aksa göre azaltılarak (kısılarak) kırık bir dağılım karakteri gösterecek şekilde gönderilir A 2 A Piston A1 A Toplam Azaltılmamış basınç Kısılmış basınç Yüklü araç ideal dağılımı ph AA Boş araç ideal dağılımı p H ÖA Toplam Topllam Resim : Fren kuvveti regülatörü kesiti ve prensip şeması ve basınç dağılımı Prof Dr N Sefa KURALAY 41 p p A A A p Toplam Ö A A p Ö Piston A Piston A F F 0 0

42 3) Yüke Bağlı Fren Kuvveti Dağıtıcılarının basınç düşümü yay mesafesi üzerinden yüke bağlı olarak, fren kuvveti regülatörlerinde olduğu gibi sağlanır Frenleme durumunda arka aks yükünün öne transferi söz konusu olduğu için, fren kuvveti dağılımında bu durumun da dikkate alınması ile ideal fren kuvveti dağılımına yaklaşılması temel amaçtır Kademeli piston A 1 Ventil A 2 Resim : Yüke bağlı kırık karakterli fren kuvveti dağıtıcısının montajı ve kesiti Karosere bağlı regülatörün ayar koluna bağlı olan yay aksa bağlanmaktadır Karoser ve aks arasındaki relatif düşey hareket regülatör basamaklı pistonuna iletilerek, aracın yük durumuna uygun bir dönüşüm basıncı elde edilir Prof Dr N Sefa KURALAY 42

43 Sabit basınç dağılımı DOLU ARAÇ Kısılmış basınç dağılımı İdeal basınç dağılımı ph AA BOŞ ARAÇ Kısılmış basınç dağılımı İdeal basınç dağılımı p H ÖA Resim : Yüke bağlı fren kuvveti dağıtıcısında basınçlar arasındaki ilişki Tam otomatik bir fren kuvveti ayarı ancak Anti-Blokaj-Sistemi (ABS) ile ulaşılır Prof Dr N Sefa KURALAY 43

44 4) Blokaj Engelleyiciler Bloke Regülatörleri (ABS) tekerleğin bloke olmasını önlemek için, frenleme esnasında aracın bir veya birden çok tekerleğinin dönme yönündeki frenleme kaymasını ayarlayan, hidrolik (veya pnömatik) fren sistemlerinin teknik bir tamamlayıcısıdır; ABS sistemi sayesinde Acil frenleme durumlarında ve tam frenlemenin gerekli olduğu durumlarda aracın yönlenme kabiliyeti, yan kuvvetler ve tekerleklerin tutunma sürtünme katsayısının dikkate alınmasıyla bilinçli bir frenleme yapmayı sağlanır Teknik sayesinde sürücüye özellikle psikolojik ve fizyolojik sınır bölgelerinde verilmesi gereken diğer kararlar için yardımcı olunur Tehlikeli frenlemelerde aracın yönlendirilebilmesi (direksiyon hakimiyeti) ve doğrultu stabilitesi sağlanır ABS ile donatılmış otomobillerle yapılan denemeler, pürüzlü yollarda yaklaşık 1 g (9,81 m/s 2 ) değerinde bir tam frenleme yapılabileceğini göstermiştir Kuru (pütürlü) yol zeminlerinde % 15 e varan ; ıslak zeminlerde ise % arasında bir fren mesafesi kısalması sağlanarak daha iyi bir frenleme gücüne ulaşılabilmektedir Prof Dr N Sefa KURALAY 44

45 Diyagonal hareket açısı Yanal kuvvet bağıntı katsayısı [-] Kuvvet bağıntı katsayısı [-] a Eski kuru Asfalt Eski kuru Beton Yeni ıslak Beton Sıkıştırılmış karla kaplı Buzla kaplı s v r 100 v [%] b Serbest yuvarlanan Frenleme Kayması s Bloke olmuş c Resim : Fren kuvveti bağıntı katsayısının a) farklı yol yüzeyinde Kuvvet bağıntı katsayısı [-] Diyagonal hareket açısı Frenleme kayması s Frenleme kayması s b) farklı diyagonal hareket açılarında c) Yanal kuvvet bağıntı katsayısının farklı diyagonal hareket açılarında frenleme aymasına göre değişimi Prof Dr N Sefa KURALAY 45

46 Tekerlek açısal ivmesi Frenleme kayması Tekerlek açısal hızı Fren Momenti Araç hızı rad/s 2 [-] rad/s Nm km/h Frenleme sırasında ölçülen her bir tekere ait devir sayılarından açısal hız elde edilse bile, frenleme kaymasının teşkil edilmesi için araç hızını veren belirli bir referans değerine ihtiyaç vardır Araç gerçek hızını ölçmek pratik olarak zordur Uygulamada kayma değeri, tekerleklerin açısal hızlarının birbirleri ile karşılaştırılması yoluyla yaklaşık olarak en hızlı dönen tekerleğin çevresel hızı referans olarak alınarak diğer tekerleklerin frenleme kaymaları tespit edilmektedir Açısal ivme eşik değerinin tespitinde, aracın erişebileceği maksimum frenleme ivmesine eşdeğer bir açısal ivme değeri atanabilmektedir Gelişmiş ABS sistemlerinde hem tekerlek açısal ivmesi, hem de frenleme kayması kontrol edilerek tekerleğin blokajı önlenmektedir ,22 0,4 Zaman t Resim: Bloke oluncaya kadar frenlenen bir tekerlekte zamana bağlı değişim Prof Dr N Sefa KURALAY 46

47 a Geri besleme pompası Depo Ön aks Arka aks b Manyetik ventil Sönümleyici Fren cihazı Manyetik ventil Resim : a) Anti-Blokaj Sistemi (ABS) entegre edilmiş iki devreli hidrolik fren sistemi b) Mercedes-Benz/Bosch ABS sistemine ait hidrolik fren elemanları Prof Dr N Sefa KURALAY 47

48 a b Sensör Sensör Rotor Tahrik dişlisi Tekerlek göbeği Akson Rotor Diferansiyel kovanı Fren diski Resim :a) ABS için ön aksta devir sayısı sensörünün montajı b) Arka aksta diferansiyele devir sayısı sensörünün montajı Prof Dr N Sefa KURALAY 48

49 Fren basıncı Ventil voltajı Tekerlek ivmesi Hız V Referans V Araç V Tekerlek Kayma s Faz Zaman t Resim : ABS sisteminde bir ayar periyodunda hızın, tekerlek ivmesinin ve fren basıncının zamana bağlı değişimi Prof Dr N Sefa KURALAY 49

50 Normal pozisyon Pozisyon Basıncı sabit tutma Akım Basınç düşürme pozisyonu ABS sistemindeki 3 / 3 manyetik ventilinin (3 bağlantılı / 3 pozisyonlu) fonksiyonu (Bosch) HZ Merkez fren silindiri RZ Tekerlek fren silindiri R Geri dönüş Resim : Bosch firmasına ait ABS 3/3 manyetik ventillerin (3 bağlantılı, 3 konumlu) fonksiyon şekli Prof Dr N Sefa KURALAY 50

51 ABS sistemlerinin bazılarında hıza bağlı kayma kriterini ihtiva eden ayarlama programı da yüklenmiştir Frenleme ivmesi kontrolünün işe yaramadığı buzlu zemin üzerinde yumuşak şekilde frenleme veya büyük merkezkaç ivmeli viraj içi frenlemelerde kullanılmaktadır ABS sistemlerinin kontrol kaliteleri ile ilgili olarak fonksiyon açısından şu talepleri yerine getirmek zorundadır : Regülasyonlu frenleme halinde aracın seyir stabilitesi ve yönlenebilme yeteneği muhafaza edilebilmeli; öyle ki, viraj sınır hızı aşılmış da olabilir Regülasyon tüm hız bölgesi için geçerli olmalıdır Kumanda sistemi, tekerleğin yoldaki tutunmasını optimal kullanmalıdır Sistem yol üst yüzeyindeki kaplama cinsi değişimlerine çabuk uyum sağlayabilmeli, hatta aquaplanning olayı oluşsa dahi işlevini yapmalı Dalgalı yol yüzeylerinde dahi her hangi bir şiddette frenleme durumunda araç tam kontrol altında tutulabilir olmalıdır Bir arıza durumunda konvansiyonel fren sisteminin kendiliğinde etkili olabileceği bir emniyet tertibatı sağlanmalı Prof Dr N Sefa KURALAY 51

52 ABS sistemlerinde otomatik fren kuvveti ayarı, uyguladıkları kontrol şekillerine göre tiplere ayrılmaktadır : Genel ayar tipleri : IR (Induvidual Regülasyon) Tekil kontrol: Her bir tekerlek kendi sensörüne sahiptir Diğer tekerleklerin durumuna bakılmaksızın tekerlek basıncı bağımsız olarak ayarlanır Arka aks tekerlekleri için uygun bir kontrol şeklidir Bir aksın her iki tekerleğinin birlikte ayarında iki durum söz konusudur: Select-Low-Presibine göre Kontrol: Düşük sürtünme katsayılı tekerleğe göre her iki tekerleğin fren basıncının ayarlanması Bu şekilde yüksek sürtünme katsayılı tekerleğin fren kuvveti kapasitesi tamamen kullanılmaz Bu sayede yüksek yan kuvveti kapasitesi muhafaza edilmiş olur Sol ve sağ tekerlek fren kuvvetleri yaklaşık birbirine eşit olduğu için araç düşey ekseni etrafında dönmez Select-High-Prensibine göre Kontrol: Yüksek sürtünme katsayılı zemin üzerindeki tekerleğe göre her iki tekerin basıncının ayarlanması Bu tekerleğin fren kuvveti kapasitesi tam olarak kullanılırken, düşük sürtünmeli zemine ait tekerlek bloke olur Farklı fren kuvveti, bloke olan tekerlekte yan kuvvet kaybı olumsuz taraflarıdır Karma Kontrol : Prensip olarak her bir tekerlekte olduğu gibi, her tekerlek ayrı ayrı frenlemeyi yapmaktadır Ancak; bir aksın sağ ve sol tekerlekleri arasında farklı fren kuvvetleri varsa, fren basıncı önce düşük fren kuvvetli tekerleğe göre belirlenir, yüksek fren kuvvetli tekerleğin basıncı kademeli olarak artırılır Bu sayede ani savrulma tehlikesi giderilmiş olur Prof Dr N Sefa KURALAY 52

53 Teşekkür ederim Prof Dr N Sefa KURALAY Prof Dr N Sefa KURALAY 53