FRENLEMEDE ZAYIFLAMA SINIRININ TESPİTİ VE İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI

OTEKON 08 4. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 01 04 Haziran 2008, BURSA FRENLEMEDE ZAYIFLAMA SINIRININ TESPİTİ VE İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI Abdullah DEMİR Ali ÇAVDAR İbrahim KILIÇASLAN Kocaeli Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Otomotiv ABD, 41380, Umuttepe-KOCAELİ Özet Bir taşıtın frenleme performansını belirleyen en önemli paremetrelerden biri de, fren sistemindeki elemanlarda oluşan sıcaklık artışıdır. Frenleme esnasında oluşan yüksek sıcaklık; fren zayıflamasına, erken aşınmalara, fren sıvısının buharlaşmasına, yatak arızalarına, termik çatlaklara ve termik olarak uyarılmış titreşimlere sebep olmaktadır. Fren zayıflaması, özellikle yüksek yük, yüksek hız ve tekrarlı frenleme durumlarında meydana gelen frenleme gücündeki azalmadır. Fren zayıflaması, sürtünmeli fren sistemine sahip olan bütün taşıtlarda sıcaklığa bağlı olarak meydana gelen bir olaydır. Fren zayıflaması; balata zayıflaması, fren sıvısının kaynaması ve green fade (balatanın gazlaşması) olarak üç grupta incelenebilir. Literatürde ve endüstride farklı fren zayıflaması sınıflandırmaları da mevcuttur. Bu sınıflandırmaları genel olarak sıcaklık zayıflaması (balata zayıflaması, fren sıvısının kaynaması) ve mekanik fren zayıflaması olarak ikiye ayırmak daha doğru bir yöntemdir. Uygun sürüş tarzı, fren ekipmanları, malzeme dizaynı ve seçimleri fren zayıflamasını önemli bir oranda etkileyebilecek faktörlerdir. Bu çalışmada, hem sürüş tekniği hemde frenleme performansı açısından fren zayıflaması üzerine yapılan çalışmalar incelenmiş, incelemelerin ışığında fren zayıflama sınırının yükseltilmesi için gerekli çözüm önerileri belirtilmiştir. Anahtar Kelimeler: Frenleme performansı, fren zayıflaması, fren zayıflama sınırı ve çözüm önerileri DETERMINING AND IMPROVING OF BRAKE FADING THRESHOLD Abstract Braking performance of a vehicle can be significantly affected by the temperature rise in its brake components. High temperature during braking may cause brake fade, premature wear, brake fluid vaporization, bearing failure, thermal cracks, and thermally-excited vibration. Brake fade is the reduction in stopping power that can occur after repeated application of the brakes, especially in high load or high speed conditions. Brake fading can be a factor in any vehicle that utilizes a friction braking system including automobiles, trucks, motorcycles, airplanes, even bicycles. There are three separate and distinct types of brake fading; pad fading, fluid boiling and green fading. Also there are primarily two types of brake fading caused by heat; temperature fade (friction fade lining fading, fluid fading, boiling fluid)) and mechanical fading. Brake fade can be significantly reduced by appropriate driving manner, brake equipment, materials design and materials selection. In this study, both controlling brake fading through driving techniques and braking performance are investigated and solutions are recommended. Keywords: Braking performance, brake fade, brake fade limit and improving brake fading threshold

1. GİRİŞ Frenler; hareket halindeki taşıtı yavaşlatmak ve durdurmak, taşıtın hızını kontrol altında bulundurmak ve diğer taraftan duran taşıtı yerinde tespit etmek üzere kullanılmaktadır. Taşıtlarda tekerlek freni olarak sürtünmeli frenler kullanılmaktadır. Doğrudan doğruya tekerleğe bağlı olan bu frenler iki ana fonksiyonu yerine getirmektedirler. Bu fonksiyonlar; fren momentinin oluşturulması ve enerji değişiminin gerçekleştirilmesi olaylarıdır [1]. Otomobil ve ticari taşıtlarda kullanılan servis frenleri sürekli kullanılmaya uygun değillerdir. Uzun süreli kullanılmış ve yüksek hızlarda ani frenleme durumlarında tekerlek frenleri termik olarak aşırı yüklenmeye maruz kalmakta ve frenleme etkisinde zayıflama olmaktadır. Bununla birlikte, aşırı yüklemeler sonucunda fren sisteminin tamamen fonksiyonunu yitirmesi de görülmektedir. Bu yüzden özellikle ağırlığı fazla olan taşıtlarda yokuş aşağı seyirlerde sürekli kullanma amacıyla tekerlek freninden bağımsız ve sürtünmesiz frenler kullanılmaktadır. Disk-balata ara yüzeyindeki yani sürtünen yüzeylerdeki sıcaklık ve hız değişimi sürtünme katsayısını etkilemektedir. Artan sıcaklık ve artan kayma hızı ile sürtünme katsayısı düşerek sıcaklık zayıflaması ve hız zayıflaması meydana gelmektedir. Sıcaklık zayıflamasında hız zayıflamasından değişik olarak ön ve arka tekerleklerdeki sürtünme katsayıları farklı miktarlarda değişmektedir. Ön aks tekerleklerindeki fren kuvvetleri daha büyük olduğu halde arka aks frenleri daha az soğutulabildiğinden öne göre fazla ısınmaktadır[2]. Bir frenin iç çevrim oranı ne kadar küçükse, sıcaklık zayıflaması ve hız zayıflaması gibi etkiler de o kadar az hissedilmektedir. Bu nedenle iç çevrim oranlarının düşük olması disk frenlerin en önemli avantajlarını ortaya çıkarmaktadır. Kampanalı frenlerde ise iç çevrim oranı kampananın sıcaklık etkisiyle genleşmesi nedeniyle de ortaya çıkmaktadır. Fazla ısındığında kampana genleşerek çapı büyümekte ancak pabuçlar balataların siperleyici etkisiyle daha az ısınmakta ve daha az genleşmektedir. Bunun sonucu olarak normal sıcaklıkta balata kampana teması bütün yüzey boyunca iken ısınma sonucu balatanın orta bölgelerine kaymakta ve iç çevrim oranının % 20'si kadar da azalabilmektedir. Böyle aşırı bir ısınma sonrasında da kampana pabuçtan daha hızlı soğumakta ve temas balatanın uç bölgelerine kaymaktadır. Bu durum ise iç çevrim oranının % 40 kadar artmasına yol açabilmektedir [2]. Disk frenlerde ise ısıl genleşme dolayısıyla ortaya çıkan boyut büyümesi herhangi bir probleme neden olmamaktadır [2]. Bu çalışmada, frenleme etkisinin azalmasına neden olan fren zayıflaması ile ilgili yapılan çalışmalar ve oluşum süreçleri incelenmiş, frenleme zayıflamasının minimize edilmesi için alınabilecek metalurjik, konstrüktif ve tribolojik çözüm önerileri irdelenmiştir. 2. FREN ZAYIFLAMASI VE OLUŞUMU Fren zayıflaması, sürtünmeli fren sistemine sahip olan bütün taşıtlarda sıcaklığa bağlı olarak meydana gelen bir olaydır. Frenleme esnasında oluşan yüksek sıcaklık; fren zayıflamasına, erken aşınmalara, fren sıvısının buharlaşmasına, yatak arızalarına, termik çatlaklara ve titreşimlere sebep olmaktadır [3]. Fren zayıflaması; balata zayıflaması, fren sıvısının kaynaması ve green fade (balatanın gazlaşması) olarak üç grupta incelenebilir [4]. Buda yük zayıflaması, hız zayıflaması ve sıcaklık zayıflaması olarak üç mekanizma olarak karşımıza çıkmaktadır [5]. Sıcaklık ve sürtünen yüzeylerdeki relatif hızdaki değişim sürtünme katsayısını etkilemektedir. Artan sıcaklık ve kayma hızı ile sürtünme katsayısı düşerek frenleme zayıflamasına neden olmaktadır. Ancak, yapılan çalışmalarda ve endüstride farklı fren zayıflaması yaklaşımları da bulunmaktadır. Genel de ise; fren zayıflaması mekanik ve sıcaklık zayıflaması olarak bilinmektedir. Fren zayıflamasının nedeni olarak frenleme esnasında sürtünme katsayısındaki [µ] değişim ve kampanadaki genleşmedir. Artan sıcaklık ve kayma hızı ile sürtünme katsayısı arasındaki değişim Şekil 2.1 de görülmektedir. Şekil 2.1 Sürtünme katsayısının değişim grafiği [2] 2.1. Sıcaklık Zayıflaması Sıcaklık zayıflaması, balata zayıflaması, green fade ve fren sıvısının kaynaması olarak üç bölümde incelenmektedir. 2.1.1. Balata zayıflaması Balataların, en yüksek sürtünme katsyısını verebilecekleri optimal bir çalışma sıcaklığının olması gereklidir. Sert veya ani frenlemelerde sıcaklık maksimum sürtünme noktasındaki sıcaklığın üzerine çıkarak ve sürtünme katsayısını düşürmektedir. Sürtünme katsayısındaki bu düşme mekanizması değişebilmektedir. Belirli bir sıcaklıkta, balatanın belirli bileşenleri eriyebilmekte ya da bir yağlayıcı etkisi göstererek, balatanın klasik camlaşmış balataya dönüşmesine neden olmaktadır. Çok yüksek sıcaklıklarda sürtünme bileşenleri buharlaşmaya başlayarak ve balata ile sürtünme çifti arasında bir yağlayıcı film oluşarak sürtünmelerini engellemektedir. Bu durumda balatalar sertleşmekte ve durma mesafesi uzamaktadır. Balataya dayalı fren zayıflaması hem kampanalı hem de diskli frenlerde meydana gelebilen bir durumdur. 2

2.1.2. Fren yüzeyinin gazlaşması (Green fade) Yeni tip fren balatalarında meydana gelen bir fren zayıflamasıdır. Fren balataları genellikle fenolik reçineli bir bağlayıcı ile birlikte farklı tiplerde ve ısıya dayanıklı malzemelerden yapılır. Bunlar yüksek bir ısı direncine sahip olan termoset plastik reçinelerdir. Yeni fren balatalarındaki bu reçineler; ilk birkaç sert frenlemeden sonra ısı döngüsü etkisiyle gazlaşmakta ve sertleşmektedirler. Bu durumda balata-disk arayüzünde gaz tabakası oluşmaktadır. Birçok insan yeni balataların mükemmel olduğunu düşünebilir fakat green fade ortamını oluşturduğundan çok tehlikelidir. Green fade frenlemenin erken aşamalarında vuku bulduğundan ve geç fark edilebilecek bir olay olmasından dolayı tehlikeli bir durumdur. Green fade, balataların tabakalaşmasıyla veya reçinelerin pişirilmesi ve kontrollü olarak balataların alıştırılması ile önlenebilecek bir durumdur. 2.1.3. Fren sıvısına bağlı fren zayıflaması Fren sıvısına bağlı olarak fren zayıflaması, fren sıvısının kaynaması sonucunda olşuşmaktadır. Bu durum fren sisteminde hava kabarcıklarının oluşmasına neden olduğundan, pedalın yumuşamasına sebep olabilmektedir [6]. Bu durumun önüne geçmek için; semerin, diskin ve balatanın boyutunu büyütmek gerekmektedir. Kütle artışı ile daha fazla termik enerjinin depolanmasına sebep olmaktadır. Bu seçenek pahalı ve konstrüktif sınırlamaları da beraberinde getiren bir seçenektir [7]. Ayrıca balatalardan fren sıvısına geçen ısı transferinin azaltılmasıda düşünülebilecek yöntemlerden biridir. 2.2. Mekanik Fren Zayıflaması Mekanik fren zayıflaması, sıcaklığa bağlı olarak gelişmektedir. Kampananın fiziksel değişime uğraması mekanik fren zayıflaması olarak kabul edilmektedir. Kampanalı frenlerde, kampananın sıcaklık etkisiyle genleşmesinden dolayı oluşan bir fren zayıflaması çeşididir. Bu genleşme fren pabuçlarının strokunu da arttırmaktadır[8]. Bunun sonucu olarak normal sıcaklıkta balata-kampana teması bütün yüzey boyunca iken ısınma sonucu balatanın orta bölgelerine kaymakta ve iç çevrim oranı azalmaktadır. Böyle aşırı bir ısınma sonrasında bu defa kampana pabuçtan daha hızlı soğumakta ve temas balatanın uç bölgelerine kaymaktadır. Bu durum ise iç çevrim oranının yaklaşık olarak % 40 ı kadar artmasına yol açmaktadır. Frenlemelerde disk ve balata ara yüzünde oluşan ısının çok hızlı bir şekilde dışarıya atılması gerekmektedir. Aksi takdirde ara-yüzde oluşan yüksek sıcaklıklar; frenlerin zayıflamasına, erken aşınmalara, fren sıvısının buharlaşmasına, yatak arızalarına, termik çatlaklara, termik olarak uyarılmış titreşimlere, martenzit, sementit ve alüminyum oksit oluşumuna, kızgın nokta oluşmasına, renk değişimine, şekil değişimi ve çarpılma gibi durumlara sebep olabilmektedir. Bu gibi problemlerin önüne geçmenin en büyük çözümü frenleme esnasında oluşan ısının en kısa sürede dışarıya atılmasıdır. Frenleme esnasında oluşan ısınının hızlı bir şekilde soğurulması amacıyla frenlerin yerleştirildiği bölgenin kapalı olmaması gerekmektedir. Buna ek olarak disklerde; konstrüktif, metalurjik ve tribolojik iyileştirmelerle diskbalata ikilisinin ısıl davranışları optimize edilebilir duruma getirilmektedir. 3.1. Konstrüktif/Geometrik Yapı Diskli frenler, tekerlekle eş eksenli olarak monte edilmiş olan metal bir disk ile tekerlekler birlikte dönmektedir. Semer adı verilen ve tekerlek askı kollarına bağlı olan bir parça, diski genel olarak bir köşesinden kavramaktadır. Kaliperin iç kısımlarında diskin iki yüzeyine yaslanan balatalar frenleme sırasında hidrolik basınç ile diskleri her iki yönden eşit kuvvetle sıkmaktadır(şekil 3.1). Balataların diski her iki yandan eşit kuvvetle sıkıştırabilmesi için ya diskin ya kaliperin ya da her iki balatanın eksenel yönde hareketli olması gerekmektedir. Hareketlilik açısından konstrüktif yapılara göre farklılıklar gösteren diskler Şekil 3.2'de gösterilmiştir [2]. Şekil 3.1 Basit bir diskli fren sisteminin kesit resmi 2.3. Frenleme Türlerinin Fren Zayıflamasına Etkisi Frenleme türleri olarak; tekrarlı frenleme, sürekli frenleme ve yüksek hızlar da ki ani veya panik frenleme mevcuttur [9]. Bu frenleme türlerinden tekrarlı frenleme ve sürekli frenleme koşulları sıcaklığa bağlı fren zayıflamasına sebep olmaktadır. 3. FREN ZAYIFLAMASININ AZALTILMASINA YÖNELİK ALINABİLECEK ÇÖZÜM ÖNERİLERİ Balata ve diskin frenleme esnasındaki durumları fren sisteminin yapısal durumunu göstermektedir. Şekil 3.2 Farklı yapıya sahip kaliper ve diskli frenler [2] 3

Taşıt tekniğinde diskli frenlerin gelişmesi sabit kaliperli tiple başlamıştır. Eksenel yönde hareketsiz olarak monte edilmiş olan kaliperin her iki yanında karşılıklı duran fren silindirlerindeki hidrolik basınçları eşittir. Diskin eksenel yöndeki balanssızlığı pistonların hareketleri ile dengelenmektedir. Şekil 3.2b'deki kayar kaliperli konstrüksiyon, kayma bölgelerinin korozyon ve tozdan iyi korunabiliyor olması nedeniyle daha çok kullanılmaktadır. Fren konstrüksiyonunda ısınma ile ilgili hususlara gelince; fren sisteminin çok çabuk ısınmasını önlemek için ısı depolama kapasitesinin büyük olması gerekmektedir. Bu kapasite, özgül ısı kapasitesi ile fren ağırlığının çarpımı (c * GF) ile elde edilir. Bu durumda fren sisteminin büyük ve özgül ısı kapasitesinin de yüksek olması gerekmektedir. Taşıt konstrüksiyonu ile ilgili sınırlayıcı faktörler nedeniyle özellikle otomobillerde frenler fazla büyük olamamaktadır. Fren sisteminde, frenleme anında oluşan ısının mümkün olduğunca çabuk bir şekilde dışarı atılabilmesi gerekmektedir. Bunun yapılabilmesiyle frenleme sırasında sıcaklığın hızlı artması önlenmekte ve fren bırakıldığında da hızlı bir soğuma sağlanmış olmaktadır. Bu nedenle frenlerin yerleştirildiği bölgenin kapalı olmaması gerekir. Isının çabuk atılabilmesi için frenler seyir rüzgarının havalandırma etkisine açık olarak yerleştirilmelidirler. Ayrıca ısıyı veren yüzey alanının büyütülmesi ile de ısı hızlı bir şekilde atılmaktadır. Bu amaçla fren diskine, soğutma kanalı ve kanatları eklenebilmektedir. Daha geniş disk ya da kampana kullanmak daha iyi frenleme kapasitesi ve daha az fren zayıflaması olasılığı açısından bir avantajdır [10]. Fren sisteminde frenleme anında soğutma etkinliğini arttıran her türlü uygulama sıcaklığa bağlı olan fren zayıflamasının da azaltılmasını sağlamaktadır. Bu amaca yönelik bazı önemli uygulamalar aşağıda verilmiştir. Havalandırmalı disk uygulaması(şekil 3.3), Havalandırmalı ve delikli disk uygulaması(şekil 3.4); Diskler üzerine açılan delikler diskin soğutma etkinliğini arttırarak fren zayıflaması olasılığını azlaltmaktadır. Ancak deliklerin üzerindeki keskin köşeler gerilme noktaları meydana getirerek, disklerin delik bölgelerinden çatlamasına sebep olabilir. Bu olasılığı minimize etmek için değişik delik açma geometrileri geliştirilmiştir. Bu uygulamalardan biride sinüs eğrisi yöntemiyle delik açma yöntemidir [11]. Havalandırmalı ve kanallı disk uygulaması (Şekil 3.5); Kanallı diskler, daha büyük frenleme yüzeyine sahip olmasının yanında balataların temiz kalmasını sağlamaktadır. Bu tür balatalar, aşırı frenleme koşullarında hafif bir titreşim oluşturabilir. Havalandırmalı, delikli ve kanallı disk uygulaması(şekil 3.6), İçten havalandırmalı, çapraz delikli seramik kompozit fren diski uygulaması(şekil 3.7); Bu diskler daha çok yarış otomobillerinde ve spor tip taşıtlarda kullanılmaktadırlar. Bir araç için maliyetleri oldukça yüksektir. Ayrıca, metalik disklerin yaklaşık yarı ağırlığına sahip olduğundan askıya alınmamış ağırlığın azalması nedeniyle yakıt tüketimide azalmaktadır. Buda fren diski ve balatanın yüksek performans, frenleme konforu ve daha uzun servis ömrü de sağlamasına neden olmaktadır [12]. Havalandırma kanatçıklı kaliper uygulaması(şekil 3.8), Su soğutmalı kaliper uygulaması; Bazı yarış otomobillerinde kullanılmaktadır. Fren soğutma hava yolu uygulaması(şekil 3.9); Seyir rüzgarından yararlanarak diskin soğutulmasının gerçekleştirilmesi için uygulanan bir başka yöntemdir. Şekil 3.3 Havalandırmalı disklere ait görünümler Şekil 3.4 Havalandırmalı ve delikli disk Şekil 3.5 Havalandırmalı ve kanallı disk

3.1.1. Sıvı elementlerle disklerin soğutulması Disklerin soğutulmasında kapalı sistemli sıvı metal uygulayarak soğutmasının sağlanması fikri motorlarda egzoz supaplarının soğutulmasına yönelik kullanılan bir uygulamadan hareketle düşünülmektedir[13]. Buradaki uygulama bir ısı borusu uygulamasına benzemektedir. Soğutma sıvısı olarak, 1A grubu elementlerinden olan sodyum, lityum, potasyum ve rubidyum kullanılabilir. Tablo 3.1 de 1A grubu elementlerinin fiziksel özellikleri verilmiştir. Tablo 3.1 1A grubu elementlerin fiziksel özellikleri Şekil 3.6 Havalandırmalı, delikli ve kanallı disk ELEMENTLER Yoğunluk Erime [C] Kaynama [C] Ort. Özgül ısı kapst. [kj/(kgk)] Isı iletim kats. [W/(m.K)] Erime ent. [kj/kg] Lineer termik genl. kats. [x10 6 /K] Sodyum 0.97 97.81 883 1.24 141 115 70.6 Lityum 0.53 180.5 1317 3.3 84.7 663 56 Potasyum 0.86 63.65 745 0.74 102.4 61.4 83 Rubidyum 1.53 38.9 688 0.33 58 26 90 Şekil 3.7 İçten havalandırmalı, çapraz delikli seramik kompozit fren diski Ancak Lityum un Türkiye de rezervi bulunmamaktadır. Rubidyum ise nadir bulunan bir elementtir. Geriye sadece sodyum ve potasyum kalmaktadır. Sodyum, diskin soğutulması için kullanılacak en ideal bir elementtir. Burada diskin içerisine yerleştirilecek sodyumun sıcaklığa bağlı olarak yoğunluğunun nasıl değiştiği, lineer ve volümetrik (hacimsel) genleşme katsayılarının tespiti önemli bir problemdir. Sıvı sodyumun ve sodyum buharının yoğunluğunun sıcaklıkla değişimi ile ilgili bilgiler Tablo 3.2 de gösterilmiştir. Tablo 3.2 Sodyumun yoğunluğunun sıcaklıkla değişimi ile sıvı ve buhar fazındaki sodyumun anlık hacimsel termik genleşme değerleri [14] Şekil 3.8 Havalandırma kanatçıklı kaliper Şekil 3.9 Hava yoluyla fren sisteminin soğutulması Sıcaklık [K] Sıcaklık [C] Sıvı yoğunluğu [kg/m 3 ] Buhar yoğunluğu [kg/m 3 ] Sıvı α p * 0-4 [K -1 ] Buhar α p *10-3 [K -1 ] 400 126.85 919 1.24*10-9 2.41 2.55 500 226.85 897 5.03*10-7 2.50 2.23 600 326.85 874 2.63*10-5 2.60 2.01 700 426.85 852 4.31*10-4 2.71 1.85 800 526.85 828 3.43*10-2 2.82 1.73 900 626.85 805 6.01*10-2 2.95 1.64 1000 726.85 781 6.03*10-2 3.10 1.57 1100 826.85 756 0.168 3.26 1.50 1200 926.85 732 0.394 3.45 1.44 5

3.2. Metalurjik Yapı Uygun bir frenleme için frenleme sisteminin; yüksek ve kararlı sürtünme katsayısına, iyi bir termik kapasiteye, aşınma direncine, malzemenin mekanik direncine, optimum ağırlığa ve çevresel malzemelerin kullanılması gibi kriterlere sahip olmalıdır [15]. İnce grafit tabakalı dökme demir, termik yorulma dayanımından, ses oluşturmamasından, titreşimsiz karakteristiklerinden ve aşınma dirençlerinden dolayı disklerin yapımında kullanılan bir malzemedir. Hafif ve ağır ticari taşıtlarda yüksek termik iletkenliğe sahip olan yüksek karbonlu ve grafit tabakalı dökme demir disklerdeki termik yükü azaltıltığı için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu taşıtların diskleri binek otomobillerin disklerinden daha fazla termik gerilmelere maruz kaldığından termik yorulma dayanımı da yüksek olmak zorundadır [16]. 3.2.1. Disk metalurjisi Disk malzemesi olarak; ince grafit tabakalı dökme demir, yüksek karbonlu grafit tabakalı dökme demir, alüminyum metal matriks kompozit (Al-MMK), dökme çelik, karbon-karbon kompozit, genel olarak % 20 SiC- Alüminyum metal matriks kompozitle güçlendirilmiş, karma (Mixed) yapı ve seramikler kullanılmaktadır. 3.2.1.1. İnce grafit tabakalı dökme demir İnce grafit tabakalı dökme demir termik yorulma dayanımındaki kapsayıcı mükemmelliğinden, ses oluşturmamasından, titreşimsiz karakteristiklerinden ve aşınma dirençlerinden dolayı disklerin yapımında kullanılmaktadır. Dökme demir diskler; gri dökme (GI250), yüksek karbonlu gri dökme demir (GIHC), titanyum alaşımlı dökme demir (GI250Ti) ve kompakt grafitli demir(cgi) olarak sınıflandırılmaktadır. 3.2.1.2. Yüksek karbon grafit tabakalı dökme demir Hafif ticari taşıtlarda, termik yükün azaltılması için yüksek termik iletkenliğe sahip yüksek karbonlu ve grafit tabakalı dökme demir diskler yaygın olarak kullanılmaktadır. 3.2.1.3. Dökme çelik Hafif ve ağır ticari taşıtların diskleri, binek otomobillerin disklerinden daha fazla termik gerilimlere maruz kaldığından termik yorulma dayanımı da yüksek olmak zorundadır. Bu nedenle bazı ticari taşıtların fren diskleri dökme çelikten yapılmasına rağmen bu taşıtlarda Ni (nikel), Mo (molibden) ve Cr (krom) katkılı olarak imal edilen ince grafit tabakalı dökme demir diskleri de yaygın olarak kullanılmaktadır. 3.2.1.4. Alüminyum metal matriks kompozit Alüminyum metal matriks kompozit (Al-MMK), kimyasal özelliklerini SiC ve Al 2 O 3 miktarına göre değişmektedir. Maliyetleri gri dökme demirin yaklaşık 2-3 katıdır. Günümüzde diskli frenler, otomobil ve tren gibi taşıtları durdurulması için kullanılan en yaygın fren konstrüksiyonudur [17]. Otomobillerde ağırlığı azaltma yönündeki çalışmalarda, hedef alınan parçalardan biri de fren sistemleridir. Fren sistemleri halen oldukça ağır malzemelerden imal edilmektedir. Otomobillerde fren diski malzemesi olarak genellikle gri dökme demir kullanılmaktadır. Son yıllarda otomotiv üreticileri, binek otomobiller için daha hafif ve daha üstün özelliklere sahip olan Al-MMK fren diski ve kampanaları üretmeye başlamışlardır. Al-MMK ler, dökme demire göre oldukça hafif olmaları (%45-%61 [18,19,20]), yüksek ısıl iletkenlikleri, spesifik ısıları ve dökme demire göre oldukça üstün olan mekanik özellikleri ve aşınma dirençleriyle, fren sistemlerinde disk malzemesi olarak cazip hale gelmektedir [21,22,23]. Fakat Al-MMK malzemelerin fren sistemlerinde yaygın bir şekilde kullanımının önünde bazı engeller bulunmaktadır. Bu malzemenin üretiminde karşılaşılan en önemli problem matris malzeme ile takviye malzemesi arasındaki ıslatma sorununa etkili bir çözüm getirilemiş olmasıdır. Diğer bir engel ise maliyet sorunu olarak gösterilmektedir [19, 24]. Ancak, Al-MMK lerin, fren diski olarak yaygın bir şekilde kullanılabilirliğinin önüne maliyet engelini koyan araştırmacılara karsı görüşte bulunan araştırmacılar da bulunmaktadır. Al-MMK konusunda araştırmalar yapan Warren ve arkadaşlarının; Varuzan Kevorkijan ın, Al-MMK lerin, fren diskleri için dökme demir muadilleriyle maliyet yönünden rekabet edebilir olmadığı yönündeki ifadeleri kullandığı makalesine [19], aynı dergiye gönderdiği cevap yazısında [20] bunun aksi görüşleri ileri sürmektedir. Hunt ve Herling, ABD Enerji Bakanlığı nın Freedom-CAR programı çerçevesinde Pacific Northwest National Laboratory de yürütülen çalışmalar sonucunda, uygun özellikte Al-MMK fren diskini düşük maliyetle üretebildiklerini belirtmektedir. Hunt ve Herling, bu konudaki çalışmalarına, direkt sıkıştırma döküm yöntemi ile devam ettiklerini belirtmektedir. Maliyet konusunda bir ilave de Al-B 4 C malzemeler için yapmak gerekebilir. B 4 C (bor karbür) tozlarının maliyetinin, SiC veya Al 2 O 3 gibi takviye malzemelerine kıyasla daha yüksek olması sebebiyle B 4 C takviyeli Al-MMK ler üzerinde yapılan araştırmaların nispeten sınırlı kaldığı belirtilmektedir [25]. 3.2.1.5. Karma disk Fren diskinin orta kısmı alüminyum alaşımından, frenleme yüzey kısımı ise dökme demir olan disktir [26]. Sıcak bölgeden soğuk bölgeye ısı transferini hızlandırmak için bu tür çalışmalarda yapılmaktadır. 3.2.1.6. Seramik fren diski Yüksek performanslı spor ve yarış otomobillerinin güvenli bir şekilde durdurulabilmesine son derece büyük önem veren otomobil endüstrisi seramik fren disklerini kullanmaya başlanmışlardır. Fiber takviyeli seramikten oluşan bu fren disklerinin gösterdikleri performans oldukça yüksektir. Seramik fren diskli taşıtlar daha ani hızlanmalara sahip olabilmektedirler. Bunun nedeniyse seramikten yapılan disklerin, normalde kullanılan dökme demir disklerden yaklaşık % 60 oranında daha hafif 6

olmasıdır. Aynı zamanda tekerleklere de daha az ağırlık binmesinden dolayı, sürücüye verilen direksiyon hakimiyeti de artırılmış da olmaktadır. Bunun yanısıra sert süspansiyon sisteminin de yol tutuşundan asla ödün vermeden daha yumuşak ve konforlu hale gelmesi sağlanmaktadır. Seramik fren diski, alışılagelmiş normal dökme demir fren disklerine oranla çok daha fazla avantaj sağlamaktadır. Seramiğin 1400 dereceye kadar ısıya dayanması, sürekli frene basıldığında frenin fazla "ısınıp şişmesi'' ve kaydırması gibi durumları ortadan kaldırmaktadır. Seramik kullanımı, frenlerin soğukken de iyi performans göstermesini sağlamaktadır. Seramik fren disklerinin en büyük avantajlarından biride 300.000 km ye kadar dayanıklı olması ve kimyasal yapısından ötürü de paslanmamasıdır [27]. 3.3.1. Balatanın metalurjik yapısı Fren balatası, frenlemede sürtünme boyunca oluşan kinetik enerjiyi ısı enerjisine dönüştürmektedir [28]. Fren balatalarının maruz kaldıkları aşırı sıcaklık sürekli veya uzun süreli olursa balatanın zarar görmesine neden olabilmektedir [29, 30]. Fren balatasından; kararlı sürtünme katsayısı, düşük aşınma oranı, düşük ses, titreşimsizlik ve ısıl deformasyona direnci gibi birçok özellik aranmaktadır [31]. Balatalar; organik, yarı metalik ve asbestsiz olmak üzere üç ana gruba ayrılmaktadır. Bu balataların performansları ve kullanım alanları da farklıdır. Balatayı oluşturan bileşenler bağlayıcı, elyaf, sürtünme ayarlayıcı, dolgu maddesi, yağlayıcı, temizleyici ve renklendiricilerdir [32]. Tablo 3.3 de balatalarda kullanılan yaygın elyaf güçlendiricilerin karşılaştırmalı tribolojik özellikleri verilmiştir [33]. Tablo 3.3 Balata malzemelerinin tribolojik özellikleri (1 = Mükemmel, 2 = İyi, 3 = Orta, 4 = Zayıf) Malzemeler ve Karakteristik Özellikleri Cam Aramid Potassium titanat Karbon Seramik Bakır/Prinç Çelik Asbest Taş yünü Sürtünme Katsayısı 2 2 2 3 2 2 2 2 2 Termik Kararlılık 3 3 2 1 2 2 2 2 2 Aşınma Oranı 2 2 2 2 2 2 1 3 3 Malzeme Dayanımı 2 2 3 2 3 2 1 2 4 Gürütü 3 2 3 2 3 2 3 3 3 Diske Vurma 3 2 3 2 4 2 3 2 3 Termik İletkenlik 2 2 2 4 1 4 4 2 2 İşleme Kolaylığı 3 3 2 3 3 2 2 2 3 Ekonomiklik 2 3 3 4 3 3 2 1 1 Balatalar, % 20-80 oranında mineral esaslı malzemelerden, %10-60 oranında organik esaslı malzemelerden, % 20-40 oranında bağlayıcı elemanlardan, %10-20 oranında madeni esaslı malzemelerden ve renk verici oksitlerden oluşturmaktadır [34]. Bağlayıcı malzeme olarak genellikle fenol formaldehit reçine kullanılmaktadır. Fenolik reçinenin yüksek sıcaklıktaki kararlılığı da alevlenmeye karşı mukavemetli olmasını sağlamaktadır [35]. 4. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Frenleme performansını arttırmak ve fren zayıflamasını minimize etmek için frenleme anında oluşabilecek yüksek sıcaklığın hızlı bir şekilde azaltılması ile ilgili yapılan çalışmalar incelenmiş, bu incelemelerin ışığında yapılabilecek çözüm önerileri araştırılmıştır. Özellikle ağır ticari ve uzun yol taşıtlarının (değişen yol ve hava şartlarına bağlı olarak uzun süreli, tekrarlı ve ani frenleme durumların da) disk ve balata yüzeylerinde yüksek sıcaklıklardan dolayı oluşan termik gerilmelerin önüne geçmek gerekmektedir. Bunun için fren zayıflamasını minimize etmenin yolu ise diskin soğumasını hızlandırmaktır. Sürekli frenlemelerde kritik kayma hızının aşılmaması da önemli bir termik parametredir. Kritik kayma hızı aşıldığında disklerde kızgın noktalar ve kızgın bantlar oluşabilmektedir. Frenleme esnasında oluşan ısının hızlı bir şekilde soğurulması için frenlerin yerleştirildiği bölgenin kapalı olmaması hem tekrarlı frenlemelerde hemde uzun süreli çalışmalar sonundaki yüksek verimlilik için önemlidir. Fren disklerinin soğutulması için farklı kontrüksiyon yapısına sahip delikli, kanatçıklı ve hava kanallı diskler ile seramik ve kompozit yapılı bir çok disk malzemesi çözüm için kullanılabilecek alternatiflerdendir. Bunun yanında, frenlerin soğutulmasına yönelik hava yolu uygulaması, havalandırma kanatçıklı ve su soğutmalı semer uygulamaları ile daha etkin bir soğutma sağlamak uygulanan diğer yöntemlerdendir. Sonuç olarak, diskin teknik özellikleri ile uygun bir disk çapının birlikteliği optimum frenleme performansını artıracaktır. Frenleme perfonmansı sadece semer sayısına, disk çapına ve malzemesine bağlı değildir. Bu özelliklerin yanısıra aynı zamanda baskı gücüne ve birlikte çalışan mekanik, hidrolik, havalı ve elektronik fren sistemlerinin gelişimine ve bu sistemlerle ne oranda bir uyum içinde olduklarına da bağlı olarak değişmektedir. Doğal olarak sistemdeki her parça ona göre tasarlanarak, sistemin "zayıf halkası" ortadan kaldırılmalıdır. Fren zayıflaması gibi bir çok problemin, fren sistemlerinin mekanik parçalardan arındırılarak elektronik bir yapıya kavuşturulması ile tamamen ortadan kalkacağı düşünülmektedir. KAYNAKLAR [1]. Demir, A., Çavdar, A., Kılıçaslan İ., Diskli Frenlerde Termo-Elastik Kararsızlığın İncelenmesi, MTET Sempozyumu, 05-07, 2005. [2]. Göktan, A., Güney, A., Ereke, M., Taşıt Frenleri, Alliedsignal Automotive, İstanbul, Ocak 1995. [3]. Kwangjin, L., Numerical Prediction of Brake Fluid Temperature Rise During Braking and Heat Soaking, Delphi Automotive Systems, SAE Technical Paper Series, 1999-01-0483. 7

[4]. Stephen, R., Carroll, S., Glossary of Braking Terminology, http://www.stoptech.com/. [5]. Rhee, S. K., Wear of Metal Reinforced Phenolic Resin, Wear, 18, pp. 471-477, 1971. [6]. http://www.ser.net/car_info/brake_performance.ht ml. [7]. http://www.seinesystems.com/brakefade.html; Brake Fade And Ti Brake Shields; Using Ti Brake Shields to Reduce Brake Fluid Fade Seine Systems' Solution to Brake Fade [8]. Anonymous, Toyota technical training Appendix A-Glossary of terms, 2005. [9]. Limpert, R., Brake Design and Safety, Society of Automotive Engineers, 2001. [10]. Jörnsen, R., Helmut, S., Jürgen, W. B., The Automotive Chassis: Engineering Principles, Second Edition, Butterworth-Heinemann, 2001. [11]. www.raceshopper.com, Discount Performance Cross Drilled and Slotted Brake Rotors, 2004. [12]. www.germancarfans.com, Porsche Ceramic Composite Brake, 06-09-2004. [13]. Demir, A., Taşıtlarda Frenleme Esnasında Oluşan Termal Yüklerin Minimizasyonu, II. Altı aylık rapor çalışma raporu, 27.12.2006. [14]. Hornung, K., Adiabatic and Isothermal Compressibility in the Liquid State, Chapter 6.4 in Handbook of Thermodynamic and Transport Properties of Alkali Metals, Blackwell Science Publications, Boston, 1985. [15]. Hohmann, C., Schiener, K., Oerter, K., Reese, H., Contact analysis for drum brakes and disk brakes using ADINA, Computers and Structures 72, 185±198, Germany, 1999. [16]. Junichiro, Y., Masami T., Toshiharu M., Development of Disc Brake Rotors for Heavyand Medium-Duty Trucks with High Thermal Fatigue Strength, Technical Review, No:15, 2003. [17]. Bettge, D., Starcevic, J., Topographic properties of the contact zones of wear surfaces in disc brakes, Wear 254, 195 202, 2003. [18]. Huang, S. X., Paxton, K. A., Macrocomposite Al Brake Rotor for Reduced Weight and Improved Performance, JOM, 1998. [19]. Kevorkijan, V., Engineering Wear-Resistant Surfaces in Automotive Aluminum, JOM, Volume 55, Number 2, 01.02.2003. [20]. Hunt, J., W. H., Herling, D., Cost-Effective Composites, JOM, April 2003. [21]. Shorowordi, K. M., Processing and tribological charaterization of aluminium based metal matrix composites for brake disc/drum applications, http://www.mtm.kuleuven.ac.be/research/surf/ webkms.htm, 14.08.2006. [22]. Straffelini, G., Pellizzari, M., Molinari, A., Influence of load and temperature on the dry sliding behaviour of Al-based metal-matrixcomposites against friction material, Wear 256, 754 763, 2004. [23]. Shorowordi, K. M., Haseeb, Celis, J. P., Velocity effects on the wear, friction and tribochemistry of aluminum MMC sliding against phenolic brake pad, Wear 256, 2004. [24]. Nakanishi, H., Kakihara, K., Nakayama, A., Murayama, T., Development of aluminum metal matrix composites (Al-MMC) brake rotor and pad, JSAE Review 23, 2002. [25]. Zhang, H., Ramesh, K. T., Chin, E.S.C., High Strain Rate Response of Aluminium 6092/B4C Composites, Materials Science and Engineering, A 384, 2004. [26]. Anonymous, http://home.wanadoo.nl/this-is-meat/brembo/brembo.html, 22.08.2002. [27]. Anonim,http://members.fortunecity.com/otoaytac/ seramik.html. [28]. Chichinadze, A. V., Temperature Distribution in Disk Brake, Friction and Wear in Machinery, 15, pp. 259-275, 1962. [29]. Reinsch, E. W., Sintered metal brake linings for automotive applications, Delco-Moraine Division, General Motors Corp. Dayton, Chapter 2, pp. 9-21, Ohio, 1970. [30]. Boz, M., Toz Metalurjisi ile Üretilmiş Bronz Esaslı Fren Balata Malzemelerinin Sürtünme- Aşınma Davranışlarının İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 1999. [31]. Handa, Y., Kato, T., Effects of Cu Powder, BaSO 4 and Cashew Dust on the Wear and Friction Characteristic of Automotive Brake Pads, Tribology Transactions, Vol.39, pp. 346-353, 1996. [32]. Ayar, H. H., Disk Fren Balatalarında Bileşimin Performansa Etkilerinin Deneysel İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Konya, 1991. [33]. Eggleston, D., Eurac-Technical Bulletin, 00010433, 2000. [34]. Gemalmayan, N., Sürtünme malzemelerinin özelliklerinin deneysel incelenmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Müh. Mimar. Fak., Ankara,1984. [35]. Lambla, M., Vo, V., Optimization of Phenolic Resin for Friction Materials Polymer Composites, Volume 7, 5, pp. 262-273,1986 8