OTOMOTİV TEKNOLOJİLERİ Prof. Dr. Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Erzurum
Bu hafta Şasi Sistemleri Tekerlekler ve Lastikler Süspansiyonlar Direksiyon Sistemleri Fren sistemleri
Fren Sistemleri Fren sistemlerinin çalışma mekanizmasını açıklayan iki tür sürtünme söz konusudur; kinetik (hareketli) ve statik (durgun). Frenleme ön tekerleklere gelen kuvveti artırır Hareket yönü Frenleme arka tekerleklere gelen kuvveti azaltır Statik sürtünme Kinetik sürtünme Statik sürtünme Fren yapınca sürtünme elemanlarında kinetik sürtünme, lastik ile yol arasında ise statik sürtünme oluşur ve bu sayede araç yavaşlar. Fren esnasında aracın ağırlığı ön tekerleklere arka tekerleklere göre daha fazla transfer edilir.
Fren Sistemleri Fren sistemi en önemli sistemdir. Aracı yavaşlatmaya veya durdurmaya yarar. Frenleme esnasında kinetik enerji ısı enerjisine dönüşür (KE=1/2 mv 2 ) Parçaları Fren akışkanı (fren hidroliği) Merkez silindir Güç yükseltme elemanı Kontrol valfleri Tekerlek fren bağlantıları Park freni ABS sistemi
Frenlemeyi Etkileyen Parametreler Basınç Birbirine temas eden iki hareketli yüzey arasındaki sürtünme miktarı, yüzeylere etki eden basınca kısmen bağlıdır Sürtünme katsayısı İki yüzey arası sürtünme miktarı (balata ve rotor veya pabuç ve kampana) Bir cismi bir yüzey üzerinde çekmek için gerekli kuvvetin cismin ağırlığına bölünmesi ile bulunur.
Frenlemeyi Etkileyen Parametreler Sürtünme temas yüzeyi Temas eden yüzey alanı Basitçe söylemek gerekirse daha büyük fren kullanımı aracı daha hızlı durdurur. Isı atımı Fren yüzeylerinin sürtünmesi ile çok yüksek seviyede ısı açığa çıkar ve fren sisteminden uzaklaştırılması gerekir.
Sürtünme Malzemesi Türleri Tam metalik Yüksek mukavemetlerinden dolayı bu tür balatalar özellikle ağır vasıtalarda yaygın olarak kullanılır. Yüksek pedal basıncı gerektirirler ve kampana ve rotorların yüksek hızda aşınmasına neden olurlar.
Sürtünme Malzemesi Türleri Yarı metalik Daha yapışkan yapılıdırlar. Mukavemetleri ve sürtünme karakteristikleri çok daha yüksektir ve daha az basınç gerektirirler. Yarı metalik balata ve pabuçlar rotor ve kampanaların çok fazla aşınmasına neden olmazlar.
Sürtünme Malzemesi Türleri Organik (Metalik olmayan) Fren sistemlerinde uzun yıllar asbestli malzemeler kullanılmıştır. Asbestli malzemelerin sürtünme karakteristikleri çok üst düzeydedir, çok az aşınırlar ve çok az gürültüye neden olurlar. Günümüzde kompozit/organik seramikler ve karbon fiberler gibi yeni malzemeler kullanılmaktadır çünkü asbestli malzemeler çok ciddi solunum problemlerine neden olmaktadır.
Sürtünme Malzemesi Türleri Sentetik Günümüzde asbestsiz kampana malzemeleri sentetik maddelerden üretilmektedir. Büyük fren balatası üreticileri uzun ömürlü, yüksek sürtünme karakteristikli, daha az seviyede kampana ve rotor aşınmasına neden olan ve ısıyı daha hızlı uzaklaştırabilen malzemeler üzerinde çalışmaktadır.
Hidrolik Prensipler, Paskal Kanunu Hidrolik akışkan çıkış kuvvetini nasıl artırır?
İkili Hidrolik Fren Sistemi Ön arka ayrı Video Fren sistemi nasıl çalışır? Çapraz
Merkez Silindir Fren pedalını ana silindir pistonuna bağlayan bir itme kolu bulunur. Pedala basıldığında, piston ileri itilir ve pistonun önündeki akışkan fren sistemine doğru iter. Pedala daha fazla kuvvet uygulandığında akışkan sisteme daha fazla kuvvet iletmiş olur.
Merkez Silindir Dengeleme kanlı; fren merkez silindirinde hidroliğin depoya gelmesini sağlayan küçük kanal Durma anında (frene basılmazken) Depodaki akışkan, dengeleme kanalından pistonun önüne doğru akabilir. Bu sayede sistem dolu kalır ve sıcaklık değiştiğinde basıncın değişmemesi sağlanır. Dengeleme kanalı Lastik halka ve piston ileri itilir BOŞTA Emme kanalı
Merkez Silindir Fren esnasında Piston ileri itilir ve dengeleme kanalı kapanır. FREN Lastik halka ve piston dengeleme kanalını geçer Silindirde artan basınç
Merkez Silindir Fren bırakıldığında Pedala basılmadığında yaylar sayesinde piston geri gelir. Lastik halka toparlanır ve akışkan basıncın hızla düşebilmesi için akışkanın geriye doğru akmasına izin verir. PEDAL BIRAKLIDIĞINDA Akışkan basıncı ve yay sayesinde piston hareket eder Akışkan lastik halka ve pistonun arkasına akar Piston geri kayar
Merkez Silindir Video Merkez Silindir
Merkez Silindir Depo Conta Ana silindir Doldurma kapağı Depo Akışkan seviye svici İkinci piston Conta Conta Tespit segmanı Tespit segmanı İkinci piston Ana piston Ana piston
Borular ve Bağlantılar Fren hortumu Merkez silindir Fren hattı Kampana fren Fren yuvası Disk fren ABS ünitesi ABS ünitesi Oranlama valfi ABS varsa
Kampana Frenler Dökme demir kampana, tekerleğe bağlıdır ve ve tekerlekle beraber döner. Sabit olan bir plakada ise pabuçlar, tekerlek silindiri ve bağlantı elemanları bulunur. Pabuçlar, sürtünme malzemesi ile kaplıdır. Bu malzemeler fren esnasında kampananın iç yüzeyi ile temas eder. Tekerlek içerisinde bulunan silindir içindeki pistonlar sayesinde pabuçlar dışa doğru itilirler.
Kampana Frenler Video Kampana Frenler
Kampana Frenler Görünen perçinler Çatlaklar Balata arka tarafının aşınması Aşınma kanalları Yağ kirleri
Park frenleri Park frenleri, araç durduğunda (durdurmak için değil) tekerleklerin dönmesini engellemek için kullanılır. Hidrolik sistem parçası bulunmaz. Çoğunlukla elle (bazen ayakla) kontrol edilir. Bazı araçlarda vakumlu çalışma mekanizması vardır.
Park frenleri Park freni kolu Park freni kablosu Çatal Eşitleyici Ayar somunu Park freni sivici
Disk Frenler Disk frenlerde tekerleğin iç tarafında dökme demirden yapılmış bir rotor bulunur. Rotorun her iki tarafının yüzey kalitesi artırılarak fren balatası ile daha iyi sürtünmesi sağlanır. Soğutma performansını artırmak için iki yüzey arasında kanatçıklar bulunur. Fren balatası metal pabuçlara bağlıdır ve pistonlar tarafından hareket ettirilir.
Disk Frenler Video Disk Frenler 1 Video Disk Frenler 2
Disk Frenler ile Kampana Frenler Disk frenlerin ısı atımı çok daha iyidir. Çok sayıda ve yüksek hızlarda fren yapılması durumunda ortaya çıkan aşınma problemleri disk frenlerde daha azdır. Disk frenler, yağmurlu havalarda veya harici bir su kaynağından dolayı disk yüzeylerinin nemlenmesi durumunda santrifüj kuvvetlerin suyu uzaklaştırması dolayısıyla daha yüksek fren performansı sunarlar (kampanalarda tam aksine kampananın iç yüzeyinde birikir). Neden çoğu araçta arka frenler kampana şeklinde dizayn edilir? Frenleme esnasında yapılan işin yaklaşık %70 i ön frenler tarafından gerçekleştirilir (dolayısıyla ön frenler daha hızlı aşınır). Kampana üretimi daha ucuzdur. Kampana fren sisteminin park freni olarak kullanımı kolaydır. Yüksek performans araçlarda dört tekerlekte de disk fren kullanılır.
Fren Hidroliği Kontrolü Hidrolik deposu kontrol edilir ve olması gerektiği kadar doldurulur. Hidroliğin kirlenme seviyesi kontrol edilir. Merkez silindir ve hidrolik hattında sızıntı kontrolü yapılır.
Vakumlu Güç Yükseltme Elemanı Ünitenin içinde bulunan diyafram, fren pedalı bırakılana kadar motor tarafından üretilen vakum sayesinde denge halinde kalır. Fren yapıldığında atmosferik basınç diyaframın çekilmesini sağlar ve bu sayede oluşan basınç etkisi ile hareket eder.
Vakumlu Güç Yükseltme Elemanı Çek valf Parça kodu Güç yükseltme elemanı itme kolu (merkez silindire) Parça üzerinde bağlantı elemanı Çek valf Merkez silindir bağlantı parçaları ÖN GÖRÜNÜŞ YAN GÖRÜNÜŞ Video Güç yükseltme elemanı
Hidrolik Güç Yükseltme Elemanı Motor boyutu küçülür, dizel motorlarında kullanımı artmaktadır, bu sistemlerde vakum sistemi ise emisyon kontrol sistemleri gibi diğer yerlerde kullanılmaktadır. Bu sistemlerde akışkan basıncı ile (vakumla değil) fren sistemine yardımcı olunur.
Hidrolik Güç Yükseltme Elemanı
ABS fren sistemleri ABS (Antilock Brake Systems) Çekiş kontrol Stabilite Kontrol sistemleri
ABS fren sistemleri Sürtünme katsayısı Hedeflenen kayma hızı Fren başlangıç noktası Durma noktası Dönme yönü Dönme yönünün radyal yönü A : Kaymadan durma mesafesi B : Kayma mesafesi C : Gerçek durma mesafesi Kayma hızı, % = = ç ( ) ç ç a : Yuvarlanan tekerlek b : Fren yapan tekerlek v f : Tekerlek merkezindeki araç hızı v u : Tekerlek çevresel hızı
ABS fren sistemleri a : Yuvarlanan tekerlek b : Fren yapan tekerlek v f : Tekerlek merkezindeki araç hızı v u : Tekerlek çevresel hızı a : Stabil bölge b : Stabil olmayan bölge α : Kayma açısı A : Yuvarlanan tekerlek B : Kilitlenen tekerlek
ABS fren sistemleri v α : Yan kayma yönündeki hız v x : Boylamasına hız F s F y : Yan kuvvetler α : Kayma açısı F N : Normal kuvvet (dikey tekerlek kuvveti) F S : Yan kuvvet
ABS fren sistemleri Ön tekerleklerin kilitlenmesi durumunda araçların manevra kabiliyeti azalır. Arka tekerleklerin kilitlenmesi durumunda ise aracın stabilitesi azalır. ABS fren sistemleri sürekli olarak tekerleklerin kayma hızını kontrol eder ve bu sayede lastiklerin kavrama kuvvetinin maksimum olması sağlanır (manevra ve stabilite).
ABS fren sistemleri ABS düzenekleri, fren sisteminin yüksek hızda fren yapmasını sağlar (saniyede 15 e kadar, sürücü yapamaz). Bu sayede tekerleklerin kilitlenmesi engellenmiş olur. Bu sayede çok daha stabil duruş elde edilir. Tekerleğin kaymasını engelleyince aracın yön değiştirme potansiyeli ortadan kalkmamış olur.
ABS fren sistemleri ABS li araçlarda durma mesafesi; Video ABS Fren Sistemi Video ABS Fren Sistemi 2 Yüksek sürtünme katsayılı yollarda daha az veya neredeyse aynı, Düşük sürtünme katsayılı yollarda ise yaklaşık %20 daha fazla (bu tür yollarda lastik yolu bir miktar kazarak durma mesafesini kısaltır, ABS li araçlarda bu olmaz).
Hidrolik Parçalar Akışkan besleme deposu Fren hidroliğinin yüksek basınçta depolanmasını sağlar. Besleme deposu Diyafram Azot Fren hidroliği Pompa
Hidrolik Parçalar Kontrol valfi Tekerlekte bulunan fren sistemindeki basıncı düzenleyerek frenlerin bırakılmasını veya uygulanmasını sağlar. Güç yükseltme pompası ABS fren sistemi için gerekli olan hidrolik sıvının basınçlandırılmasını sağlar.
Hidrolik Parçalar Merkez silindir ABS çalışırken hidrolik basıncın ayarlanması için valf ve pistonlar bulunur. Depo Selenoid valf Elektrik motoru ve pompa
Hidrolik Parçalar Hidrolik kontrol ünitesi Bir çok parçadan oluşur. Hidrolik valfler Hidrolik basıncını kontrol eder Solenoid valfler Ana valf Tekerlek devresi valfleri
Elektrik/Elektronik Parçalar Kontrol modülü ABS sisteminin çalışmasını kontrol eder ve sistemle ilgili bilgilerin gözlenebilmesini sağlar.
Elektrik/Elektronik Parçalar Fren pedal sivici Fren pedalına basıldığında kontrol modülüne bir sinyal gönderir. Veri hattı bağlantısı (DLC) Aracın durumu hakkında bilgi alınmasını veya gönderilmesini sağlar. Yan pozisyon sensörü Bazı sistemlerde aracın yan tarafa olan hareketlerini ölçmek için kullanılır.
Elektrik/Elektronik Parçalar Basınç sivici Pompayı kontrol eder ve düşük basınç uyarı lambasını söndürür. Basınç farkı sivici Fren pedal ünitesinde istenmeyen bir basınç farkı oluştuğunda kontrol modülüne sinyal gönderir.
Elektrik/Elektronik Parçalar Tekerlek devir sayısı sensörü ABS modülüne tekerlek devir sayısı bilgisini gönderir. Mıknatıs ve bobin telleri sayesinde bir AC sinyali üretir.
Dört teker ABS sistemi Kaput altı sigorta kutusu Kaput altı ABS röle kutusu - Pompa rölesi - Arıza emniyetli röle Yolcu tarafı sigorta kutusu Sağ arka tekerlek sensörü Sol arka tekerlek sensörü Sağ ön tekerlek sensörü ABS modülü Sol ön tekerlek sensörü ABS kontrol ünitesi Sürücü tarafı sigorta kutusu Kablo soketi (16p)
ABS Çalışma Modları Sabit basınç Fren hattında basınç fazladan artırılmaz. Basınç düşürme Tekerleğin dönmesi için. Basınç artırma Fren etkisi sağlamak için basınç artırılır.
Çekiş Kontrol Sistemi Sarı ABS uyarı lambası Elektronik fren kontrol ünitesi Sağ arka tekerlek sensörü Sol arka tekerlek sensörü ABS röleleri Sağ ön tekerlek sensörü Basınç düzenleme valfi Sol ön tekerlek sensörü Merkez silindir Video
Çekiş Kontrol Sistemi Kilitlemesiz fren sistemi (ABS) teknolojisi ve donanımı aracın çekiş kontrolünde ve stabilite kontrolünde de kullanılır. Otomatik çekiş kontrol sistemi (ATC, TCS ASR (anti-slip regulation), TRC (traction control)), bir tekerlek kaymaya başladığında ve çekiş yapmadığı durumda ABS pompasını kullanarak fren yapılmasını sağlar. Yalnızca bir tekerlek çekiş yapabiliyorsa sistem çok iyi şekilde çalışabilmektedir.
Çekiş Kontrol Sistemi Electronic Stability Program (ESP) - Audi, VW, Saab, Daimler, Chrysler Vehicle Stability Control (VSC) - Toyota, Lexus Vehicle Stability Assist (VSA) - Honda, Acura Advance Trac - Ford, Lincoln StabiliTrak - General Motors, Saturn Vehicle Dynamic(s) Control (VDC) - Subaru, Nissan Dynamic Stability Control (DSC) - Mazda, BMW, Rover Dynamic Stability and Traction Control (DSTC) - Volvo
Stabilite Kontrol Sistemi VSC hidrolik basınç ünitesi, her bir tekerleği kontrol edebilmek için hidrolik basınç seviyesini kontrol eder Fren basınç sensörü Direksiyon açı sensörü Yaw rate sensörü (araç açısal hızını ölçmek için ) Tekerlek sensörü Kelebek aktüatörü Kelebek açıklık sensörü ECU G sensörü (araç ivmesini ölçmek için )
Stabilite Kontrol Sistemi ESP, ESC, ESP, DSC, VSC Çekiş kontrol sistemi gibi, stabilite kontrol sistemi de ABS sistemine bağlıdır. Bazı araçlarda stabilite kontrol sistemi elektronik süspansiyon sistemine de bağlıdır. Stabilite kontrol sistemi, herhangi bir tekerleğe çok kısa süreliğine fren uygulayarak oversteer veya understeer durumlarını düzenler. Oversteer: Aracın, direksiyon aracılığıyla verilen dönme acısına fazla tepki vermesi durumudur. Understeer: Aracın, direksiyon aracılığıyla verilen dönme acısına az tepki vermesi durumudur
ESP den Beklenen a : Understeer b : Oversteer α V : Ön yanal kayma açısı α H : Arka yanal kayma açısı δ : Dönüş açısı β : Yan kayma açısı F S : Yan kuvvet M G : Yaw momenti Video ESP Sistemi 1 Video ESP Sistemi 2 Video EBD Sistemi
ESP den Beklenen ESP siz ESP li ESP siz Fren ESP li Fren Video ESP Sistemi 1 Video ESP Sistemi 2 Video EBD Sistemi