FRENLER MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE ELEMANLARI-II DERS NOTU Frenler 2 / 20 Frenler, sürtünme yüzeyli kavramalarla benzer prensiplere göre çalışan bir makine elemanı grubunu oluştururlar. Şu şekilde sınıflandırılabilir: a) Dıştan papuçlu tambur (kampana) frenler b) İçten papuçlu tambur frenler c) Bant frenler d) Disk frenler e) Elektromanyetik frenler 1
Fren Çeşitli a) Dıştan papuçlu tambur (kampana) frenler b) İçten papuçlu tambur frenler c) Bant frenler d) Disk frenler 3 / 20 Kısa Papuçlu Dıştan Tamburlu Frenler 4 / 20 2
Servo Etkisi 5 / 20 Tambur saat yönünde döndüğünde, sürtünme ve baskı kuvvetlerinin momentleri aynı yönde olmaktadır. Yani sürtünme kuvveti baskı kuvvetine yardımcı olmaktadır. Buna servo etkisi (kendi kendini güçlendirme etkisi) denir. M s = μfl 3 R /( l 2 μl 1 ) Tamburun ters yönde dönmesi durumunda sürtünme kuvveti yön değiştireceğinden fren momenti Şeklini alır. Sürtünme kuvvetinin momenti baskı kuvvetinin momentine zıt yönde oluşur ve etkisini azaltır. Buna negatif servo etkisi (kendi kendini zayıflatma etkisi) denir. Self Kilitlenme 6 / 20 2 1 0 2 1 Olması halinde fren momenti teorik olarak sonsuza gider. Fren sisteminin ansızın kilitlenmesi riski söz konusu olur Karşılıklı iki pabuç kullanılarak kuvvet dengelenir. Dönme hangi yönde olursa olsun pabuçlardan birinde servo etkisi ortaya çıkarken diğerinde negatif servo etkisi ortaya çıkar. Servo etkili pabuca öncü pabuç, zayıflatma etkili pabuca artçı pabuç adı verilir. 3
7 / 20 Pabuçların tambura (içten veya dıştan) uzun bir yay boyunca temas etmesi durumunda basınç dağılımı düzgün olmamakta, sürtünme kuvveti pabuç merkezinde etki etmemektedir. İçten uzun pabuçlu kampana frenler: Tambur (kampana) Kampanaya karşılıklı olarak içten sürtünen ve dönmeyen bir çift pabuç Pabuçları dışa doğru açarak tambura bastıran hidrolik sistem Sürtünen yüzeyleri birbirine yaklaştırmak ya da uzaklaştırmak için kullanılan ayar mekanizması ve Frenleme işlemi bittikten sonra pabuçları eski konumuna geri getiren yaylardan oluşur. 8 / 20 Tabanı sabit bir nokta etrafında dönebilen mafsal şeklinde olan papuçlara tabanı mafsallı papuç, ve dayandığı yüzey boyunca kayma serbestisine sahip olanlara kayar tabanlı papuç adı verilir. Kampananın dönme yönüne bakarak hangi pabuçta servo etkisi ve hangi pabuçta negatif servo etkisi olduğu görülebilir. 4
9 / 20 Hesaplamadaki zorluk kampana-pabuç arasındaki basınç dağılımının düzgün olmamasından kaynaklanmaktadır. Genellikle şu kolaylaştırıcı varsayımlar yapılır: a) Her noktadaki basınç mafsal noktasına olan dik uzaklıkla orantılıdır. Mafsal noktasında basınç sıfır olmaktadır. b) Bu tip kavramalardan farklı olarak, frenlerde pabuçlar dönmediğinden merkezkaç kuvvetler göz ardı edilir. c) Papuçlar katı (rijit) olup şekil değişimine uğramamaktadır. d) Sürtünme katsayısı basınç, hız ve sıcaklıkla değişmemektedir. 10 / 20 A mafsalı sabit bir nokta olduğundan burada değme basıncı sıfırdır. Elemanter alan: da=b.r.dθ Pabuç genişliği: b Normal kuvvet: df n =p.b.r.dθ Sürtünme kuvveti: df s =μ.df n Max. basınç (p m ) bir θ a açısında meydana gelir. Herhangi bir θ açısındaki p basıncının, mafsala olan düşey mesafe ile orantılı olduğu kabul edilebilir. 5
11 / 20 R kampana yarıçapı θ 1 mafsalla balata yüzeyi başlangıcı arasındaki açı θ 2 mafsalla balata yüzeyi sonu arasındaki açı, p m öncü pabuçtaki maksimum basınç, a kampana merkezi ile mafsal arası mesafe, θ m mafsalla max basınç noktası arasındaki açı (θ 2 >90 için θ m = 90 ; θ 2 <90 için θ m = θ 2 ), c pabuç açma kuvvetinin mafsala uzaklığıdır. Sürtünme kuvvetinin mafsal noktasına göre momenti: Normal kuvvetin mafsal noktasına göre momenti: Frenler 12 / 20 Genel bir çözümden ziyade, bu integrasyon işlemlerinin her problemin özelliğine göre sonradan yapılması daha uygun olur. Öncü pabuçta: F.c = M n - M s Artçı pabuçta: F.c = M' n - M' s Pabuçların kampanaya uyguladığı frenleme momenti sürtünme kuvvetlerinin kampana merkezine göre momentleri toplamıdır: 6
Uygulama: Uzun Papuçlu Tambur Fren Şekildeki fren kampana yarıçapı 150 mm dir. Preslenmiş asbest balataların genişliği 32 mm, sürtünme katsayısı 0,32 ve emniyetle taşıyabileceği yüzey basıncı 1 N/mm 2 dir. a) Papuç baskı kuvvetini bulunuz. (F=?) b) Frenleme momentini bulunuz. (M F =?) c) Mafsal tepki kuvvetini bulunuz. (F m =?) 13 / 20 14 / 20 7
15 / 20 16 / 20 8
17 / 20 Disk Frenler 18 / 20 Bu frenler tekerlekle aynı dönme eksenine sahip bir metal disk ve diskin iki yanındaki sürtünme yüzeyi taşıyıcılarından (semer) oluşur. Diskin çepeçevre sıkıştırıldığı frenler ilke olarak diskli kavramalarla aynıdır. Sürtünme diskli kavramalar için elde edilen bağıntılar ve yapılan analizler burada da geçerlidir. Disk frenler için düzgün aşınma varsayımı daha uygundur. 9
Disk Frenler 19 / 20 a) Kayma serbestliği diskte b) Kayma serbestliği semerde c) Kayma serbestliği balatada Uygulama: Disk Frenler 20 / 20 Bir aracın serbest tekerleğine 1000 N kuvvet gelmektedir. Tekerlek yarıçapı disk ortalama sürtünme yarıçapının 2 katıdır. Balata-disk sürtünme katsayısı 0,35, emniyetle taşınabilecek yüzey basıncı 0,5 N/mm2, hidrolik piston çapı 30 mm olduğuna göre gerekli basınç kaç bar dır. 10