ELEKTROMEKANİK DİSK FREN SİSTEMİ(EMF)

1 ELEKTROMEKANİK DİSK FREN SİSTEMİ(EMF) Mekatronik Sistem Tasarımı MKM512 Case Study Raporu Hazırlayanlar Burcu Aytekin Mümin Aktaş Mustafa Engin Emekli

2 ELEKTROMEKANİK DİSK FREN İÇERİK 1. Giriş 2. Problem Tanımı 3. Brake-by-wire ve 42 Volt güç kaynağı 4. Elektromekanik disk fren (EMF) sisteminin tanıtımı 5. Elektromekanik disk fren sistemi avantaj ve dezavantajları 6. Mekatronik bir sistem olarak EMF 7. EMF ye ait elektronik altyapı 7.1 Elektromekanik fren eyleyicisi 7.2 Elektronik kontrol birimi 7.2.1 Algılayıcı İşleme Birimi 7.2.2 Merkezi İşlem Birimi 7.2.3 Güç Elektroniği Birimi 8. Kontrol ve haberleşme protokolleri 9. EMF ye ait mekanik altyapı 10. Tasarım örnekleri 11. EMF nin geleceği 12. Kaynaklar

3 1. GİRİŞ Mekanik sistemlerin yerini elektronik sensör ve hareketlendiricilerin aldığı sistemlerin genel adı, x by wire olarak ifade edilmektedir. Elbette ki otomotiv alanındaki ilerleyen teknoloji düşünüldüğünde X-by-Wire yeni bir gelişme değildir; ancak var olan gelişmeleri kapsayan ve gelecekteki ilerlemelerin yönünü işaret eden genel bir terimdir. Bu sistemlerin hemen hemen hepsi 42 Voltluk güç kaynağına ihtiyaç duymaktadır. 42 Voltluk güç kaynağına geçilmesi yolundaki çalışmalar, Brake by wire elektronik fren sistemleri teknolojisine ivme kazandırmıştır. Brake by wire teknolojisi üç şekilde uygulanmaktadır; _ Elektrohidrolik Frenleme (EHB) _ Elektropnömatik Frenleme (EPB) _ Elektromekanik Frenleme (EMB) 2. PROBLEM TANIMI Günümüz araç teknolojileriyle (örneğin; ABS, EPS) uyum içerisinde çalışacak modern bir fren sistemine olan gereksinim giderek artmaktadır. Bu gereksinimin karşılanabilmesi, sürekli olarak iyileştirilen hidrolik pompalar ya da magnetik valfler içeren geleneksel frenleme sistemleri ile mümkün olabilmektedir; ancak mevcut fren sistemlerine getirilen çözümlerin hepsi ortamdaki akışkanın varlığı gereği yinede titreşim, rezonans ve sönüm problemleri taşımaktadır. Aynı zamanda magnetik valflerin yüksek derecedeki nonlinear karakteristikleri, yüksek yeterlilikte bir kontrolü zorunlu kılmaktadır. Elektriksel olarak gerçekleştirilen frenlemeye dair yapılan bütün girişimler, oldukça fazla eyleyici (actuator) kuvveti ve dolayısıyla yüksek enerji gereksinimiyle yüzleşmek zorunda kalmıştır. Enerji

4 kaynağı ki genellikle elektrik motorları olmaktadırlar, yüksek tork ve güç değerleri sağlamalıdır ve bu durum motorun ağır, geniş ve masraflı olmasına sebebiyet vermektedir. Bütün bu sebeblerden ötürü, başarılı ve kazançlı bütünüyle elektriksel / akışkana bağımlı olmayan bir brake-by-wire sistemi geliştirilmesi, üzerinde hala çalışılan bir problemdir. 3. Brake By Wire ve 42 Volt Güç Kaynağı Denilebilirki Brake-by-wire, 42 Volt luk güç kaynağının uygulanabilir olmasının beraberinde getirdiği bir teknolojidir. Dolayısıyla bu bölümde, 42 Volt luk güç kaynağına geçiş sürecinden de bahsetmeyi uygun bulduk. Geride bıraktığımız 50 yıl boyunca, araçların elektriksel sistemlerinin ihtiyacının karşılanması için 12- volt luk batarya ve 14-volt alternatör içeren bir sistem yeterli olmuştur. Son 20 Yılda elektrik kullanımı artan performans, güvenlik ve konfor talepleri sebebi ile ikiye katlanmış; otomotiv endüstrisi 14 voltluk güç kaynağının üst limitlerine dayanmıştır. Otomotiv endüstrisi şimdi, artan talepleri karşılamak ve elektrikten daha da fazla faydalanmak için 36-volt luk batarya ve 42-volt alternatörden oluşan yeni bir sisteme açılım yapmaktadır. Araçlardaki güvenlik ve konfor talebinin artması, elektrik ihtiyacına doğrudan yansımıştır. Yüksek voltajlı sistemlerin bir diğer avantajı, her bir elektrik devresi için gereken ve sayısı giderek artan elektrik kablolarının kesitlerinin %67 oranında azalmasıdır. 1 kw lık elektrik enerjisi için 1.5 litre / 100 km yakıt tüketimi olmakta iken 42 Volt luk sistemde yakıt tüketiminde 0.5 litre / 100 km olacak şeklinde azalma görülmektedir. 14 volt luk sistem 1950 lerin ortalarından beri kullanılmaktadır. Bundan önce ise 6 volt luk bir sistem kullanılmaktaydı. Daha yüksek sıkıştırma oranlı motorlar için daha güçlü hareketlendiricilere ihtiyaç

5 duyulmuştur. 42 volt luk bir sisteme geçiş 6 volt tan 14 volt luk bir sisteme olan geçişten daha karmaşık olmaktadır. Elektriksel bileşen üreticilerinin, pazarın yeni standardına adapte olması süresince birçok aracın 14 ve 42 volt luk sistemlerin bir kombinasyonunu kullanacak olmaları bazı aksaklıklara sebep olacaktır. Adaptasyon sürecinin tamamlanma zamanına karar vermek oldukça güçtür.şu an 42 volt luk sistemi uygulayan tek kuruluş, Toyota dır (2002). Renault ise 2004 yılında bir çift-voltajlı araç (14 ve 42volt sistemlerin her ikisinin de kullanıldığı araç) üretimine geçmiştir ve 2007 yılından önce bağımsız bir 42 volt luk sistemi hedeflemektedir. 4. Elektromekanik disk fren (EMF) sisteminin tanıtımı Elektromekanik fren sistemi, - Fren pedalına yerleştirilen sensörler, - Bir kontrol ünitesi - Her bir tekerde bulunan elektromekanik eyleyicilerden(actuator) oluşmaktadır. Bu sistem, kontrolün oldukça yüksek verimle gerçekleştirilmesini sağlamaktadır. Geleneksel fren sistemlerinde kullanılan akışkanların ve mekanik bağlantıların yer almadığı bir sistem oluşu, bakım gereksinimini de azaltacaktır. 5. Elektromekanik disk fren sistemi avantaj ve dezavantajları Avantajları : En önemli avantajlarından biri, araç donanımındaki azalmadır. _ ABS (Anti-lock Brake System), _ Çekiş Kontrol Sistemi (TCS) ve _ Elektronik Stabilite Programı (ESP) gibi elektronik temelli- yardımcı kontrol sistemleri, tamamiyle elektronik bir fren sistemiyle daha kolay bütünleşecek ve daha etkin olacaktır. Daha kısa durma mesafesi ve optimize edilmiş kararlılık

6 ABS modundayken pedal titremesinin görülmemesi Sessiz çalışma Daha az bileşenin olması neticesinde alan tasarrufu Montajın kolaylıkla yapılabilmesi Gerekli bütün fren ve kararlılık fonksiyonları analizinin yapılabilir olması Elektronik park freni gibi ilave fonksiyonlarla kolaylıkla uyum sağlayabilmesi Dezavantajları : Fren kuvvetlerinin değişkenliği: Fren kuvvetinin zor çevre şartlarına (örneğin tekerlek/yol koşulları) bağlı olarak değişkenlik göstermesi. Sistemin güvenilirliği: Sistem bileşenlerinin bütünüyle elektromekanik olması, elektronik sistemdeki bir hatanın ölümcül sonuçlar doğurmasına sebep olabilir. Dolayısla bu durum yasal zorunluluklarla yüzleşilmesini gerektirecektir. Yasal zorunluluklar: Bir ticari araca bütünüyle elektromekanik bir fren sisteminin uygulanması, dolayısıyla sistemin elektonik altyapısında meydana gelecek bir hatanın önüne geçilememesi halinde yasal zorunluluklar gündeme gelecektir. Denilebilirki bu sebebten ötürü, akışkandan bağımsız bir frenlemeye pek sıcak bakılmamaktadır. Ağır yük taşıyan ticari araçlar : Standartların gerektirdiklerini uygulamanın yanı sıra, ağır yük taşıyan ticari araçlar için elektromekanik sistem üzerine temellendirilen bir fren sisteminin tasarlanması, aşılması gereken maddi güçlükleri de getirecektir. Ticari araçların taşıdıkları yükün fazlalığı, aracı durdurmak ve park konumunda tutmak için daha fazla frenleme kuvveti gerektirecektir; dolayısıyla elektrik motorunun daha fazla akım çekmesi gerekliliği, aracın diğer fonksiyonlarını etkilemeksizin daha fazla akım sağlayan yeni bir güç dağıtım sisteminin kurulmasını zorunlu kılacaktır.

6. Mekatronik bir sistem olarak EMF 7

8 Algılayıcılar Elektromekanik Fren Eyleyicisi (Actuator) Elektronik Kontrol Birimi Dişli mekanizması Kaliper Fren Diski 7. EMF ye ait elektronik altyapı 7.1 Elektromekanik Fren Eyleyicisi Elektromekanik olarak çalışan bütün sistemler, elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren bir elektrik motoru gerektirmektedir. Elektromekanik eyleyicisinin seçiminde boyutu, ağırlığı ve güvenirliliği oldukça önem taşımaktadır. Sabit mıknatıslı elektrik motorları güçleri ve yüksek

9 verimleri sayesinde iyi bir seçim olmaktadır. Sabit mıknatıslı motorlar indüklenen emk ya göre sınıflandırılırlar. Sinüsodiyal emk tipi, senkron motor; trapezodiyal (yamuksal) emk tipi, fırçasız dc motor olarak adlandırılır. Bu tip uygulamalarda genellikle bir takım avantajları nedeniyle fırçasız dc motor kullanılır. Fırçasız dc motor statorunda elektronik komütasyonla dönen ve rotorunda sabit mıknatıslar tarafından oluşturulan manyetik alana sahiptir. Dönen ve gerekli torku üreten bir manyetik alan oluşturabilmek için rotorun pozisyonunun bilinmesi gerekmektedir. Fırçasız dc motorun ana avantajlarından biri normal dc motorlarda olan fırçaların olmamasıdır. Fırçalar dc motorda çeşitli nedenlerden dolayı bozulabilir ya da arızalar çıkatabilir. Güvenliğin ön planda olduğu bu tarz uygulamalarda kullanılması uygun olmaz. Ayrıca fırçasız dc motor kullanılarak fırçaların oluşturmuş olduğu istenmeyen titreşim ve gürültü oluşturulmamış olur. Fırçasız dc motorun dezavantajı ise karmaşık sürücü devrelerine ihtiyaç duymasıdır. 7.2 Elektronik Kontrol Birimi Elektronik kontrol birimi fren sisteminde ve araçta bulunan algılayıcılardan gelen bilgileri işleyerek fren eyleyicisinin istenilen tork değerine ulaşması için gerekli olan voltaj vektörlerini güç katına göndermektedir. Elektronik kontrol birimi çeşitli alt kısımlardan oluşmaktadır. Bunlar: Algılayıcı İşleme Birimi Merkezi İşlem Birimi Güç Eektroniği Birimi Haberleşme Birimi Bu birimlerin çalışmasını gösteren fonksiyonel blok diyagramı Şekil -3 de görülmektedir.

10 7.2.1 Algılayıcı İşleme Birimi Şekil-3 Elektronik Kontrol Biriminin Fonksiyel Blok Diyagramı Fren kuvveti, fren pedalından gelen işaret, tekerlek hızı ve fren eyleyicisinin konumu gibi işaretler algılayıcı işleme birimine gelir.bu işaretler uyarlayıcı (conditioning) devrelerden ve çeşitli filtrelerden geçirilerek mikrokontrolörün analog digital girişlerine verilir. Bu uyarlayıcı ve filter devreleri tasarlanırken araçlardaki elektromanyetik gürültü göz önüne alınmalıdır.ayrıca bu devreler elektriksel boşalma, sıcaklık, çeşitli şoklar ve araçtaki titreşimlere karşı koruma önlemleri de alınmalıdır. 7.2.2 Merkezi İşlem Birimi Merkezi işlem birimi algılayıcı işleme biriminden gelen işaretleri değerlendirerek gerekli frenleme algoritmalarını koşturmaktadır. İşletilen frenleme algoritmasına göre motor sürücü devresine işaretler göndermektedir. Ayrıca sistemi çeşitli arızalara karşı denetlemektedir. 7.2.3 Güç Elektroniği Birimi Güç elektroniği kısmında, motor fazlarına istenen voltaj değerlerinin sağlanması için DC-AC dönüştürücüler (inverter) kullanılmaktadır.genellikle 3 faz tam dalga köprü devreleri kullanılmaktadır. Şekil-4 de güç elektroniği birimi gösterilmektedir. Şekil - 4 Güç Elektroniği Birimi

11 Şekilde görüldüğü üzere merkezi işlem birimi tarafından gönderilen pwm sinyalleri MOSFET sürücü tarafından kuvvetlendirilmektedir.gerilim ve akım sensörleri merkezi işlem birimine motorun mevcut gerilim ve akımını geri beslemektedir. DC bağlantı kapasitörleri, DC gerilimi filtrelemektedir. Ayrıca DC gerilim kaynağından gelen gerilimi açmak ve kapamak için röle kullanılmıştır. 8. Kontrol ve haberleşme Protokolleri Bu tür uygulamlarda güvenlik ön planda olduğu için haberleşme sisteminde kabul edilebilir hata oranlarına sahip yüksek güvenilirlikli ağ protokolleri ile haberleşme sağlanmalıdır. Bu durumda TTCAN ve Flexray gibi protokoller öne çıkmaktadır. Flexray yüksek hızlı,kararlı ve düşük hata oranlı bir haberleşme sistemidir.1998 yılında BMW ve Daimler Chrysler tarafından geliştirilmeye başlanan sistem bugün bir çok büyük firmanın oluşturduğu konsorsiyumla geliştrilmeye devam etmektedir. TTCAN, geleneksel CAN haberleşme sisteminin daha güvenlikli hale getirilmiş türüdür. Geleneksel CAN haberleşme sistemi olay tabanlıdır. Bu durum çoğu uygulamada yeterli olmaktadır ama sabit zaman aralığında iletimin garanti altına alınması istenen sistemler için zaman tetiklemeli CAN (Time Trigged CAN) geliştirilmiştir. Algılayıcılar Elektromekanik fren sisteminde sistemin bileşenlerinin durumu hakkında ve ortam hakkında bilgi veren birçok algılayıcı kullanılmıştır. Bu algılayıcıların başında sisteme fren isteğini belirten fren pedalıdır. Sistem fren isteğinin olup olmadığını, eğer fren isteği var ise bunun ne kadar olacağını fren pedalının açışına göre karar vermektedir. Tekerleklerin hızını ve direksiyonun dönüş açışını algılamak için de çeşitli algılayıcılar kullanılmıştır. Diğer önemli bir algılayıcı ise kullanılan fren motorunun konum ve hız bilgisidir. Bu bilgi motor miline takılan enkoder yardımıyla elde edilmektedir. Ayrıca sistemde motorun kullandığı akım ve gerilim değerini ölçen algılayıcılar ve çeşitli yerlerde sıcaklık algılayıcıları kullanılmıştır.

12 9. EMF ye ait mekanik altyapı Dişli Mekanizması : Dişli kutusu, elektrik motoru tarafından meydana getirilen torku mekanik sisteme (kinematik) iletmektedir. Bu sistem, çeşitli iletim mekanizmaları kullanarak motor hızını azaltıp motor torkunu arttırmaktadır. Mekanik sistem ise, motorun dönel hareketini fren balatalarını sıkıştırmak için gerekli doğrusal harekete dönüştürecek düzenektir. Motorun dönel hareketinin doğrusal harekete dönüştürülmesi roller screw adı verilen dişli mekanizmaları ile sağlanmaktadır. Dolayısıyla elektromekanik fren sistemlerinde fren balataları, hidrolik silindir yerine bu mekanizma ile bağlantılı bir mil aracılığıyla hareketlendirilmektedir. 10. Tasarım örnekleri Bu bölümde sunumdakinden farklı olarak en çok ilgimizi çeken tek bir tasarım örneği üzerine odaklanmayı uygun gördük: Elektronik Kamalı Fren (Electronic wedge brake / Mechatronic wedge brake) Söz konusu tasarım, Münih yakınlarındaki Alman havacılık ve uzay araştırmaları merkezi DLR de geliştirilmiştir. Otomotiv alanındaki çalışmalarına kama prensibini uygulama girişimleri sonrası bir grup araştırmacı, enstitüden ayrılarak 2000 yılında estop adını verdikleri küçük bir şirket kurmuşlardır. Şirket, daha önce bu sektörde yer almayan sektör adına sadece elektrik park frenleri, ABS sistemleri için elektronik kontrol ünitesi (ECU) ve motor üreten SiemensVDO tarafından satın alınmıştır ve Siemens sektörde beklenmedik bir rekabet yaratacağının sinyallerini vermiştir. Söz konusu tasarım, sadece 12 Volt luk güç kaynağı ile çalışabilmektedir. 12-volt, sadece frenlemenin başlatılabilmesi için gereklidir. Frenleme sürecinin tamamlanması için gereken kuvvet, dönen disk ve

13 balata arasındaki sürtünme ile sağlanır ve bu durum, Kendiliğinden Frenleme (self-reinforcement) olarak adlandırılır. Siemens tarafından geliştirilen frenleme sistemindeki temel düşünce, frenleme için aracın kendi kinetik enerjisinden faydalanmak, bu enerjiyi frenleme kuvvetine dönüştürmektir (kendiliğinden frenleme). Diskli fren sistemlerinde, dönen tekeri durduracak torku elde edebilmek için fren balataları arasında yüksek değerde bir kavrama kuvveti (Clamping force) oluşturulmalıdır. Elektromekanik eyleyiciler, kavrama kuvvetini genellikle bir motorla bağlantılı roller-screw aracılığıyla üretmektedirler. Böyle bir kuvveti üretmek dolayısıyla sürekli ve kararlı bir frenleme sağlamak için gerekli akımı minimum düzeyde tutmak, yüksek bir dişli oranı gerektirmektedir. Ancak sistemin dinamik performansı düşük bir dişli oranı gerektirecektir. Dolayısıyla belirlenecek değer için bu iki durum göz önünde bulundurularak bir uzlaşma sağlanmalıdır. Bu uzlaşmaya erişimi kolaylaştıracak bir tasarımın gereği duyulmaktadır. Dönen diskin kendi enerjisinden faydalanmak ise gerek duyulan frenleme kuvvetini azaltacaktır. Söz konusu tasarımındaki temel amaç da frenleme için gerekli kuvveti azaltmaya yöneliktir. Çalışma Prensibi

14 Fren pedalına basıldığında sistem, birbiri ile bağlantılı dört fren modülüne elektronik sinyaller göndermektedir. Her bir tekerlekteki kaliper iki küçük motora sahiptir (1) ve dönel hareketin roller screw bağlantıları (2) ile lineer harekete dönüştürülmesi sonucu küçük kamalardan (3-5) oluşan sistem aktive edilir. Kama hareket ediyorken fren diskini, sürücünün uyguladığı basınca bağlı olarak, sıkıştıracak şekilde kalipere basınç uygular. Karakteristik Fren Faktörü (C*) Kuvvet dengesinden aşağıdaki formül türetilebilir : ifadesi karakteristik fren faktörü olarak tanımlanmaktadır Self-reinforcement nedir?

15 F + R = S. sinᾳ N = S. cosᾳ Normal kuvveti, sürtünme katsayısını kullanarak ifade edersek : N = R / μ ve R = S. cosᾳ. μ F = R.( tanᾳ / μ 1) Karakteristik Fren Faktörü : C * = R / F = μ /( tanᾳ - μ )

16 Optimum performans, karakteristik fren faktörünün sonsuz olduğu durumda dolayısıyla sürtünme katsayısı kama açısının tanjantına eşit olduğunda gerçekleşecektir. Bu durumda herhangi bir fren torku meydana getirmek içim gereken kavrama kuvveti (clamping force) sıfır olacaktır. 11 EMF nin geleceği Siemens ile bütünüyle elektronik bir fren sisteminin tasarlanmasında ciddi ilerlemeler kaydedilmiştir. Tasarlanan diğer elektromekanik fren sistemlerine olan üstünlüğü, aracın kendi enerjisinden faydalanma prensibidir ve bu sayede 12 volt luk bir güç kaynağı yeterli olabilmektedir. Bosch Şasi Sistemi Kontrolü pazarlama yöneticisi Scott Dahl, Siemens in getirdiği teknolojiyi onaylamakta ve EHB sisteminde gözlenecek düşüşü de öngörmektedir; ancak elektronik fren sistemine olan geçiş sürecinin en az 10 yıl süreceğini ve uzunca bir süre daha geleneksel fren sistemlerini göreceğimizi ifade etmektedir. SiemensVDO, tasarımın yaz ve kış testlerinin iki yıllık süreci için hazırlanmakta ve 2009 yılında üretime geçmeyi planlamaktadır. Eğer firma planladıklarını hayata geçirirse,fren sektöründe ciddi bir etki yaratacağı açıktır. Geliştirilen tasarımın sadece otomobiller için değil kamyon ve ağır yük ticari araçları olarak nitelendirdiğimiz treylerde de kullanımı mümkün olacaktır.

17 KAYNAKLAR 1. Henry Hartmann, Martin Schautt, Bernd Gombert_ The mechatronic wedge brake estop-innovative brake technology-gmbh 2. www.physorg.com Wonder Wedge on Wheels-Braking Without Hydraulics, September 2005 3. www.findarticles.com Brake-By-Wedge, October 2005 4. TRW Chassis Systems 5. Mechatronic systems, Rolf Isermann, 2005, Springer Verlag. 6. Continental Teves Braking systems. 7. Advanced Brake Technology, Bert Breuer,Uwe Dassed, SAE International. 8. FreeScale Semicondoctur Application note hybrid controller used in Control of electromechanical Brake. 9. Digital By-Wire Replaces Mechanical Systems in Cars, SAE paper,2004-01-2926 10. Virtual design of 42V brake by wire system, SAE paper, 2003-01-0305