OTEKON 14 7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 26 27 Mayıs 2014, BURSA OTOMOTİV SANAYİNDE EL FREN KUMANDA KABLOSU MEKANİZMALARINDA KULLANILAN ÇEŞİTLİ YAPISAL KOMPONENTLERİN SİSTEMİN VERİMİNE ETKİLERİNİN İNCELENMESİ. Erhan Sönmez *, Mehtap Hıdıroğlu *, Coşkun Karataş * * Orhan Otomotive ARGE., NOSAB, Meşe Cad. Nilüfer, BURSA ÖZET Bu çalışmada, el fren teli mekanizmalarında görülen mekanik kayıplar ve endüstrideki başlıca tedarikçilerden elde edilen tel, yağ ve tüp malzemelerinin sisteme etkileri incelenmiştir. Bu malzemelerinin kuvvet verimine, tel esnekliğine ve sürtünme kuvvetine etkilerinin belirlenebilmesi adına bir test düzeneği geliştirilmiş ve ticarileşmiş bir el fren teli mekanizması tasarımında tel, yağ ve tüp gibi komponentlerin sisteme etkileri değerlendirilmiştir. Anahtar kelimeler: El fren teli, Kuvvet verimi, Mekanik kayıplar, Sürtünme kuvveti, Esneklik. THE EXAMINATION OF THE EFFECTS ON EFFICIENCY OF VARIOUS STRUCTURAL COMPONENTS USED IN THE HAND BRAKE CABLE MECHANISMS IN AUTOMOTIVE INDUSTRY. ABSTRACT In this study, the mechanical losses observed in the hand brake cable mechanisms and the effects on the system of wire, grease and tube materials obtained from primary suppliers in the industry. In order to determine the effects of materials forming that structural components on force efficency, stiffness and drag force, a test mechanism has been developed and the effects of components like wire, grease and tube, have been examined in commercialized hand brake cable mechanism design. Keywords: Hand brake cable, Force efficency, Mechanical losses. Friction force, Stifness. 1. GİRİŞ Bugünün modern araçlarında, konveksiyonel ve mekanik park fren sistemleri birçok komponentten oluşurken bu sistemler mekanik kayıplar sergilemektedir. Bu komponentler park fren kolu, arka fren, çeşitli braketler ve gövde panalleri içermektedir. [1] Bu çalışmada, El fren telli sistemlerinde kullanılan tel, yağ ve tüp gibi yapısal el fren teli komponetlerinin sistem verimine (mekanik kayıplara) etkileri araştırılmıştır. Çeşitli endüstriyel tel, yağ ve tüp malzemelerinin bir el fren teli mekanizmasında diğer sabit parametrelerle kolerasyonu test edilmiş en optimum verimi sağlayan komponent çeşitleri kombinasyonu belirlenmiştir. Komponentlerin iyi tasarlandığı tipik bir sistemde, hatta en iyi tasarımlarda bile büyük mekanik kayıplar gözlenebilir. Tüm bu kayıplar, aracın parkı esnasında temel ve müşteri gerekliliklerinde, yasal zorunluluklarda zorluklara yol açmaktadır. Buna rağmen sistemin bir parçası yetersiz tasarlandığında kabul edilemez büyük kuvvet veya kurs boyu kayıpları sonuçları alınabilir. Park 1
fren kabloları, park fren sistemlerinin geliştirilmesinde spesifik, ilginç fırsatlar sunabilmektedir. [1] Paul Stoloff, A Study of Parking Brake Cable Efficiency as Affected by construction Type adlı çalışmasında park fren tellerinde mekanik verimi ve endüstrideki başlıca tedarikçilerin tel ve kılıf gibi çeşitli kablo yapılarının sisteme etkilerini incelemiştir. Söz konusu bu çalışma da ise optimum sürtünme kuvvetinin sistemde elde edilmesi amacıyla çeşitli tel, yağ ve tüp kombinasyonu çeşitlerinin sisteme etkileri araştırılmıştır. Genel anlamda sürtünme; temas halindeki yüzeylerin ve birbiri üzerinde hareket eden ya da, hareket ihtimaline karşı gösterilen direnç olarak tanımlanır [2]. Sürtünmenin etkileri belirlendiginden veya fonksiyonları kontrol edildiginden beri her cihaz gelistirilirken sürtünme özellikleri dikkate alınarak cihazın ömrü ve verimliliği belirlenmektedir. [3]. Çok sayıda yapı elemanı sürtünmeli ya da kaymalı zorlamaya maruz kalır. Tekniğin her sahasında malzemelerin sürtünme özelliklerinden ve sürtünme kuvvetlerinden faydalanılarak çeşitli konstrüksiyonların gerçekleştirildiği ve çok çeşitli görevlerin yerine getirildiği görülmektedir [4]. Bu duruma, el fren tellerinde bir hareketin iletilmesi görevi gösterilebilir. Kılıf Başlığı Tüp Yay Koruyucu Tek teli spiral kılıf Tel Askı lastiği Tel başlık Resim1. El fren teli ve komponentleri. Park fren sistemi tartışmalarında sanki tek parametreymiş gibi sadece ve yaygın olarak kablo veriminden yararlanılmaktadır. [1] Ancak, ürünün korozyon direnci, el fren koluna uygulanan kuvvetle ürünün esnemeye karşı gösterdiği direnç,esneklik, maliyet, tedarikçi stratejileri ve spesifik imalat uygulamaları gibi birçok konu göz önünde bulundurulmalıdır. Otomobil el fren teli mekanizması, çeşitli fonksiyonel bileşenlerden oluşmaktadır. Mekanizmayı oluşturan temel bileşenler arasında; kılıf, tüp, tel, yağ, gromet, tel başlık, kılıf başlık ve koruyucu elemanları bulunmaktadır. Kılıf, tüp, tel ve yağ sistem verimini etkileyen en önemli parametrelerdir. Kılıf, plastik ekstrüzyon prosesi ile üretilen, tellere uygulanan çekme kuvvetini iletmesini sağlamak için teli içinde muhafaza edip dış etkenlerden koruyan bir parçadır. Tüp, Telin sürtünme kuvvetini en aza indirerek telin hareketini kolaylaştıran parçadır. Telin kılıfa direkt temas ederek kılıfın zedelenmesine engel olur. Yağ, Tüp ile beraber telin sürtünme kuvvetini azaltarak hareket kolaylığının arttırılmasını sağlar. Tel, uygulanan çekme kuvvetlerinin aktarımını sağlayan istenilen özelliklere göre farklı ölçü ve sarımlarda ihtiyaç duyulabilen bir paçadır. 2
2. YÖNTEM & TEST DÜZENEĞİ 2.1 Verim Testi Kampanayı simule eden yaylar Yük hücresi 2 Test numunesi Yük hücresi 1 Resim2. El fren teli mekanizması verim test düzeneği. El fren teli test numunelerinden alınan verim, esneklik ve sürtünme kuvveti değerlerinin karşılaştırmalı olarak incelenebilmesi adına Resim2 de üzerine ticarileştirilmiş bir test numunesinin montajlandığı bir verim test düzeneği görülmektedir. Verimlilik, esneklik ve sürtünme kuvveti test sonuçları Renault un 31-06-014 numaralı şartnamesindeki gereklilikler baz alınarak değerlendirilmiştir. El fren telleri, araç tasarımlarına göre çeşitli koordinat ve boyutlarda tasarlanabilir. Ancak, yeni tasarımlar, değişen koordinatlar sistemde mekanik kayıplara yol açabilmektedir. Resim2 deki numune, sabit bir araç tasarımı baz alınarak, (araç hacmindeki x, y ve z koordinatları referans alınarak) test düzeneğine montajlanmıştır. Düzenekte sürücünün el kuvveti bir motor yardımı ile simüle edilirken, kampananın sürücünün el hareketine gösterdiği direnç ise yaylar ile simüle edilmektedir. Resim2 de görülen yük hücreleri yardımı ile giriş-yük hücresi (input) 1 ve çıkış-yük hücresi (output) 2 kuvvetleri sistemin bir parçası olan yazılıma aktarılır ve mekanizmadan alınabilecek % verim değeri hesaplanır. 2.2 Esneklik Testi El fren koluna uygulanan kuvvetle ürünün esnemeye karşı gösterdiği direnç otomotiv sanayinde stiffness (ESNEKLİK) olarak adlandırılmıştır. Aktif kısım Pasif kısım Resim3. El fren teli mekanizması esneklik ölçümü test düzeneği Ürünün araç hacmindeki yerleşimine göre tasarlanan test düzüneğine ürün yerleştirilir. Test düzeneğinde kampanayı simüle eden kısım ürün sabit olarak montajlanır. Bu kısım Resim3 te pasif kısım olarak adlandırılmıştır. Resim3 te aktif kısım olarak adlandırılmış kısım bir yük hücresi dijital gösterge ve cetveller ile desteklenmiştir. Amaç aktif kısımdaki motor yardımı ile belirli bir kuvvette çekilen ürünün istenilen optimum uzama değerlerini sağlamasıdır. 3
Verim 2.3 Sürtünme kuvveti testi. Resim 1 de görülen el fren teli, araç hacmindeki yerleşimine göre test düzeneğine montajlanır ve bir dijital dinamometre yardımı ile kılıf içindeki tel, tel başlık vasıtası ile çekilir. Alınan sonuç, el fren teli tasarımına göre belirli sınırlar arasında olmalıdır. 3 TEST NUMUNELERİ VE TEST SONUÇLARI Tablo 1. Farklı yapıda tel ile farklı malzemede tüp ve yağ kombinasyonlarının oluşturduğu prototip numuneler. TÜP A + YAĞ A TÜP A + YAĞ B TÜP B + YAĞ A TÜP B + YAĞ B TEL A 6 3 8 1 TEL B 2 4 5 7 Farklı tedarikçilerden, farklı yapıda 2 çeşit metal tel, farklı malzemede 2 çeşit plastik tüp ve 2 çeşit kimyasal yağ malzemesi kombinasyonları ile 8 çeşit prototip el fren tasarlanmış, her kombinasyondan üç er tane olmak üzere 24 adet test numunesi üretilmiştir. Çeşitli Tel, tüp ve yağ kombinasyonlarından oluşan prototip numuneler tablo1 de görüldüğü üzere 1-8 şeklinde isimlendirilmiştir. Kılıf yapısı sabit tutularak tel, tüp ve yağ gibi komponentlerin kombinasyonlarından oluşan prototip numunelerden üçer adet test edilmiş ve elde edilen bu üç değerin ortalaması o kombinasyonun test sonucu olarak değerlendirilmiştir. Tel A ve Tel B kodlu tel komponent malzemeleri farklı çekme dayanımı değerlerine (Tel A : 1770N/mm 2 Tel B : 1915N/mm 2 ve farklı tel sarım yapısına (Tel A : 1+6+12, Tel B :7*7) sahip olup galvaniz kaplı çelik malzemelerdir. Tüp A ve Tüp B malzemeleri farklı polimer malzemelerden (PEHD ve PBT) üretilmiştir. Prototip numunelerde kullanılan endüstriyel Yağ A ve Yağ B silikon bazlı farklı kimyasal yapılara ve farklı yoğunluklara (Yağ A : 1,0g/ml, Yağ B. : 0,96g/ml) sahiptir. 3.1 Verim Testi Sonuçları 125daN Giriş kuvveti ile test edilen numunelerin sonuç grafiği şekil1 de görülmektedir. Şekil1 deki kuvvet verimi sonuç grafiği değerlendirildiğinde kombinasyon1 in test sonuçları en düşük kuvvet verimi değerlerine sahip olurken kombinasyon8 i test sonuçlarının en yüksek kuvvet verimi değerlerine sahip olduğu ve kombinasyon2-7 arasında ki değerlerin birbirleri arasında değişkenlik gösterdiği görülmektedir. 90,00% 89,00% 88,00% 87,00% 86,00% 85,00% 84,00% 83,00% 82,00% 81,00% 80,00% Şekil1. Kuvvet verimi sonuç grafiği. Verim %80-3 sigma Test Numuneleri Kuvvet verim testinden alınan değerler arasındaki söz konusu farklılıklar tel yapısı, tüp malzemesi ve endüstriyel yağ çeşidinin kuvvet verimi üzerinde etkili birer parametre olduğunu göstermektedir. Şekil1 deki kuvvet verimi sonuç grafiği değerlendirildiğinde kombinasyon1 in test sonuçları en düşük kuvvet verimi değerlerine sahip olurken kombinasyon8 in test sonuçlarının en yüksek kuvvet verimi değerlerine sahip olduğu ve kombinasyon2-7 arasında ki değerlerin birbirleri arasında değişkenlik gösterdiği görülmektedir. 4
Kuvvet dan Esneklik 3.2 Esneklik Testi Sonuçları 16,5 16 15,5 15 14,5 14 13,5 13 12,5 Esneklik 15daN/mm -3 sigma Test Numuneleri Şekil 2. Esneklik testi sonuç grafiği. Şekil2 de kombinasyon1-8 kadar olan tüm prototip numunelerin 65daN çekme kuvvetinde gerçekleştirilen Esneklik testi sonuç grafiği görülmektedir. Test sonuçlarına göre en düşük Esneklik değerleri kombinasyon1 in değerleri iken en yüksek esneklik değerleri kombinasyon8 te görülmektedir. En yüksek kuvvet veriminin alındığı kombinasyon8 in esneklik test sonucu değerleri ise en yüksek ikinci verim sonuçlarının alındığı kombinasyon4 ile birbirine çok yakındır. 3.3 Sürtünme Kuvveti Testi Sonuçları Şekil3 te kombinasyon1-8 e kadar olan tüm prototip numunelerin sürtünme kuvveti sonuç grafiği verilmiştir. Test sonuçlarına göre 2 de en düşük sürtünme kuvveti değeri alınırken kombinasyon8 de en yüksek sürtünme kuvveti değeri alınmıştır. Tablo 2. Numunelerin verim, esneklik ve sürtünme kuvveti testleri sonuç tablosu. Test Numuneleri 1 2 3 4 5 6 7 8 Test Sonuçları Kuvvet Verimi Esneklik dan/mm Sürtünme Kuvveti dan 83,13% 14,07 0,52 88,40% 15,52 0,50 88,00% 14,44 0,52 88,76% 16,02 0,57 87,03% 15,49 0,63 88,02% 15,15 0,53 85,96% 15,22 0,40 88,90% 16,26 0,71 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Sürtünme Kuvveti 1,0daN 4. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME Bu çalışma, el fren teli performansını etkileyen ölçülebilir farklılıkların kılıf yapısı sabit tutularak tel tüp ve yağ gibi sistemi oluşturan önemli komponentlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinden kaynaklandığını göstermektedir. Tel, tüp, yağ, gibi komponentlerin oluşturduğu esneklik ve sürtünme kuvveti parametreleri sistem verimini etkilemektedir. Elde edilen test sonuçları, tel, tüp ve yağ gibi el fren teli komponentlerinin yapısal özelliklerinin kablo veriminin belirlenmesinde önemli rol oynadığını kanıtlamaktadır. Test Numuneleri Şekil 3. Sürtünme kuvveti testi sonuç grafiği. Kuvvet verimi optimum el fren tasarımınında büyük rol oynamaktadır. El fren telinin araç içi koordinatları ve boyutları her yeni araç tasarımında değişmektedir. Söz konusu değişiklikler kuvvet kayıplarına neden olabileceğinden her yeni araç tasarımı için yeni ve 5
spesifik bir el fren tasarımı geliştirilmelidir. Fren teli tasarımı, müşteri gereklilikleri ve araç koordinatlarına bağlı olarak kılıf, tüp, yağ ve tel kombinasyonlarının oluşturduğu ana parametrelerin optimum seçimine bağlı olarak yapılmalıdır. Bununla beraber müşteri gerekliliklerinin sağlandığı çözümlerde maliyet ön plana çıkmaktadır. KAYNAKLAR 1.Stoloff, P., 2011, "A Study of Parking Brake Cable Efficiency as Affected by Construction Type," SAE Int. J. Passeng. Cars Mech. Syst. 4(3):1437-1444, 2.Ashby, M.F. and Jones, D.R.H. 1996, Engineering materials 1, 2nd edition, Butterworth, Heineman 1-295. 3.Timur, M., 2007, Otomotivde kullanılan sürtünme malzemelerinin sürtünme katsayısını tespit ede test cihazı tasarımı ve imalatı. Yüksek Lisans, Afyon Kocatepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Fakültesi, Afyon. 4. Topbaş, M. A., 1993, Endüstri malzemeleri, cilt.2, Yıldız Üniversitesi Matbaası, İstanbul, 219-26 6