FREN TEST CİHAZLARI İMALATI İLE İLGİLİ TEKNİK BİLGİLER

Otomobillerde frenleme performansı, fren sisteminin durumunu ortaya koyması bakımından oldukça önemlidir. Frenleme performansını, fren sistem elemanları ve tekerlek-yol şartları gibi faktörler doğrudan etkilemektedir. Bu faktörlerin fren kuvvetleri üzerindeki etkileri, deneysel yöntemlerle tespit edilebileceği gibi matematiksel modeller yoluyla da tahmin edilmesi mümkündür. Bu çalışmada; frenleme kuvvetlerini doğru ve anlık ölçebilmek ve fren kuvvet analizi yapabilmek için bir elektro-mekanik fren test cihazı geliştirilmiştir. Deney sonuçlarından elde edilen verilerden matematiksel model oluşturulmuştur. Geliştirilen model ile frenleme performansını etkileyen lastik hava basıncı, lastik tırnak derinliği ve direksiyon dönüşüne bağlı tekerlek sapma açısının etkileri incelenmiştir.

Frenleme performansı, fren sisteminin etkili çalışma­sının bir göstergesidir. Frenleme performansını, taşıt ağırlığı, kampana veya disk yapıları, merkez ve teker­lek silindirleri, fren hidrolik devresi ve fren hidroliği, lastikler, süspansiyon sistemi, fren sistemi mekanik aksamı, yol şartları, taşıtın üzerindeki yük gibi birçok faktör doğrudan etkilemektedir. Frenleme kuvvetlerini etkileyen parametrelerin etkilerini incelemek ve doğru fren analizi yapabilmek için hem deneysel hem de teorik modelleme çalışmaları yapılmıştır.
Frenleme kuvvetleri değişimi, frenleme esnasında doğ­rusal kaymaya bağlıdır. Lastik tekerlek ve zemin şartlarının belirlediği tutunma değerleri, frenlemede önemli rol oynamaktadır. Tekerleğe etkiyen kuvvetlerden başlıca üç kuvvet ve bu kuvvetler sonucunda ortaya çıkan momentler, yapı­lan analizlerde ele alınmaktadır. Bu kuvvetler; tahrik veya frenleme sırasında oluşan doğrusal kuvvet, yanal kuvvet ve düşey kuvvet olarak tanımlanmaktadır. Lastiğin yola temas ettiği yüzeyde ve hareket yönünde bir kuvvet oluşturabilmesi için, bir miktar kayması zo­runludur. Frenleme esnasındaki kayma miktarı, lastiğin-yolun durumu ile taşınan yük miktarı ve frenleme kuv­vetine bağlıdır. Frenleme sırasında tekerlek hızı, taşıt hızına oranla daha az olacaktır. Kilitlenmiş bir tekerleğin "kayma" değeri % 100 iken serbest dönen bir tekerlekte ise bu değer % 0'dır [7,8]. Doğrusal fren­leme kayması, aşağıdaki gibi formüle edilebilir:

Doğrusal tekerlek frenleme kayması = (Serbest yuvarlanan tekerlek çevresel hızı - frenlenen tekerlek çevresel hızı) / Serbest yuvarlanan tekerlek çevresel hızı.

Fren testleri, yol testleri şeklinde olabileceği gibi, daha kısa sürede ve daha çok verinin alınabildiği test cihaz­larında da yapılabilmektedir. Yol testlerinin uzun zaman alması, özel test alanları gerektirmesi gibi zorluklar nedeniyle, fren test cihazları üzerinde yapılan ölçüm­ler ve elde edilen verilere göre yapılan fren analizleri daha uygun olmaktadır.

Düz zeminli test cihazlarında taşıt, fren test cihazın üzerine belirli bir hızla çıkmakta ve frenleme yapılmaktadır (Şekil 1). Cihazın algılayıcılarından elde edilen değerler göstergeden okunmaktadır. Tamburlu tip cihazlar da, ölçüm yapılacak araç test cihazının tamburları üze­rine çıkmakta daha sonrada cihazın elektrik motoru ile tamburlar taşıtın tekerleklerini belirli bir devirde dön­dürmektedir (Şekil 2). Frenleme ile tamburlar durdurul­maya çalışılmaktadır. Bu sırada ortaya çıkan kuvvet, cihaz üzerindeki algılayıcılar (hidrolik, elektronik vb) sayesinde cihazın göstergesinden alınmaktadır. Fren test­lerinde, daha az yer kaplaması, daha çok verinin alınabilmesi gibi nedenlerden dolayı tamburlu tip fren test cihazları daha çok kullanılmaktadır. Bu deneysel çalışmada; frenleme kuvvetlerinin doğru ve hassas bir şekilde belirlenebilmesi ve analizinin yapılabilmesi için fren test cihazı geliştirilmiştir. Yapılan deneyler sonucunda elde edilen verilerden matematiksel bir model oluşturulmuş ve sonuçların literatürle uyumlu
olduğu gözlenmiştir. Daha önce yapılmış çeşitli teorik ve deneysel çalışmalar; geliştirilen tekerlek modelleri, taşıt davranışını, frenleme kuvvet dağılımlarını en doğru bir şekilde tahmin etmeye yönelik araştırmalardır.

GELİŞTİRİLEN TEST CİHAZI

Fren kuvvetlerinin ölçülebilmesi için hidrolik olarak çalışan ve sadece maksimum frenleme kuvvetini veren test cihazı elektro-mekanik hale getirilerek saniyede 50 veri alabilecek şekilde geliştirilerek, frenleme sıra­sındaki fren kuvveti değişimlerinin hassas ve eş za­manlı görülebilmesi sağlanmıştır (Şekil 3). Geliştirilen test cihazı, 4540 N'a kadar frenleme kuvveti ölçebile­cek şekilde düzenlenmiştir. Cihaz üzerinde toplam 4 tambur ve iki adet de elektrik motoru kullanılmaktadır. Dönüşümde kullanılan donanım Şekil 5-8'de görül­mektedir. Yük algılayıcılarının mekanik bağlantısı Şekil 9'da ve elektronik bağlantı şeması da Şekil 10'da verilmiştir.
Fren kuvveti ölçümü için yapılan deneyler, Gazi Üni­versitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Otomotiv Ana Bilim Dalı laboratuarında geliştirilen fren test cihazında ya­pılmıştır. Sistematik deneyler 1993 model, kütlesi 945 kg, lastik hava basıncı 2.02 bar (30 psi), lastik tırnak derinliği 9 mm olan ve AB S sistemi bulunmayan bir araç üzerinde yapılmıştır. Deneyler sırasında sadece sürücü mahallinde bir kişi bulundurulmuştur (ISO 6597-1991). Deney cihazının şematik resmi Şekil 4'de görülmek­tedir. Geliştirilen cihazda maksimum hata miktarı ~ % 0,2 olabileceği belirlenmiş olup, bu hatanın 110.8 g'si I/O kartının 12 bitlik olmasından, 221,6 g'si 3016 adam'ın çıkış geriliminin ± 5 volt olmasından, 908 g'si yük algılayıcısından ve 320 g'si de elektrik tesisatından kaynaklanmaktadır. Ölçümler taşıtın tek dingili üze­rinde yapılmıştır. Yapılan deneylerde ölçüm yapılan parametre değiştirilmiş diğer parametreler sabit tutul­muştur. Pedal kuvveti ölçme aparatı ile yapılan ölçüm sonucunda deney yapılan aracın pedal kuvveti maksi­mum 350 (N) olarak ölçülmüştür.

DENEYSEL VERİLER VE MATEMATİKSEL MODEL  

Matematiksel model oluşumunda yapılan deney sonuç­larının güvenilir olması modelin güvenilirliğine de or­taya koyacaktır. Deneylerin hassas ve doğru olması için fren test cihazı geliştirilmiş ve bu cihaz ile deneyler yapılarak elde edilen verilerden matematiksel model ortaya konulmuştur. Ortaya çıkan modelde değişken­ler için kullanılan katsayılar Tablo 1'de verilmiştir. Değişik tekerlek - yol şartlarındaki fren kuvvetlerinin hesaplanması sağlanmaktadır. Elde edilen veriler fren kuvveti-kayma grafiklerinde gösterilmiştir. Her bir değişkeni temsil eden katsayılar (A,B,C,D,E) denklem­de yer almaktadır. Elde edilen bu değerler arasında korelasyon yapılarak değişen parametrelerin fonksi­yonları yansıtılmıştır. Genel matematik modelde fren­leme kuvvetinin sadece bir parametreli değişimleri tanımlanmış olup diğer parametrelerin sabit olduğu durumlar göz önünde bulundurulmuş ve hesaplamalar 3 kN düşey yük için yapılmıştır. Matematiksel modelde R2 değeri 0,967 ile 0,999 arasında değişmektedir. Ya­pılan deneylerde %40 kayma değerinden itibaren frenleme kuvveti sabit kalmaktadır ve matematiksel model de buna bağlı olarak geliştirilmiştir.
Geliştirilen modelde örneğin; direksiyon dönüşüne bağlı olarak tekerlek sapma açısının değişimini incelendiğin­de, lastik hava basıncının 2,02 bar, lastik tırnak derin­liği 9 mm, tekerlek sapma açısı 9° ve % 30 kayma şart­larında frenleme kuvveti 2796,299 N olmaktadır. Deney­sel olarak aynı şartlarda 2823,01 N ölçülmüştür. Diğer parametreler için benzer şekilde hesaplama yapılabil­mesi mümkündür.
Fren test cihazında, frenleme performansını etkileyen tırnak derinliği, tekerlek dönüş açısı, lastik hava basın­cının değişimleri ile ilgili deneyler yapılmış, elde edilen veriler ile geliştirilen modelden hesaplama ile elde edilen frenleme kuvvetleri karşılaştırmaları Şekil 11-13'te görülmektedir. Tekerlek üzerine gelen düşey yük ~ 3000 N'dur.

Şekil 11'de tırnak derinlikleri 9 ve 2,5 mm olan farklı iki lastiğin, tamburlu tip fren test cihazında ölçüm sonucu elde edilen frenleme kuvvetleri ile matema­tiksel modelden hesaplama ile elde edilen değerlerin karşılaştırılması görülmektedir.
Ölçülen değerlerle hesaplanan değerler arasında mak­simum % 6 fark bulunmaktadır. Tırnak derinliklerinin farklı olması lastik-yol arasındaki tutunmayı etkiledi­ğinden fren kuvvetlerinde farklılıklar oluşmaktadır.

Tırnak derinliğinin azalması ile lastik-yol arasında kaymaya yol açabilecek su, toz vb. maddeler lastik tır­naklarının arasındaki boşluklara yeterince giremeye­ceği ve lastikten uzaklaştırılamayacağı için frenleme kuvvetlerinde azalmalara yol açmaktadır.
Lastik ve yol arasındaki kararlılık ve kontrol, lastik üzerinde bulunan lastik tırnakları ile sağlanmaktadır. Kuvvet aktarımında önemli olan lastik tırnak derinliği, zemin şartlarından sonra tutunma katsayısını belirle­yen önemli bir faktördür [15].
Direksiyon dönüşüne bağlı olarak tekerlek sapma açı­sının etkisi test cihazından elde edilen frenleme kuv­vetleri ile matematiksel modelden elde edilen değerle­rin karşılaştırılması Şekil 12'de görülmektedir. Bu İki değer arasındaki maksimum fark % 8'dir. Cihazda yapı­lan ölçümde, 0-9-15 derece tekerlek dönüş (sapma) açısında frenleme kuvvetleri ölçülmüştür. Tekerleğin dönüş açısının artmasına paralel olarak frenleme kuvvetlerinde azalma olmaktadır. Direksiyonun dönmesi ve tekerlekte sapmanın oluşması ile lastik-yol arasın­daki temas yüzeyi azalmakta, lastiğin kenar bölgele­rindeki tırnak derinliklerinin de diğer bölgelere göre az olması nedeniyle tutunma azalacağı için frenleme kuvvetinde de azalma ortaya çıkmaktadır. Maksimum frenleme kuvvetleri, doğrusal kaymanın yüksek olduğu bölgeye doğru değişim göstermektedir. Bu sonuçlar, çeşitli deneysel ve teorik modellerle uyumlu görül­mektedir [3,16].
Lastik hava basıncının azalması fren kuvvetini artırıcı yönde etki ederken, basıncın artması fren kuvvetinin azalmasına neden olmaktadır. Lastik hava basıncının fren kuvvetleri üzerindeki etkisi Şekil 13 'te görülmektedir. Deney yapılan taşıt için, lastik hava basıncının üretici firma tarafından tavsiye edilen değeri 30 lb/inç2 (2,02 bar)'dır.
Lastik hava basıncının azalması ile maksimum fren kuvvetlerinde artma görülmektedir. Mesela, lastik hava basıncı 1,65 bara düşürüldüğünde, frenleme kuvveti % 4,7 artmıştır. Bunun nedeni; lastik hava basıncının azalmasına bağlı olarak temas yüzeyinin artması ve tutunmanın artması olarak değerlendirilebilir. Buna karşılık, lastik hava basıncının artırılması (2,48 bar) ile maksimum fren kuvvetlerinde % 4,8 azalma ol­maktadır. Lastik havasının artması ile lastiğin yola temas yüzeyi azalmış ve lastik ile yol arasındaki tutunma azaldığından frenleme kuvvetinde düşme olmuştur. Las­tik dişlerinin basınca bağlı olarak açılması nedeniyle lastikteki kanallar genişleyerek lastiğin yola temasını azaltmaktadır.

SONUÇLAR

Binek taşıtlarında frenleme kuvvetlerini ölçmek ve deği­şik şartlarda meydana gelen fren kuvveti dağılımlarını incelemek amacıyla tasarımlanan ve geliştirilen test ekipmanının etkinliği amaca uygun olmuştur. Cihazın kalibrasyonu, uygulanan yük değişimlerine göre yapıl­mıştır. Data toplama sistemi, anlık yük değişim sinyal­lerini aktarabilmektedir. Cihazın yaklaşık toplam ölçüm hatası % 0.2 civarındadır. Ölçülen frenleme kuvveti değerleri ile çeşitli teorik modellerden elde edilen so­nuçlar karşılaştırıldığında, biri biriyle uyumlu olduğu gözlenmektedir.
Fren kuvvetlerinin matematiksel modeller ile tespit edilmesi, fren test cihazları ile yapılan ölçüm sonuçla­rının doğruluğunun bir göstergesi olmaktadır. Mate­matiksel model ile fren kuvvetlerinin tespiti taşıt tasa­rımında oldukça önemlidir. Frenleme kuvvetine etki eden her bir değişken için ölçümler ve bundan çıkarı­lan frenleme kuvveti-kayma eğrileri, matematiksel mo­delin kullanılabilirliğini göstermektedir. Yapılan deney­lerden elde edilen veriler incelendiğinde, R2 değerinin 0,967 ile 0.999 arasında değiştiği görülmektedir. Bu sonuç, deneysel çalışmanın güvenirliğini göstermektedir.
Ölçüm değerleri ile oluşturulan matematik modelin çözümünden elde  edilen değerler kıyaslandığında, hata miktarının maksimum % 8 olduğu tespit edilmiş­tir. Buna göre, frenleme kuvvetini etkileyen paramet-relerdeki değişimin sonuçları yapılacak fren analizi için yeterli görülebilir. Ancak; yapılan deneyler cihaz tamburunun hızı olan 144 min-1 ile sınırlı olmuştur. Yüksek hızlardaki atalet etkisi (yol şartlarında) tam olarak cihaza yansıtılamamıştır. Lastik ile yol arasındaki tutunmayı etkileyen faktörlere bağlı olarak frenleme kuvveti değişmekte, lastik tırnak derinliğinin azalması, direksiyon dönüşüne bağlı olarak ortaya çıkan tekerlek sapma açısının artması, lastik hava basıncının artması frenleme kuvvetini azaltmaktadır.

Kaynak; Gazi Üniv.