Otomobillerde Kullanılan Fren Diski Hasar Analizi

OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
OTOMOBİLLERDE KULLANILAN FREN DİSKİ HASAR ANALİZİ
İbrahim Yavuz*, Muzaffer Erdoğan*, Ali Erçetin**
*
Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Otomotiv Müh. Böl., Afyonkarahisar
**
Bingöl Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Makine Müh. Böl., Bingöl
ÖZET
Taşıtlar, yakıtın yanması sonucu oluşan ısı enerjisinin mekanik sistemler ile harekete dönüştürülmesi sayesinde hız
kazanırlar. Bu hızın kontrolü veya azaltılması fren sistemleri ile sağlanmaktadır. Fren sistemleri; tasarımlarına, fren
gücünü iletim sistemlerine ve işlevlerine göre sınıflandırılır. Eskiden yaygın olarak kullanılan kampana frenlerin yanı
sıra günümüzde modern fren sistemi olarak disk fren uygulaması yaygınlaşmış olup genellikle ön tekerleklerde disk
fren, arka tekerleklerde kampana fren kullanılmaktadır. Teknolojinin gelişmesi ve otomobillerden beklenen performans
yüksekliği, disk frenlerin kullanımını yaygınlaştırmıştır. Disk frenler, kampanalı frenlere göre ısıyı daha iyi iletmekte ve
suyu daha kolay atmaktadırlar.
Son yıllarda teknolojinin gelişmesiyle birlikte araç süratlerinin artması ve taşıt güvenliğine verilen önemin
artmasının sonucu olarak daha etkili frenleme sistemlerinin geliştirilmesi üzerine çalışmalar yoğunlaştırılmıştır.
Bu çalışmada; bir otomobilin disk fren sistemi hasar analizinin incelenmesi, malzeme özellikleri, kimyasal
alaşımlarına yer verilmiştir. Ayrıca hasara uğrayan fren diskinin sonlu elemanlar metodu ile incelenmiş, elde edilen
sonuçlar değerlendirilmiş ve bulgular tartışılmıştır.
Anahtar kelimeler: Disk fren hasar analizi, fren sistemi, disk fren malzeme özellikleri, disk fren sonlu elemanlar
gerilme.
AUTOMOBILE USED BRAKE DISC FAILURE ANALYSIS
ABSTRACT
Vehicles are driven by the combustion of the fuel, and the conversion of this heat energy intomotion by mechanical
systems. Controlling or reducing this speed is provided by the brake system. Brakes are categorized of design, brakes
power transmission system and function. As well as drum brakes, which were commonly used in the past, disc brake
applications have also become widespread today, usually disc brakes are used in the front wheels, and drum brakes in
the rear wheels. Development of technology and the high performance that is expected from the cars have generalized
the use of disc brakes. Disc brakes conduct heat better compared to drum brakes and discharge water better.
As a result of the increase in the importance that is given to vehicle safety and increase of vehicle's speed, efforts in
developing more effective brake systems have been intensified.
In this study; a car’s disc brake system failure analysis of the investigation, material properties, chemical alloys are
mentioned. Also damaged brake disc was observed with the finite element method, the obtained results were evaluated
and results are discussed.
Keywords: Disc brake failure analysis, brake system, disc brake material properties, disc brake finite element stress.
1
1. GİRİŞ
Bir taşıtın en önemli sistemlerinden birisi fren
sistemidir. Frenleme ile ilgili elemanların görevi aracı en
kısa ve en güvenli bir şekilde yavaşlatmak ve
durdurmaktır. Ayrıca taşıtın karayolu durumuna göre iniş
ve çıkışlarda emniyetli bir şekilde hareket etmesini
sağlamaktır. Park halinde ise duran bir aracı yerine
sabitlemektir. Bir araçta fren sistemi ne kadar güçlü ve
etkiliyse o araç da o kadar güvenlidir diyebiliriz.
Taşıt hızının azaltılabilmesi için sahip olduğu
enerjinin başka bir şekle dönüşümü gereklidir. Araçlarda
esas olarak fren mekanizmaları vasıtaların kinetik
enerjilerini ısı veya sürtünmeye çevirerek hareket
süratlerini azaltır. Fren sistemlerinde, taşıtın kinetik
enerjisi balataların sürtünmesi yoluyla ısı enerjisine
çevrilir ve bu ısı atmosfere yayılır. Eğer frenlere çevreye
verebileceğinden daha fazla bir ısı verilirse fren
balatalarındaki sürtünme katsayısı düşmekte ve frenlerin
durdurma kabiliyetleri azalmaktadır. Bu noktadan sonra
aşınma hızlanır. Fren balatalarının sürekli olarak aşırı
sıcaklıklara maruz kalmaları balataların frenleme
etkinliklerinin sona ermesine sebep olur. Bu durum,
frenlerin performansındaki azalma, hatalı çalışma, hızlı
balata aşınması ve ses olarak kendini gösterir [1, 2].
Günümüzde disk ve kampana olmak üzere iki çeşit
fren sistemi bulunmaktadır. Disk fren sistemi daha çok
otomobil ve hafif ticari araçlarda, kampanalı fren
sistemleri ise daha çok ağır taşıtlarda kullanılmaktadır.
Şekil 1. Disk fren sistemine ait genel parçalar [4]
Disk frenler Şekil 2’ de görülebileceği üzere
genellikle arabalarda önde yer alır; fakat günümüzde dört
tekerlekte de bu tip frenler kullanılmaya başlanmıştır.
Disk frenlerin asıl önemli olduğu yer ön taraftır. Çünkü
frenleme en iyi ön tekerlekler vasıtasıyla yapılır. Bunu
şöyle açıklayabiliriz, hareket eden bir nesneyi
yavaşlatmaya başladığımızda eylemsizlik prensibine göre
kütle hareketini devam ettirmek ister. Eğer siz bu
harekete izin vermezseniz, nesnenin ağırlık merkezi öne
kayar. Nasıl araba içinde otururken fren yapıldığında
istemsiz olarak ileri doğru bir hareket yapıyorsak, aynı
şekilde araç da öne doğru eğilim yapar. Bu eğilimi ve ön
kısma yaklaşan ağırlık merkezini durdurmanın en etkili
yolu da ön tekerleklerin durdurulmasıdır. Fren esnasında
aracın arka tekerleklerinin yerle olan teması ve üzerine
binen yük miktarı azalacağından frenleme konusunda pek
etkili olamazlar. Fakat eğer geri giderken fren yaparsak, o
zaman da asıl yük arka frenlere binecek ve arka frenler
daha etkili olacaktır [4].
2. DİSK FRENLER
Modern
araçların
birçoğunda
disk
frenler
kullanılmaktadır. Taşıtlarda prensip olarak tekerlekle eş
eksenli olarak monte edilmiş olan metal bir disk
tekerlekle birlikte dönmektedir. Şekil 1’ de diske ait
şematik resmi verilen sistem belirli bir çalışma prensibine
sahiptir. Semer adı verilen ve tekerlek askı kollarına bağlı
olan bir parça diski genel olarak bir köşesinden kavrar.
Semerin iç kısımlarında diskin iki yüzeyine yaslanan
balatalar bulunur. Fren pedalına bastığınızda sistemdeki
hidrolik sıvının yerini değiştirmiş olursunuz. Frenleme
sırasında bu değişim bir piston yardımıyla balatalar
üzerinde hidroik basınç oluşturur. Oluşan hidrolik basınç
ile balatalar, diski her iki yönden eşit kuvvetle
sıkıştırırlar. Araç, disk üzerindeki sürtünme kuvvetinin
etkisiyle yavaşlamaya başlar. Ne kadar fazla güç
uygularsanız disk o kadar baskıya maruz kalır ve
tekerleğin dönüş hızı yavaşlar.
Diskli frenlerde aşınmanın düzgün olabilmesi için
temas basıncının da düzgün olması gerekmektedir [3].
Diskin semer tarafından örtülü olmayan kısımları hava
akımlarına açık bulunduğundan kolayca soğutulmaktadır.
Çamur ve balata tozları merkezkaç kuvvetle ya da hava
akımı ile temizlenir. Fren cevap süresini uzatan nem
oldukça hızlı buharlaştığından cevap çabuklaşır. Disk
kaba kirlenmelere karşı bir çamurluk sacı ile
korunmaktadır.
Şekil 2. Disk frenlerin taşıt tekerleği üzerindeki
konumu [4]
Yapılan literatür araştırmasında fren diskleri üzerine
meydana gelen hasarların büyük bir kısmı frenleme
esnasında disk üzerinde oluşan ısı sebebiyle meydana
1
geldiği tespit edilmiştir. Bu çalışmalardan bazıları
şunlardır;
Boniardi vd.[5], bir motosiklete ait olan fren diskinin
hasarını incelemiş incelemeleri sonucunda yüksek
sıcaklık nedeniyle malzeme iç yapısında bozulmalar
sonucunda hasar meydana geldiği
sonucunda
varmışlardır. Bagnoli vd.[6], yangın söndürme aracına ait
olan bir fren diskinde meydana gelmiş olan termal
yorulma çatlağını incelemişlerdir. Çatlak oluşumunun
sebebi olarak frenleme sırasında kalıntı gerilmelerden
meydana geldiğini tespit etmişlerdir. Thomas J. Mackin
vd.[7], Bagnoli ve arkadaşlarına benzer termal çatlak
üzerine bir çalışma yapmışlardır. Hasar sebebi olarak
termo mekanik yorgunluk sebebiyle hasar meydana
geldiği tespit etmişlerdir.
Jacobsson [8], konvansiyonel disk fren analizi
yapmıştır. Zamana bağlı olarak ısıl bozunmalar
sürtünmeden dolayı ve mekanik bozunmaların uygulanan
işletme kuvvetlerinden dolayı oluştuğu sonucuna
varmıştır. Deneysel çalışma sonucunda, sürtünen
malzeme çiftinde aşınma oluştuğu ve diskin kalınlığında
azalma meydana geldiğini bulmuştur. Valvano ve Lee
[9], diskin maksimum sıcaklığı, balata ile temas kurulan
bölgede bulunduğunu ve tekrarlayan frenleme esnasında
yükselmiş olduğunu bulmuşlardır. Arpat [10], yaptığı
çalışmada hafif ve ağır ticari araçların yüklü halde sık
frenleme sonucu, kampanalı veya diskli fren
sistemlerindeki balataların sürtünme yüzeyindeki
sıcaklığın artmasından dolayı balatadaki aşınma miktarını
incelemiştir. Frenleme anındaki sıcaklığın düşürülmesiyle
balatada aşınmanın azaldığını bulmuştur. Mosleh vd.[11],
çeşitli hızlarda frenlemeye tabi tutulan balatalardaki
aşınma ve sürtünme davranışları ve aşındırıcı
malzemelerin tribolojik özellikleri ile ilgili incelemeler
yapmışlardır. Deneysel olarak yapılan testlerde fren
malzemesi
karakteristikleri
belirlenmiştir.
Fren
malzemelerinin farklılığına bağlı
olarak aşınma
oranındaki değişimin düşük ve yüksek kayma hızlarına
bağlı olduğunu tespit etmişlerdir.
Li vd.[12], diskli frenlerde, frenleme esnasındaki
titreşim ve gürültü oluşumunun balata yüzeyindeki basınç
ve sıcaklık dağılımından kaynaklandığı üzerinde
durmuşlardır. Deneysel çalışmalar ve sayısal analizler
sonucunda balata yüzeyindeki sıcaklık dağılımının
düzgün olmadığı ve sıcaklık değerinin yüksek olduğu
bölgelerde yüksek basınç ortaya çıktığı görülmüştür.
Sıcaklığın balata yüzeyinde oluşan gürültü ve titreşimde
etkili olduğunu bulmuşlardır. Abu Bakar vd.[13],
frenleme esnasında sürtünme nedeniyle dinamik
kararsızlıktan dolayı kaynaklanan gürültü ve ses
titreşimini deneysel yolla bulmuş ve verileri Abaqus
paket programı kullanarak incelemiştir. Hwang vd.[14],
frenleme sırasında sürtünmeden kaynaklanan ısıdan
oluşan termo elastik düzensizliği tanımlamışlardır. Tam
bir frenleme ve tekrarlı frenleme altında sıcaklık ve ısıl
deformasyon değişimini sonlu elmanlar yöntemiyle
çözmeye çalışmışlardır. Diskin maksimum sıcaklığı,
balata ile temas kurulan bölgede bulunduğu ve
tekrarlayan frenleme esnasında ortaya çıktığını
bulmuşlardır.
Abu Bakar vd.[15], fren diski ve sonlu eleman modeli
kullanarak disk ve balata yüzeylerindeki kontak basınç
dağılımının 3 boyutlu analizini yapmışlardır. Yöntemin
özünü asimetrik katı matrisinin iletim sertliği, diskteki ve
balata ara yüzlerindeki sürtünme katsayısı oluşturmuştur.
Farklı seviyelerdeki model fren diski ve kontak basınç
dağılımını araştırmışlardır. Uygun model kullanılarak
fren disklerindeki ara yüzlerindeki basınç dağılımlarının
tahmin edilmesi sağlanmıştır.
Fren diskleri aşırı miktarda sürtünmeye maruz
kalması sonucunda zaman içerisinde disk üzerinde
aşınma ve çatlamalar, hatta kırılmalar meydana
gelebilmektedir. Bu çalışmada bir otomobile ait olan
kırılmış fren diskinin (Şekil 3) hasar analizi, diskin
içerdiği kimyasal alaşımlar, malzeme özellikleri
incelenmiş, disk Solid Works ortamında katı model
olarak tasarlanarak Ansys sonlu elemanlar geometri
kısmında gerilme analizleri gerçekleştirilmiştir. Diskin
hasara uğrama nedenleri araştırılmış, elde edilen sonuçlar
değerlendirilmiştir.
Şekil 3. Aşınma, yorulma ve kırılmaya maruz kalmış
fren diski
3. FREN DİSKİ HASAR ANALİZİ
3.1 Mekanik Özellikler
Bir otomobile ait hasarlı fren diski ile ilgili ilk
gözlemler;
• Ağır hasar nedeniyle kullanılamaz hale gelmiştir.
• Disk yüzeyinde aşınma, çatlaklar ve kırılmalar
mevcuttur.
Fren diskini spektral analizi sonucu incelediğimizde,
%3.61 C, %1.85 Si, %0.78 Mn, %93.2 Fe ve %0,56
diğer malzemeler içermektedir. Tablo 1’ de analiz yapılan
diske ait kimyasal bileşim görülmektedir.
2
Tablo 1. Fren diskine ait kimyasal bileşim
Element
% Bileşim
Element
% Bileşim
C
3.61
Co
0.0024
Si
1.85
Cu
0.0158
Mn
0.779
Sn
0.046
P
0.139
Al
0.0044
S
0.0610
Ti
0.0251
Cr
0.202
Pb
0.003
Ni
0.0145
Mg
0.0073
Mo
0.061
Zn
0.0022
V
0.015
Ce
0.00233
W
0.0054
Fe
92.8
Dökme demirler en az % 2.5 karbon içeren demir
esaslı dökme alaşımlardır. Kimyasal bileşim oranlarına
dayanarak hasarlı parçanın gri dökme demirden imal
edildiği anlaşılmaktadır [16 - 18].
Genellikle gri dökme demirler %1.7-4.5 arasında
karbon ve %1-3 arasında silisyum içerir. Aynı zamanda
lamel grafitli dökme demir olarakta bilinen gri dökme
demir, Fe-C-Si alaşımı olan, yapısı içerisindeki grafitleri
lamel şeklinde olan demir-karbon içerikli malzemedir.
Tablo 1’ de belirtilen kimyasal bileşimlerin gri dökme
demirin mikroyapısı üzerine etkileri olup, karbon ve
silisyum bu bileşimler arasında en fazla tesirli olanlarıdır.
Vickers sertlik ölçme yöntemi kullanılarak yapılan
sertlik ölçümlerinde ortalama 197,5 HV olarak
ölçülmüştür. Yapılan literatür taramasında lamel grafitli
dökme demirlerin serlik değerleri ortalama 210 HV
civarında olup malzeme bileşimi ile bu sertlikler
değişmektedir [19]. Hasara uğrayan parçanın malzeme ve
sertlik değerleri göz önünde bulundurulduğunda hasar
sebebinin malzeme bileşimi ve imalattan kaynaklandığı
düşünülmemektedir.
Şekil 4. Fren Diskinin Yüzey Modifikasyonu
3.3 Sonlu Elemanlar Analizi
Şekil 5’ te tahrik dişlisi Solid Works Programında
çizilip, analizler için Ansys Workbench sonlu elemanlar
programına aktarılmıştır. Statik analiz model kısmında
mesh uygulanmış 12668 nod, 7072 adet elemana
ayrılmıştır.
3.2 Mikroyapı Analizi
Şekil 5. Diskin Sonlu Elemanlar Gerilme Analizi
Şekil 4’ te fren diskinin içyapısı incelendiğinde yapısı
içinde dağılmış grafit yaprakları görülmektedir. Bu grafit
yapraklar, kalın kesitli döküm parçaların yapısında
görülmektedir. Matris yapısı başlıca perlit olan grafitlerin
etrafında ferritler bulunmaktadır. Grafit lamelleri kalın
çizgiler halinde görüldüğü ve gerilimlerin bu noktalardan
yoğunlaştığı düşünülmektedir.
Disk yüzeylerinden iki yönde sabitlenmiş bijon
deliklerinden dönüş yönüne göre kuvvet uygulanmış ve
son olarak dönme momenti verilerek analiz yaptırılmıştır.
Kırılma Başlangıcı
3
Şekil 6. Analiz
karşılaştırılması
sonucu
ile
hasarlı
tribolojik açıdan incelenmesi”, Doktora Tezi,
Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,
İstanbul
3. Tamari, J., Doi, K. ve Tamasho, T., 2000,
“Prediction of Contact Pressure of Disc Brake
Pad”, Technical Notes, Society of Automotive
Engineering, Review vol.21, pp.133-141
4. http://www.bilgiustam.com/otomobillerde-frensistemi-ve-disk-frenler-nasil-calisir/
5. Boniardi, M., D’Errico, F., Tagliabue, C., Gotti, G.,
Perricone, G., 2006, “Failure analysis of a
motorcycle brake disc”, Engineering Failure
Analysis, Volume 13, Issue 6, Pages 933-945
6. Bagnoli, F., Dolce, F., Bernabei, M., 2009,
“Thermal fatigue cracks of fire fighting vehicles
gray iron brake discs”, Engineering Failure
Analysis, Volume 16, Issue 1, Pages 152-163
7. Mackin, T.J., et all., 2002, “Thermal cracking in
disc brakes”, Engineering Failure Analysis,
Volume 9, Issue 1, Pages 63-76
8. Jacobsson H., 2003. “Aspects of Disc Brake
Judder”, Proc. Ins. Mech. Eng. Journal of
Automobile Engineering, Part D, vol. 217, pp. 419430
9. Valvano, T., Lee, K., 2000, “An Analytical
Method to Predict Thermal Distortion of a Brake
Rotor”, World Congress Detroit, Michigan, vol.
109, pp. 566-571
10. Arpat, S.K., 2001, “Minimization Of The Pad
Wear On Both Drum And Disc Brakes By
Thermal Analysis”, Yüksek Lisans Tezi, Dokuz
Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir
11. Mosleh M., Blau P. J., Dumitrescu D., 2003,
“Characteristics and Morphology of Wear
Particles from Laboratory Testing of Disk Brake
Materials”, Wear vol. 352, pp. 114-120
12. Li, L.,, Ouyang, H., Abu-Bakar, A.R., 2008,
“Transient Analysis of Car Disc Brake Squeal
With
Temperature
Effects”,
Automotive
Engineering Conference, Liverpool
parçanın
Analizler sonunda en yüksek gerilme kuvvetlerinin bijon
deliklerinde meydana geldiği görülmektedir. Hasarlı
parça incelendiğinde ise çatlakların bijon deliklerinde
başladığı tespit edilmiştir. Yorulma sonunda bu
çatlakların ilerleyerek ani bir darbe karşısında kırılmanın
meydana geldiği düşünülmektedir (Şekil 6).
4. SONUÇ
Sonuç olarak frenler aracın hareketiyle oluşan kinetik
enerjiyi sönümleyerek ısı enerjisine çevirir. Bunu
yaparken sürtünmeyle oluşan yüksek ısının hızlı şekilde
disklerden ve balatalardan atılması gerekir. Bu nedenle
fren diskleri oldukça yüksek ısıl ve mekanik yüklere
maruz kalmaktadır.
Deneysel çalışmalar sonunda disk malzemesi olarak
lamel grafitli dökme demir kullanıldığı tespit edilmiştir.
Gri dökme demirin seçilmesinin nedeni, ısı iletiminin,
korozyona karşı dayanıklı olması ve aşınma direncinin iyi
olmasıdır.
Malzeme karakterizasyonları ve mikro yapı
incelemelerinde hasarlı parçanın standart lamel grafitli
dökme demirden üretildiği tespit edilmiştir.
Yapılan sonlu elemanlar metodu incelemesinde
gerilme kuvvetleri delik bölgelerinde yoğunlaştığı
görülmektedir. Hasar sebebi olarak bu gerilmelerden
kaynaklanan mikro çatlaklardan ve ani darbe sonunda
kırıldığı düşünülmektedir.
13. Abu Bakar, A.R., Ouyang H., 2007, “Wear
prediction of friction material using the finite
element method” Wear, doi:10.1016/j.wear.
14. Hwang, J.H., et all., 2005, “The Thermal Analysis
of Brake Disc with 3-D Coupled Analysis” Key
Engineering Materials Vols. 297-300 pp 305-310
15. Abu Bakar, A.R., Ouyang, H., 2005, “Predıctıon
Of Disc Brake Contact Pressure Distributions By
Finite Element Analysis” Jurnal Teknologi, 43(A)
Dis. 21–36
16. Aran A., Doc. Dr., 1989, “Metal Dokum
Teknolojisi”, İstanbul Teknik Üniv. Kütüphanesi,
Sayı: 1395,
17. Ersumer A., Prof., 1981, “Demir Döküm”, Birsen
Kitabevi Yayınları, İstanbul
18. Erdoğan, M., Güneş, İ., Başpınar, M.S., 2010,
“Lamel Grafitli Dökme Demir Yüzeylerinin
KAYNAKLAR
1. Koç, O., 2008. “Fren Balata Sisteminde Sürtünme
Sonucu Oluşan Isı Transferi Ve Termal Gerilme
Analizi”, Yüksek Lisans Tezi, Afyon Kocatepe
Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Afyon
2. Domaç, G.S., 2006 ”Disk frenlerin tasarım ve
4
MoSi2 ile Yüzey Modifikasyonu”, Makine
Teknolojileri Elektronik Dergisi, Cilt 7, Sayı 3,
Sayfa 45-54
19. http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?Mat
GUID=327ac372d4d2493585748b45ae02ed52
08. 01. 2014
5

Download Report