Fren Sistemi

Frenler motorlu taşıtın emniyetini sağlayan düzeneklerdir. Belirli bir hızda giden taşıtı kısa süre ve mesafede durdurmak , yokuş aşağı inen taşıtın aşırı hız kazanmasını önlemek , duran taşıtın bu durumunu sürdürmek üzere kullanılırlar.

Fren sistemi taşıttaki kinetik enerjiyi sürtünme ile ısı enerjisine çevirerek taşıtın durmasını veya yavaşlamasını sağlarlar.

Aracı durduracak olan frenleme kuvveti genellikle teker lastiği ile lastiğin üzerinde döndüğü zemin arasındaki bağlantıdan doğar . Frenleme kuvvetine hava direnci , yokuş direnci , sürtünme direnci gibi kuvvetlerin etkisi de vardır. Bu dirençleri yenen kuvvet ortadan kaldırılacak olursa taşıtın yavaşlamasına veya durmasına sözü edilen dirençler sebep olur. Diğer taraftan taşıtın yavaşlamasına yardımcı olan motorun frenleme gücü de vardır. Vites kutusu pirizdirek durumunda iken gaz pedalı bırakıldığı zaman mevcut hızı sağlamak için sarfedilen gücün takriben üçte biri kadar bir frenleme gücü oluşur.

100 km/h hızla giden bir taşıttan şu sonuçlar alınmıştır ;

Ayak gaz pedalından çekildiği zaman vites boş durumda iken taşıt 1100 m sonra 61 sn'de durmuştur
Ayak gaz pedalından çekildiği zaman vites pirizdirek durumundayken taşıt 560 m sonra 36 sn'de durmuştur.
Ayak gaz pedalından çekildikten sonra vites pirizdirek durumundayken ve fren pedalına güç tatbik edilince taşıt 65 m sonra 4 sn'de durmuştur.

Taşıtı durdurmak için sarfedilen enerji :

Frenleme sırasındaki yavaşlama ivmesi ( negatif ivme ) sabit olduğu kabul edilirse Newton'un ikinci atalet prensibine göre :
E = e.F ( kgm)
F = G / g . α

α = F.g / G ( m / sn2 )
E : Frenleme kuvveti ( kg )
G :Taşıtın ağırlığı ( kg )
G : Yerçekim ivmesi ( m/sn2 )
α : yavaşlama ivmesi ( m/sn2 )
E : Taşıtı durdurmak için sarfedilen enerji

Taşıtın durma mesafesi :

e = E / F = v2 / 2 α ( m )

v : taşıtın hızı ( m / sn )
e : Taşıtın durma mesafesi ( m )

Taşıtın durması için gereken zaman :

t = v / α ( sn )

t : taşıtın durması için gereken zaman

Fren gücü

Gücü 80 HP olan bir motor kalkıştan 36 sn sonra otomobilin hızını 130 km/h sürate çıkarabilir. Buna karşılık aynı otomobilin frenleri 130 km/h hızla gitmekte olan bu aracı tam uygulandığı zaman 4,5 sn’de durdurabilir. Bu hızdaki aracı durdurmak için geçen zaman duran aracı hızlandırmak için geçen zamanın 1 / 8 ‘i olmaktadır. Buna göe frenlerin gücü 8 x 80 = 640 HP ‘dir. Fren gücü her zaman için motor gücünden yüksek olmak zorundadır.

Maksimum frenleme

Taşıtı kullanan kimse ani bir tehlike ile karşılaşınca taşıtı mümkün olduğu kadar kısa bir zamanda ve mesafede durdurmak zorunda kalır . Bu çeşit frenlemeye maksimum frenleme denir. Maksimum frenleme kuvveti aderansa eşit kabul edilir. Frenleme kuvveti maksimum olduğu zaman durma mesafesi ve durma zamanı minimum olur. Temiz ve kuru bir asfalt yolda yavaşlama ivmesi 7 – 7,5 m / sn2 ‘dir. Böyle bir yol pek bulunmaz. Pratikte yavaşlama ivmesi 5 – 6 m / sn 2’ dir.

İntikal süresi

Aracı kullanan kimsenin tehlikeyi gördüğü andan itibaren fren pedalına basıncaya kadar geçen süreye intikal süresi denir. Bu süre yaklaşık 0,75 sn’dir.

Frenlemeye etki eden faktörler

Yolun ve lastiklerin sürtünme katsayısı
Şoförün intikal süresi

Frenlemede ağırlığın öne kayması

W : Ağırlığın artan miktarının yoldaki zıt tesiri.

Arka tekerleklerin yere temas noktası etrafındaki döndürme etkisi atalet kuvvetinin ön tekerlekler etrafındaki döndürme etkisini dengeler.

L.W = h.m.G
W = h . M . G / L olur.

Küçük taşıtlarda h / L genellikle 1 / 5 civarındadır. m = 0,6 alınırsa W = 0,12 G olur. Buna maksimum frenlemede taşıt ağırlığının % 12’si öne kayar . Bu nedenle ön fren kuvveti arka fren kuvvetinden büyük yapılır

Fading

Isı etkisiyle fren gücünün düşmesidir. Otomobil fren sistemindeki en büyük problem frenlerin sürekli kullanımında ısınması ve belli bir sıcaklığın üzerinde fading olarak adlandırılan fren balatalarının aşırı ısı nedeni ile kaydırmaya başlamasıdır. Bu ısınma problemini ortadan kaldırmak için üreticiler soğutmalı fren diskleri üretmektedirler . Bu diskler iki katmandan meydana gelir. Disk katmanlarının arasında bulunan boşlukta sürekli olarak hava sürkülasyonu olduğundan disk aşırı ısnmamakta ve balataların kaydırma sorunu en aza inmektedir. Diğer bir yöntemse fren diskleri üzerinde delikler açarak havayla temasını artırmaktır. Genellikle oto sanayi sitelerinde başvurulan bu yöntem yine ısınmayı azaltarak frenleme gücünü artırmayı amaçlamaktadır. Fakat bu metotlar genellikle sportif kullanıma yönelik otomobillerde kullanılmaktadır. Genellikle kontrolsüz larak yapılan bu çalışma fren diskinin dayanıklılığını olumsuz yönde etkilediğinden çatlama riskini artırmaktadır.

Seramik fren diskleri

Otomobil fren sistemlerinde kullanılan seramik diskler frenleme sırasında son derece yüksek ve sabit bir sürtünme düzeyi sağlıyor. Disk frenler sayesinde frenlemede ısı sorunu kalmıyor ve bu sayede hem fren mesafesi azalıyor hem de ısınma nedeniyle fren gücü azalmıyor. Karbon seramik fren diskleri geleceğin otomobil fren teknolojisi açısından çok önemli bir yere sahip Formula 1 araçlarında da kullanılan seramik diskler 1999 yılında Porsche trafından geliştirildi. PCCB ( Porsche Ceramik Composit Brake ) adıyla anılan sistem yüksek performanslı lüks otomobillerde kullanılmaktadır.

Daha çabuk soğuyor. Yüksek ısıya dayanıklı
Toz tutmuyor normal frenlerden çok daha az ve çok açık renkte toz üretiyor Bu yüzden toz tekerleklere ve disklere yapışmıyor.
Fren sesini azaltıyor
Konforlu bir sürüş hissi veriyor
Çok daha güçlü frenleme sağlıyor. Duruş mesafesini kısaltıyor
Aracın kontrolünü kolaylaştırıyor
Normal disklere göre %50 daha hafif
Normal disklere göre 4 kat daha dayanıklı
Islak kuru tüm yol koşullarında daha dayanıklı ve performanslı frenleme sağlıyor
16000C sıcaklığa kadar dayanıklı
Balatalar suyu emmediği için ıslak yollarda son derece güvenli
Dezavantajı pahalı ve az bulunan bir sistem olması

Geleceğin frenleri

ABS Beyni EHB Beyni ABS, ASR ve FDR sistemleri arasındaki farklar?

Anti-Blokaj Sistemleri (ABS)1978 yılında ABS sistemleri Bosch tarafından ilk üretici olarak araçlarda kullanıldı. Günümüzde trafik güvenliği açısından önemli katkılar içermekte ve kritik fren anlarında aracın direksiyon ve sürüş güvenliğini sağlamaktadır. Anti-Patinaj Sistemleri (ASR)1987 yılında Bosch ilk üretici olarak ABS sisteminin daha gelişmişi olan ASR sistemini piyasaya sürmüştür. ASR sistemi ilk kalkışta ve hızlanmada, tahrik tekerleklerinin aşırı dönmesini engelleyerek, aracın güvenli hareketini sağlar. Bu sistemin diğer kısaltılmış adı ingilizce anlamından dolayı ETC (Electronic Traction Control) olarak da bilinir.Araç Dinamik Kontrolü (FDR)Her türlü sürüş anında güvenliği sağlamak üzere Bosch 1995 yılında FDR sistemini aktif sürüş emniyetini sağlamak üzere üretime almıştır. Özellikle virajlarda ve ani yol değişikliklerinde FDR sistemi, yıldırım hızı ile motor, şanzıman ve frene müdahale ederek aracın savrulmasını önler. Bu sistemin diğer kısaltılmış adı ingilizce anlamından dolayı VDC (Vehicle Dynamic Control) olarak da bilinir.FDR sisteminin can noktası olan devir sensörü havacılıktan alınmış ve Bosch tarafından otomobiller için modernize edilmiştir. Son yıllarda Bosch bu üç farklı sistemi bir ünitede topladı, bu yeni sistemi ESP (Elektronik Stabilite Sistemi) olarak adlandırdı. Bu sistem sayesinde sürüş güvenliği daha da artırıldı. Bu sistemin diğer bir avantajı da düşük maliyeti nedeniyle, sadece yüksek sınıf otomobillerde değil bundan böyle orta sınıf araçlarda da standart olarak bulunacak olması. Bosch, fren sistemlerinde yaklaşık bir asırdır kullanılan konvensiyonel yapıya son vermek için çalışmalar yapıyor. Bu yeni sistemler EHB (Elektro Hidrolik Fren Sistemleri) ve EMB (Elektro Mekanik Fren Sistemleri) olarak adlandırılıyor. Bunlar sayesinde gelecekte, elektronik sistemler ve dolayısıyla sadece teller vasıtası ile bir aracı durduracağız. EHB (Elektro Hidrolik Fren Sistemleri), DaimlerChrysler ile birlikte ortak bir proje olarak başlatılmış ilk proje.

Konvensiyonel fren ne yapıyor? Otomobilimizi yavaşlatmak veya durdurmak için fren pedalına basarız. Konvensiyonel fren sistemlerinde fren pedalına uyguladığımız kuvvet, fren pedalı kolunun uzunluğuna göre 3/1 oranında artırılarak servo frene aktarılır. Hidrolik çalışma prensiplerine göre bu kuvvet 50 katı artırılır. Hidrolik fren yağı sayesinde direkt teker frenlerine iletilen bu kuvvet, aracın durması için fren balatalarına baskı yapar.

Elektro Hidrolik frenler ne yapıyor?

EHB sisteminde, fren pedalı bir tel sistemi ile aracın elektronik beynine bağlanır. Pedalın görevi şüphesiz yine aynı. Aracı durdurmak... Ama bu kez fren pedalına basış hızınız ve çokluğunuza göre, sistem ne kadar acil bir fren gereksinimine ihtiyaç olduğunu anlıyor. Elektronik fren beyni bu ve diğer araç bilgilerini birleştirerek her tekere gerekli fren kuvvetini hesaplıyor. Gerekli fren basıncı, merkezi hidrolik ünitesinde oluşturuluyor. Eğer elektrik sisteminde herhangi bir hata ortaya çıkarsa, direkt olarak yedek hidrolik fren ünitesi devreye giriyor.

Günümüzde araç fren pedalına uygulanan mekanik kuvvet, servo fren ve ana merkez üzerinden fren hidroliği sayesinde hidrolik kuvvet olarak tekerlere iletilir ve frenleme gerçekleşir. Geleceğin fren sistemlerinden Elektro-Hidrolik Frenlerde, fren pedalına uygulanan kuvvet, pedal hareketini algılayan bir sensör sayesinde sürekli gözlemlenecek ve buradaki değişiklik elektronik beyin ünitesine iletilecektir. Burada hemen şu konuyu daha geniş olarak açıklamakta yarar var: yeni sistemde fren ayak pedalına uygulanan kuvvet, sadece fren yapılması gerektiğini sisteme haber veren bir ön uyarı şeklinde olacak. Başka bir deyişle, günümüz frenlerinde pedal kuvveti direkt olarak fren gücünü oluşturmakta idi, fakat yeni sistemde pedal kuvveti sadece sürücünün aracın frenleme tertibatını harekete geçireceği bir ön işaret olacak. Elektronik beyine ulaşan bu frenleme bilgisi, araç içerisindeki bir elektro-motorun, beyinden gelen mesajla devreye girmesini, aracın durdurulabilmesi için fren gücünü üretmesini ve yine fren hidroliği vasıtası ile aktarılan güç sayesinde aracın durdurulmasını sağlayacak.Geleceğin frenlerinde de fren hidroliği kullanılacak, fakat buradaki en büyük fark, fren hidroliğin çalıştığı alanın çok fazla daralacak olması. Günümüzde fren pedalından hemen sonra tekerlere kadar büyük bir alan içerisinde fren güç iletimini sağlayan fren hidroliği, gelecekte yeni Bosch dizaynı ile sadece elektro-motor ve tekerler arasında güç iletimini gerçekleştirecek.Bu da gelecekte Konvensiyonel sistemlerle karşılaştırıldığında daha güçlü, daha emniyetli ve kontollü frenlemeyi mümkün kılacak.

EHBnin avantajları nelerdir?

EHB sistemi ağırlığı önemli ölçüde azaltılmış, daha küçük bir montaj alanı gerektiren ve servo fren içermeyen bir sistem. Ek olarak, araca montajı da modüler fren sistem dizaynı sayesinde çok daha kolay. Her tekerde bulunan fren kuvvet modülasyonu ile kombine olarak çok hızlı çalışması nedeniyle optimum fren mesafesinde ve güvenilir frenleme sağlıyor. Böylece EHB, frenleme esnasında otomatik olarak fren gücünü artırırken, buna paralel olarak frenlemenin doğurduğu fiziksel etkileri de azaltıyor.EHB, sürücüye yardımcı olan diğer birçok tamamlayıcı sistemle de birlikte çalışabiliyor. Örneğin, acil frenleme esnasında fren kuvvetini çok seri artıran ileri fren destek sistemleri veya yokuş aşağı sabit hızda inmeyi sağlayan sistemlerle birlikte çalışabiliyor. ACC (Adaptive Cruise Control) sisteminden başlayarak trafik navigasyon sistemlerine kadar araç üzerindeki diğer tüm sistemlerle bir şebeke sistemi kurarak haberleşebiliyor.Sürücü için minimum frenleme kuvveti, titreşimsiz ve ayarlanabilir hafif bir fren pedalı duygusu sağlaması ve frenlemenin son derece sessiz gerçekleşmesi sürüş rahatlığını artıran çok önemli bir faktör.Ayrıca EHB çok daha yüksek emniyet koşulları sağlıyor. Aracın tüm sistemlerinden gelen bilgiyi anlık olarak değerlendiren ve frenleme parametrelerini aracın o anki pozisyonuna, yol şartlarına göre belirleyen bu sistem gerçekten geleceğin araçlarına büyük bir güven sunuyor. EHB sistemi konvensiyonel fren sistemlerinden sonra kullanılacak birinci jenerasyon fren sistemi. İkinci jenenarsyon ise EMB Elektro Mekanik Fren Sistemleri.