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.

7

6. Mekatronik bir sistem olarak EMF

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

Şekil-3 Elektronik Kontrol Biriminin Fonksiyel Blok Diyagramı

7.2.1 Algılayıcı İşleme Birimi

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