Otomotiv fren disk tasarım için ısı transfer karakteristiği incelenmesi

Abstract

Günümüzde, ağır ticari araçlarda yük taşıma kapasitesindeki artış talepleri ve zorlayıcı kullanım koşulları, araç sistemlerinin geliştirilmesini gerektirmektedir. Bir araçta fren sistemi en kritik aktif güvenlik sistemlerinden biri olarak tanımlanmaktadır. Fren sistemi tasarımı, zorlayıcı yükleme şartlarında yeterli dayanımı sağlayacak şekilde yapılmalıdır. Ayrıca, sistem çalışma şartlarında yüksek sıcaklıklara ulaştığı için ısının ortamdan uzaklaştırılması, dayanıklılık ve performans için önemli bir konudur. Fren sistemi tasarımında değerlendirilen diğer önemli bir konu ise ağırlıktır. Araçların yakıt tüketimi azaltma hedefi doğrultusunda, sistemlerde ağırlık azaltma gereksinimleri ortaya çıkmaktadır. Sistemlerin dayanıklı ve aynı zamanda hafif olması için otomotiv üreticileri kapsamlı çalışmalar yapmaktadır. Araçlarda; frenleme sonrasında kinetik enerjinin ısı enerjisine dönüşümü ile birlikte fren sistemindeki tüm komponentlerin sıcaklığı yüksek değerlere ulaşmaktadır. Oluşan ısının ortamdan uzaklaştırılması yüksek oranda taşınım yoluyla gerçekleşmektedir. Fren diskinde hedeflenen ısı transferi oranı; disk komponentinin tasarımının optimizasyonu ile önemli ölçüde artırılabilir; dolayısıyla fren sisteminin çalışma kapasitesi ve performansı artırılmış olur. Disk yüzeyinden ısının homojen olarak uzaklaştırılması da önemlidir. Aksi halde disk yüzeyinde sıcaklık farkı oluşur, bu sebeple iç yapıda termal gerilmeler ve mikroçatlaklar oluşabilir. Bu durum fren sisteminin performansı ve disk dayanımının düşmesine sebep olur. Fren sistemi parçalarında termal iletkenlik , özgül ısı kapasitesi , yüksek sıcaklıklara dayanıklı yüksek mukavemet , düşük yoğunluk gibi özellikler sistem tasarımında önem teşkil etmektedir. Bu çalışmada: ağır ticari araçlarda kullanılan fren disk tasarımı incelenmiştir. Üzerinde havalandırma kanatları olmayan ‘düz disk’ ve üzerinde havalandırma kanatları bulunan ‘düz kanatçıklı’ ve ‘elmas sütunlu’ disk tasarımları, 2 farklı araç hızında; 30 km/h ve 70 km/h disk yüzeyinden ısı transferi miktarı, disk yüzeyindeki hava hız vektörlerinin homojen dağılımı, havanın kütlesel debisi; teorik ve bilgisayar destekli analiz (HAD) yöntemiyle incelenmiştir. Havalandırma kanallı 2 disk tasarımı termal yükleme altında test edilerek, deneysel olarak doğrulanması hedeflenmiştir.