03.03.2011

1

ELEKTROMEKANİK FREN SİSTEMİ(EMF)

Mekatronik Sistem Tasarımı MKM512

Case Study

Hazırlayanlar

Burcu Aytekin

Mümin Aktaş

Mustafa Engin Emekli

İçerik

� EMF sisteminin tanıtımı

� Konvansiyonel fren sistemine genel bir bakış açısı

� Avantajlar ve dezavantajlar

� Mekatronik bir sistem olarak EMF

� EMF’ne ait elektronik altyapı

� Kontrol ve haberleşme protokolleri

� EMF’ne ait mekanik altyapı

� Tasarım örnekleri

� EMF’nin geleceği

03.03.2011

2

Elektromekanik Fren Sistemi

• Elektromekanik fren sistemi veya brake-by-wire fren sistemi,konvansiyonel hidrolik frenlerdeki bileşenler yerine elektriksel eyleyicilerin ve sinyaller yerleştirilerek tasarlanmış bir fren sistemidir.• EMF 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.

Elektromekanik Fren Sistemi

• EMB, şimdiye kadar sadece lüks araçlarda görülen bir donanım olmaktaydı.

• Hafif ticari araçların performans koşulları, yük değişimleri etkisinin de göz önünde bulundurulmasını gerektirdiğinden fren sistemini daha karmaşık hale getirmekte dolayısıyla bu tür araçlarda da kullanılmamaktaydı.

• 2003 yılında hafif ağırlıklı kamyonlarda ve 2005 yılında otomobiller üzerinde uygulanmaya başlayan EMB’nin Kuzey Amerika hafif araç üretiminde hızla yayılması ön görülmektedir.

• 2010 yılı yakınlarında ise EMB, hafif ağırlıklı kamyonların %19’unda ve otomobillerin %12’sinde uygulanır halde olacaktır.

03.03.2011

3

Konvansiyonel Fren sistemi

Hidrolik Fren Sistemi

• Sürtünme elemanı

• Fren pedalı

• Fren hidrolik hattı

• Ana silindir.

• Fren hidroliği akümülatörü

Konvansiyonel Fren sistemi

Hidrolik Fren Sistemi

Basınç sağlanıyor Fren pedalından

sinyal geliyor.

Basınç dağıtım hattı

Kampana frenler

Disk frenler

03.03.2011

4

Konvansiyonel Fren sistemi

Hidrolik Fren Sistemi

Hidrolik bir sistem olmasından dolayı, bakım zorunluluğu.

İçerdiği fazla sayıdaki elemanının meydana getirdiği ağırlık.

Çevresel olarak kirli atıklar içermesi

Elektronik sistemlere tam olarak uyumluluk problemi

Konvansiyonel Fren sistemi

03.03.2011

5

EMF sisteminin 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� 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

EMF sisteminin 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.

▫ Yasal zorunluluklar:Bir ticari araca bütünüyle elektromekanik bir fren sisteminin

uygulanması, birçok yasal zorunlulukla yüzleşilmesini gerektirecektir.

▫ 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.

03.03.2011

6

EMF sisteminin dezavantajları

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.

Mekatronik bir sistem olarak EMF

•Fren pedalı

• Açısal hız

Sensörleri

• ECU

• Gaz kelebeği sensörü

Eyleyiciler

Haberleşme protokolleri (FlexRay, TTCAN)

Sensörler(Geri besleme)

Güç elektroniği

Kontrolcü

03.03.2011

7

EMF sisteminin elektriksel altyapısı

(1) Akü

(2) ECU ile pedal bağlantısı

(3) Tekerlek fren modülü

(4) Algılayıcılar

Elektromekanik Fren Bileşenleri� Algılayıcılar� Elektromekanik Fren Eyleyicisi� Elektronik Kontrol Birimi� Dişli mekanizması� Kaliper� Fren Diski

03.03.2011

8

Elektromekanik Fren Eyleyicisi

� Elektromekanik eyleyicisinin seçiminde boyutu, ağırlığı ve güvenirliliği oldukça önem taşımaktadır.

� Sabit mıknatıslı elektrik motorları güçleri ve yüksek verimleri sayesinde iyi bir seçim olmaktadır.

� Bu tip uygulamalarda genellikle bir takım avantajları nedeniyle fırçasız dc motor kullanılır

� Fırçasız dc motorun ana avantajı fırçalarının olmamasıdır. Fırçasız dc motor kullanılarak fırçaların oluşturmuş olduğu istenmeyen titreşim ve gürültü oluşturulmamış olur.

� Fırçasız dc motorun dezavantajı ise karmaşık sürücü devrelerine ihtiyaç duymasıdır.

Elektronik Kontrol Birimi

Elektronik kontrol birimi çeşitli alt kısımlardan oluşmaktadır.

� Algılayıcı İşleme Birimi

� Merkezi İşlem Birimi

� Güç Eektroniği Birimi

� Haberleşme Birimi

03.03.2011

9

Algılayıcı İşleme Birimi

� Uygunlaştırıcı Devreler

� Filtre Devreleri

Merkezi İşlem Birimi

� Frenleme Algortimaları

� Motor Kontrolü (PWM)

� Hata Analizi

03.03.2011

10

Güç Elektroniği Birimi 1

� DC-AC dönüştürücüler (inverter)

� PWM sinyalleri MOSFET sürücü tarafından kuvvetlendirilmektedir

� Gerilim ve akım sensörleri

� DC gerilimi filtreleme

Güç Elektroniği Birimi 2

03.03.2011

11

“X By Wire“ ve 42 Volt

� Mekanik sistemlerin yerini elektronik sensör ve hareketlendiricilerin aldığı sistemlerin genel adıdır.

� 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.

Neden 42 Volt?

� 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.

03.03.2011

12

Araçlarda Elektrik Kullanımdaki Artış

� 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.

.

NE ZAMAN 42 VOLT?

� 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 duyulmuştur.

� 42 volt’luk bir sisteme geçiş 6 volt’tan 14 volt’luk bir sisteme olan geçişten daha karmaşık olmaktadır. Elektriksel bileşenleri üreten pazarın yeni standarda adapte olması süresince birçok aracın 14 ve 42 volt’luk sistemlerin bir kombinasyonunu kullanacak olmaları bazı aksaklıklara sebep olacaktır.

03.03.2011

13

NE ZAMAN 42 VOLT ?

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 araçla (14 ve 42volt sistemlerin her ikisinin de kullanıldığı araç) üretimine geçmiştir

� 2009 yılından önce bağımsız bir 42 volt’luk sistemi hedeflemektedir.

Haberleşme Birimi

� Bu tür uygulamlarda güvenlik ön planda olduğu için haberleşme sisteminde kabuledilebilir hata oranlarına sahip yüksek güvenilirlikli ağ protokolleri ile birbirlerine bağlanmalıdır.Bu durumda TTCAN ve Flexray gibi protokoller öne çıkmaktadır

03.03.2011

14

Flexray ve TTCAN

� 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 devamm etmektedir. “X By Wire” teknolojisinnin güvenli şekilde gerçekleştirilebilmesi için bu tür haberlşeme sistemleri önemlidir.

� 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 iletilmesi garanti altın alınması istenen sistemler için zaman tetiklemeli CAN (Time Trigged CAN) geliştirilmiştir.

Algılayıcılar

� Fren pedalı açışı

� Tekerleklerin hızı

� Dönüş açısı

� Fren Motoru konum bilgisi

� Akım,gerilim ve sıcaklık algılayıcıları

03.03.2011

15

DİŞLİ MEKANİZMASI

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.

DİŞLİ MEKANİZMASI

� 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.

03.03.2011

16

Elektromekanik fren sistemi tasarım örnekleri

Şekilde, TRW Automotive tarafından tasarlanmış bir elektromekanik hareketlendirici (eyleyici) görülmektedir.

Hareketlendirici;

▫ bir fırçasız DC motor,

▫ bir dişli ve

▫ bir mil içermekte ve kaliperin içerisine yerleştirilmektedir.

! Gerekli kontrol fonksiyonları,

Dört hareketlendiriciye de entegre edilmiş elektronik kontrol üniteleri ve bir merkezi elektronik kontrol ünitesi (ECU) tarafından sağlanmaktadır.

Elektromekanik fren sistemi tasarım örnekleri

03.03.2011

17

TAMAMEN ELEKTRONİK

ve

SADECE 12 VOLT

Tamamen elektronik ve sadece 12 volt

� Münih yakınlarındaki Alman havacılık ve uzay araştırmaları merkezi DLR araştırmacıları, otomotiv alanındaki çalışmalarına “kama prensibini” uygulama girişimleri sonrası enstitüden ayrılarak 2000 yılında eStop adını verdikleri küçük bir şirket kurmuşlardır.

� Yakın tarihte, Bosch tarafından Mercedes-Benz E-Class ve SL araçları için tasarlanmış olan Elektrohidrolik Fren Sistemi (EHB) üretimi, sistem içerisinde meydana gelen bir hata sonrası 2004 yılındadurdurulmuştur; ancak problemlerin aşıldığı ve günümüz E-Sınıfı araçlarında standart bir özellik halini alacağı söylenmekteydi.

03.03.2011

18

� Problemler giderilmiş ve bütün yeni Mercedes S-Class araçları, elektronik olarak kontrol edilen bir “çift-devre hidrolik frenleme sistemi” ile donatılmıştır.

� Daha önce bu sektörde yer almayan sadece elektrik park frenleri, ABS sistemleri için elektronik kontrol ünitesi (ECU) ve motor üreten SiemensVDO, eStop şirketini satın almasının ardından sektörde beklenmedik bir rekabet yaratacağının sinyallerini vermiştir.

Tamamen elektronik ve sadece 12 volt

NASIL SADECE 12 VOLT?

Bu yeni “brake-by-wire” teknolojisi elektronik kamalı fren(electronic wedge brake / mechatronic wedge brake) olarak adlandırılmaktadır.

! 12-volt, sadece frenlemenin başlatılabilmesi için gereklidir. Frenleme sürecinin tamamlanması için gereken kuvvet, dönen disk ve balata arasındaki sürtünme ile sağlanır ve bu durum,

“Kendiliğinden Frenleme (self-reinforcement)“ olarak adlandırılır.

03.03.2011

19

ELEKTRONİK KAMALI FREN

Elektronik Kamalı fren

� Siemens tarafından geliştirilen frenleme sistemindeki temel düşünce, frenleme için aracın kendi kinetik enerjisinden faydalanmak, bu enerjiyi frenleme kuvvetine dönüştürmektir (kendiliğinden frenleme).

03.03.2011

20

� 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.

Elektronik Kamalı fren

� 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, gerek duyulan frenleme kuvvetini azaltacaktır.

Elektronik Kamalı fren

03.03.2011

21

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.

Elektronik Kamalı fren

Self-reinforcement nedir?

03.03.2011

22

KARAKTERİSTİK FREN FAKTÖRÜ (C*)

Kuvvet dengesinden aşağıdaki formül türetilebilir :

ifadesi karakteristik frenfaktörü olarak tanımlanmaktadır.

� 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 )

Self-reinforcement nedir?

03.03.2011

23

�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.

Self-reinforcement nedir?

DEĞİŞEN KAMA AÇISI(VARYING WEDGE ANGLE)

� Yüksek verimlilikte bir kendiliğinden frenleme sağlamak için başlangıçta etkin olan kama yüzeyinin (14) ilk bölümünde (18) kama açısı sabittir ve yüzeyin ikinci bölümünde (20) ise ilk yüzeyinkinden daha küçük bir kama açısı oluşturulmuştur.

03.03.2011

24

YAKIN GELECEĞE DAİR BEKLENTİLER

� 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.

YAKIN GELECEĞE DAİR BEKLENTİLER

****** 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.

03.03.2011

25

Kaynaklar

1. Henry Hartmann, Martin Schautt, Bernd Gombert_ The mechatronic wedge brake eStop-innovative brake technology-GmbH

2. www.physorg.comWonder Wedge on Wheels-Braking Without Hydraulics, September 2005

3. www.findarticles.comBrake-By-Wedge, October 2005

4. TRW Chassis Systems5. 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