Three Dimensional Stress Analysis of a Brake Disc-Pad Mechanism

Abstract

Bu çalışmada bir otomobil disk fren mekanizması için üç boyutlu termoelastik gerilme analizi yapılmıştır. Disk/balata çifti için silindirik koordinatlarda ısı iletim denklemi türetilmiştir. Isı iletim denklemini balata ve disk için çözebilmek için sınır ve ilk şartlar belirlenmiştir. Balata ve disk arasındaki sürtünme katsayısı sıcaklığa ve zamana bağlıdır. Sıcaklığa ve zamana bağlı sürtünme katsayısını dikkate almak için termal analizde iteratif bir yöntem geliştirilmiştir. Hareket denklemi türetilmiş, sabit hızda giden aracın frenleme anından itibaren doğrusal olmayan şekilde yavaşlayarak durma anına ulaştığı görülmüştür. Sıcaklığın artması sürtünme katsayısında azalmaya ve durma zamanında artışa sebep olmuştur. Balata ve disk arasında sürtünme nedeniyle oluşan toplam ısı akısı hesaplanmıştır. Isı akısı balata ve disk yüzeylerine ısı paylaşım oranı düşünülerek uygulanmıştır. Silindirik koordinatlarda termoelastik gerilme-gerinim bağıntıları türetilmiştir. Bu bağıntıların denge denklemi içerisine konulması ile birlikte Navier denklemleri elde edilmiştir. Isı iletim ve Navier denklemlerinin hesaplamalı olarak çözülebilmesi için sonlu elemanlar metodu kullanılmıştır. Disk/balata çifti için sıcaklık dağılımları ve eşdeğer von-Mises gerilmeleri hesaplanmıştır. Frenleme basıncının ve balata fiziksel özelliklerinin disk/balata fren mekanizmasında oluşan sıcaklık ve eşdeğer gerilme değerlerine olan etkileri incelenmiştir. Sonuçlar balata malzemesi özelliklerinin disk/balata çifti için sıcaklık ve gerilmeleri dikkate değer ölçüde etkilediğini göstermiştir. Isı iletim katsayısı, yoğunluğu ve ısı kapasitesi yüksek olan bir balta malzemesi kullanımı disk üzerindeki gerilmeleri azaltarak aşınma ve kırılma gibi durumların önlenmesinde önemli rol oynayabilir.

Demiryolu Taşıtlarında Kullanılan Fren Disklerinin Isı ve Malzeme Yönünden Değerlendirilmesi

“…Bu yüksek lokal sıcaklıklar, frenin zayıflaması veya ısıl titreme adı verilen istenilmeyen düşük frekanslı titreşimler gibi kabul edilemez fren performanslarına da yol açabilir [19] ve servis ömrünü olumsuz etkiler. Müsaade edilen maksimum sıcaklıktan daha yüksek sıcaklıklarda çalışan sürtünme çifti, termal deformasyonlara, sürtünme katsayısında dalgalanmalara, fren kayıpları oluşmasına neden olabilmektedir [20]. Isıl hasarlar yüzey pürüzlülüğünü artırır ve diskin sürtünme özelliğini bozar [9].…”

“…Şekil 4. Fren Diski Sürtünme Yüzeyindeki Isıl Hasarlar [24] Disk yüzeyinden iç kısmına doğru giden yolda sıcaklıkların ve yüzey gerilmelerinin düşürülmesi diskte oluşacak aşınma ve çatlakların önlenebilmesi ve mevcut çatlakların ilerlemesinin yavaşlamasına olanak tanıdığından, frenleme basıncı ve disk malzemesi seçimi fren disk tasarımında oldukça önemlidir [20]. Fren disklerinde çatlak oluşumuna engel olmak için; yüksek akma ve yorulma dayanımına sahip malzeme seçilmeli, frenlemede oluşan sıcaklığın düşürülmesi için gerekenler yapılmalı ve/veya fren diski tasarımında gerilmeleri azaltacak değişikliklere gidilmelidir.…”