Fren Sesi Analizi

ARKA PLAN BİLGİLERİ
Disk fren mekanizmasının ana ilkesi, taşıtın termal formdaki (bir sürtünmede 50 kW) kinetik enerjisini ve fren sesinden kaynaklanan gürültüyü (100dB’in üzerinde) dağıtmak için, balatalar ile rotor arasındaki sürtünmeden yararlanmaktır. Fren sesi, fren yapma eylemi sürecinde fren sistemi bileşenlerinin uzun süreli ve yüksek frekanslı (1000 Hz’den fazla) titreşimidir. Bu frekanslar tamamıyla insan kulağının işitebileceği aralıkta (20 Hz - 16,000 Hz) olup, taşıtta bulunanları rahatsız eder ve müşteri memnuniyetsizliğine ve dolayısıyla da garanti kapsamındaki bakım maliyetlerinin yükselmesine yol açar. Fren sesi otomobil üreticileri için en zorlu kalite meselelerinden biridir. Fren sesi üzerinde nice araştırma yapılmış olmasına rağmen, bu sesin sebepleri halen tam olarak anlaşılamamıştır. Bu, kısmen frenden ses gelmesi olayının çok karmaşık yapısıyla, kısmen de otomotiv endüstrisinin işleyişiyle -yani sektöre bağlı mühendislerin araştırmalarını meslektaşlarının değerlendirmelerine açık bilimsel dergilerde yayınlamamalarıyla- açıklanabilir.

FREN TASARIMININ TEMEL ÖĞELERİ

Fren diski genellikle gri dökme demirden (mükemmel sönümleme özelliğine sahiptir) üretilir ve tekerlek yataklarının fren eylemi sırasında rotorun-balata sürtünmesinden ortaya çıkan yüksek sıcaklıklardan koruması için silindir şapka şeklindedir. Frenlerin bu şekilde tasarlanması suretiyle yataklara giden hava akış yolu genişler ve böylelikle yataklar üzerindeki ısınma etkisi en düşük seviyeye çekilir. Havalandırmalı disklerde, mod ayrılması sağlamak ve böylelikle akuple titreşimi en aza indirmek için diskin farklı uzunluklarda (uzun ve kısa) bir dizi kanatçıkla birbirine bağlanan iki diskle üretilmesi yoluyla, soğutma işlemi daha da güçlendirilir. Genellikle, disk titreşiminde simetik modların azaltılması için asal sayılarda (17, 23, 31, 37 veya 41) kanatçık kullanılır. Yüksek performanslı ve özel üretim disk frenlerde, rotorlar, ısınmanın olumsuz etkilerini en aza indirmek için genellikle oluklu ve/veya deliklidir. Fren balatası aksamları ise bir sürtünme malzemesinden oluşmakta olup, bu parça sert bir balata destek plakasının ayrılmaz parçası da olabilir. Sürtünme malzemesi genellikle dişi kalıpla üretilen kompozit bir materyal olup, metal telcikler, sürtünme düzenleyiciler ve grafit gibi katı yağlayıcılardan oluşan diğer fren bileşenlerini bir arada tutar.

FREN SESİ SÜRECİNE YOL AÇAN ETMENLER

Fren sesi sistemin dinamik istikrarsızlığına ve fren yapma sürecinde oluşan gürültü ve titreşime bağlı olarak ortaya çıkar. Bu olay sırasında rotor ses oluşumunun bir numaralı kaynağı olup, her ne kadar fiili düzlemsel hareketi birkaç mikron seviyesini geçmese de, sesin yayılmasına yol açan rotorun düz yüzeyidir. Fren sesinin en büyük sebeplerinden biri, rotor ile fren balatasının yüzleşen yüzeylerinin sürtünmesidir ki, ses eksitasyonu da bu sürtünme aşamasında ortaya çıkar. Rotor ile balatalar arasındaki sürtünme katsayısının () artması, frenin ses çıkarmaya yatkınlığını artırır.
Rotorun ve fren balatasının topografyası, fren sesinde çok önemli bir rol oynar. Ayrıca termal etkilerin de fren sesinde büyük bir rolü vardır. Örneğin, kızgın noktaların oluşması fren balatalarında ve rotorda sıcaklığa bağlı deformasyona yol açabilecek olup, bu da düşük frekanslı dengesizlik (titreme) yaratabilir.
Rotor ve fren balatası kendi doğal modlarında sahiptir ancak analizcinin ilgi alanı, genel sistem performansıdır. Rotorun ve balatanın tipik frekanslarının ve tipik şekilleri, taşıta bir kez monte edildikten sonra değişecektir. Frenleme sırasında tüm fren sistemi aksla dinamik olarak entegre olur ki, bu titreşimi daha da değiştirir ve bileşen düzeyinde titreşimden çok daha farklıdır.

FREN SESİNİ EN AZA İNDİRMEK İÇİN KULLANILAN STRATEJİLER

Fren sesini en aza indirmek için kullanılmakta olan stratejilerden bazıları: Rotor sönümlemesini artırmak; titreşimlerin akuple olmaması için rotor kanatçıklarını faz farkı tetikleyecek şekilde değişen kısa ve uzun kanatçıklarla1 değiştirmek; fren balatasında organik madde tozu veya lastik dolgu kullanmak veya farklı sertlikte iki veya daha fazla aşındırıcı materyali birleştirmek; grafit yağlayıcılar kullanmak ve/veya suyun sürtünme katsayısını artırması sebebiyle fren balatasının su soğurma eğilimini azaltmaktır. Fren balatalarının ve rotorun, işitilebilir aralıktaki doğal doğal frekanslarının birbirinden olabildiğince farklı olacak şekilde tasarlanması da sesi bastırabilir 2 3. Sesin ortadan kaldırılması için kullanılmakta olan bir diğer yöntem de karşı titreşim, yani sürtünme kuvvetlerinin etkilerini en aza indirecek yüksek frekanslı bir bozucu kullanmaktır4.

FREN SESİ TEORİLERİ

Fren sesini açıklayan iki teori vardır: 1) Yapışmalı-kayma ve sıyırmalı-kayma, ve 2) iki modun birleşip karmaşık dengesiz bir mod oluşturdukları şekilsel kenetlenme veya akuplaj. Düzlemsel rotor modu sesi, yüksek frekanslı seslere yol açar. İlk üç teğetsel model frekansında bunlar rotor boyutuna bağlı olarak genellikle 6-7 kHz, 10-11 kHz ve 14-15 kHz civarındadır. Dolayısıyla rotorun teğetsel modal dengesizlik eğiliminin en aza indirilmesi ve bunun yanı sıra karmaşık dengesiz bir mod oluşturacak şekilde düzlem dışı akuplaj yapmasının önlenmesi önemlidir.

FREN SESİ ÇÖZÜMLERİ

Fren sesini fiziksel olarak tespit etmek için bir dizi test tekniği bulunmaktadır: 1) lazerli titreşim-ölçer ODS (Operational Deflection Shape / İşlevsel Defleksiyon Şekli), 2) ivme ölçer, veya 3) defleksiyonu ölçmek için holografik interferometri (girişim-ölçümü). Her ne kadar deneysel yöntemler fren sesi analizinde halen önemli bir rol oynasa da, CEA yöntemleri de fren seslerinin öngörülmesiyle ilgili anlayışı her geçen gün artırmaktadır.  CAE yöntemleri bir yandan fiziksel prototip maliyetinin azaltılmasına yardımcı olurken, diğer yandan da sistem davranışının daha iyi anlaşılmasını sağlamakta ve nihai sistem tasarımından önce farazi (“şöyle olursa ne olur”) çalışmaların yapılmasına olanak tanımaktadır.

Fren sesi için çok-disiplinli çözümler

MSC.Software, karmaşık fren sesi fenomeninin Çok-Disiplinli (Multi-Discipline = MD) çözüm araçlarıyla ele alınmasına yönelik teknolojiler geliştirmektedir. MSC.Software’e ait MD Nastran ve MD Adams, fren sesi simülasyonlarında, kapasitesi doğrusal ve doğrusal olmayan istatistiklerden, doğrusal ve doğrusal olmayan dinamiklere, modal analizlere ve frekans analizlerine, termal analizlere, çok-disiplinli potimizasyona ve geniş kapsamlı sistem hareket simülasyonuna kadar uzanan, benzersiz çok-disiplinli çözümler sunuyor. MD Nastran ve MD Adams, birlikte, fren sesi simülasyonunda yaşanan birçok zorluğa cevaben eksiksiz bir entegre çözüm sağlıyor.

MD Nastran’ın yardımıyla, mühendisler daha kısa süre içinde, daha az çaba harcayarak, daha kesin sonuçlar alabiliyorlar. Örneğin fren sistemi üzerindeki zamana bağlı yükler, başta esnek bileşenler ve temas olmak üzere, genel fren performansının daha doğru şekilde öngörülmesine yönelik hareket simülasyonuna ait bu çok-karoserli taşıt hareket analizine bakarak belirlenebilir. Bu yükler, aynı veri modelinin kullanılması yoluyla ve gerçek uçtan-uca simülasyon için genel çözümler sunan bir çerçevede, fren sisteminin ayrıntılı sonlu eleman analizini yapmakta kullanılabilir. Hareket çözücüleri ve yapısal çözücüler arasında manuel veri transferinin ve çevrimlerin engellemiş olması da, simülasyona daha yüksek bir doğruluk ve bütün olarak verimlilik kazandırmaktadır.

Çok-disiplinli çözünde kondüksiyon, konveksiyon, radyasyon ve adveksiyon dahil termal koşulların yanı sıra, karmaşık gizdeğer analizleri de göz önünde bulundurulabilmektedir. Maliyetlerin düşürülmesi ve performansın artırılması için, MD Nastran, mühendislerin, çok çeşitli özel tasarım kısıtlamaları altında -başta materyal özellikleri ve modal yanıt olmak üzere- dahi, optimum performans için şekil, boyut ve topoloji optimizasyonu yapabilmelerini sağlayan çok-disiplinli optimizasyon çözümleri sunmaktadır. Hareketli, yapısal, doğrusal olmayan, termal ve modal teknolojilerin ve optimizasyon teknolojilerinin ortak bir veri modeli ve ortak bir çözüm sağlayıcı çerçevesinde benzersiz şekilde bütünleşmesi, fren sesi sorunları için bütünlüklü, uçtan uca ve çok-disiplinli bir sistem çözümü yaratmaktadır.

Fren sesi analizinin en zorlu alanlarında, MSC.Software müşterilerin daha yüksek doğruluk, güvenilirlik ve verimlilikten faydalanmasını sağlayan teknolojilere yatırım yapmaya devam etmektedir. An itibarıyla, MSC.Software’e ait MD çözümlerinin fren sesi simülasyonları tarafından yararlanılabilecek kilit özellikleri arasında, sağlam bir sürtünme temaslı doğrusal-olmayan yapısal analiz, karmaşık gizdeğer analizi ve optimizasyon yer almaktadır.
Potansiyel fren sesi modlarının doğru şekilde öngörülebilmesi, fren balataları rotoru sıkıştırdığında oluşan yükün etkisini açıklamak için, fren balataları ve rotor arasındaki doğrusal olmayan temasın simüle edilmesini gerektirir. Şekil.1, Rotor ve fren balata sistemine ait tipik bir MD Nastran modelini göstermektedir. MD Nastran’ın kullanışlı temas modelleme işlevi ve geniş kapsamlı doğrusal olmayan malzeme kitaplığı, mühendislerin balatalar rotorla temas ettiği anda oluşan yükü çabucak ve kesin doğrulukla simüle edebilmelerine olanak tanımaktadır.
 

Şekil 1. Tipik fren sistemi sonlu eleman modeli

Çok-disiplinli uçtan-uca fren sesi simülasyonu, doğrusal olmayan temas analizinde belirlenen seçilmiş temas yükü seviyelerinde yapılan karmaşık gizdeğer analizlerinden oluşur. Karmaşık gizdeğer çözümü MD Nastran’in karmaşık Lanczos gizdeğer çözücüsü tarafından yapılır. Karmaşık gizdeğer çözücüsü, standart Lanczos ve Hessenberg çözücüleriyle birlikte, MD Nastran’ın endüstri lideri gizdeğer çıkartma teknolojisinin bir parçasını oluşturur. Sürtünme etkisi, karmaşık gizdeğer çözümünde, balatalar ile rotor arasında farklı sürtünme katsayılarındaki teması temsil eden bir temas sertliği matrisi oluşturularak açıklanır. Bu şekilde, değişken sürtünme etkileri, balata yükleri için ayrı doğrusal-olmayan temas analizlerinin yanı sıra, ilgilenilen her bir sürtünme değeri için ayrı gizdeğer analizleri ve veri transferi yapılması yönündeki geleneksel ihtiyacı da ortadan kaldıran tek bir entegre, çok-disiplinli simülasyon ile ölçülebilir. MD çözümü, mühendislerin iki titreşim modelinin bileşme eğilimlerini gösteren ve fren sesinin ortaya çıkma sinyallerini gözler önüne seren fren sistemi senaryolarını kesin doğrulukla ve verimli şekilde tanımlamalarına olanak tanır.

Örneğin, Şekil 1’deki gibi iki balatalı tek rotorlu tipik bir fren aksamı düşünelim. Balatalar ile rotor arasındaki sürtünme teması, MD Nastran’da, potansiyel temas bölgelerinin önceden bilinmesine gerek olmaksızın tanımlanır. Balatalar ile rotor arasında, başta sürtünmesiz temas, spesifik bir sürtünme katsayısı değeri, veya balatalar ile rotor arasında kaymasız mükemmel tutunmayı simüle eden yapışmalı temas olmak üzere, çeşitli sürtünme senaryoları simüle edilebilir.  Daha sonra, balata ile rotor arasındaki çeşitli temas yükü koşullarındaki gizdeğerleri ve mod şekillerini belirlemek için karmaşık gizdeğer ekstrasyonu yapılır. Şekil 2 dengesiz olduğu tespit edilen ve bu yüzden fren sesini temsil eden bir modu göstermektedir.
 

Şekil 2. Dengesiz fren sesi modu

MD Nastran ile çok-disiplinli optimizasyon, fren sesi çalışmalarına güçlü bir tasarım aracı sunmaktadır. Çok disiplinli optimizasyon özelliği, mühendislerin sorunlu fren sesi frekanslarını önleyecek tasarımlar geliştirmelerine olanak tanımaktadır. Örneğin, belli bir fren sesi modunun üstesinden gelmek için fren sistemi parçalarının materyal özellikleri çok-disiplinli optimizasyonda tasarım değişkenleri olarak ele alınabilir ve böylelikle fren sesi fenomenini daha yüksek bir frekansa itebilir. Önceki örnekte, Şekil.2’de görülen dengesiz modun ortadan kaldırılması amacıyla, kaliperin, diskin, balataların ve pistonun ağırlığı bir tasarım değişkeni olarak ele alınmıştır. Çok-disiplinli optimizasyon çözümü, bu farklı fren sistemi bileşenlerine, Şekil.2’de görülen fren sesi modunu daha yüksek bir frekansa itecek şekilde özel bir ağırlık kombinasyonu tanımlamış, bu da bir önceki dengesiz fren sesi frekansını yeni ve dengeli bir moda dönüştürmüştür. Çok-disiplinli optimizasyondan elde edilen yeni dengeli mod Şekil.3’te gösterilmiştir.

Çok disiplinli çözümler, istenen fren sesi tasarım koşullarının elde edilmesi için, fren sistemi yüklerine yönelik taşıt hareket analizi, balata/rotor sürtünme teması için doğrusal olmayan analiz, mod şekilleri ve frekanslar için gizdeğer analizi ve sistem düzeyinde tasarım optimizasyonu ile, eksiksiz bir fren sesi simülasyonu ortamı sunmaktadır.

Şekil 3. Ağırlık optimizasyonundan sonra denge kazanan fren sesi modu

SONUÇ
MSC.Software’e ait çok disiplinli çözümler olan MD Nastran ve MD Adams, uçtan-uca fren sesi simülasyonu için tek ve entegre bir platform sunmaktadır.

MD çözümleri ile mühendisler, sistem üzerindeki hareketli, yapısal, doğrusal-olmayan ve titreşimsel etkiler başta olmak üzere, tüm fren sisteminin fren sesi performansını simüle edebilir. Bu disiplinlerin her biri için geleneksel olarak ihtiyaç duyulan ayrı analizler, ortak bir veri modeli ve ayrı analizler ve farklı çözücüler arasında veri aktarımı ve çevrim ihtiyacını ortadan kaldıran ortak bir çözüm sağlayıcı çerçevesinde bütünleştirilmiştir. Çok-disiplinli optimizasyon, çalışma frekanslarında fren sesini önleyebilen fren sistemleri geliştirilmesi için fren-sistemi bileşen tasarımında optimizasyon sağlayarak, fren sesine yönelik çok-disiplinli çözümlerin gücünü daha da artırmaktadır. Karmaşık Lanczos gizdeğer ekstrasyonu ve paralelizasyon gibi gelişmiş çözüm sağlayıcı teknikler, fren sesine günümüzün yaygın donanım platformlarında ölçeklendirilebilir çözümler sunmaktadır.

MD Nastran ve MD Adams’ın sağladığı güç ile otomobil üreticileri bir yandan yüksek maliyetli fiziksel testlere duyulan ihtiyacı azaltırken, diğer yandan da sanal testin sunduğu sayısız avantajla fren sesi özelliklerini iyileştirebilirler. Çok disiplinli çözümler, birçok bilimsel disiplinin konusuna giren etkileri simülasyonlarda daha yüksek doğruluk sağlayan tek bir yazılım ortamında birleştirerek çalışma kabiliyeti sunarken, geleneksel fren sesi tasarım sürecinde ihtiyaç duyulan zaman ve emekten de tasarruf sağlamaktadır.

*********************************************************************

1 Soğurmalı disk freni rotoru, ABD patentli: 6,505,716 B1, 003; Disk freni rotoru, ABD Patentli: US 6,4325,185 B1, 2001; ve Disk freni rotoru , ABD patentli: US 6,325,185 B2, 2003
2 P.C. Brooks, D.A. Crolla, A.M. Lang, D.R. Schafer, Eigenvalue Sensitivity Analysis Applied to Disc Brake Squeal (Disk Freni Sesine Uygulanan Gizdeğer Hassasiyeti Analizi), kaynak: Braking of Road Vehicles (Karar Taşıtlarında Fren Mekanizması) Institution of Mechanical Engineers (Makine Mühendisleri Enstitüsü), Mechanical Engineering Publications Limited, Bury St. Edmunds, İngiltere, 1993, pp. 135-143.
3 Y. Kumemura, Y. Gamo, K. Kono, S. Suga, Analysis for Reducing Low Frequency Squeal of a Disc Brake , Technical Report (Düşük Frekanslı Disk Freni Seslerinin Azaltılmasına Yönelik Analiz, Teknik Rapor) 2001-01-3137, SAE, Warrendale, PA, 2001.
4 K.A. Cunefare, A.J. Graf, Experimental Active Control of Automotive Disc Brake Rotor Squeal Using Dither (Otomobil Disk Fren Rotoru Sesinin Karşı Titreşim Kullanılarak Deneysel Aktif Denetimi), Journal of Sound and Vibration 250 (4) (2002) 579-590.

HABERİN DEVAMI İÇİN AŞAĞIDAKİ LİNKLERİ TIKLAYINIZ:

“Yapalım da görelim” anlayışını “Görelim de daha sonra yapalım” anlayışına çevirmeliyiz!

Proje sürecinde en önemli hata ihtiyaç ve risk analizine yeterince vakit ayırmamak

Simülasyonun lojistik uygulamaları

Büyükler için oyunlar, Lojistik’te Simülasyon

Sorunsuz bir hattın öncesinde ‘çözüm odaklı çalışmak’ yatıyor

Fren sesi simülasyonu kapasitesinin geliştirilmesi